球磨機(jī)新型控制策略研究與應(yīng)用

引言

在我國的中小型火電廠中，球磨機(jī)制粉系統(tǒng)使用十分普遍，并且該系統(tǒng)是電廠中除鍋爐燃燒系統(tǒng)外的又一重要調(diào)節(jié)系統(tǒng)。制粉系統(tǒng)的任務(wù)是將含有少量石灰石的燃煤通過鋼球磨煤機(jī)的研磨，制成一定細(xì)度的煤粉，并通過鍋爐風(fēng)力進(jìn)行干燥、輸送和分離，最終將煤粉儲入料倉。

制粉系統(tǒng)包括原煤倉，振動給煤控制設(shè)備，粗細(xì)粉分離設(shè)備，球磨機(jī)，粉倉，絞龍輸粉閘閥，排粉機(jī)入口控制閥門，球磨機(jī)熱風(fēng)、冷風(fēng)、隔離、再循環(huán)控制閥門，三次風(fēng)、乏氣風(fēng)控制閥門等以及系統(tǒng)的大量測量設(shè)備，是一個比較龐大的風(fēng)粉混合系統(tǒng)。球磨機(jī)制粉系統(tǒng)的裝機(jī)容量大(僅球磨機(jī)的功率一般就為幾百千瓦)，由于采用中間儲倉制，系統(tǒng)為間斷運(yùn)行方式，啟停比較頻繁，故對鍋爐燃燒系統(tǒng)的擾動大。

對制粉系統(tǒng)而言，如何在保持磨煤機(jī)最大出力下運(yùn)行，以使噸煤電耗最省是系統(tǒng)控制所追求的目標(biāo)。但由于球磨機(jī)是一個多變量耦合嚴(yán)重的非線性系統(tǒng)，采用常規(guī)的控制方案很難達(dá)到控制目標(biāo)。

本文以南通一熱電站球磨機(jī)制粉系統(tǒng)的控制為例，在對球磨機(jī)的動態(tài)性能分析的基礎(chǔ)上，提出了一種有效控制策略。該控制策略采用軟測量技術(shù)獲取磨負(fù)荷信息，通過協(xié)調(diào)控制器實現(xiàn)對球磨機(jī)磨負(fù)荷和出口溫度的控制。通過控制熱、冷風(fēng)量的比值實現(xiàn)對球磨機(jī)入口負(fù)壓的控制?？刂破骶捎媚：齈ID控制算法，利用模糊控制實現(xiàn)動態(tài)過程的有效控制，利用PID控制保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。實際運(yùn)行結(jié)果表明，該控制策略能取得滿意的控制效果。

一、球磨機(jī)動態(tài)特性分析

球磨機(jī)制粉系統(tǒng)的核心設(shè)備是球磨機(jī)。球磨機(jī)本身是一個包含機(jī)械能量轉(zhuǎn)換、熱交換的復(fù)雜設(shè)備。球磨機(jī)的輸入一般有冷風(fēng)量Fr、熱風(fēng)量Fh和給煤量Fc。而被控制量有5入口負(fù)壓P、出口溫度T和磨負(fù)荷L。控制球磨機(jī)入口負(fù)壓的意義在于使整個球磨機(jī)處于負(fù)壓狀態(tài)，防止煤粉和球磨機(jī)的過大漏風(fēng)。球磨機(jī)的出口溫度是指球磨機(jī)出口風(fēng)粉混合物的溫度，它是反映球磨機(jī)干燥出力、防止煤粉爆燃或爆炸的重要參數(shù)。磨負(fù)荷是反映制粉時滾筒內(nèi)存煤量。

在球磨機(jī)運(yùn)行過程中，通過調(diào)節(jié)給煤量、熱風(fēng)量和冷風(fēng)量，以保證球磨機(jī)鼓筒內(nèi)的存煤量(即磨負(fù)荷)、磨煤機(jī)出口溫度，以及入口負(fù)壓分別處在最佳值附近，從而使球磨機(jī)高效運(yùn)行。球磨機(jī)的電機(jī)功率PD、進(jìn)出口壓差△P、磨出力Q與磨煤機(jī)體內(nèi)的存煤量N之間的關(guān)系。在特性曲線的Ⅰ區(qū)，球磨機(jī)的耗電量大，出力?。虎髤^(qū)易堵煤；Ⅱ區(qū)電機(jī)功率不是最大，但球磨機(jī)的出力為最大，這是理想工作區(qū)。由特性曲線還可看出，進(jìn)出口壓差可以間接反映磨負(fù)荷。

從上面的分析可以得出:球磨機(jī)具有多容高階、純遲延較大、參數(shù)間耦合的動態(tài)特性。其數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)可以近似表示為式中K為增益；τ為時間常數(shù)；t為純滯后時間。從階躍響應(yīng)的時間看，磨煤機(jī)入口負(fù)壓的響應(yīng)最快、出入口壓差響應(yīng)最慢，其時間之比達(dá)到幾十。這些時間響應(yīng)的快慢均反映在式中的時間常數(shù)上。

上式是在某一條件下線性化得到的。事實上球磨機(jī)動態(tài)特性具有變幻性，這主要表現(xiàn)在自衡能力和無自衡能力特性之間的差別和信號遲延時間長短的差別上。球磨機(jī)出入口壓差在熱空氣帶粉量最大值范圍內(nèi)表現(xiàn)為有自衡能力的特性，而在這最大值之外時則表現(xiàn)為無自衡能力的特性。入口負(fù)壓和出口溫度的遲延遠(yuǎn)較壓差的遲延小。球磨機(jī)動態(tài)特性的這種變幻性大大增加了控制難度。

綜上所述，球磨機(jī)難以控制的原因可歸結(jié)為以下4點(diǎn)。

①系統(tǒng)具有多變量強(qiáng)耦合特性。如球磨機(jī)的入口負(fù)壓p與出口溫度T之間耦合十分嚴(yán)重。

②信號難以測量。磨負(fù)荷難以直接測量。目前，通常采用磨煤機(jī)進(jìn)出口壓差△P近似反映球磨機(jī)負(fù)荷。但壓差信號受筒內(nèi)風(fēng)量的影響，而且延遲大，不能及時正確反映存煤量。信號難以測量的另一方面在于制粉系統(tǒng)的粉塵影響，使測量儀器的靈敏度降低，尤其是易造成變送器導(dǎo)壓管堵塞、出口溫度測量元件磨損等問題。

③系統(tǒng)動態(tài)特性所具有的變幻性。

④有限的調(diào)節(jié)手段。制粉系統(tǒng)需要對磨煤機(jī)的入口負(fù)壓、出入口負(fù)壓、出口溫度、磨煤機(jī)負(fù)荷進(jìn)行控制。但控制手段一般只有熱風(fēng)門、循環(huán)風(fēng)門(或溫風(fēng)門、冷風(fēng)門等)和給煤機(jī)轉(zhuǎn)速等有限的調(diào)節(jié)手段。

目前，球磨機(jī)制粉系統(tǒng)通常采用3套獨(dú)立的常規(guī)PID控制，這樣的控制方式既無法消除回路間的相互干擾，同時對于被控對象的大時滯后和變幻性更是無能為力。因此在很多場合下，尤其在一些規(guī)模比較小的熱電站，往往采用手動控制。這使得球磨機(jī)制粉系統(tǒng)很難工作在最佳經(jīng)濟(jì)工況，制粉單耗高。

因此，尋求更好的控制方式，實現(xiàn)對磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)進(jìn)行有效控制，是人們一直在追求的目標(biāo)。文獻(xiàn)[5]提出采用智能解耦的方法，控制系統(tǒng)由基礎(chǔ)控制級、協(xié)調(diào)控制級以及管理決策級構(gòu)成，控制系統(tǒng)復(fù)雜。文獻(xiàn)[6]將模型預(yù)測控制引入球磨機(jī)制粉系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明，該方法不但實現(xiàn)了系統(tǒng)的解耦，同時又能獲得較為滿意的控制效果。文獻(xiàn)[7]采用的遞階模糊控制，可使模糊控制規(guī)則大大縮減。文獻(xiàn)[8]提出一種多變量解耦控制策略，實現(xiàn)對球磨機(jī)入口負(fù)壓和出口溫度的有效控制。事實上，對球磨機(jī)制粉控制系統(tǒng)，在設(shè)計時首先應(yīng)綜合考慮安全可靠、高效節(jié)能以及實用等因素，而不是一味追求控制系統(tǒng)的先進(jìn)性。本文所提出的對球磨機(jī)制粉系統(tǒng)的控制策略，具有實用、可靠等特點(diǎn)。

二、球磨機(jī)制粉系統(tǒng)控制策略

1、控制策略確定

通過對球磨機(jī)制粉系統(tǒng)的進(jìn)一步分析可知，磨負(fù)荷是需控制的關(guān)鍵變量。因此，在確定控制策略時，把球磨機(jī)的磨負(fù)荷作為重要的被控變量。但控制磨負(fù)荷的關(guān)鍵是磨負(fù)荷的測量問題。多年來，磨負(fù)荷的測量一直是薄弱環(huán)節(jié)，盡管人們曾先后研究稱重法和利用音頻傳感器以及通過測量球磨機(jī)的進(jìn)出口壓差來確定球磨機(jī)的存煤量等方法[9-10]，但在實際應(yīng)用中均存在問題。以目前采用最多的壓差法測量為例，不但粉塵會造成變送器導(dǎo)壓管的堵塞，使測量儀器的靈敏度降低，而且煤的含水量、煤質(zhì)及鋼球裝載量的變化，均對壓差有影響。

利用進(jìn)出口壓差法測量磨負(fù)荷實際是一種軟測量的方法，即選擇1組與被測變量(被估變量)相關(guān)的可測變量，構(gòu)造某種以可測變量為輸入、被估變量為輸出的數(shù)學(xué)模型，用計算機(jī)軟件實現(xiàn)重要過程變量的估計。考慮到進(jìn)出口壓差法中變送器導(dǎo)壓管易堵塞的問題，本系統(tǒng)中沒有選用進(jìn)出口壓差作為可測變量來估計磨負(fù)荷，而是把出口溫度T、熱風(fēng)量Fh作為估計磨負(fù)荷的可測變量。因為進(jìn)入球磨機(jī)原煤的溫度遠(yuǎn)低于球磨機(jī)內(nèi)的溫度，給煤量Fc的變化能顯著影響出口溫度T。因此，本系統(tǒng)將磨負(fù)荷L作為被估變量，其關(guān)系可表示為

L=f(T，Th)

考慮到球磨機(jī)入口負(fù)壓主要受冷風(fēng)量和熱風(fēng)量的影響，因此采取控制加入球磨機(jī)熱風(fēng)量與冷風(fēng)量的比值，以實現(xiàn)對球磨機(jī)入口負(fù)壓的控制。

球磨機(jī)出口溫度的控制主要從2個方面保證：

①在設(shè)計磨負(fù)荷回路時兼顧到出口溫度控制問題，可通過協(xié)調(diào)控制器實現(xiàn);

②控制好磨負(fù)荷和入口負(fù)壓來保證出口溫度，因為磨負(fù)荷和入口負(fù)壓均影響球磨機(jī)的出口溫度。

模糊控制器1為入口負(fù)壓控制器，采用入口負(fù)壓的偏差及偏差變化率作為輸入變量，輸出變量為對應(yīng)的熱風(fēng)量，通過比值器可得到相應(yīng)的冷風(fēng)量。這一控制回路主要實現(xiàn)對球磨機(jī)入口負(fù)壓的控制。模糊控制器2與軟測量控制器，以及協(xié)調(diào)控制器構(gòu)成磨負(fù)荷與出口溫度控制回路。通過軟測量控制器將出口溫度與熱風(fēng)量，獲得所需的磨負(fù)荷信號，模糊控制器2的輸出量與出口溫度測量值送至協(xié)調(diào)控制器，以獲得球磨機(jī)的給煤量。與其他球磨機(jī)控制系統(tǒng)相比，所設(shè)計的系統(tǒng)較簡單、實用。

2、模糊控制器設(shè)計

模糊控制器1和模糊控制器2均為模糊PID控制器。這里以模糊控制器1的設(shè)計為例，介紹模糊PID控制器的設(shè)計。控制器的形式采取模糊控制和PID控制相結(jié)合的方案。根據(jù)偏差大小確定采用模糊控制還是PID控制，見圖4。在│e│≥ε的動態(tài)范圍內(nèi)實行模糊控制，在│e│＜ε范圍內(nèi)實行PID控制。其優(yōu)點(diǎn)在于，利用模糊控制可以獲取系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的快速性;利用PID控制來減小靜差。

對于模糊控制器，球磨機(jī)入口負(fù)壓偏差的變化范圍取(-300Pa,+300Pa)，壓力偏差變化率的范圍取(-50Pa/s,+50Pa/s)。2個輸入變量以及輸出變量語言值的模糊子集均取(NB，NM，NS，0，PS,PM,PB)，它們的量化論域均為(-3,-2,-1，0，+1,+2,+3)。

為簡化起見，各模糊子集的隸屬度函數(shù)均取三角型。并通過模糊規(guī)則的推理，以及采用重心法求取輸出量U的精確值，得到控制表。PID控制的主要任務(wù)是保證穩(wěn)態(tài)精度。因此，在參數(shù)整定時，加大積分的作用。模糊控制器2也是采用模糊PID控制器，設(shè)計方法與入口負(fù)壓控制回路的控制器設(shè)計相類似。由于磨負(fù)荷控制回路兼顧到出口溫度的控制，所以控制器輸出量不能直接作為球磨機(jī)的給煤量。在模糊控制器2的輸出加入一個協(xié)調(diào)控制器。協(xié)調(diào)控制器依據(jù)當(dāng)前的出口溫度，以及模糊控制器2的輸出值，綜合得到給煤量的值，以防給煤量突變對球磨機(jī)出口溫度的影響。

三、結(jié)語

本系統(tǒng)自2004年2月開始投入使用，目前運(yùn)行良好。從鍋爐運(yùn)行趨勢圖看，磨煤機(jī)入口壓力的誤差波動范圍為±(30～50)Pa。磨煤機(jī)出口溫度的誤差波動范圍為±4℃。同時，磨負(fù)荷能穩(wěn)定在一個滿意的范圍內(nèi)。通過2004年2～11月期間的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，并與2003年全年數(shù)據(jù)比較:研磨電耗由2003年人工手動調(diào)節(jié)時的22.3kW.h/t，降為20.4kW.h/t,總制粉研磨電耗下降8.52%。實際運(yùn)行表明，該設(shè)計具有方案簡單、運(yùn)行可靠、節(jié)能效果明顯等特點(diǎn)。

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