淺談實(shí)現(xiàn)球磨機(jī)制粉系統(tǒng)的自動(dòng)控制

楊學(xué)武

摘 要：火力發(fā)電廠廠用電是衡量發(fā)電效益的一個(gè)重要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，球磨機(jī)是制粉系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，也是廠用電的一個(gè)耗電量大戶，約占火力發(fā)電廠廠用電量的15%～25%左右。自動(dòng)控制程度不高，一方面增大了機(jī)組運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，另一方面，也降低的發(fā)電企業(yè)的利潤增長點(diǎn)。多年來，火力發(fā)電廠實(shí)現(xiàn)球磨機(jī)自動(dòng)控制一直是一項(xiàng)技術(shù)空白，同時(shí)也影響自動(dòng)投入率的提高，如何實(shí)現(xiàn)筒式低速球磨機(jī)的自動(dòng)控制也是發(fā)電企業(yè)力求實(shí)現(xiàn)的。

關(guān)鍵詞：球磨機(jī)；制粉系統(tǒng)；自動(dòng)控制；模糊控制

中圖分類號(hào)：TK323 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2015）32-0072-02

1 球磨機(jī)常規(guī)的自動(dòng)控制方法

球磨機(jī)制粉系統(tǒng)是一個(gè)綜合復(fù)雜風(fēng)粉混合系統(tǒng)，是多信號(hào)輸入和多信號(hào)輸出的多變量強(qiáng)耦合綜合系統(tǒng)。能夠反映球磨機(jī)運(yùn)行情況是否良好的三個(gè)主要信號(hào)為，球磨機(jī)出入口壓差、球磨機(jī)入口負(fù)壓和出口溫度，以往常采用三套單回路PID調(diào)節(jié)分別控制，調(diào)節(jié)給煤機(jī)的給煤量控制出入口壓差，調(diào)節(jié)再循環(huán)風(fēng)調(diào)節(jié)控制球磨機(jī)入口風(fēng)壓，調(diào)節(jié)熱風(fēng)門控制調(diào)節(jié)球磨機(jī)的出口溫度。由于制粉系統(tǒng)的非線性，大遲延，大慣性的特性，三套相互獨(dú)立的單回路PID控制回路來控制這三個(gè)參數(shù)，每一個(gè)參數(shù)的調(diào)節(jié)都會(huì)對(duì)其他的參數(shù)產(chǎn)生很大的影響，所以不能把制粉系統(tǒng)的各個(gè)信號(hào)強(qiáng)行單獨(dú)調(diào)劑控制，這樣擾亂了的各變量之間的相互偶合關(guān)系，單回路PID調(diào)節(jié)器控制方式的采用曾在某電廠的給煤控制系統(tǒng)中進(jìn)行自動(dòng)控制的嘗試，沒有得到較好的控制效果，甚至還容易導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

由于球磨機(jī)長期不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，運(yùn)行人員手動(dòng)調(diào)節(jié)控制球磨機(jī)的各參數(shù)，不能保證球磨機(jī)長期在最佳工況下運(yùn)行，還極易造成球磨機(jī)的不安全事件的發(fā)生。因此，實(shí)現(xiàn)球磨機(jī)制粉系統(tǒng)的自動(dòng)控制，是擺在電廠熱控人員面前的一個(gè)要努力解決的問題。

2 模糊控制的含義

模糊控制是對(duì)一些很難以用經(jīng)典方法建立數(shù)學(xué)模型和對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行工況難以用定量方法描述的控制系統(tǒng)中，把有經(jīng)驗(yàn)的專家的處理思維轉(zhuǎn)化成模糊語言存入控制規(guī)則庫進(jìn)行處理后，輸出相應(yīng)的控制信息，來實(shí)現(xiàn)控制被控對(duì)象，所以它有比常規(guī)單回路PID控制系統(tǒng)更能適應(yīng)復(fù)雜的系統(tǒng)，有更好的穩(wěn)定性，它能夠在建立的控制規(guī)則庫內(nèi)搜尋專家級(jí)運(yùn)行操作人員根據(jù)運(yùn)行工況實(shí)際的操作數(shù)據(jù)，選取最合適系統(tǒng)工況的一種方式進(jìn)行控制輸出。

2.1 模糊控制概要

模糊控制是以包括專家模糊控制EFC（Expert Fuzzy Controller）（專家的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)）、操作員的操作模式（記錄操作員的操作模式）和學(xué)習(xí)模式等模糊概念在內(nèi)的信息為基礎(chǔ)，對(duì)調(diào)節(jié)對(duì)象按以下順序決定其操作量的控制算法，即：

①if---then形式表示控制規(guī)則（Rule）。

②用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)模糊控制理論，根據(jù)模糊控制調(diào)節(jié)器的實(shí)際輸入值PV，進(jìn)行具體MV值的計(jì)算和輸出。

2.2 模糊控制舉例

首先舉一個(gè)簡單的例子，試考察一個(gè)如圖所示的房間溫度調(diào)節(jié)，通常在PID調(diào)節(jié)中使用控制算法，而對(duì)模糊控制則用日常語言來規(guī)定（控制規(guī)則），這時(shí)的控制規(guī)則如下：

①房間冷時(shí)，加熱器增強(qiáng)。

②房間熱時(shí)加熱器減弱。

下面按如圖1（a）、（b）所示規(guī)定該房間熱/冷，加熱器的強(qiáng)/弱元函數(shù)。

當(dāng)房間實(shí)際溫度為13 ℃時(shí)，按以下順序決定操作輸出（實(shí)際加熱器強(qiáng)度），如圖2所示。

①由控制規(guī)則①可知，在13 ℃為“冷”的元函數(shù)下的適合度為0.4倍（同圖陰影所示部分）。

②對(duì)控制規(guī)則②也可以同樣的順序進(jìn)行控制。

③然后合成這兩個(gè)陰影所示函數(shù)，如圖3所示。

實(shí)際加強(qiáng)熱器的強(qiáng)度為該合成斜線的平均值，平均值的求法有：

①面積2等分……左右面積相等點(diǎn)。

②平均負(fù)荷……斜線面積重心點(diǎn)。

在這種模糊控制核心情況下的溫度控制，為適合房間的溫度。模糊控制規(guī)則用語言來表示的，易于被一般人所接受，也避免了溫度忽高忽低，或設(shè)備的頻繁動(dòng)作。

3 球磨機(jī)的運(yùn)行特性

作為鍋爐制粉系統(tǒng)主要設(shè)備的球磨機(jī)，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行安全可靠、對(duì)煤種的適應(yīng)性強(qiáng)、維護(hù)費(fèi)用低、并能長時(shí)間的穩(wěn)定運(yùn)行，至今國內(nèi)外的大中型火電廠中仍然被廣泛采用。球磨機(jī)的缺點(diǎn)是體積龐大運(yùn)行中制粉電耗大，耗電量高，大概占廠用電的15%～25%左右，運(yùn)行復(fù)雜、有強(qiáng)大的噪聲污染。綜合考慮球磨機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)，在球磨機(jī)運(yùn)行時(shí)應(yīng)最大限度的提高球磨機(jī)磨煤出力和降低球磨機(jī)的用電單耗，從而降低發(fā)電煤耗，因此，球磨機(jī)自動(dòng)控制的投入運(yùn)行，可以大大提高發(fā)電企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

4 球磨機(jī)系統(tǒng)參數(shù)的測(cè)量

實(shí)現(xiàn)球磨機(jī)系統(tǒng)的自動(dòng)控制，關(guān)鍵是球磨機(jī)在運(yùn)行過程中，測(cè)量球磨機(jī)系統(tǒng)的各個(gè)運(yùn)行參數(shù)，如球磨機(jī)的鋼球最佳裝載量 ， 最佳存煤量， 最佳通風(fēng)量，球磨機(jī)內(nèi)溫度，以及球磨機(jī)系統(tǒng)的最準(zhǔn)確特性，并把有經(jīng)驗(yàn)的專家級(jí)運(yùn)行操作人員的處理思維轉(zhuǎn)變成模糊控制語言，存入模糊控制規(guī)則庫進(jìn)行綜合處理，建立球磨機(jī)各種狀態(tài)下的運(yùn)行參數(shù)的模糊控制規(guī)則數(shù)據(jù)庫，對(duì)各個(gè)運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)經(jīng)行模糊處理，作為球磨機(jī)的控制各個(gè)參數(shù)的控制輸出，使球磨機(jī)出力最佳，電耗最低的最佳運(yùn)行狀態(tài)。

球磨機(jī)功率信號(hào)的測(cè)量，是球磨機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的一個(gè)重要指標(biāo)，能反應(yīng)球磨機(jī)功率變量的有關(guān)參數(shù)有以下幾種：

①球磨機(jī)壓差，球磨機(jī)入口與出口風(fēng)壓壓差，在一定程度上能間接反應(yīng)球磨機(jī)桶內(nèi)的存煤量。壓差越大反應(yīng)球磨桶內(nèi)的存煤量越多，反之存煤量越少。

②球磨機(jī)的電機(jī)電流，球磨機(jī)電機(jī)電流隨著煤量的增加而增加，但是增加到一定量時(shí)，電流會(huì)減小，電機(jī)電流也受到鋼球量、風(fēng)量和妹子的影響。

③振動(dòng)法，通過球磨機(jī)軸承的振動(dòng)速度信號(hào)來反映球磨機(jī)內(nèi)的存煤量。

運(yùn)行過程中球磨機(jī)的出力控制，能夠反映球磨機(jī)是否在最佳的工況下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)上述多個(gè)信號(hào)的測(cè)量并進(jìn)行綜合模擬分析，來確定球磨機(jī)在制粉全過程中負(fù)荷的大小。球磨機(jī)桶內(nèi)存煤量與球磨機(jī)的軸承振動(dòng)量、出入口風(fēng)差壓、電動(dòng)機(jī)功率和磨出力之間分別存在一定的函數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，如圖4所示。

從圖中可以看出，球磨機(jī)在運(yùn)行過程的曲線中，只有在Ⅱ區(qū)域，球磨機(jī)的運(yùn)行狀況為最佳工況，故應(yīng)保持球磨機(jī)在Ⅱ區(qū)域工況下的高效安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

5 球磨機(jī)的模糊控制

在充分考慮球磨機(jī)的純遲延，非線性、強(qiáng)耦合、大慣性等特點(diǎn)，以非線性智能理論為基礎(chǔ)，充分考慮系統(tǒng)的偶合問題，提高系統(tǒng)大范圍的控制適應(yīng)性，球磨機(jī)存煤量的測(cè)量，以壓差、球磨機(jī)電機(jī)電流、球磨機(jī)振動(dòng)、球磨機(jī)出入口溫度等信號(hào)來試驗(yàn)調(diào)整這些參數(shù)與球磨機(jī)負(fù)荷的關(guān)系，計(jì)算輸出球磨機(jī)控制信號(hào)。

當(dāng)球磨機(jī)存煤量在正常范圍內(nèi)時(shí)，控制系統(tǒng)采用分級(jí)控制。對(duì)球磨機(jī)的入口負(fù)壓大小、出口溫度高低和負(fù)荷大小進(jìn)行控制。

控制方式為：輸入語言變量值為設(shè)定值SV的精確值，輸出語言變量為執(zhí)行單元的變化Mv的精確值，模糊控制規(guī)則為：

①if SV

②if SV>SVmax thenMv= -10%

③if SVmin

其中，SVmin、SVmax值為球磨機(jī)各參數(shù)正常波動(dòng)的上下限范圍，由運(yùn)行人員根據(jù)機(jī)組實(shí)際運(yùn)行工況進(jìn)行手動(dòng)操作設(shè)定。

6 結(jié) 論

由于球磨機(jī)制粉系統(tǒng)具有較強(qiáng)解耦性，現(xiàn)階段各個(gè)電廠的DCS控制系統(tǒng)中沒有所需的智能測(cè)量控制模塊。需要配備一臺(tái)上位機(jī)來進(jìn)行進(jìn)行編制程序，通過專家經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)的模糊規(guī)則可以對(duì)復(fù)雜的對(duì)象進(jìn)行有效的控制，一個(gè)球磨機(jī)控制系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化決策平臺(tái)，采用通用工控軟件生成最終人機(jī)界面，將具有優(yōu)化決策功能的智能化球磨機(jī)制粉系統(tǒng)融入到機(jī)組的DCS控制系統(tǒng)和DCS系統(tǒng)中，對(duì)于實(shí)現(xiàn)球磨機(jī)制粉系統(tǒng)自動(dòng)控制的資金投入和難度不是很大，實(shí)現(xiàn)球磨機(jī)的自動(dòng)控制具有一定的可操作性。

參考文獻(xiàn)：

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