磨煤機料位自尋優(yōu)控制系統(tǒng)設計

蔣 恒，李 波

(國電重慶恒泰發(fā)電有限公司，重慶400805)

0 引言

我國是一個以煤炭為主要能源的國家，在電力行業(yè)，盡管水電、風電、核電等新能源近年來發(fā)展迅速，但目前我國火力發(fā)電量占總發(fā)電量的份額仍在80%以上，并且在相當一段時期內，仍將保持在電力結構中占據(jù)主導地位。而制粉系統(tǒng)作為火力發(fā)電機組中一個必不可少的重要輔助系統(tǒng)，其安全、經(jīng)濟運行直接決定著電廠運行的安全性和經(jīng)濟性。據(jù)統(tǒng)計，火力發(fā)電廠廠用電占全廠總發(fā)電量的10%左右，僅制粉系統(tǒng)的耗電量就占到了全廠廠用電量的15%～25%，是發(fā)電廠的耗電大戶之一。而影響制粉系統(tǒng)能耗最主要的因素就是磨煤機，其耗電量占整個制粉系統(tǒng)耗電量的70% ～80%，因此，磨煤機的經(jīng)濟運行成為發(fā)電企業(yè)節(jié)能降耗的重要途徑之一。

在制粉系統(tǒng)自動投入情況下，運行人員設定的磨煤機料位值通常比較保守，一般都在習慣工作區(qū)以內，即經(jīng)濟運行區(qū)的左側，無法使球磨機在最大出力下運行，其經(jīng)濟性不言而喻。因此，我們需要對磨煤機料位控制進行優(yōu)化改造，其目的就是充分發(fā)揮中儲式制粉系統(tǒng)的優(yōu)勢，在確保不發(fā)生堵煤的情況下，盡可能通過增加磨煤機料位，使其長期處于最佳料位值附近運行，從而提高磨煤機出力，在最短的時間內磨制出所需的煤粉，降低制粉單耗，達到節(jié)能降耗的目的。

1 鋼球磨煤機工作特性分析

鋼球磨煤機工作特性曲線如圖1所示。

圖1 磨煤機工作特性曲線

從圖1可以看出，鋼球磨煤機的運行范圍可劃分為3個區(qū)間，如圖l中的I、II、III所示。當磨煤機運行在I區(qū)(即常規(guī)運行區(qū))，由于磨煤機料位，即存煤量較低，鋼球下落的動能只有一小部分用于磨煤，其它部分白白消耗于鋼球間以及鋼球與磨內壁間的空撞磨損，這也加速了鋼球與磨煤機襯板的消耗。因此，磨煤機若長期在這一區(qū)間內運行是非常不經(jīng)濟的。而當磨煤機運行在III區(qū)內(即非穩(wěn)態(tài)運行區(qū))，由于磨煤機料位過高，極易發(fā)生滿灌堵煤事故，給安全運行帶來極大隱患。因此，從安全的角度出發(fā)，應盡量避免磨煤機在這一區(qū)間內長時間運行。II區(qū)顯然是最佳運行區(qū)域，它的大半段是處于穩(wěn)態(tài)運行區(qū)，且鋼球磨煤機的運行工作點越向穩(wěn)態(tài)與非穩(wěn)態(tài)運行區(qū)的邊界點N靠攏，鋼球磨煤機的出力越大。N點附近區(qū)域就是優(yōu)化運行區(qū)。分析這些曲線可以得到以下一些結論。

(1)從曲線4(磨出力)可以看出，鋼球磨煤機的出力并不隨著其存煤量的增加而單調增大。實際上鋼球磨煤機的最大出力點在圖中的N點，這就是需要尋找的最佳工作點。當存煤量太大時，工作點超過了N點，就容易出現(xiàn)滿罐堵煤，這時磨煤機的出力降到最低。

(2)從曲線1(磨煤機功率)可以看出，鋼球磨煤機的功率也不是隨著其存煤量的增加而單調增大，而是有一個極值點M，并且它在磨煤機最佳工作點N的左側。因此，當磨煤機運行工作點越靠攏最佳工作點N，此時磨煤機功率越小越省電。

(3)在鋼球磨煤機的運行中，當存煤量較少時，因鋼球相互碰撞，導致鋼球磨煤機的音頻信號較強，隨著其存煤量的不斷增加，鋼球間慢慢填入煤，因而檢測料位的音頻信號逐漸減弱，因此，通過檢測音頻信號強弱，可以間接反映球磨機存煤量的大小。

2 磨煤機料位優(yōu)化控制功能設計

對于磨煤機制粉系統(tǒng)來說，最佳存煤量并不是一成不變的。鋼球損耗、煤種變化以及煤的水分變化等都會使最佳存煤量產(chǎn)生漂移。因此，我們設計了“試探法”磨煤機最佳料位自尋優(yōu)系統(tǒng)，以期解決這一技術難題。這種優(yōu)化控制的基本思路就是通過改變給煤量計算磨煤機出力，判斷出力變化方向，使磨出力始終向增大的方向變化，直到出力變化方向反復變化為止，此時即為最佳料位值。其流程圖如圖2所示。

圖2 磨煤機料位自尋優(yōu)控制流程圖

磨煤機料位自尋優(yōu)系統(tǒng)的工作原理如下:

(1)當某列磨煤機制粉系統(tǒng)穩(wěn)定運行后，由運行人員投入磨煤機料位自動控制，然后在圖3操作面板中點擊“自尋優(yōu)開始”按鈕，啟動該列磨煤機料位自尋優(yōu)系統(tǒng)。

(2)系統(tǒng)初始化，并定義前一周期的該列磨煤機出力累計值P1=0。

(3)統(tǒng)計本周期內磨煤機出力累計值，并將該值賦給變量P2。周期長度可由運行專工根據(jù)系統(tǒng)運行狀況進行適當修改，為提高出力累計計算的可靠性，減少系統(tǒng)波動，一般將周期設置為10～60min。

(4)判斷出力變化方向，并作出相應調整。根據(jù)本周期內統(tǒng)計的磨煤機出力累計值P2減去上一周期內統(tǒng)計的磨煤機出力累計值P1，如果大于零，則維持上一周期調整磨煤機料位設定值的方向，繼續(xù)增加或減少一個固定的磨煤機料位變化量，否則就反向調整磨煤機料位設定值(減少或增加固定的磨煤機料位變化量)。需要注意的是每次增加或減少的這個固定料位變化量不宜設置過大，否則有可能造成系統(tǒng)波動過大或磨煤機堵煤事故的發(fā)生，一般設置為1% ～3%。另外，當出力方向每改變一次，就對變量T(該變量用來判斷系統(tǒng)是否已達到最佳料位值)累加1，否則就對變量T進行一次清零處理。

(5)判斷是否已達到最佳料位值。如果經(jīng)過數(shù)次調整，磨煤機料位設定值在某個數(shù)值來回增、減，說明該料位值已接近自尋優(yōu)系統(tǒng)所要尋找的該磨煤機最佳料位值。通過變量T是否大于2作為判斷依據(jù):如果大于2，說明系統(tǒng)已經(jīng)處于最佳料位值附近經(jīng)濟運行了，結束磨煤機料位自尋優(yōu)控制，使其保持在這一最佳料位值自動運行;否則將本周期統(tǒng)計的出力累計值賦值給P1，再返回到第(3)步循環(huán)運行，直到尋找到最佳料位，從而結束本輪自尋優(yōu)控制。

3 磨煤機料位控制系統(tǒng)分析

3.1 系統(tǒng)控制流程

磨煤機料位控制軟手操器如圖3所示。

磨煤機料位單回路自動控制系統(tǒng)的控制流程大致為:在自動投入情況下，DCS系統(tǒng)將接收到的磨煤機料位測量值作為被調量，與料位設定值(圖3中“S”)進行比較，經(jīng)過DCS系統(tǒng)PID模塊分析計算以后，按照反作用調節(jié)功能(即當實際料位“P”大于給定料位“S”時，調節(jié)器輸出減小，反之則增大)，其輸出信號經(jīng)過一個選擇模塊，該模塊的作用是當鍋爐MFT或該磨煤機任一聯(lián)鎖跳閘信號發(fā)出或給煤機斷鏈、堵煤等條件發(fā)生時，通過該選擇模塊將輸出信號強降為0，直接控制給煤機停止給煤，否則就將DCS系統(tǒng)軟調節(jié)器的輸出信號，通過模擬量輸出卡件轉換為4～20mA信號，作為該列給煤機的轉速指令，控制磨煤機的進煤量，實現(xiàn)磨煤機料位的自動調節(jié)功能。

圖3 磨煤機料位控制軟手操器

運行人員也可在圖3的操作面板上點擊“手動”切換為手動方式運行。此時可在面板上“O”右邊數(shù)值框內，直接輸入所需的給煤機轉速，即可人為控制磨煤機進煤量，手動調整磨煤機料位值。手動方式運行時磨煤機料位設定值“S”會自動跟蹤實際料位值，以確保投入自動時，系統(tǒng)實現(xiàn)無擾切換。

圖4 磨煤機料位自動控制SAMA圖

3.2 系統(tǒng)階躍響應分析

圖4為磨煤機料位自動控制系統(tǒng)SAMA圖。

下面以某300MW機組A磨煤機自動投入情況下的階躍試驗來驗證該自動調節(jié)系統(tǒng)的可行性和正確性。該機組A磨煤機料位自動控制歷史曲線如圖5所示。

圖5 磨煤機料位自動控制歷史曲線

從DCS歷史曲線可以看出，在自動投入情況下，人為改變圖3操作面板上的磨煤機料位設定值，每隔一段時間減少9%(產(chǎn)生一個階躍擾動)。由于料位設定值減少，所需的磨煤機進煤量就相應減少(從圖5中曲線1代表的給煤機轉速指令和曲線2代表的給煤機轉速反饋的變化方向可以看出，自動調節(jié)系統(tǒng)動作正確、迅速);最終曲線4代表的磨煤機料位反饋也隨之發(fā)生變化，并始終與料位設定值保持一致。從自動調節(jié)性能來看，當擾動發(fā)生時，被調量(磨煤機料位)能快速、靈敏地跟蹤料位設定值;作為該自動調節(jié)系統(tǒng)中的調節(jié)對象——給煤機轉速也能及時、準確、靈敏地響應擾動發(fā)生后，所需進行的相應調節(jié)，從而確保磨煤機料位始終能與設定值保持一致。通過該圖驗證了本磨煤機料位單回路自動調節(jié)系統(tǒng)的可行性和正確性。

4 成效

通過本系統(tǒng)的運行有三個好處:其一，由圖1可知，當磨煤機處于最大出力運行時，從電流曲線分析可知，實際磨煤機電流始終小于最大電流值，這樣就減少了磨煤機耗電量;其二，當磨煤機長期處于最大出力區(qū)間運行時，可在最短的時間內磨制出所需的煤粉，及時停運不必要的磨煤機及相關制粉設備，降低了制粉單耗和廠用電量，最大限度的發(fā)揮了中儲式制粉系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)勢，實現(xiàn)了節(jié)能降耗目標;其三，高料位可以減少鋼球以及磨煤機內壁的磨損，降低鋼球消耗以及降低磨煤機的維護成本。

5 結束語

磨煤機料位控制一直以來都是制約磨煤機安全、經(jīng)濟運行的難題，本文設計了“試探法”磨煤機料位自尋優(yōu)系統(tǒng)。實踐證明，該系統(tǒng)減少了磨煤機耗電量，降低了鋼球消耗，實現(xiàn)了節(jié)能降耗目標。

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