（电气工程专业论文）仓储式制粉系统球磨机控制策略和方法研究.pdf

塑垩查堂三矍堡主堂焦堡苎 塑萋 a b s t r a c t b a l lm i l lp u l v e r i z i n gs y s t e mi so f t c nt ob ei n t r o d u c e di n p o w e r p l a n t ， a n di th a d h i g he l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o nt h a ti si n2 0 p r o p o r t i o nt oa l le l e c t r i c i t yc o n s u m p t i o n i t ss a f e i yr u nw i ni n n u e n c e t h en o r m a l l yw o r ko fp o w e rp l a n t f o rb a l lm i l lc o a lp u l v e r i z e ri sa c o n t r o l l b d s u b j e c t o f m u l t i - i n p u t ，m u l t i - o u t p u t ，s t r o n gc o u p l i n g ， n o n 。l i n e a r n y ，b i gd e l a ya n dc h a n g ew i t ht i m e ，s og r o o v yc o n t r o i l e d m a t hm o d e lp i di sd i f n c u l tt om e e tc o n t r o l l e dq u a l i t yd e m a n d i ti st o s a y ，w h e t h e rm a n u a lo ra u t o m a t i cc o n t r o li sh a r dt oa c c o m p l i s ht h e s t e a d yr u no fb a l lm i l lc o a lp u l v e r i z e r t h i si sap r a c t i c a lp r o b l e mt h a t i sd e s i r a b l et ob es o l v e d 1 nt h i sp a p e r ，c o m b i n e dw i t ht h ec h a n g eo fc o n t r o ls y s t e mo ft h e p o w e rp l a n t ，e m p h a s i z i n go nr e l a t i o n a lt a c t i ci nt h r e ec o n t r o ls y s t e m a b o u tb a l lm i l lc o a lp u l v e r i z e r ( i n c l u d eo u t l e tt e m p e r a t u r e ，i n l e td r a f t p r e s s u r e a n d l o a d ) ， b a s e do nb a s i c s t r u c t u r e ，o b j e c tc h a r a c t e r ， a d j u s t a b l ep r i n c i p l e ，o p e r a t i o nr u l e ，p a r a m e t e ra d j u s t m e n t a n d p r a c t i c 8 lo p e r a t i o n ，f u z z yc o n t r o l a n dn e u r a ln e t w o r kc o n t r 0 1h a v e b e e nu s e d ，a tt h es a m et i m e ，8 0 m ee f f e c t i v em e t h o d 8a b o u ti m p r o v i n g b a l lm i l lc o a lp u l v e r i z e rc o n t r o ls y s t e ma n dc o n t r o lr u l ea r eb r o u g b t f o r w a r d t h o u g ho p e r a t i o nn o to n l yi ta p p i i e st oa l ls o r t so fo p e r a t i o ns t y l e a n ds t a t u s ，b u ta l s oi m p r o v e st h ea d j u s t m e n tq u a l i t ya n de n s u r e se f f e c t a n db u i l tu pc o m p e t i t i v es t r e n g t h k e yw o r d s ：c o a l f h e lp o w e rp l a n t ；b a l lm i l l ；f u z z yc o n t r o l ；n e u r a l n e t w o r k ；c o n t r o ls t r a t e g y l i 浙江大学工程硕士学位论文第一章 绪论 第一章绪论 火力发电厂制粉系统的安全经济运行直接影响发电机组的正常运转。长期 以来，我国火电厂燃煤机组带中间仓储式球磨机制粉系统的自动控制一直是一项 技术难题。球磨机是一个“三输入三输出”的强耦合、非线性、大延迟、大惯性 的被控对象，以往的控制系统均采用三套相互独立的p i d 控制回路，因无法消除 回路间的耦合，故未能投入正常运行。长期手动控制磨煤机运行。不仅容易造成 球磨机满煤、断煤、超温、跑粉事件的发生，也不能使系统长期保持在最大出力 运行。如何使球磨机安全运行，降低磨煤单位电耗，提高机组的自动投入率，成 为电厂自动控制的一大攻关项目“1 。 1 1 课题概述 1 1 1 课题背景 胜利发电厂# 1 、# 2 机组热控系统全部实行了d c s ( 分散控制系统) 、d e h 改 造。但球磨机的运行仍处于人为判断和手工操作的原始状态，厂用电耗大，经济 效益差”1 。因此，胜利发电厂决定成立课题研究小组对# 1 、# 2 机组的制粉系统在 d c s 基础上进行改造，研究和组织实施中间仓储式制粉系统球磨机控制策略和控 制方法。本课题正是在此背景下进行的。 1 1 2 课题研究的目的与意义 课题研究的目的在于通过实施有效的控制策略，提高制粉系统的自动化水 平和控制质量，在保证磨煤机安全运行的前提下，确保磨煤机始终处于最大出力 的工作状态。该项研究工作的意义不仅提高了整个机组的自动投入率和解决磨煤 机的控制问题，而且可以改善磨煤机的运行和操作环境、降低厂用电能的消耗、 减少磨煤机运行故障，从而进一步提高劳动生产率和机组运行的经济性、安全可 靠性。因此，该项研究是一项切合现场实际需求，具有现实意义和工程价值的课 题。 1 1 3 课题研究的主要任务 本课题研究的主要任务是：结合胜利发电厂一期国产2 2 0 m w 燃煤发电机组 热控系统的实际改造工程，在机组所选配的上海新华控制工程有限公司x d p s 一4 0 0 浙江大学工程硕士学位论文第一章绪论 风机入口档板的开度来调节风量；引风机采用离心式风机，变频调速控制炉膛负 压。在甲、乙侧主风道上分别设计有2 个二次风的总风门，二次风量控制设计为 远操调整方式。1 6 路一次风管各设有2 个小风门，用于一次风压控制。两台给 煤机和1 6 台给粉机均通过变频器控制转速，实现锅炉燃料量控制。 1 2 2 机组的控制系统 胜利发电厂分别对# 1 、# 2 机组的热控系统进行了分散控制系统( d c s ) 改造。 现在机组的d c s 系统采用上海新华控制工程有限公司的x d p s 一4 0 0 系统。x d p s 一4 0 0 系统采用分布式开放系统结构、e t h e r n e t 和t c p i p 局域网、工业p c 硬件平台、 冗余技术、w i n d o w s 界面等，具有d c s 的强大功能、高度的可靠性、优良的兼容 性、友好的接口和用户界面8 1 。该系统的图形和文本算法兼容；在系统的p c 机 上可虚拟分布式处理单元( d p u ) ，方便系统的仿真与调试；通过信息网络和系统 m i s 接口，可进一步扩展d c s 的功能。 此次改造涉及范围包括： 数据采集系统( d a s ) 协调控制系统( c c s ) 顺序控制系统( s c s ) 锅炉安全保护系统( f s s ) 汽机旁路系统( b p s ) 汽机数字电液控制系统( d e h ) 其中d e h 采用i n f i 一9 0 系统实现，设置了一个专用操作员站和一台打印机， 其它控制系统均采用x d p s 一4 0 0 系统实现。 x d p s 一4 0 0 系统配备了6 对分布式处理单元d p u ，4 个操作员站o p u ，一个工 程师站e n g ，1 个历史数据站h s u ，一个通讯站c o m ，以及二台打印机。系统的硬 件配置如图1 2 所示。 该d c s 系统与d e h 之间采用耕0 d b u s 通讯，其控制信号 x 浙江大学工程碗士学位论文第一章绪论 操作员站 工程师站历史数据站通讯站 鳓础 国鼠昌唇屠 厦宙埝靥厦 咱 叼 咱 圈1 2d c s 硬件配置图 1 2 3 磨煤机系统 磨煤机控制是本课题研究的重点。此处针对课题研究的需要，仅对磨煤机的 结构、主要技术参数、= 亡 x 浙江大学工程硕士学位论文第一章绪论 表1 ，2 ( 续)磨煤机系统参数汇总表 1 5 磨煤机筒体转速 r ，m m1 7 1 6 磨煤机直径 m3 ，8 0 1 7 磨煤机长度 m7 2 0 1 8 磨煤机的驱动电机 y 8 0 0 2 1 0 沈阳重型机械厂 1 9 电机功率 y 8 0 0 2 1 0k w1 4 0 0 2 0 电机电压 v6 0 0 0 2 1 电机转速 r ，m m5 9 5 ( 3 ) 磨煤机基本工作原理 磨煤机是以撞击和挤压碾磨方式进行制粉工作的。其工作原理为： 电动机经棒销联轴器带动变速器、减速器、开式大齿轮减速器，从而驱动 磨煤机筒体旋转。当筒体转动时，钢球在离心力及摩擦力作用下，紧贴简体旋转 到一定高度后，沿着抛物线方向下落，撞击燃煤，把煤颗粒击碎，同时钢球还在 筒体内产生旋转运动，这时球与球、球与钢瓦之间产生挤压碾磨作用，把煤粒磨 成煤粉。经过磨制的煤粉由干噪介质将其从简体内携带出去。携带出去的煤粉颗 粒有大有小，并不完全符合燃烧的煤粉细度要求，所以磨煤机出口的煤粉通过粗 粉分离器，将细度不合格的煤粉经过回粉管送回到磨煤机重新碾磨，而细度合格 的煤粉经过细粉分离器分离后，进入煤粉仓或由绞龙送到其它锅炉的煤粉仓。 在本课题开展以前，机组的磨煤机的运行控制实际上是通过手动远操进行 的。需要控制的参数和采用的控制手段为： 通过调整磨煤机的冷、热风门挡板的开度，控制磨煤机出口温度在1 1 5 3 ； 通过调整再循环风门挡板的开度，控制磨煤机的入口负压一4 0 0 一6 0 0 p a ： 通过控制变频器调整给煤机转速，从而控制磨煤机负荷在6 5 以上。 本课题将利用机组的分散控制系统，采取模糊控制规律对上述磨煤机的有 关被控参数实现有效的自动控制，使其优化运行。 1 3 主要研究工作 磨煤机控制系统是胜利发电厂# 1 、# 2 机组热控系统改造的一个重要组成部 分，本课题的主要研究内容是围绕2 2 0 m w 火电机组制粉系统及其钢球磨煤机控 制策略的研究与实施而展开。 胜利发电厂# l 、# 2 机组制粉控制系统要求在确保磨煤机正常运行、确保机 组设备和人身安全、确保制粉系统运行的经济性、减轻操作人员的劳动强度等基 8 浙江大学工程硕士学位论文 第一章绪论 础上，通过前馈反馈控制、连续断续控制、非线性控制、方向型控制、模糊控 制、神经网络控制等控制机理的有机结合，协调控制钢球磨煤机的负荷、出口温 度、出入臼差压、入口负压等。在保证制粉系统具备快速响应负荷能力的同时， 维持制粉系统主要运行参数的稳定。 1 3 1 具体目标 制粉系统自动调节投入情况的好坏，直接关系到机组的自动化水平、安全 性和经济性。因此，本课题研究制定的具体目标是： ( 1 ) 使制粉系统具备自动调节功能，适应电网负荷变化的要求，为“竞价 上网”做准备。 ( 2 ) 使磨煤机的负荷、出口温度、出入口差压、入口负压等子控制系统能 协调运行，确保动态过程中控制系统的各主要运行参数在工作允许范围之内，提 高机组的安全性和经济性。 ( 3 ) 在机组主辅设备出现故障时，控制系统能根据实际情况实现正确的 连锁保护逻辑动作，确保机组安全稳定运行。 ( 4 ) 在机组煤质变化比较大时，制粉系统的自动控制作用能快速予以响应， 以满足整个机组热负荷的需要。 1 3 2 系统实施的基本原则 根据控制对象特性、控制要求、现场实际以及所应用的d c s 系统，本课题确 定制粉系统自动控制的实施原则如下： ( 1 ) 制粉系统自动控制可以划分为：磨煤机负荷、磨煤机出口温度、磨煤 机出入口差压、磨煤机入口负压等四个子控制系统，在具体实施过程中各子系统 遵循“相对独立完整”的原则，以保持数据通讯高速公路( h i g h w a y ) 上信息交 换量最少； ( 2 ) 系统在自动控制和手动控制之间，能实现不同控制工况的无扰动切换； ( 3 ) 当控制器、控制电源全都或部分故障或消失时，被控装置保持原位或 处于预先设定的安全位置； ( 4 ) 数据配置遵循“若触发系统跳闸的保护信号须与其它系统合用时，将 首先进入保护系统。控制和保护用的过程信息可供数据采集系统共享”的原则； ( 5 ) 制粉系统需要额外增加的所有i o 点，都应有防抖动滤波处理，如果 输入节点信号在4 毫秒之后仍抖动，系统不接受该节点信号。 ( 6 ) 新增加的控制器有相应的手段，自动和周期性地进行零点飘移校正和 增益校正； ( 7 ) 在人机接口画面上，调用任意一个画面的击键次数不多于三次，重复 9 浙江大学工程硕士学位论文 第一章绪论 画面将能一次调出，c r t 画面均能在小于1 秒的时间内显示出来，所有显示的数 据将每秒更新一次； ( 8 ) 系统新增加的数据完全满足上海新华公司x d p s 一4 0 0 系统的要求，而 且不需额外增加其它的控制器和工程师站。 1 3 3 预定的技术指标 课题研究预定的技术指标见表1 3 表1 3 预定技术指标 序 控制系统名稳定最大偏 号称 投入要求扰动消除时间 范围 差 磨煤机 l 、制粉系统运行正常 l 、给定值改变3 1出口温度 2 、磨煤机冷、热风门档板开3 时，在1 0 m i n 内 度有足够的调节范围( ) 2 、档板开度改变 5 控制系统1 0 时在1 0 m i n 3 、信号及保护装置投入运行 内 磨煤机1 、制粉系统运行正常 1 、给定值改变4 9 p a 2 入口负压2 、调节档板有足够的调节范 5 0时在2 0 秒内 1 0 0 p a ( p a ) 2 、档板开度改变 控制系统围 1 0 时在3 0 秒内 l 、给定值改变5 磨煤机 1 、制粉系统运行正常时在3 0 秒内 3 负荷控制2 、给煤机有足够的给煤范围 5 2 、给煤机流量改 8 t h 0 t h ) 系统3 、信号及保护装置投入运行 变5t h 时在6 0 秒内 1 3 4 技术关键 在本课题的研究与工程实现中，需解决的技术关键在于： ( 1 ) 利用系统原有的调节机构( 冷风门挡板、再循环风门挡板、给煤机) ， 应用模糊控制器实现磨煤机出口温度、入口负压、负荷的控制。 ( 2 ) 应用b p 神经网络分析寻找磨煤机运行的负荷最佳值。 l o 浙江大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 3 5 基本技术方案 ( 1 ) 磨煤机出口温度调节采用“两输入一单输出”的专家模糊控制器，输 入语言的变量是磨煤机出口温度误差和其误差的变化率，输出语言变量是热风门 开度。由于温度影响制粉系统的安全，所以采用冷风门配合调节磨煤机出口温度， 即如果热风门开度已到极限时温度仍然高出高限，则使用冷风门参与温度调节。 冷风门的具体开度可根据运行人员的经验整定。 ( 2 ) 磨煤机入口负压的调节，采用模糊控制器控制再循环风门予以实现。 控制器的输入变量为磨煤机入口负压的精确值，而输出变量为再循环风门开度的 精确量。 ( 3 ) 磨煤机负荷调节采用两级控制方案，给定值由人工设定，给煤机的转 速由模糊控制器调节，磨煤机的负荷采用神经网络分析寻找其最佳值。根据磨煤 机的工作特性可知，磨煤机的最佳工作区域在其工作电流已经通过最大工作电 流，且比最大工作电流低5 8 a 的范围内。引入神经网络分析意在使控制系统保 证磨煤机自动跟踪最佳工况，保证磨煤机始终运行在最大出力点上，真正起到节 能的效果。 浙江大学工程硕士学位论文第二章 课题研究的相关基础 必要时也采用串级控制系统、多回路控制系统1 0 l i l j 【f 2 l 。 ( 3 ) 在控制系统设计时，除了考虑被控对象的动态特性外，还充分考虑检 测元件、变送器、执行器等环节的动态特性对控制品质的影响。当检测元件、变 送器、执行器的输出中伴有噪声等随机干扰时，一般要采用滤波等方法来解决【1 3 】。 ( 4 ) 为克服调节阀、控制挡板的非线性，采取在控制器输出端串接函数发 生器的方法，以补偿这些阀门和挡板的畸变特性【1 4 】。 ( 5 ) 为保持数据通讯高速公路上信息交换量最少，各控制予系统设计遵循 相对“独立完整”的原则【1 5 】。 ( 6 ) 为便于控制系统在安全前提下运行、维护、试验和校正，系统一般设 计有联锁保护功能，以防止控制系统错误或危险的动作。若系统的某一部分具备 的条件不满足时，联锁逻辑将阻止该部分投自动，同时，在条件不具备或故障时， 系统受影响部分不再继续自动运行或改变控制方式【l 6 】。 ( 7 ) 当系统处于强制闭锁、限制、快速减负荷或其它超弛作用时，系统受 影响的部分将随之跟踪，并不再继续其积分作用。在超弛作用消失后，系统所有 部分平衡到当前的过程状态，并立即恢复其正常的控制作用，这一过程没有任何 延滞。 ( 8 ) 在控制电源全部或部分故障时，被控装置应能保持原位或处于安全位 置。当设定值与被控变量之间的偏差超过预定范围时，系统能将控制切换至手动 并报警。 ( 9 ) 当两个或两个以上的控制驱动装置控制一个变量时，系统能对每个控 制驱动装置实施偏置调节。偏置量能随意调整，且不会产生过程扰动l i 7 o 2 3 模糊控制器及系统 自动控制系统是指被控对象和自动控制装置相互作用所构成的闭环负 x 浙江大学工程硕士学位论文 第= 章课题研究的相关基础 设 图2 2模糊控制系统的基本结构 出 2 4b p 神经网络及应用 本课题主要应用b p 神经网络对磨煤机负荷进行寻优控制，在此针对b p 神 经网络应用中所涉及的b p 神经网络的结构、学习过程、应用设计等问题，予以 简要阐述。 2 4 1b p 神经网络的结构 一般而言，b p 网络是一个多层结构，它是由一层输入节点、一层输出节点、 一层或多层隐节点以及节点之间的传递关系所构成。图2 3 示出了一个典型的全 方位连接的三层b p 神经网络啪1 ： 图2 3 典型的b p 神经网络 输出层 隐层( 中间层) 输入层 节点之间的传递关系通常用传递函数描述，传递函数一般为( o ，1 ) 的s 型函数： 浙江大学工程硕士学位论文 第二章课题研究的相关基础 输入层的三个节点分别为磨煤机入口负压p 、磨煤机电流a 、磨噪声( 振动) 信 号v ；隐含层为五个节点，输出层为个节点磨煤机负荷m f h ，如图2 5 所示： 图2 5 磨煤机负荷b p 网络结构 该神经元l 网络采用如下控制算法： 第一层输入：口= 一，矗= p ， 第一层输出：叫= 第二层输入：耳= 驯 第二层输出：d ；= ，幢) 第三层输入：厶= 叫 第三层输出：d 3 = 厂仉) ( i = o ，1 ，2 )l ( j = 0 ，1 ，2 ，3 ，4 )i ( 2 2 ) 式中厂( x ) 为式( 2 1 ) 所示的s 型函数，m 为输入节点与隐节点的网络权值， n 为隐节点与输出节点的网络权值，岛为磨煤机负荷寻优值。 由于训练的对象是非线性系统，初始值对于训练学习是否达到局部最小、 训练函数是否收敛、训练过程中的长短有十分密切的关系，初始值太大，使得加 权的输入进入激活函数的饱和区，太小会使训练时间太长。一般，初始权值在 ( 一1 ，1 ) 之间的随机数进行。 在每一次循环训i 练中学习速率决定权值变化量，学习速率太快，使系统振 荡处于不稳定区，系统不安全；学习速率太慢意味收敛速度慢，将失去实时性， 学习速率的选取范围一般在o o l 0 8 之间，通过对不同学习速率训练之前误差 平方和e 2 的下降速度，可判断学习速率的合适度，如果d e 2 d t 下降很快， 说明学习速率合适，如果d e 2 d t 振荡，说明学习速率过大。 期望误差的选取与实际需求相“匹配”，增加隐层节点的层数和节点数可以 1 8 浙江大学工程硕士学位论文第二章课题研究的相关基础 式中： f 。为系统最大动态偏差对应的时间 b 为系统允许最大动态偏差对应的时间。 2 5 2 稳态过程的性能和品质指标 对于定值控制系统，其稳态过程的质量指标一般以阶跃输入作用下，系统 达到稳定状态时被控量与给定值之间的偏差来衡量，这一偏差称为静态偏差。控 制系统应保证：被控量在承受可能出现的最大扰动作用下系统产生的实际静态偏 差小于系统允许的最大静态偏差胁1 ，即满足： 掣蛐缸。 缈。 ( 2 6 ) u o 式中：一系统试验的阶跃扰动量； 缸一一生产过程中可能出现的最大扰动量； 缈仁) 一系统的实际静态偏差； 缈一一系统允许的最大静态偏差。 本课题在实旌时，将以上述式( 2 3 ) 式( 2 6 ) 为依据，对磨煤机控制系 统的工作品质进行工程评价。“。 浙江大学工程硕士学位论文第三章 铜球瘩煤机模糊控制系统的研究 第三章钢球磨煤机模糊控制系统的研究 研究和实施控制系统的前提是充分掌握被控对象的特性。因此，在研究磨煤 机控制系统之前，必须对本课题被控对象钢球磨煤机的运行特性进行必要的分 析州。 3 1 磨煤机出力的影响因素分析 磨煤机是火电厂锅炉制粉系统中最重要设备之一，保持磨煤机在最高出力 下运行，对提高制粉系统的经济性有着很大的作用，这是本课题的重要任务。影 响筒式钢球磨煤机出力的因素很多，可概括为以下几个主要方面： 3 1 1 煤质量的影晌 煤的种类、挥发性、湿度、硬度、煤块大小等反映煤质的物理、化学 特性，是影响磨煤机出力的因素之一。 3 1 2 载煤量的影响 磨煤机出力除了与设备类型、筒体转速及煤种有关外，还与钢球数量、筒内 载煤量有关。一般情况下，增加筒内载煤量，磨煤出力也相应增加。载煤量增加 到一定程度后，为保持负压运行应相应减少通风量，但通风量减少会使进煤量大 于出粉量，易引起筒内存煤增多而堵煤，导致磨煤出力不再增加反而降低。 磨煤机对煤的破碎能力主要由磨煤机内钢球和煤的碰撞面积s ( 几率) 和碰 撞强度f ( 冲力) 决定，当磨煤机内载煤量较小时，碰撞面积s 鞍小，强度f 较 大；随着煤量的增加s 增大，而碰撞强度f 随钢球落差的减小而减小。 因此，对于特定的煤种，存在着一个最佳的载煤量，在最佳载煤量下，磨 对煤的破碎能力达到最大值，磨煤机出力( 即磨煤机负荷) 也得以提高。 3 。1 3 干燥出力的影晌 胜利发电厂# 1 、# 2 机组制粉系统采用热风送粉。在热风送粉的制粉系统中， 磨煤机进口干燥剂一般由热风加再循环风组成。燃煤进入磨煤机后经破碎、高温 干燥剂干燥，再以气粉混合物形式输出。因此，煤的水分、熟风温度、干燥风量 皆对磨煤机的干燥出力有着直接的影响，进而影响磨煤机的磨煤出力。 浙江大学工程硕士学位论文第三章铜球磨煤机模糊控制系统的研究 例如：煤的湿度增加，显然原有的热风量不具备充分的干燥能力，会使磨 煤机的干燥出力降低，磨煤机的出口煤粉温度得不到应有的保证。若加大进入的 热风量，虽然可以提高磨煤机内温度和加强干燥能力，但又将造成磨煤机入口正 压，不仅会影响磨煤机的磨煤出力，而且易引起煤粉自燃。运行过程中，磨煤机 温度一般保持在一定的范围之内。 另外，磨煤机干燥出力还受到锅炉燃烧的制约。通常为保持磨煤机入口负 压，需控制入口总风量在一定范围内。若要提高干燥出力，应使热风量份额加大， 再循环风量应相应减少，这时会使入炉的三次风量加大。虽然此时三次风温有所 提高，但因三次风量的加大会使其在炉膛的吸热量有较大增加，一方面将使燃烧 区域内炉膛温度水平降低，不仅干扰和破坏主煤粉气流固定炭的燃烧，也会使三 次风中所含的煤粉难以燃尽，造成机械不完全损失增加；另一方面，三次风量的 增加还破坏了一、二风的配比，使过剩空气系数增加，排烟热损失和送、吸风机 耗电增加。 3 1 4 钢球装载量的影响 钢球磨煤机的钢球装载量是用钢球充满系数m 表示的，即： 中= g ) 1 0 0 ( 3 1 ) 式中：g 钢球装载量； 矿一球磨机筒体容积； p 。钢球的堆积密度，可取为4 9 。 实验证明，在m = 1 0 3 5 范围内，钢球装载量越大，磨煤机出力也越大。 当简体内通风量和煤粉细度不变时，在中= 1 0 3 5 范围内，磨煤机出力和所耗 的电功率有如下关系： 占，= 0 6 吼g = 0 6 。1 0 ( 3 2 ) 虬= o 铴g = o 6 c 2 中 ( 3 3 ) 式中： b 。一磨煤机的磨煤出力； 。一磨煤机所耗电功率； 口l 、c l 、口2 、c 2 一均为常数； g 一钢球装载量； 钢球充满系数。 浙江大学工程硕士学位论文第三章钢球磨煤机模糊控制系统的研究 通常，g ( 或) 增加时，钢球落下的有效工作高度减小，钢球的撞击作用 减弱，因而由式( 3 2 ) 、式( 3 3 ) 反映出磨煤机出力增加较慢，而磨煤电耗将 显著增加“。 由此可见，对应一定型号的磨煤机和一定品种的燃煤，存在着一个最佳的钢 球装载量。最佳的钢球裟载量可以通过实验来确定。 另外，钢球的尺寸和材质，对磨煤出力也有影响。磨煤机运行中，应正确选 择钢球并且及时地补加钢球，以免因钢球磨损减少钢球的装载量而影响磨煤出 力。 3 1 5 护板的影响 护板的形状对球磨机的工作有一定的影响。运行中，由于护板磨损磨煤出 力会逐渐降低。实际运行中，钢球在筒体内的旋转速度永远小于筒体本身的旋转 速度，两者的速度差值决定于钢球和护板之间的摩擦力，摩擦力愈大，速度差值 愈小，钢球在简体内就可以在较低转速下达到最大提升高度，即在较小的能量消 耗下，钢球可达到最佳工作状态。而护板和钢球间的速度差增大时，将有更多的 能量消耗在两者的摩擦上。所以护板的形状结构对保持磨煤机出力、减小磨煤机 电耗是十分重要的影响作用。本厂磨煤机采用波浪护板。 3 1 6 通风量的影晌 为了从简形钢球磨煤机内把制成的煤粉输送出去，筒内必须保证足够的通 风量。通风量过小只能带出细煤粉，有些合格煤粉仍然留在筒内被无益地磨制成 更细的煤粉，致使磨煤出力降低，磨煤的单位电耗增加。通风量过大，会把不合 格的粗粉带出去，又经粗粉风离器，返回磨煤机重磨，造成无益的循环，以致通 风的单位龟耗增加。同时通风速度的增加，加大了通风阻力，也会使通风的单位 电耗增加。 制粉系统通风量一般可直接反映在排粉机电流值上，通风量增加，电流增 大，出粉量提高。系统总的通风量由磨煤机到排粉机间的风阻决定，而风阻又由 各风门的开度、粗粉分离器挡板角度、磨煤机内通风面积、空气中的含粉量等共 同决定。 随着通风量既通风速度的增加，制粉的单位电耗开始是下降然后是上升， 其间存在着一个最佳通风速度( 如图3 1 所示) ，它的大小与煤种、分离器后 煤粉细度、简体容积、钢球充满系数等有关。 浙江大学工程硕士学位论文第三章 钢球磨煤机模糊控制系统的研究 专奎 r 蚓 羽脚 嚣糕 媸掣 翻扭r 通风速度v 口，m ，s 图3 1 通风速度与磨煤机出力和单位电耗的关系 3 2 磨煤机的工作特性分析 胜利发电厂# 1 、# 2 机组钢球磨煤机的工作特性曲线如图3 2 所示。 其中： 1 、磨煤机振动( 亦称磨煤机噪声) ：磨煤机噪声来源于电机、运行机械以 及磨煤机内部的钢球碰撞，前者频率较低，且不随负荷而变化，后者频率较高， 随负荷有明显的变化。当负荷增加时，钢球直接碰撞减小，噪声降低，但负荷较 高时噪声降到一定值时会产生饱和现象。 相 对 幅 度 磨煤机振动 圈3 2 磨煤机的工作特性曲线 浙江大学工程硕士学位论文第三章 钢球磨煤机模糊控制系统的研究 2 、磨煤机电流：磨煤机的电流并不是随其存煤量的增大而单调增大的，事 实上存在着一个极值点f 。在“空磨”时较小，随负荷的增加磨煤机电流急剧增 加，当电流到达最大时，磨煤机的出力并没有达到最大；当磨煤机的出力继续增 加到一定值时，磨煤机电流随出力的增加明显下降。 3 、磨煤机出入口差压：它是由磨煤机内的存煤量和煤粉截流产生，因此在 磨煤机接近“满磨”时，随磨煤机出力的增大差压迅速上升。差压量在低负荷时 敏感度较低，并受风量影响较大。 4 、磨煤机出力：磨煤机出力并不是磨煤机存煤量的单值函数( 如图3 2 所 示) 。在实际运行过程中，磨煤机的最大出力在图3 2 所示的f 2 处。 由上分析可知，磨煤机的运行特性可以划分i 、i i 、i 三个区域( 如图3 2 所示) 。磨煤机运彳亍在i 区时出力很低，耗电量大，既不经济，也不合理；运行 在i 区时出力也非最佳，极易发生堵煤事故，应予避免；只有运行在i i 区时磨煤 机出力最佳。 实践证明：由于外界因素的干扰( 例如煤种变化等原因) ，图3 2 中的曲线 会发生漂移，但各曲线的相对位置不变。为了使磨煤机运行实时跟踪最大出力点， 使磨煤机始终运行在最佳工况，必须采用在线自寻优的办法予以实现。 3 3 磨煤机控制手段 磨煤机控制的目的是在保证磨煤机安全运行的情况下，使磨煤机出力达到 最大，处于最佳经济工作状况。磨煤机是一个复杂的控制对象，除需控制磨煤机、 排粉机、给煤机的肩停外，还包括三个被控薰：磨煤机负荷、磨煤机入口负压、 磨煤机出口温度，在本课题的控制系统设计和实施中，是通过控制给煤机的转速、 磨煤机的热风门开度、再循环门开度等手段来实现。 3 3 1 入口负压控制 磨煤机入口负压通过控制再循环门完成，但再循环风量的变化直接影响锅 炉燃烧，故采用热风量作为辅助控制。即当再热循环风量己超出一定的范围而负 压仍达不到要求，则使用熟风参与控制，再循环风量限制范围可根据磨煤机的具 体情况由运行人员设定。负压额定值应尽量小，以最大限度地减少漏风量，充分 利用热风，提高磨煤机出力。 3 3 2 磨煤机出口温度控制 磨煤机出口温度由热风门的开度控制。磨出口温度不仅与热风量及其温度 浙江大学工程硕士学位论文第三章 钢球唐煤机模糊控制系统的研究 有关，而且与磨煤机内的存煤量有关。当存煤量多时，改变热风量，出口温度变 化很慢；反之亦然。磨煤机正常运行时其出口温度变化很慢，增减热风量可保 持磨出口温度变化在一定范围内。 3 3 3 磨煤机负荷控制 磨煤机负荷由给煤机转速控制。磨煤机负荷不易测量，以前常用磨煤机出 入口差压代表，但磨煤机出入口差压受风量及其他一些因素的影响很大，不能够 准确反映磨煤机负荷，故本课题采用磨煤机前轴的振动能量信号、磨煤机出入口 差压信号、磨煤机电流信号来综合判断和控制磨煤机负荷。在入口负压和出口温 度都保持正常的前提下，控制给煤量为较大值，以寻找最佳经济工作点。 3 3 4 异常工况处理 有时因设备原因或调整不当，会使磨煤机运行出现异常现象( 如断煤、满 煤等) 。此时，磨煤机控制系统应采取适当的处理措施。 发生断煤时，振动信号逐渐减少，磨煤机出口温度很快上升，钢球撞击声 增大。应及时作出断煤原因的判断和适当处理。 如果给煤指令已很大，但实际给煤量太小，说明设备发生故障，应发出事 故报警，提醒运行人员及时排除故障。 发生满煤时，会出现振动信号减小、差压增大、出口温度降低、电流摆动 较大、磨煤机内声音沉闷等现象，应通过控制系统立即减少给煤量，严重时停止 给煤，并进行抽粉。 3 4 磨煤机模糊控制系统设计 3 4 1 磨煤机模糊控制系统结构 磨煤机制粉系统的多输入与多输出变量之间耦合程度比较强，必须采用多 变量控制策略，常规模糊控制系统结构如图3 3 所示。对于多变量被控过程，如 果采用模糊控制( 模糊集合表达的控制规则) ，则其表达形式与单变量系统的模 糊控制基本相同，所不同的是多变量控制规则更难提取。同时由于多变量系统的 变量增多，用于表达多变量控制规则的计算机存储容量增大。 在模糊控制系统中，模糊控制规则扮演了一个重要的角色，控制系统的品质 很大程度上取决于它。模糊控制规则数与模糊集合中元素个数及系统变量个数有 关。如果模糊集合r 中含有m 个元素，每个规则中含有n 个系统变量，则规则的 浙江大学工程硕士学位论文第三章 钢球磨煤机模糊控制系统的研究 全集有m n 条。这意味着规则数随着系统变量数目的增加而迅速增加。对一个多变 量系统，控制规则数有时会多得难以实现。 入 出 磨 图3 3 多变量常规模糊控制系统结构 以球磨机制粉系统为例：系统变量可取为入口负压、出口温度、磨负荷及 各变量的变化率，模糊量化为f 负大、负中、负小、零、正小、正中、正大 ，则 m = 7 ，n = 6 ，采用常规模糊控制器时，控制规则总数为m “= 7 6 = 1 1 7 6 4 9 条。如此系 统理论上没有问题，但在工程实际中将无法实现，原因有二：其一，控制规则难 以提取，即使是经验非常丰富的运行人员提出一条，诸如“如果入口负压为负中， 入口负压变化率为负小，出口温度为正中，出口温度变化率为正小，磨负荷为负 中，磨负荷变化率为正小。则再循环风门不动，热风门负中，给煤机转速负大” 的控制规律亦非常困难，更别说这样的控制规律需要获得1 l 万多条，这在现实中 不可行；其二，即使获得了这n 万多条控制规则，并将其输入计算机的数据库， 要想实时运行这些控制规则将占用大量的计算机资源，系统将因为计算量过大而 无法运行。 为此，在本课题的控制系统中设计了解耦补偿器，通过改变耦合因子，使 耦合较强的实际对象和解耦补偿器综合成一个耦合程度极其轻微的控制对象。这 样，模糊控制器的设计，可只考虑单变量，而不必考虑其它变量之间的相互影响 啪3 。这样，模糊控制器就变成了如图3 4 所示的递阶结构，显著的减少了模糊控 制规则数，克服上述困难，从而在实际中实现球磨机制粉系统模糊控制。 如图3 4 所示，球磨机制粉系统采用递阶模糊控制，模糊控制被分为2 级： 第一级为并行的3 个模糊控制器，每个控制器有2 个系统变量，控制规则数为3 7 毡1 4 7 条；第二级为解耦补偿级，系统变量为前面3 个模糊控制器的输出，共3 个， 控制规则数为7 3 ：3 4 3 条；递阶模糊控制的规则总数为4 9 0 条。显然，通过递阶结 构将原来的1 1 万多条规则减少到了4 9 0 条。而且，在递阶模糊控制中，若要增 减一个系统变量，只需修改与该变量有关的控制规则，而不必更改其它规则。这 样，操作者可利用经验通过对一些参数的尝试性实验，更有效地修正控制规则。 2 7 浙江大学工程硕士学位论文第三章钢球磨煤机模糊控制系统的研究 上图所示递阶结构中，增加解耦补偿级后，虽然增加了相应解耦补偿器的 设计，但是，由于第一级并行的负压模糊控制器、温度模糊控制器、负荷模糊控 制器变为相互独立的子系统，大大简化了模糊控制算法的设计难度及工作量。 入 出 磨 图3 4 多变量递阶模糊控制系统结构 在本课题中，磨煤机模糊控制采用递阶结构后，算法设计分解为以下4 个 子系统进行： 负压模糊控制器设计 温度模糊控制器设计 负荷模糊控制器设计 解耦补偿器设计 该系统中模糊控制算法和解耦补偿器的设计如下： 3 4 2 磨入口负压模糊控制子系统控制策略 根据磨入口负压的对象特性，它是一个延迟很小的一阶惯性环节，为简化 系统，磨煤机入口负压控制只采用入口负压的偏差作为单一的输入变量其输出 送入解耦补偿级。磨煤机入口负压模糊控制结构如图3 5 所示。 图3 5 入口负压模糊控制系统结构 1 控制系统的负压偏差量p ，和控制量鼍一 浙江大学工程硕士学位论文 第三章铜球蘑煤机模糊控制系统的研究 偏差e 。的定义为： ep = r p p 式中：丑，一系统的入口负压设定值 j p 一系统的入口负压测量值。 控制量c ，。是模糊控制器的输出 偿级进行运算。 对于恒值系统r 。为常数 ( 3 4 ) 是一模糊量，它将作为输入，送到解耦补 2 负压偏差量8 。的模糊化 设偏差量e 。的模糊子集为 e 。= 负很大，负大，负中，负小，负很小，零，正很小，正小，正中，正 大，正很大 = f n v b ，n b ，n m ，n s ，n s s ，z o ，p s s ，p s ，p m ，p b ，p v b ) 根据现场运行数据，入口负压偏差8 。的量化区间取为 一1 0 0 p a ，1 0 0 p a ， 设误差p 。的论域为x - ，并将误差大小量化为1 1 个等级，则有 x i = f 一5 ，一4 ，一3 ，一2 ，一l ，0 ，+ l ，+ 2 ，+ 3 ，+ 4 ，+ 5 ) 根据球磨机制粉系统磨入口负压的特性及手动操作经验，可按照三角形型 函数得到磨煤机入口负压偏差p 。的模糊集e 。如表3 1 所示。 控制量u 。的模糊子集为 u 。= 负很大，负大，负中，负小，负很小，零，正很小，正小，正中， 正大，正很大) = ( n v b ，n b ，n m ，n s ，n s s ，z 0 ，p s s ，p s ，p m ，p b ，p v b 控制量u 。的论域为y 。，亦将其量化为1 1 个等级，则有 y ：= 5 ，一4 ，一3 ，一2 ，一l ，0 ，十l ，+ 2 ，+ 3 ，+ 4 ，+ 5 ) 浙江大学工程硕士学位论文 第三章钢球磨煤机模糊控制系统的研究 表3 1 入口负压偏差8 。的模糊集e 。 e p x 1 添迭一54321o12345 n v b10 0ooooo00o n bo10 o0 00 0o0o n mo0loooo0o0o n so0o10oo00oo n s so0oo1oo0o o o z ooo00o1oo000 p s soo0ooolo0o0 p so0oo0o01ooo p m0 0 o o 0 oo0l0o p b0oo0oo0o0l o p v bo oo o oo o o0o1 3 负压子系统模糊控制算法 对于入口负压子系统，根据球磨机制粉系统磨入口负压的特性及运行 操作经验，可得到以下控制规则： 1 ) 如果磨入口负压偏差量e 。是负很大，那么再循环风门负大； 2 ) 如果磨入口负压偏差量e 。是负大，那么再循环风门负中； 3 ) 如果磨入口负压偏差量g 。是负中，那么再循环风门负小； 4 ) 如果磨入口负压偏差量p 。是负小，那么再循环风门负很小； 5 ) 如果磨入口负压偏差量e 。是负很小，那么再循环风门不动； 6 ) 如果磨入口负压偏差量p 。是零，那么再循环风门不动i 7 ) 如果磨入口负压偏差量e 。是正很小，那么再循环风门不动； 8 ) 如果磨入口负压偏差量p 。是正小，那么再循环风门正很小； 9 ) 如果磨入口负压偏差量e 。是正中，那么再循环风门正小； 1 0 ) 如果磨入口负压偏差量p 。是正大，那么再循环风门正中； 浙江大学工程硕士学位论文第三章 钢球磨煤机模糊控制系统的研究 1 1 ) 如果磨入口负压偏差量8 。是正很大，那么再循环风门正大。 将这些控制规律列成模糊控制规则表见表3 2 ： 表3 2 磨入口负压模糊控制规则表 e 。 n v bn bn mn sn s sz op s sp sp m p bp v b lu p n bn m n sn s sz oz 0z op s sp sp mp b 3 4 3 磨出口温度模糊控制子系统控制策略 由制粉系统对象特性可知：磨出口温度是一个延迟很大的环节，因此其控 制采用出口温度偏差和出口温度偏差变化率作为输人变量，输出送入解耦补偿 级。模糊控制结构图如图3 6 所示。 1 控制系统的温度偏差量岛、偏差量的变化率p q 和控制量u t 偏差p 的定义为： 8 ，= e 一丁 ( 3 5 ) 式中：r ，一系统出口温度设定值，对于恒值系统日为常数； r 一系统出口温度测量值。 图3 6 出口温度模糊控制系统结构 偏差量的变化率8 c ，的定义为： e c f = 如胁 ( 3 6 ) 控制量u 。是模糊控制器的输出，是一模糊量，它将作为输入，送到解耦补 偿级进行运算。 2 温度偏差量巳及其变化率g q 的模糊化 浙江大学工程硕士学位论文第三章钢球磨煤机模糊控制系统的研究 设偏差量8 ，的模糊子集为 e 。= 负很大，负大，负中，负小，负很小，零，正很小，正小，正中，正 大，正很大 = n v b ，n b ，n m ，n s ，n s s ，z o ，p s s ，p s ，p m ，p b ，p v b ) 根据现场运行数据，出口温度偏差8 ，的量化区间取为 一5 ，5 ，设偏 差p 的论域为x 。，并将偏差大小量化为1 1 个等级，则有 x 2 _ f 一5 ，4 ，一3 ，一2 ，一1 ，o ，+ 1 ，+ 2 ，+ 3 ，+ 4 ，+ 5 ) 根据球磨机制粉系统磨的特性及手动操作经验，按照三角形型函数得到磨 煤机出口温度偏差8 ，的模糊集e 。可参照表3 1 所示。 设温度偏差量变化率卵，的模糊子集为 e 反= 负很大，负大，负中，负小，负很小，零，正很小，正小，正中， 正大，正很大) = n v b ，n b ，n m ，n s