許潤(rùn)、裘迅斌、傅海浩
1、前言
制粉系統(tǒng)是火力發(fā)電廠最重要的系統(tǒng)之一，它的任務(wù)就是按照規(guī)定的煤粉精細(xì)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(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。其中鋼球磨煤機(jī)是制粉系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，在國(guó)內(nèi)發(fā)電廠中鋼球磨煤機(jī)占各類磨煤機(jī)總量的60%以上。鋼球磨煤機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行可靠、維護(hù)簡(jiǎn)單、對(duì)煤種適應(yīng)性強(qiáng)和檢修費(fèi)用低等；缺點(diǎn)是電耗高(耗電量約占廠用電量的25% ) 、運(yùn)行復(fù)雜、噪音大、耗鋼多、磨損。同時(shí)，鋼球磨煤機(jī)在其它行業(yè)也有廣泛的應(yīng)用，主要應(yīng)用于以下場(chǎng)合：
中儲(chǔ)式煤粉爐筒式鋼球磨煤機(jī)
直吹式煤粉爐雙進(jìn)雙出鋼球磨
建材行業(yè)水泥生料粉磨、煤粉制備磨機(jī)
冶金及其他行業(yè)筒式鋼球磨
鋼球磨煤機(jī)是一個(gè)非線性、大滯后、大慣性、強(qiáng)耦合，以及具有多種不確定性擾動(dòng)的多變量對(duì)象。由于原煤水分、煤質(zhì)(揮發(fā)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(fù)雜，而且時(shí)變緩慢，使磨煤、干燥、輸送出力難以相互優(yōu)化匹配。
2、當(dāng)前現(xiàn)狀
對(duì)于制粉系統(tǒng)的自動(dòng)控制，尤其是鋼球磨的優(yōu)化控制國(guó)內(nèi)外都有相關(guān)的研究，提出預(yù)測(cè)控制、解藕控制等控制方案，但往往難以與球磨機(jī)的實(shí)際特性很好地結(jié)合，目前行業(yè)應(yīng)用中最常采用的是常規(guī)控制或音頻控制的方案。
以中儲(chǔ)式熱風(fēng)送粉煤粉爐為案例，常規(guī)控制將控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)為3個(gè)互為獨(dú)立的控制回路，采用熱風(fēng)門控制球磨機(jī)出口溫度，再循環(huán)風(fēng)門控制入口負(fù)壓，給煤量控制球磨機(jī)出入口差壓形成3套獨(dú)立的PID控制回路。通過機(jī)理分析可知，鋼球磨煤機(jī)的3個(gè)控制回路間耦合非常嚴(yán)重。因此，一個(gè)系統(tǒng)中如果有各自獨(dú)立的系統(tǒng)，控制品質(zhì)就會(huì)很差，很難保證長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，在電力實(shí)際生產(chǎn)中很大程度上仍需要手動(dòng)控制，制粉系統(tǒng)很難工作在最佳工況，磨煤電耗高、經(jīng)濟(jì)性差。
目前在電力系統(tǒng)更多應(yīng)用音頻信號(hào)控制磨煤機(jī)負(fù)荷，但一方面要增加音頻檢測(cè)設(shè)備及專用控制器的投資，另外需要經(jīng)常手動(dòng)標(biāo)定修正，因此難以長(zhǎng)期穩(wěn)定有效的投入自動(dòng)。利用音頻料位長(zhǎng)期自動(dòng)投入音頻設(shè)備控制存在以下問題：
1、鋼球的加入量影響音頻信號(hào)，指示料位會(huì)出現(xiàn)偏差；料位裝置需進(jìn)行人工修正，而且只能在控制器上修正，DCS不能進(jìn)行修正。
2、煤質(zhì)的變化，特別是煤含水量的變化，音頻信號(hào)難以確保最佳料位不會(huì)偏移運(yùn)行在理想狀態(tài)。
通過對(duì)制粉系統(tǒng)工藝及傳統(tǒng)控制方案難于長(zhǎng)期穩(wěn)定投入的機(jī)理分析，筆者利用中控DCS控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，采用自尋優(yōu)算法、超弛控制、給煤機(jī)轉(zhuǎn)速分程非線性控制等先進(jìn)算法組合實(shí)現(xiàn)磨煤機(jī)最佳存煤負(fù)荷量運(yùn)行，可使制粉系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安、穩(wěn)、優(yōu)運(yùn)行。筆者在某電廠采用以上控制策略，實(shí)踐證明，采用新的控制方案后，能夠較好的解決磨機(jī)自動(dòng)回路投入困難及節(jié)能效果不佳的問題。
3、工藝及控制機(jī)理分析
筆者采用功率電流法原理，根據(jù)鋼球磨運(yùn)行電量信號(hào)對(duì)料位信號(hào)的逆轉(zhuǎn)反應(yīng)特點(diǎn)，進(jìn)行控制算法的編制及調(diào)試。一般情況下，磨煤機(jī)隨著給煤量的增加磨煤機(jī)內(nèi)的料位不斷升高，此時(shí)磨煤機(jī)的電流也隨之增加（同時(shí)也表現(xiàn)為磨煤機(jī)的功率增加），當(dāng)磨煤機(jī)的料位達(dá)到一定值時(shí)，隨著料位的升高磨煤機(jī)的電流會(huì)下降變化（同時(shí)也表現(xiàn)為磨煤機(jī)的功率下降），這個(gè)從上升到下降過程的轉(zhuǎn)折點(diǎn)在這里稱為拐點(diǎn)，磨煤機(jī)的最佳料位就在這個(gè)拐點(diǎn)附近的優(yōu)化區(qū)，這也是磨煤機(jī)的最佳工作負(fù)荷位置見圖1。根據(jù)磨煤機(jī)運(yùn)行機(jī)理，優(yōu)化區(qū)內(nèi)磨煤機(jī)產(chǎn)量達(dá)最大，運(yùn)行時(shí)應(yīng)控制在這個(gè)料位值，磨煤機(jī)最經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。
在進(jìn)行此方案的實(shí)施前，需要根據(jù)工藝運(yùn)行情況進(jìn)行磨煤機(jī)鋼球裝載量與鋼球補(bǔ)充機(jī)制的試驗(yàn)，并根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行給煤機(jī)分程運(yùn)行試驗(yàn)及數(shù)據(jù)記錄，控制程序依據(jù)以上兩條試驗(yàn)數(shù)據(jù)及時(shí)修正偏差，使之正確執(zhí)行，防止出現(xiàn)異常情況。
自尋優(yōu)鋼球磨煤機(jī)負(fù)荷優(yōu)化控制策略包括三個(gè)環(huán)節(jié)：1、采集磨煤機(jī)的電流信號(hào)并將電流信號(hào)傳送到電流信號(hào)處理模塊中；2、在此模塊中對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行處理，找到最佳磨煤機(jī)負(fù)荷的電流；3、將此最佳電流值送到磨煤機(jī)給煤調(diào)整回路中并對(duì)給煤機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)整。
磨煤機(jī)電流采集與輸送環(huán)節(jié)，是將磨煤機(jī)電流信號(hào)通過變送器轉(zhuǎn)換為4-20mA信號(hào)，通過信號(hào)電纜傳送到電流信號(hào)處理模塊中。
電流信號(hào)處理模塊包括接收、運(yùn)算處理及輸出4-20mA電流信號(hào)處理模塊，通過對(duì)磨煤機(jī)的電流或是功率的記錄計(jì)算找到拐點(diǎn)，計(jì)算出磨煤機(jī)處于最佳優(yōu)化區(qū)域內(nèi)時(shí)磨煤機(jī)的電流值，輸出到磨煤機(jī)的給煤調(diào)整回路中。
磨煤機(jī)的給煤調(diào)整回路接收來(lái)自電流信號(hào)處理模塊的電流信號(hào)作為給煤機(jī)控制回路的設(shè)定值，磨煤機(jī)的實(shí)測(cè)電流作為給煤機(jī)調(diào)整回路的測(cè)量值對(duì)給煤機(jī)的給煤量進(jìn)行調(diào)整，使磨煤機(jī)的料位維持在最佳狀態(tài)，也就保證了給煤機(jī)的負(fù)荷處于最佳狀態(tài)。
在算法的實(shí)現(xiàn)中，核心是進(jìn)行電流信號(hào)的數(shù)據(jù)采集及優(yōu)化分析，對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行合理的數(shù)據(jù)處理算法的編制，防止出現(xiàn)因?yàn)樾盘?hào)抖動(dòng)或干擾造成的優(yōu)化區(qū)判斷異常。在實(shí)際的調(diào)試及投運(yùn)過程中，還需要考慮例如滿罐、堵煤等各種異常情況下對(duì)算法的干擾。若判斷出磨出口即將堵煤,則切換至相應(yīng)的堵煤異常處理程序；若判斷出給煤機(jī)斷煤,則控制系統(tǒng)自動(dòng)切換到斷煤異常處理程序；通過對(duì)相關(guān)參數(shù)的判別,發(fā)現(xiàn)制粉系統(tǒng)的運(yùn)行工況由于煤種、濕度及鋼球裝載量發(fā)生變化而導(dǎo)致運(yùn)行工況的改變,則控制系統(tǒng)將通過控制策略的自適應(yīng)調(diào)整機(jī)制,修正原有的控制策略,確保整個(gè)控制系統(tǒng)具有良好的自適應(yīng)能力。
4、結(jié)束語(yǔ)
采用筆者的鋼球磨優(yōu)化控制方案進(jìn)行工程實(shí)施時(shí)，相比目前電力系統(tǒng)普遍采用的電耳信號(hào)、差壓信號(hào)等控制方案，有如下優(yōu)點(diǎn)：
1、基本無(wú)硬件投資，反應(yīng)磨機(jī)料位信號(hào)更為準(zhǔn)確，基本不受煤的濕度與煤質(zhì)的影響，人機(jī)界面友好；
2、不需要進(jìn)行建模，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用情況對(duì)原有方案進(jìn)行修正就能滿足其它機(jī)組控制方案的實(shí)現(xiàn)；
3、給煤機(jī)轉(zhuǎn)速分段非線性控制與自尋優(yōu)算法的有效結(jié)合，最能適應(yīng)磨煤機(jī)從低負(fù)荷到最佳負(fù)荷過程中對(duì)象的逆轉(zhuǎn)反應(yīng)特性，實(shí)現(xiàn)磨煤機(jī)負(fù)荷的自尋優(yōu)控制。
采用本控制方案所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)：
1、相同負(fù)荷下，減少磨機(jī)運(yùn)行時(shí)間，降低制粉電耗，根據(jù)某電站蒸汽量為410T/H的鍋爐制粉電耗統(tǒng)計(jì)：采用最佳存煤量為基礎(chǔ)的策略應(yīng)用的案例，同一臺(tái)鍋爐制粉自動(dòng)投入前制粉電耗約為28度/噸，自動(dòng)投入后為26度/噸,節(jié)電約 2 度/噸，節(jié)電率在7.2%左右。
2、穩(wěn)定投入自動(dòng)將使磨機(jī)長(zhǎng)期在最佳料位方式下運(yùn)行，最大限度地減少了鋼球損耗率及對(duì)金屬襯板的無(wú)用功磨損，增長(zhǎng)設(shè)備的壽命及檢修周期。
3、設(shè)備額定負(fù)荷、負(fù)壓、溫度參數(shù)壓紅線的自動(dòng)控制，使磨組的負(fù)荷出力及干燥處理等指標(biāo)得以保證，防止?jié)M罐、堵煤事故的發(fā)生，減輕運(yùn)行人員的操作強(qiáng)度。
