鋼球磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)運(yùn)行特性分析和控制研究

1、第25卷第4期合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版Vol.25No.4 2002年8月JOURN AL OF HEFEI U NIVERSITY OF T ECH NOLOGY A ug.2002鋼球磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)運(yùn)行特性分析和控制研究王鐵軍1,朱峰2(1.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院,安徽合肥230009;2.馬鞍山萬(wàn)能達(dá)發(fā)電有限責(zé)任公司,安徽馬鞍山243051摘要:結(jié)合馬鞍山萬(wàn)能達(dá)發(fā)電有限公司1號(hào)機(jī)組制粉系統(tǒng)的控制技術(shù)改造,對(duì)中儲(chǔ)式鋼球磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)的相關(guān)控制問(wèn)題進(jìn)行深入的理論分析和控制策略研究,并根據(jù)被控對(duì)象的具體特性,提出了交叉解耦和有約束條件的自動(dòng)控制方法,結(jié)果證明,既保證了制粉系統(tǒng)的安全

2、運(yùn)行,又大幅度降低了制粉電耗。關(guān)鍵詞:制粉系統(tǒng);鋼球磨煤機(jī);運(yùn)行特性與控制中圖分類(lèi)號(hào):TH6,T K229.6文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1003-5060(200204-0605-05Characteristic analysis of the pulverizing system ofthe tube coal mill and control strategiesWANG T ie-jun1,ZH U Feng2(1.School of M achinery and Au tom ob ile Engineerin g,Hefei Un ivers ity of Techn ology,He

3、fei230009,Ch ina;2.M aans han W ann engda Power Plan t,M aans han243051,ChinaAbstract:The impr ovement practice in the control technolog y of the pulver ized co al system of No.1 generation unit in Maanshan Wanneng da Po w er Plant is intr oduced in this paper.A theo retical analy-sis of the contr o

4、l str ategies of tube coal mill system w ith interm ediate storage bunker is made in a deepg oing w ay.Fur thermor e,the cross-coupling control m ethod and the co ntro l scheme considering co nstr aints ar e proposed based on the characteristics of the contr olled object.As a result,the reliabili-ty

5、 o f the pulver ized coal preparation system is im pro ved and the pow er consumptio n is decreased. Key words:pulverized coal sy stem;tube coal mill;characteristics and co ntrol strategy0引言鋼球磨煤機(jī)以其工作可靠性高、煤種適應(yīng)性廣及維修量小的優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外火電廠,但其缺點(diǎn)是制粉系統(tǒng)能耗較高,用電量高達(dá)設(shè)備總能耗的20%左右1。由于磨煤機(jī)是一個(gè)三輸入三輸出的強(qiáng)耦合、非線(xiàn)性、大遲延及大慣性的被控對(duì)象,傳

6、統(tǒng)的控制系統(tǒng)采用3套相互獨(dú)立的PID控制回路,無(wú)法消除回路間的耦合,控制效果不佳,容易造成鋼球磨煤機(jī)滿(mǎn)煤、斷煤、超溫及跑粉等事故發(fā)生2。收稿日期:2002-01-07;修改日期:2002-04-16作者簡(jiǎn)介:王鐵軍(1957-,男,安徽黃山人,合肥工業(yè)大學(xué)副教授.本文以多變量控制理論3為基礎(chǔ),在詳細(xì)分析制粉系統(tǒng)運(yùn)行特性的基礎(chǔ)上,針對(duì)被控對(duì)象的具體特性,提出了簡(jiǎn)單實(shí)用的控制策略,并成功地應(yīng)用于馬鞍山萬(wàn)能達(dá)發(fā)電公司1號(hào)機(jī)組的制粉系統(tǒng)中,確保了制粉系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠高效運(yùn)行,取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。1被控對(duì)象1.1制粉系統(tǒng)采用熱風(fēng)送粉的中間儲(chǔ)倉(cāng)式制粉系統(tǒng),其制粉流程如圖1 所示。該制粉系統(tǒng)采用二次風(fēng)作為干燥

7、1.原煤倉(cāng)2.給煤機(jī)3.粗粉分離器4.排粉機(jī)5.細(xì)粉分離器6.煤粉倉(cāng)7.噴燃器8.爐膛9.再循環(huán)風(fēng)門(mén)10.磨煤機(jī)11.冷風(fēng)門(mén)12.熱風(fēng)門(mén)圖1制粉系統(tǒng)磨煤機(jī)流程圖劑,干燥劑將磨煤機(jī)中磨制好的煤粉帶出,在粗粉分離器中分離出較粗的煤粉,粗粉經(jīng)回粉管回到磨煤機(jī)中重新磨制,熱風(fēng)攜帶著合格的煤粉通過(guò)細(xì)粉分離器將煤粉與熱風(fēng)分離開(kāi),煤粉送到煤粉倉(cāng),熱風(fēng)經(jīng)過(guò)排粉機(jī)排出后稱(chēng)為乏氣(乏氣中約含有10%的煤粉,乏氣一部分作為再循環(huán)風(fēng)回到磨煤機(jī),其余部分作為三次風(fēng)送入爐膛燃燒。干燥劑輸送煤粉的動(dòng)力是由排粉機(jī)提供,制粉系統(tǒng)在負(fù)壓狀態(tài)下工作,運(yùn)行中為確保制粉系統(tǒng)安全運(yùn)行,要求磨煤機(jī)出口溫度不超過(guò)120,磨煤機(jī)入口負(fù)壓保持在

8、-800-300Pa 范圍內(nèi)。1.2鋼球磨煤機(jī)特性磨煤機(jī)磨煤過(guò)程所消耗的能量主要用于筒體轉(zhuǎn)動(dòng)和提升鋼球,因此磨煤機(jī)空載時(shí)功率較大,隨著磨煤出力的增加,磨煤機(jī)功率增加較少,磨煤出力越大,制粉單耗就越小,所以,磨煤機(jī)在高出力下保持運(yùn)行,對(duì)提高制粉系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性作用較大。1.2.1運(yùn)行特性磨煤機(jī)的電動(dòng)機(jī)功率、進(jìn)出口差壓、磨出力與筒體內(nèi)的存煤量之間關(guān)系,如圖2所示。 磨煤機(jī)投入運(yùn)1.電機(jī)功率2.進(jìn)出口差壓3.磨出力圖2磨煤機(jī)特性曲線(xiàn)行時(shí),隨著筒內(nèi)存煤量的不斷增多,電動(dòng)機(jī)功率也不斷增大。當(dāng)功率達(dá)到最大時(shí),磨煤機(jī)出力并沒(méi)有達(dá)到最大,出力最大點(diǎn)在功率最大點(diǎn)右邊,因此,將磨煤機(jī)運(yùn)行工作點(diǎn)推向最大出力點(diǎn)附近,既可

9、提高出力,又可節(jié)約單位電耗。當(dāng)磨煤機(jī)出力達(dá)到最大以前,磨煤機(jī)出入口差壓變化比較平穩(wěn),達(dá)到最大出力后,若繼續(xù)加大給煤量,出力減小,差壓先是緩慢增加,繼而急劇增大,造成堵煤。根據(jù)各曲線(xiàn)特性將圖2分為區(qū)、區(qū)和區(qū),在區(qū)時(shí)磨煤機(jī)耗電量大,出力小,不合理,在區(qū)易堵煤,應(yīng)避免,區(qū)狀況最好,是磨煤機(jī)的理想工作區(qū)域。1.2.2磨煤機(jī)出力影響因素磨煤機(jī)制粉能力的大小受磨制出力、干燥出力和通風(fēng)出力三者的限制,而且等于三者中較小者。(1磨制出力。磨煤機(jī)出力除了與設(shè)備類(lèi)型、筒體轉(zhuǎn)速及煤種有關(guān)外,還與鋼球數(shù)量、規(guī)格和筒內(nèi)載煤量有關(guān)。由圖2可知,提高磨煤機(jī)出力和降低磨煤機(jī)電耗的關(guān)鍵在于維持筒內(nèi)的合理載煤量。(2干燥出力。影

10、響磨煤機(jī)干燥出力的因素主要是煤的水分、熱風(fēng)溫度和干燥風(fēng)量。在熱風(fēng)送、制粉系統(tǒng)中,磨煤機(jī)進(jìn)口干燥劑組成一般為熱風(fēng)加再循環(huán)風(fēng),為了保持磨入口負(fù)壓、降低風(fēng)機(jī)電耗、提高鍋爐燃燒效率,磨入口總風(fēng)量需在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。606合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版第25卷(3通風(fēng)出力。磨煤機(jī)內(nèi)磨制好的煤粉需要有相當(dāng)?shù)哪ッ和L(fēng)量將其攜帶出,其通風(fēng)量與磨煤出力及制粉電耗關(guān)系,如圖3所示。(4中間儲(chǔ)倉(cāng)式制粉系統(tǒng)的風(fēng)量協(xié)調(diào)。在磨制煤粉的過(guò)程中, 既要有一定的通風(fēng)量把磨好的煤粉1.磨煤出力2.電耗圖3通風(fēng)量與出力、電耗關(guān)系輸送走,又要有一定數(shù)量和溫度的干燥通風(fēng)量以保證干燥出力。風(fēng)量協(xié)調(diào)的出發(fā)點(diǎn)是使磨煤機(jī)在經(jīng)濟(jì)工況下運(yùn)行,其干燥

11、出力應(yīng)不小于磨煤出力。1號(hào)機(jī)組中間儲(chǔ)倉(cāng)式制粉系統(tǒng)采用熱風(fēng)送粉,利用向熱風(fēng)中摻冷風(fēng)或乏氣再循環(huán)來(lái)降低磨煤機(jī)入口干燥劑介質(zhì)溫度,以協(xié)調(diào)干燥風(fēng)量和磨煤風(fēng)量。由于利用向熱風(fēng)中摻入冷風(fēng)的方法降低磨煤機(jī)入口干燥劑溫度和增加磨煤通風(fēng)量,使流往空氣預(yù)熱器的空氣量減少,導(dǎo)致排煙溫度升高,鍋爐效率降低,因而不經(jīng)濟(jì)。故應(yīng)優(yōu)先考慮采用乏氣再循環(huán)來(lái)協(xié)調(diào)干燥出力與磨煤出力之間的相互關(guān)系。2制粉系統(tǒng)控制方案2.1磨煤機(jī)入口負(fù)壓和出口溫度控制制粉系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),為保證磨煤機(jī)通風(fēng)量和干燥出力,必須將磨煤機(jī)入口負(fù)壓和出口溫度維持在允許范圍內(nèi)。原控制回路設(shè)計(jì)以單回路PID 控制為基礎(chǔ),通過(guò)控制熱風(fēng)量來(lái)維持磨煤機(jī)出口溫度,通過(guò)控制再循環(huán)

12、風(fēng)量來(lái)維持磨煤機(jī)入口負(fù)壓。由于這種控制方案無(wú)法在現(xiàn)場(chǎng)正常使用,故無(wú)法獲得滿(mǎn)意的控制效果,其主要原因如下:(1當(dāng)改變熱風(fēng)流量維持出口溫度時(shí),對(duì)磨煤機(jī)入口負(fù)壓產(chǎn)生干擾,即熱風(fēng)門(mén)開(kāi)度改變1%左右,磨煤機(jī)入口負(fù)壓改變400600Pa,而再循環(huán)風(fēng)量對(duì)磨煤機(jī)出口溫度也有較大影響。因此,常規(guī)控制方案會(huì)造成2個(gè)單回路控制系統(tǒng)之間的交叉影響。(2因熱風(fēng)流量改變而引起磨煤機(jī)出口溫度變化,這是一個(gè)大慣性和大滯后的過(guò)程,對(duì)于一個(gè)存在大慣性的子階被控對(duì)象,基于單回路PID 控制不可能獲得滿(mǎn)意的控制效果。(3若負(fù)壓升高,為了維持負(fù)壓穩(wěn)定,再循環(huán)門(mén)將打開(kāi),但是磨煤機(jī)出口溫度和干燥出力降低。在磨煤機(jī)正常運(yùn)行時(shí),通過(guò)再循環(huán)門(mén)來(lái)

13、調(diào)節(jié)磨煤機(jī)入口負(fù)壓,會(huì)降低磨煤機(jī)出力,故不經(jīng)濟(jì)。(4在機(jī)組負(fù)荷較低時(shí),二次風(fēng)溫度較低,磨煤機(jī)的干燥通風(fēng)量大于磨煤通風(fēng)量,控制系統(tǒng)為了維持磨煤機(jī)出口溫度,將開(kāi)大熱風(fēng)門(mén),增加熱風(fēng)流量,由于熱風(fēng)量增加,磨煤機(jī)入口負(fù)壓降低。為保持磨煤機(jī)入口負(fù)壓不變,再循環(huán)門(mén)將關(guān)小,若關(guān)閉后,磨煤機(jī)出口溫度仍低于設(shè)定值,則熱風(fēng)門(mén)將繼續(xù)開(kāi)大,造成磨煤機(jī)入口負(fù)壓迅速降低,甚至出現(xiàn)正壓和噴粉,嚴(yán)重影響磨煤機(jī)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。2.2溫度控制改進(jìn)方法(1以多變量控制理論設(shè)計(jì)控制系統(tǒng),在2個(gè)單回路控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)交叉解耦環(huán)節(jié)46,消除磨煤機(jī)入口負(fù)壓和出口溫度控制系統(tǒng)間的相互作用。(2在系統(tǒng)中設(shè)置再循環(huán)管,協(xié)調(diào)磨煤通風(fēng)量和干燥通風(fēng)量

14、。改進(jìn)后的控制系統(tǒng)將再循環(huán)門(mén)作為磨煤機(jī)出口溫度過(guò)高時(shí)的調(diào)節(jié)手段,當(dāng)磨煤機(jī)出口溫度過(guò)低時(shí),通過(guò)減少給煤量來(lái)提高磨煤機(jī)出口溫度。(3由于熱風(fēng)量對(duì)磨煤機(jī)入口負(fù)壓影響較大,為了維持磨煤機(jī)工況穩(wěn)定,保持磨煤機(jī)入口負(fù)壓在一定范圍內(nèi)波動(dòng),可改變熱風(fēng)門(mén)開(kāi)度來(lái)控制磨煤機(jī)入口負(fù)壓。方法(1中,交叉解耦控制的整定原則如下: 當(dāng)磨煤機(jī)出口溫度高于120而開(kāi)大再循環(huán)風(fēng)門(mén)時(shí),則通過(guò)解耦環(huán)節(jié)及時(shí)關(guān)小熱風(fēng)門(mén),使磨煤機(jī)入口負(fù)壓保持不變;反之關(guān)小再循環(huán)風(fēng)門(mén),并同時(shí)適當(dāng)開(kāi)大熱風(fēng)門(mén)。 磨煤機(jī)入口負(fù)壓偏高時(shí),開(kāi)大熱風(fēng)門(mén),通過(guò)解耦環(huán)節(jié)及時(shí)開(kāi)大再循環(huán)風(fēng)門(mén),保證磨煤機(jī)出口溫度基本不變;反之關(guān)小熱風(fēng)門(mén),同時(shí)關(guān)小再循環(huán)門(mén)。607第4期王鐵軍,等

15、:鋼球磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)運(yùn)行特性分析和控制研究改進(jìn)后的磨煤機(jī)入口負(fù)壓和出口溫度控制原理,如圖4 所示。圖4磨煤機(jī)入口負(fù)壓和出口溫度控制原理框圖2.3磨煤機(jī)負(fù)荷控制實(shí)踐證明,當(dāng)制粉系統(tǒng)的制粉出力接近最大時(shí),制粉的單位電耗較小。因此,通過(guò)控制給煤機(jī)轉(zhuǎn)速,確保磨煤機(jī)內(nèi)合適的存煤量是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。以磨煤機(jī)進(jìn)出口差壓(流動(dòng)壓力降信號(hào)來(lái)反映磨煤機(jī)內(nèi)的存煤量,給煤量的自動(dòng)控制分為正常工況調(diào)節(jié)和異常工況調(diào)節(jié),其調(diào)節(jié)原理如圖5 所示。圖5給煤量控制原理圖2.3.1正常工況調(diào)節(jié)受干燥出力的限制,給煤機(jī)的控制指令首先根據(jù)二次風(fēng)溫度,生產(chǎn)給煤機(jī)指令的初始值,再經(jīng)過(guò)熱風(fēng)門(mén)開(kāi)度的耦合信號(hào)修正,產(chǎn)生最終的給煤機(jī)控制指令,如圖

16、6所示。當(dāng)二次風(fēng)溫度分別為0、280、310、340和400時(shí),其給煤機(jī)指令初始值分別為50%、60%、64%、70%和75%。608合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版第25卷 圖6給煤控制指令原理框圖2.3.2異常調(diào)節(jié)有時(shí)因設(shè)備故障或調(diào)整不當(dāng),使磨煤機(jī)運(yùn)行出現(xiàn)故障,如斷煤、滿(mǎn)煤等情況,需要進(jìn)行特殊控制。斷煤的主要原因是通道堵塞、給煤機(jī)故障、監(jiān)視調(diào)整不當(dāng)及給煤量太小等,當(dāng)磨煤機(jī)斷煤時(shí),磨煤機(jī)進(jìn)出口差壓信號(hào)逐漸減小,磨出口溫度快速上升。在這種情況下,應(yīng)發(fā)出事故報(bào)警信號(hào),提醒運(yùn)行人員及時(shí)排除故障。滿(mǎn)煤的主要原因是監(jiān)視調(diào)整不當(dāng)、給煤量太大、管道堵塞、磨煤機(jī)內(nèi)鋼球量不足或鋼球不合格等,當(dāng)磨煤機(jī)內(nèi)滿(mǎn)煤時(shí),磨入

17、口負(fù)壓減小,差壓增大,出口溫度降低。因此,一旦發(fā)現(xiàn)滿(mǎn)煤,應(yīng)立即減少給煤量,嚴(yán)重時(shí)停止給煤,并進(jìn)行抽粉。3調(diào)試結(jié)果在馬鞍山萬(wàn)能達(dá)發(fā)電公司1號(hào)機(jī)組中的4臺(tái)鋼球磨煤機(jī)上采用了本文介紹的控制方案,使磨煤機(jī)投入率達(dá)到100%。通過(guò)交叉解耦控制有效地克服了磨煤機(jī)入口負(fù)壓與磨煤機(jī)出口溫度及給煤量之間的相互影響,在給煤機(jī)轉(zhuǎn)速控制中采用帶約束條件的控制方案,不僅保證制粉系統(tǒng)可靠安全運(yùn)行,而且有效地降低了制粉單位電耗。4結(jié)束語(yǔ)(1鋼球磨煤機(jī)工作在最大出力點(diǎn)附近,工效高、單位電耗低。(2建議采用乏氣再循環(huán)來(lái)協(xié)調(diào)干燥出力與磨煤出力之間的關(guān)系,改變熱風(fēng)門(mén)開(kāi)度來(lái)控制磨煤機(jī)入口負(fù)壓。(3因磨煤機(jī)入口負(fù)壓、出口溫度和出口壓差3個(gè)被控參量相互耦合、交叉干擾,故設(shè)置合適的解耦控制環(huán)節(jié)是提高控制質(zhì)量和運(yùn)行效率的關(guān)鍵。(4本文的分析結(jié)論和控制方法對(duì)廣泛使用的同類(lèi)制粉系統(tǒng)具有一定的參考和借鑒作用。參考文獻(xiàn)1華北電力設(shè)計(jì)院技術(shù)處.國(guó)外大型磨煤機(jī)的應(yīng)用M .北京:水力電力出版社,1985.1-50.2王詩(shī)必.多變量控制系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)M .北京:中國(guó)電力出版社,1996.122-168.3邵裕森,戴先中.過(guò)程控制工程M .北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.219-232.4Pet