許潤、裘迅斌、傅海浩

1、前言

制粉系統是火力發電廠最重要的系統之一，它的任務就是按照規定的煤粉精細度和水分制出鍋爐所需要的煤粉，將其輸送到爐膛，以保證鍋爐穩定、經濟運行。其中鋼球磨煤機是制粉系統的關鍵設備，在國內發電廠中鋼球磨煤機占各類磨煤機總量的60%以上。鋼球磨煤機的優點是運行可靠、維護簡單、對煤種適應性強和檢修費用低等；缺點是電耗高(耗電量約占廠用電量的25% ) 、運行復雜、噪音大、耗鋼多、磨損。同時，鋼球磨煤機在其它行業也有廣泛的應用，主要應用于以下場合：

中儲式煤粉爐筒式鋼球磨煤機

直吹式煤粉爐雙進雙出鋼球磨

建材行業水泥生料粉磨、煤粉制備磨機

冶金及其他行業筒式鋼球磨

鋼球磨煤機是一個非線性、大滯后、大慣性、強耦合，以及具有多種不確定性擾動的多變量對象。由于原煤水分、煤質(揮發分、灰分、可磨性等)的變化，以及鋼球、襯板磨損等原因，不僅特性復雜，而且時變緩慢，使磨煤、干燥、輸送出力難以相互優化匹配。

2、當前現狀

對于制粉系統的自動控制，尤其是鋼球磨的優化控制國內外都有相關的研究，提出預測控制、解藕控制等控制方案，但往往難以與球磨機的實際特性很好地結合，目前行業應用中最常采用的是常規控制或音頻控制的方案。

以中儲式熱風送粉煤粉爐為案例，常規控制將控制系統設計為3個互為獨立的控制回路，采用熱風門控制球磨機出口溫度，再循環風門控制入口負壓，給煤量控制球磨機出入口差壓形成3套獨立的PID控制回路。通過機理分析可知，鋼球磨煤機的3個控制回路間耦合非常嚴重。因此，一個系統中如果有各自獨立的系統，控制品質就會很差，很難保證長期穩定運行，在電力實際生產中很大程度上仍需要手動控制，制粉系統很難工作在最佳工況，磨煤電耗高、經濟性差。

目前在電力系統更多應用音頻信號控制磨煤機負荷，但一方面要增加音頻檢測設備及專用控制器的投資，另外需要經常手動標定修正，因此難以長期穩定有效的投入自動。利用音頻料位長期自動投入音頻設備控制存在以下問題：

1、鋼球的加入量影響音頻信號，指示料位會出現偏差；料位裝置需進行人工修正，而且只能在控制器上修正，DCS不能進行修正。

2、煤質的變化，特別是煤含水量的變化，音頻信號難以確保最佳料位不會偏移運行在理想狀態。

通過對制粉系統工藝及傳統控制方案難于長期穩定投入的機理分析，筆者利用中控DCS控制系統為基礎，采用自尋優算法、超弛控制、給煤機轉速分程非線性控制等先進算法組合實現磨煤機最佳存煤負荷量運行，可使制粉系統實現安、穩、優運行。筆者在某電廠采用以上控制策略，實踐證明，采用新的控制方案后，能夠較好的解決磨機自動回路投入困難及節能效果不佳的問題。

3、工藝及控制機理分析

筆者采用功率電流法原理，根據鋼球磨運行電量信號對料位信號的逆轉反應特點，進行控制算法的編制及調試。一般情況下，磨煤機隨著給煤量的增加磨煤機內的料位不斷升高，此時磨煤機的電流也隨之增加（同時也表現為磨煤機的功率增加），當磨煤機的料位達到一定值時，隨著料位的升高磨煤機的電流會下降變化（同時也表現為磨煤機的功率下降），這個從上升到下降過程的轉折點在這里稱為拐點，磨煤機的最佳料位就在這個拐點附近的優化區，這也是磨煤機的最佳工作負荷位置見圖1。根據磨煤機運行機理，優化區內磨煤機產量達最大，運行時應控制在這個料位值，磨煤機最經濟運行。

在進行此方案的實施前，需要根據工藝運行情況進行磨煤機鋼球裝載量與鋼球補充機制的試驗，并根據實際運行工況進行給煤機分程運行試驗及數據記錄，控制程序依據以上兩條試驗數據及時修正偏差，使之正確執行，防止出現異常情況。

自尋優鋼球磨煤機負荷優化控制策略包括三個環節：1、采集磨煤機的電流信號并將電流信號傳送到電流信號處理模塊中；2、在此模塊中對電流信號進行處理，找到最佳磨煤機負荷的電流；3、將此最佳電流值送到磨煤機給煤調整回路中并對給煤機的速度進行調整。

磨煤機電流采集與輸送環節，是將磨煤機電流信號通過變送器轉換為4-20mA信號，通過信號電纜傳送到電流信號處理模塊中。

電流信號處理模塊包括接收、運算處理及輸出4-20mA電流信號處理模塊，通過對磨煤機的電流或是功率的記錄計算找到拐點，計算出磨煤機處于最佳優化區域內時磨煤機的電流值，輸出到磨煤機的給煤調整回路中。

磨煤機的給煤調整回路接收來自電流信號處理模塊的電流信號作為給煤機控制回路的設定值，磨煤機的實測電流作為給煤機調整回路的測量值對給煤機的給煤量進行調整，使磨煤機的料位維持在最佳狀態，也就保證了給煤機的負荷處于最佳狀態。

在算法的實現中，核心是進行電流信號的數據采集及優化分析，對電流信號進行合理的數據處理算法的編制，防止出現因為信號抖動或干擾造成的優化區判斷異常。在實際的調試及投運過程中，還需要考慮例如滿罐、堵煤等各種異常情況下對算法的干擾。若判斷出磨出口即將堵煤,則切換至相應的堵煤異常處理程序；若判斷出給煤機斷煤,則控制系統自動切換到斷煤異常處理程序；通過對相關參數的判別,發現制粉系統的運行工況由于煤種、濕度及鋼球裝載量發生變化而導致運行工況的改變,則控制系統將通過控制策略的自適應調整機制,修正原有的控制策略,確保整個控制系統具有良好的自適應能力。

4、結束語

采用筆者的鋼球磨優化控制方案進行工程實施時，相比目前電力系統普遍采用的電耳信號、差壓信號等控制方案，有如下優點：

1、基本無硬件投資，反應磨機料位信號更為準確，基本不受煤的濕度與煤質的影響，人機界面友好；

2、不需要進行建模，根據現場實際使用情況對原有方案進行修正就能滿足其它機組控制方案的實現；

3、給煤機轉速分段非線性控制與自尋優算法的有效結合，最能適應磨煤機從低負荷到最佳負荷過程中對象的逆轉反應特性，實現磨煤機負荷的自尋優控制。

采用本控制方案所產生的經濟技術指標：

1、相同負荷下，減少磨機運行時間，降低制粉電耗，根據某電站蒸汽量為410T/H的鍋爐制粉電耗統計：采用最佳存煤量為基礎的策略應用的案例，同一臺鍋爐制粉自動投入前制粉電耗約為28度/噸，自動投入后為26度/噸,節電約 2 度/噸，節電率在7.2%左右。

2、穩定投入自動將使磨機長期在最佳料位方式下運行，最大限度地減少了鋼球損耗率及對金屬襯板的無用功磨損，增長設備的壽命及檢修周期。

3、設備額定負荷、負壓、溫度參數壓紅線的自動控制，使磨組的負荷出力及干燥處理等指標得以保證，防止滿罐、堵煤事故的發生，減輕運行人員的操作強度。