毕业设计（论文）-基于自动控制的磨煤机系统.doc

中国石油大学胜利学院专科毕业论文 专科生毕业设计（论文）题 目： 基于自动控制的磨煤机系统 学生姓名： 系 别： 机械与控制工程学院 专业年级： 指导教师： 2015年 6月 15 日1中国石油大学胜利学院专科毕业论文摘要自动控制磨煤机是火力电厂中广泛采用的一种制粉设备。它具有能耗低、生产效率高、研磨煤种范围广和不受异物影响等优点，但是磨煤机运行时也存在一定的问题，有时出力不均匀，功耗变大，甚至发生堵煤和乏煤现象。这是由煤位检测设备精度低造成的，而国外的煤位检测设备虽然检测精度高，但进口价格昂贵。因此自主进行检测设备的研发对于降低整体成本，具有重要意义。论文首先介绍了自动控制磨煤机的工作原理、特点及传统的煤位检测方法，针对传统的煤位检测方法的不足，采用自动控制的原理，并进行了有关试验，结果表明改造后的磨煤机控制系统能够使磨煤机迅速调节负荷，使料位控制系统能真实反映磨煤机内煤位的高度，从而实现系统的自动控制。关键字： 自动控制磨煤机；自寻优控制；料位压差测量 Abstract Automatic control of coal mill is widely used in thermal power plant of a milling equipment. It has a low energy consumption, high efficiency, wide range of grinding coal and is not affected by foreign bodies, etc, but coal mill run time also has certain problem, sometimes uneven output, power consumption, even coal and FaMei blocked. This is caused by low coal testing equipment precision, and foreign coal testing equipment while detection precision is high, but expensive imports. So the independent testing equipment research and development to reduce the overall cost, is of great significance. Paper firstly introduces the working principle of automatic control of coal mill, characteristics and the traditional coal detection methods, aiming at the shortcomings of the traditional coal detection methods, using the principle of automatic control, and the relevant test, the results showed that the modified coal mill control system to make the coal mill adjust the load quickly, and can reflect the material level control system in coal mill, the height, so as to realize the automatic control system. KeyWords： Automatic control of coal mill; The optimal control; A differential pressure measurement目 录第一章 绪论41.1 课题背景和意义41.2 自动控制磨煤机煤位检测技术的发展状况51.3 本文研究内容7第二章 自动控制磨煤机的料位测量82.1 自动控制磨煤机的工作原理及特性82.1.1 磨煤机工作原理82.1.2 磨煤机特性92.2 自动控制磨煤机的测量方法-料位压差测量92.2.1 料位压差测量原理92.2.2 料位压差检测系统的特点及构成92.3 料位测量遇到的问题及解决方法10第三章 自动控制磨煤机料位自寻优-采样控制113.1 自动控制磨煤机料位控制系统113.2 磨煤机料位优化模糊自适应控制原理123.3 自动控制磨煤机的料位自寻优控制143.3.1 料位自寻优控制策略153.3.2 料位自寻优算法控制方案173.5 料位优化控制小结20第四章 结 论21参考文献22致谢23第一章 绪论1.1 课题背景和意义我国现在正处于经济高速发展期，对电力的需求也在不断地增长，这促进了电力工业的飞速发展。我国的水利电站受到自然条件等的限制，难以大规模的兴建，所以新建的电站以火力电站为主。而磨煤机是火力发电厂机组一个必不可少的辅助设备，受到人们越来越多的重视，对于如此一个耗能大户，它的安全经济运行也直接决定着电厂运行的经济性和安全性。国内常用的磨煤机包括风扇磨煤机、中速磨煤机、钢球磨煤机和自动控制磨煤机等，与中速磨煤机相比钢球磨煤机研磨煤种范围广，特别适用于无烟煤。近年来，由于欧美等发达国家的大型发电机组对钢球磨煤机出力要求越来越高，以及无烟煤产量下降，钢球磨煤机逐渐被中速磨煤机所取代。在我国，由于4力发电厂钢球磨煤机多达3000多台，并且在今后相当长的时间内仍将继续使用。而在目前，自动控制磨煤机凭借其出力均匀，制作方便等特点，正在得到人们越来越广泛的关注。自动控制磨煤机在实际生产运行时，常出现堵煤和乏煤的情况，且与国外同类型的磨煤机相比，电耗也偏高，经济性差。其主要原因是磨煤机的煤位检测设备不如国外的精度高，这使磨煤机难以工作在理想的煤位上，煤位的高低决定着磨煤机的工作状态。如果煤位过低，则磨煤机效率低、功耗大、振动噪声大，如果煤位过高，钢球无法将煤粉砸碎，严重时造成堵煤，使系统崩溃。因此，想要充分发挥磨煤机的高性能，就要进口国外生产的磨煤机煤位检测设备，而国外的检测设备进口价格昂贵，致使磨煤机整体设备造价偏高。急需一种自主研制的煤位检测设备来代替此类产品，以求降低成本。制粉系统作为火力发电厂一个重要辅助系统，其安全性、经济性与企业利益密不可分。而磨煤机作为制粉系统的一个主要设备，其耗电量占到了整个制粉系统的70%80%。由于磨煤机料位控制一直以来都是制约磨煤机安全、经济运行的难题，因此，迫切希望找到一种方法，能实现磨煤机长期处于最佳料位区间安全、经济运行，能够产煤自动化，从而实现自动控制的磨煤机系统。1.2 自动控制磨煤机煤位检测技术的发展状况1929年以来的70多年发展过程中，Foster Wheeler能源公司最终将自动控制磨煤机设计得简单而可靠，将磨煤机设计成两端完全对称，即磨煤机两端燃料和空气的进出口在结构外形上完全一样，使得该磨煤机达到了较高的可用率。在磨煤机负荷减小时，煤粉的细度会增加。因此，该磨煤机的这些特点使其能在燃烧器任何组合的运行方式和磨煤机的出力非常低时得到稳定的燃烧火焰。在刚启动和低负荷的运行条件下，煤粉的细度可以达到100%通过200号筛，从而可以大量减少点火和暖炉所需的燃料。如果磨煤机两端的两台给煤机同时停止工作，此时该磨煤机中所储备的燃料量仍足够维持满负荷的煤粉输出量达89分钟。美国SVEDALA公司制造磨煤机的历史已有一百多年。在全世界，己安装的该公司生产的自动控制钢球磨煤机也有几百台，我国大港电厂(意大利托塞厂采用SVEDALA公司的转让技术)、岳阳电厂(巴布科克采用SVEDALA公司的转让技术)和上安电厂均采用该公司的自动控制磨煤机技术。最近几年，SVEDALA公司又在原有技术的基础上，对自动控制磨煤机进行了改进，如把容易磨损的绞龙去掉，改变了一次风的入口等，从而减少了维护费用。针对磨煤机的机理特点，根据制粉系统磨煤机的工作过程机理，研究了各输入、输出之间的相互影响，通过集中参数方法建立了磨煤机的动态参数模型，用三输入三输出的状态方程表示。此模型很好地揭示了钢球磨煤机的运行状况及其非线性、强耦合的特性，而且适合于不同类型的钢球磨煤机。之后，他又针对钢球磨煤机优化控制的问题提出了一种由优化计算机、集散控制系统(DCS)、仪表与执行机构的虚拟装置以及模拟现场制粉系统的对象计算机所组成的分布式仿真实验平台。该实验平台可以逼真地模拟工业现场的控制情况，为开发钢球磨煤机制粉系统的智能解耦控制软件产品提供了原型控制算法的工业验证工具。在模糊控制理论的基础上，以球磨机制粉系统为被控对象，提出了一种新型的多变量模糊控制算法，它由解耦补偿器和自组织模糊控制器组成，并对修正函数和控制规则进行了行之有效的改进，同时为了更好的表征磨内存煤量，研制了安装在磨前轴承上的拾音式负荷变送器，并且用仿真实验结果验证了这种方法的可行性和有效性；并且将理论成果应用于工程实际，研究了和某国产DCS系统的接口问题。随着研究的不断深入，华北电力大学的刘长良等人将模糊控制理论进一步发展，提出了自适应模糊控制算法和递阶模糊控制算法，解决了模糊控制理论中的稳态控制精度和规则爆炸的问题，进一步适应工业现场的实际应用。同时华北电力大学对制粉系统的动态数学模型、解耦算法进行了研究，将神经网络模型、逆系统等先进的控制思想引入制粉系统的控制过程，取得了一定的成绩。1.3 本文研究内容本文在磨煤机的控制方法上进行了研究，提出了新的思想和方法, 为该系统的自动控制提供了新的尝试和途径。（1）查阅了相关文献 ，认识到磨煤机在检测技术和优化控制方面的发展状况，对磨煤机的结构、工作原理及特性、检测技术、优化控制进行分析。在进行相关分析后对磨煤机自动控制进行深入研究，从而解决实际运行中出现的问题，如磨煤机工作在人员缺少或劳务繁重时能实现自动化控制。（2）在磨煤机的煤位检测问题得到改进后，要对磨煤机的负荷料位进行自动控制，使磨煤机工作在最理想的煤位状态下，以保证磨煤机的低功耗、低磨损。第二章 自动控制磨煤机的料位测量2.1 自动控制磨煤机的工作原理及特性2.1.1 磨煤机工作原理图2.1 自动控制磨煤机工作原理图自动控制磨煤机工作原理：系统采用研华工业控制计算机为上位机，采用ADAM400系列模块作为A/D，D/A转换器，同时采用性能可靠的变送器作为二次测量元件。2.1.2 磨煤机特性连续作业率高，对铁和大块的敏感性较差；维修次数少，钢瓦耐磨性较强，5年内更换性少；出力和细度较稳定，自动控制磨煤机的出力调整是通过调整一次风量达到,因此在负荷较稳定的情况下，出力和细度则相应地较为稳定；筒体内具有较大的储存能力：在全断煤情况下磨煤机可继续运行15分钟供给锅炉煤粉；低负荷时煤粉细度增加，利于燃烧稳定；在较宽的负荷范围内有较快有响应能力；风煤比较低。投入生产更加方便经济适用。2.2 自动控制磨煤机的测量方法-料位压差测量2.2.1 料位压差测量原理料位压差测量装置的工作原理是通过测量管路来测量磨煤机内煤粉的浓度，它直接反应压差的变化，浓度高表明压差值大，浓度低表明压差值低，装置根据煤粉料位的高低，通过输入的电流信号通过 PLC系统来控制给煤机的给煤量。通过伸到旋转的、有压力变化容器的内部上、下两个探头进行测量，下探头埋在被测量物料下边，上探头设置在被测量物料上面。系统测量时通过管路向两个探头输入衡定、微量气流，再用压差变送器测量两个探头之间压力差值。将压力差值通过换算，可测得出容器内部物料的厚度。2.2.2 料位压差检测系统的特点及构成与其它基础原理不同的是，自动控制磨煤机运行时筒体内压力较高并且不断变化。因而，在磨煤机筒体内中空管的上端安装了上探针，使输出的检测气流与筒体内压力同步变化，从而实现动态压力下能够准确测量料位。按其功能分为四个子系统：(1) PID压力控制子系统：由调节阀、调节仪、压差变送器、孔板1、储气缓冲罐组成。(2) 检测气流产生和输出子系统：由孔板1、孔板2、输送管路、上探针P1、下探针P2组成。(3) 磨煤机筒体内压力监测前馈子系统：由输送管路、上探针P1、孔板1、压差变送器、调节仪组成。(4) 检测示值子系统：由压差变送器（图中用压差高度示管表示）、管路组成。2.3 料位测量遇到的问题及解决方法遇到的问题：（1）钢球变小和数量减少后，钢球在磨煤机筒内的容积比例下降，料位的下取样口相对于以前工况下被抬高了，所产生的压差有不准现象；（2）料位下取样探针脱落，此长探针133毫米、短探针77毫米。它的脱落会导致料位的下取样口相对于正常工况被抬高了；（3）采用小钢球生产时，煤粉细度与设计值变化较大，导致实际中压差压与料位的线性关系发生变化。解决办法：（1）恢复已脱落的下取样探针，注意焊接质量，防止再次脱落；（2）关闭下双探针中的短探针，等于把下取样口下移56mm左右；（3）如果能适度下移端衬板，并可能延长下探针长度。第三章 自动控制的磨煤机系统3.1 自动控制磨煤机料位控制系统 自动控制磨煤机煤位由给煤机转速控制。另外磨煤机热风量、冷风量都对煤位有着直接的影响，当改变热风量或冷风量时，磨煤机一次风带走的煤粉也随着改变，致使煤位产生变化，为了在热风量或冷风量变化时给煤量也能随着快速相应地变化，在煤位控制系统设计中把热风量与冷风量作为前馈调节量，以使给煤量能跟随风量变化快速做出相应的调整，自动控制磨煤机正常运行时，冷风量和热风量由磨煤机的容量风门调节，根据此控制方案可以得到自动控制磨煤机煤位控制系统简图.磨煤机的煤位值取磨煤机驱动端和非驱动端煤位的平均值，煤位的指令值与煤位的测量值之间的偏差由控制系统主调节器PID1 进行调节。容量风门开度的变化作为给煤机转速调节的前馈扰动直接送入给煤机转速调节的执行机构，这样在磨煤机风量改变时，给煤量能迅速动作，便于保持磨煤机内煤位不变。PID2、PID3 分别为驱动端和非驱动端给煤机调节回路的调节器，通过它们实现对给煤机指令给煤量与实际给煤量进行调节。3.2 磨煤机料位优化自动控制原理通过对自动控制磨煤机工作原理的分析可知，该类型的磨煤机出力主要靠调整通过磨煤机的一次风量进行控制，磨煤机内风煤比始终保持不变；也就是说在给定负荷下，如果想增减磨煤机出力，只需增减一次风量即可实现。为了保证磨煤机的正常运行，必须保持磨煤机内有稳定的煤量。为此自动控制磨煤机采用了一个单独的测量控制回路，即料位压差测量装置，通过测量磨煤机内部压差，跟踪工况变化，自动调节给煤量，使磨煤机维持在最佳工作点附近运行，这也是磨煤机优化控制的重点和难点。料位压差测量装置的工作原理是通过测量管路来测量磨煤机内煤粉的浓度，它直接反应压差的变化，浓度高表明压差值大，浓度低表明压差值低，装置根据煤粉料位的高低，通过输入的电流信号通过 PLC系统来控制给煤机的给煤量。针对磨煤机负荷特性，改进常规PID控制，采用磨煤机料位优化模糊自适应控制：自适应控制算法能够在制粉系统对象发生改变时自动感知变化，根据对象的变化实时调整控制器参数，保证磨煤机料位控制的性能；在控制特性改变时采用自寻优算法快速寻找到新的最佳设定值。3.3 自动控制磨煤机的料位自寻优控制目前火电厂应用的磨煤机制粉系统约占总量的60%以上。但是，该类制粉系统结构复杂且运行中存在诸多缺点，磨煤机利用自寻优控制技术，使其在最大出力工作点附近工作，是降低单耗的关键。自寻最优控制，不要求建立被控对象的数学模型，可直接利用被控对象的极大值、极小值或其它非线性特性，用改变输入参数以试探对控制指标影响的方法，逐步搜索到最优工作点。并且，当各种不定因素使对象特性产生漂移时，能自动搜索使控制指标重新达到新工况下的最优状态，可提高磨煤机产量。自寻优控制的工作过程可以概括的表示为：调节被控对象的输入量，试探其对输出的影响，将表征输出偏离最优点的信号反馈到控制输入量的执行机构，改变输入量的调节方向，使输出量接近最优点。磨煤机筒内料位是一个受多种因素影响的成复杂关系的变量，虽然通过软测量技术能够直观的测量料位变化，但是它却无法反映磨煤机何时达到出力最大。因此需要融合多种能反映磨煤机运行状态的参数，才能在闭环控制下将料位调控到最大出力点。磨煤机投入运行后，给煤机不断向筒内给煤，随着筒内存煤量的加大，电动机的功率亦不断增大，但当电动机功率增大到极大值时，磨煤机的出力并未达到最大，磨煤机的出力最大点在功率最大点的右边。所以，如果能将磨煤机的运行工作点推向最大出力点附近，既可节约用电，又可提高磨煤机产量。因此，采用磨煤机来判断最佳料位。方法是，在给定通风量下，从零位向磨煤机充煤，随着给煤量增加，磨煤机功率会逐渐上升至峰值，继续充煤，功率将将从峰值开始下降，当降至小于峰值功率时，料位为最佳料位。动态自寻优控制是解决控制对象具有时变特性的一种有效方法。控制上采用在运行过程中连续测量和不断理解的办法，由系统本身探测当时系统的运行条件，做出正确决策。这样，当控制对象特性发生漂移时，能够在系统运行中通过连续测量和不断修正控制作用，使被控对象运行在一个最优的工作状态。动态自寻优控制需要在线寻找当前的最佳负荷水平，控制球磨机运行在最佳的出力状态，其寻找的最优工作点既不是固定的，也不是一个预设值，在实际生产过程是变化的，需要通过在线自动搜索得到。为此，提出的动态自寻优策略即在保证系统安全运行的前提下，通过不断改变负荷设定值，寻找磨煤机最大出力点，从而保持系统长期工作在最佳出力状态。因此，针对火电厂磨煤机进行优化控制，以达到节能降耗、安全生产和保护环境的目的，对确保发电企业的安全、经济运行，具有十分重要的意义。3.3.1 料位自寻优控制策略针对火电厂磨机的负荷控制, 本文提出了自寻优-采样控制策略相结合的双层控制结构, 对于磨煤机料位的控制，采用分段控制策略,即料位在规定的范围内时，认为磨煤机工作在正常的工况下，为提高经济性采用自寻优控制；当料位超出规定范围，认为磨煤机工作在非正常工况，控制切换成异常工况控制系统，整个控制系统由两个回路组成，正常工况以及异常工况。系统首先从现场采集各个相关信息，例如磨进出口压差、出口温度筒内料位等信息，送入制粉系统运行工况判别单元，该单元主要是根据进出口压差、料位、出口温度以及磨煤机电流信号，判断系统的运行状态出力系统，进行及时的调整路。系统向自寻优系统输入信息模糊-PID控制系统提供目标值，当判断系统出现异常工况，控制切换到异常工当系统处于正常工况，控制切换为自寻优控制回路，自寻优根据所来信号给出料位的最优值，对磨煤机系统测量信号的局限节回路的被调量都进行了一定的滤波，以及磨煤机本身运行特性因素的影响。 磨煤机内煤粉的浓度，它直接反应压差的变化，浓度高表明压差值大，浓度低表明压差值低，装置根据煤粉料位的高低，通过输入的电流信号通过 PLC系统来控制给煤机的给煤量。利用这个特性可以有效监测到磨煤机负荷量变化的趋势，在此基础上实现给煤量的自动控制。采样控制是解决对象反馈滞后问题的一种有效方法，在采样控制中, 每一个采样周期被分为两段, 在采样阶段, 采样开关接通, 控制器按积分作用输出控制信号, 这段时间控制的动作可以称为“调一调”； 为避免不必要的超调, 在下一个等待阶段, 控制器不再接受偏差信号, 而是保持控制器的输出不变, 这是“等一等”的阶段； 在纯滞后 时刻后, 系统的输出发生变化, 控制器根据偏差的大小和方向做下一步的调整, 这是“看一看”的时刻。如此重复上述调整过程, 就可以使系统趋于新的稳态值。根据控制器所采用的控制规律的不同, 采样控制方案可以分为积分型、积分保持型二作用、及输出保持二作用型三类。本文采用的是积分型采样控制规律, 即在采样控制 0t e时刻,控制器按偏差的积分值输出。在t e时刻, 控制器输出保持在t e时刻的值上。同时, 磨煤机运行状态的稳定性很重要, 由于只需要控制磨煤机运行在一个负荷水平下, 即在一个区域里面, 如果磨煤机已经在理想的负荷范围里稳定运行, 就不应该再进行频繁的控制动作, 因此必须引入带死区的 PID 控制算法。当误差位于这个死区内时, PID 控制器不做调节动作。死区的设置应当合适, 如果设的过大, 系统会出现较大的滞后, 太小则会导致过于频繁的控制动作, 不利于系统的稳定运行。3.3.2 料位自寻优算法控制方案料位的自寻优算法可以理解为：设定一个磨煤机负荷最佳区域,如果检测计算到的实际负荷低于区域下限，说明当前出力仍然小于最佳出力点，自寻优算法会适当增大设定值；如果检测到的实际负荷高于区域上限，说明当前出力超过了最佳出力点，自寻优算法会适当减小设定值在不断寻优中，设定值逐步接近最佳出力点，从而实现节能。为保证系统有足够的时间进行稳定，负荷设定值修改，不能过于频繁，因此要求自寻优算法应该选定一个合适的采样周期间隔地进行。常规控制方式将维持料位运行在给定值下，但是对于磨煤机系统最佳料位并不是一成不变的，磨煤机工作时的运行特性会因周围环境和煤质的变化而变化，钢球的磨损、煤种的变化等都会使最佳料位产生漂移，因此控制系统采用料位自动跟踪变化，在运行中不断修正参数，使控制对象始终运行在最佳工作状态。此时料位设定值R也应相应改变，本文采用自寻优算法对设定值进行实时调整。该算法在运行过程中不断测量比较，实时跟随磨煤机的最佳工作点，在控制特性改变时快速寻找到新的最佳设定值。料位的自寻优控制方案具体步骤为:（1）将采样得到的样本进行模糊控制，若判断其位于最佳区域，说明当前出力在最佳出力点附近，满足要求，保持设定值不变；（2）若样本位于低料位区域，说明当前出力小于最佳出力点，自寻优算法会适当增大设定值；（3）若样本位于堵磨工作区，说明当前出力超过了最佳出力点，自寻优算法会适当减小设定值。在这一过程中，设定值逐步接近最佳出力点，从而提高磨煤机的效率。另外料位设定值的修改不能过于频繁以保证系统有足够的时间进行稳定，因此需要根据实际情况选定合适的采样周期间隔地进行采样计算。自寻优控制的功能框图如图3.5所示:采用模糊自适应自寻优控制策略对磨煤机料位压差测厚装置改进后，于机组运行期间拍摄的料位优化试验效果如图3.6所示，从料位的变化曲线可以看出，函数前馈对料位控制效果显著，给煤机接受负荷前馈响应能及时控制出力，按料位的升降趋势超前调节磨煤机料位；试验期间在AGC（自动发电控制）工况下料位未出现影响负荷控制的现象，且在AGC工况下，各项指标都达到优秀。改造后制粉系统达到的技术经济指标：(1) 系统在设计条件下运行，料位差压达到1 100 Pa；(2) 系统在设计条件下料位控制误差：2 mm；(3) 制粉系统负荷跟踪速度：5%/min；(4) 煤质适应性：根据煤质变化实现对料位差压修正；(5) 流量平衡：四管流量误差值为0.025 m3/h.3.5 料位优化控制小结采用模糊自适应自寻优控制策略对磨煤机料位压差测厚装置改进后，于机组运行期间料位优化试验效果，函数前馈对料位控制效果显著，给煤机接受负荷前馈响应能及时控制出力，按料位的升降趋势超前调节磨煤机料位；试验期间在AGC（自动发电控制）工况下料位未出现影响负荷控制的现象，且在AGC工况下，各项指标都达到优秀。第四章 结 论首先探讨了自动控制磨煤机煤位检测及控制的难点，分析了传统的煤位检测方法的不足之处，针对以上问题提出了各