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鋼球磨煤機工作特性/鋼球磨煤機設備/新型鋼球磨煤機

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　鋼球磨煤機是火力發電廠的重要輔助設備，其作用是將一定尺寸的煤塊乾燥、破碎並磨制成煤粉以供給鍋爐燃燒。鋼球磨煤機被國內外火電廠大量采用，據資料統計，在國內發電廠中鋼球磨煤機占各類磨煤機總量的60%以上^［1］。然而鋼球磨煤機的缺點也是顯而易見的，如運行復雜、電耗高、噪音大、耗鋼多、磨損多等，特別是自動控制難以實現這個問題至今仍未得到有效地解決，絕大多數電廠現在仍以手動為主。鋼球磨煤機作為電廠的重要設備其安全、經濟運行與整個電廠的安全、經濟運行有著緊密的聯系，所以有必要對鋼球磨煤機的特性以及國內現有的控制方案進行深入的分析，以找出鋼球磨煤機自動投入率低的根本原因。

1　鋼球磨煤機工作原理及運行特性^{［1］［5］}

　　鋼球磨煤機是一個直徑2～4m，長為3～10m，內壁襯有波浪型錳鋼護甲的圓筒。筒內裝有許多直徑為30～60mm的鋼球。筒體一邊為原煤進口與乾燥熱風進口，另一邊為氣粉混合物的出口。筒身經電動機、減速裝置傳動以低速旋轉，在離心力和摩擦力的作用下，護甲將鋼球及原煤提升至一定的高度，然後借重力自由下落。煤主要被鋼球擊碎，同時還受到鋼球之間、鋼球與護甲之間的擠壓與研磨。磨好的煤粉被熱空氣帶入爐膛燃燒。磨煤機投入運行之後，磨煤機的功率、振動信號、出入口壓差與出力之間呈如圖1的關系^［1］。

圖1　鋼球磨煤機工作特性示意圖
1—磨煤機功率；2—磨煤機的振動信號；
3—磨煤機出入口壓差；4—磨煤機出力

　　當存煤量不斷增加時，磨煤機的功率不斷增加直至最大，但此時磨煤機的出力並沒有達到最大，而是在功率最大點的右邊。所以將磨煤機的工作點放在最大點的右邊，會增大出力，節約能耗。隨著存煤量的增加，磨煤機的出入口壓差也不斷增加。當存煤量增加到一定程度時，進粉大於出粉造成堵煤，此時壓差急驟上升，所以出入口壓差在一定程度上可以反映磨煤機的存煤量。磨煤機的存煤量少時，磨煤機的鋼球之間、鋼球與磨煤機之間、鋼球與煤之間的撞擊作用大，所以磨煤機的振動信號大。隨著磨煤量的增大，振動信號減弱。
　　根據圖1中各曲線特性，將圖1化為a、b、c 3個區域，在b區中磨煤機的出力最大，磨煤機的耗電量最小，所以應使磨煤機的工況保持在此區域。

2　鋼球磨煤機的動態特性^{［2］［3］}

　　為使磨煤機安全、經濟運行，磨煤機控制系統應控制磨煤機的存煤量、入口負壓、出口溫度這3個被控量。設計控制系統時一般由磨煤機的出入口壓差調節存煤量，再循環冷風門調節入口負壓，熱風門調節出口溫度。
2．1　給煤量階躍擾動磨煤機響應特性
　　如圖2當給煤量發生階躍變化，磨煤機的出入口壓差、出口溫度表現為無自平衡能力的對象，負壓為有自平衡能力的對象。出入口差壓響應的延遲和慣性較大，出口負壓響應有較大的延遲，這些特性都是對控制系統不利的特性。

圖2　給煤量階躍擾動響應特性示意圖
1—出入口壓差；2—出口溫度；3—出口負壓

2．2　熱風門階躍擾動磨煤機響應特性
　　如圖3當磨煤機熱風門發生階躍擾動時，磨煤機的出口溫度、出入口壓差、入口負壓都表現為有自平衡能力的對象。出口溫度為一高階對象。

圖3　風門階躍擾動響應特性示意圖
1—出口溫度；2—出入口壓差；3—入口負壓

2．3　再循環風門階躍擾動磨煤機響應特性

圖4　再循環風門階躍擾動響應特性示意圖
1—出入口差壓；2—出入口溫度；3—入口負壓

　　當再循環風門發生階躍變化時，磨煤機的入口負壓、出口溫度和出入口壓差都為有自平衡能力的對象。並且出口溫度為一高階對象，有較大的慣性。
　　由以上動態特性分析可得某典型鋼球磨煤機的數學模型為：

g1-16.gif (4614 bytes) 　　　（1）

　　ΔP、T、P_負分別為磨煤機的出入口差壓、出口溫度和入口負壓；M₁、M₂、M₃分別為磨煤機的給煤量、熱風門的開度和冷風門的開度。

3　鋼球磨煤機的控制難度^［4］

　　由鋼球磨煤機的系統分析和其數學模型可知其控制難度為
　　（1）　現有鋼球磨煤機的控制方案是以存煤量為基礎的，但是由於鋼球磨煤機內運行環境復雜和測量手段的限制，無論是采用差壓或振動信號的測量方法來測存煤量都有較大的誤差，所以以存煤量為基礎的控制方案都有一定的局限性。
　　（2）　鋼球磨煤機實際上是三輸入、三輸出的多變量、強耦合、大慣性、大延遲的時變系統。如果采用常用的PID單回路調節器強行割裂各變量之間的關系，不但得不到較好的控制效果，而且還極易造成系統的不穩定。
　　（3）　鋼球磨煤機的被控量除受到給煤量、熱風門和冷風門開度的擾動外，還受諸如鋼球載煤量、煤含水量、煤含灰量、冷、熱風溫度高低的影響。
　　（4）　鋼球磨煤機的各被控量之間動態特性差異較大，主要表現為有自平衡能力和無自平衡能力的差異，這是不利於控制的特性。
　　基於以上幾點，可以得出鋼球磨煤機采用常規PID控制是不可取的，必須采用解耦和智能控制等高級控制規律來解決問題。

4　國內主要鋼球磨煤機解耦控制方案

4．1　常規解耦控制方案^{［4］［5］}
　　常規解耦方法可分為靜態解耦和動態解耦。靜態解耦方法適用於對象模型較精確，在靜態工作點附近線性度較好的環境，它具有結構簡單、實現容易的特點，但鋼球磨煤機是一個復雜的被控對象，工作狀態極不穩定，所以靜態解耦不適於應用於鋼球磨煤機。
　　動態解耦是在被控對象工作的全過程進行解耦，在一定的條件下有良好的解耦效果。

圖5　動態解耦系統
D（S）—解耦網絡；G（S）—鋼球磨煤機

　　如圖5　Y（S）＝G（S）X（S）
　　　　　　X（S）＝D（S）Z（S）
得出　　　　Y（S）＝G（S）D（S）Z（S）

令　　 g2-17.gif (1530 bytes) 　　　　　　　　　　　　　　　　　　（2）

　　由式2可計算出解耦網絡D（S）的各元素。D(S)中的各元素可能具有或TS環節，為保證系統的穩定和控制器的易於實現，必須用代替，（TS＋1）代替TS並使S的二次冪以上項略去。
　　解耦後的系統可按單回路的原則來整定PID控制器的參數。
　　動態解耦也是基於可獲得鋼球磨煤機的精確數學模型，並且它還限於磨煤機在動態工作點附近線性度良好。對於鋼球磨煤機這樣一個多擾動、非線性的復雜系統，此方法還是有較大的局限性，而且為瞭解耦網絡易於實現必須作出相應的簡化，這樣造成系統模型的失真，當系統出現擾動時極易造成不穩定。所以常規解耦法並不能從根本上解決磨煤機的控制問題。
4．2　基於多變量頻域理論的INA法設計方法^［6］
　　INA法即逆奈氏陣列法是多變量頻域理論的重要內容之一，它具有對數學模型的精確性要求不高、物理概念清晰、易於工程實現等特點而被大量應用於工程實踐之中。
　　對角優勢系統的逆奈氏穩定判據：
　　當ding｛f₁，f₂，f₃……f_m｝為非零常數，a：矩陣Q^∧（S）中的諸元素q^∧_ii（S）的Gershgorin帶即不含原點〔Q^∧（S）有對角優勢〕，也不含－f_i點｛〔Q^∧（S）＋F〕對角有優勢｝；b：諸q^∧_ii（S）的Gershgorin帶順時針包圍－f_i的周數與包圍原點周數之差的總和為開環系統在右半平麵的極點數的負數，則系統既有對角優勢又有閉環穩定。〔Q^∧（S）為系統矩陣Q（S）的逆陣〕。
　　所以INA法的關鍵在於求出被控對象的預補償矩陣，使對象的廣義傳遞函數具有對角優勢。

圖6　INA法控制系統

　　K_C（S）為動態補償矩陣，用來調節被控量的動態性能。K_P（S）為預補償矩陣。G（S）為被控對象。F（S）為反饋增益矩陣，用來調節系統的靜態品質，使系統穩定。
　　為實現INA法控制磨煤機，首先必須使K_P^∧（S）G^∧（S）成為對角優勢陣，消除或減輕回路之間的耦合程度。如果不考慮控制器的實現難度，則K_P^∧（S）G^∧（S）總是可以化為對角優勢陣或對角化矩陣，但過於復雜的K_P（S）實現起來非常困難，工程上希望K_P（S）盡可能簡單，最好是常數矩陣，甚至是稀疏矩陣。可以采取初等變換、分頻段補償或偽對角化法來使得K_P（S）盡可能簡單。
　　根據INA穩定判據，畫出Q（S）中各元素的奈氏圖與Gershorin帶，初步選出F（S）。如個別回路的精度不滿足要求，則畫出這些回路的Ostrowski帶，重新選擇相應的反饋增益fi以滿足要求。對每個回路按單回路的方法來設計動態補償器K_C（S）。
　　基於INA方法設計的磨煤機控制方案不需要精確的數學模型，克服瞭系統易受擾動，穩定性差的毛病，使系統具有耦合小、魯棒性、故障穩定性強的特點。但INA法設計磨煤機控制系統需相應的CACSD軟件。
4．3　鋼球磨煤機模糊控制方案^［7］
　　模糊控制理論告訴我們在多變量、非線性、時變的大系統中，系統的復雜性與人類要求的精確性之間存在尖銳的矛盾，對於這樣一類系統模糊控制往往有意想不到的效果。
　　運用模糊控制理論控制鋼球磨煤機必須解決多變量模糊控制的問題，由模糊控制理論可知，通過模糊相關方程分解可將一個多輸入、多輸出的模糊控制器分解為若乾個單輸入、單輸出的模糊控制器，這樣可用3個單輸入、單輸出的模糊控制器實現對磨煤機的控制，大大簡化瞭系統的設計。
　　為保證磨煤機控制系統中各被控量的精度和動態品質，采用受控量和輸入給定的偏差e和偏差的變化量ec作為二維模糊控制器的輸入語言變量。模糊控制器的輸入為精確量，必須模糊化以後才能被模糊控制器所識別，根據運行的實際情況設置各輸入語言變量的論域。各回路根據其論域設置模糊控制規則庫，即輸出控制查詢表，得到的輸出模糊量通過解模糊接口轉化為精確量去控制被控對象。
　　模糊控制方案最主要的地方在於模糊控制規則庫的設計，輸入語言變量的分檔要適當，過密會造成動作頻繁，過粗則造成精度不高。模糊控制規則庫的設計要從系統的設計思想、運行人員的經驗以及實驗數據等方麵綜合考慮。模糊控制方案無需磨煤機精確的數學模型，這對經典的解耦方法是一個巨大的進步，國內高校如華北電力大學有成功的先例。
　　雖然磨煤機模糊控制方案具有較好的魯棒性，但是由於其是多變量系統，要根據運行人員的經驗來得到控制規則庫和隸屬度函數是非常困難的，這是模糊控制理論運用到磨煤機亟須解決的問題。

5　磨煤機仿人智能控制方案^［8］

　　仿人智能控制方案是依據智能控制的原理，仿照人的思維對磨煤機進行智能解耦，以保證磨煤機的安全、經濟運行。其核心是由智能判斷器和智能算法控制器組成。
　　智能判斷器的設計依據運行人員的操作經驗，根據輸入量誤差和其變化量制定相應的控制策略，原則為：(1)先調入口負壓和出口溫度，當兩者均在正常范圍內時，再調給煤量使出力達最大。(2)入口負壓以再循環風門調節為主，出口溫度以熱風門調節為主，隻有一回路被控量調不過來時，另一回路的風門才參與調節。(3)根據磨煤機的噪聲信號、磨煤機電流、被控量參數等信號綜合判斷堵煤或斷煤。
　　智能算法控制器根據磨煤機系統的耦合情況將控制器分為5個子回路，分別為熱風門—出口溫度回路，熱風門—入口負壓回路，再循環風門—入口負壓回路，再循環風門—出口溫度回路，給煤量—負荷控制回路。5個回路均采用智能算法根據其輸入選擇相應的PID算法，達到仿人的目的。

　　（1）鋼球磨煤機是多輸入、多輸出、被控參數間嚴重耦合的系統，必須對系統解耦。
　　（2）由於磨煤機內是氣固兩相流，運行工況復雜，以存煤量為基礎的控制方案無論是采用差壓或振動信號都不能反映磨煤機的實際負荷。
　　（3）模糊控制、神經網絡等智能控制的出現為磨煤機的控制找到瞭新方法。因為它們都拋棄原來的思路，即精確的描述磨煤機的數學模型，並根據模型進行算法的研究，這對磨煤機這樣一個復雜的系統來說更加符合實際，特別是神經網絡可以以任意的精度逼近任意非線性連續函數，具有自學習的功能，更加值得研究，應用於鋼球磨煤機控制系統中。
　　（4）對於磨煤機這種復雜的被控對象，可以采用成熟的功能較強而組態靈活的小型的DCS來實現其控制系統，並可根據需要擴展算法。

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