為了節(jié)能降耗，新疆某電廠計劃對鍋爐制粉系統(tǒng)進行自動控制優(yōu)化改造，并于2005年10月在5號爐上進行。根據本廠實際情況，由西安某公司作為這次制粉系統(tǒng)改造的設計和供貨方。現(xiàn)對這次改造情況作一介紹、分析。
2改造前狀況和優(yōu)化改造分析
我廠是熱電聯(lián)產單位，以熱定電。5號爐是主力鍋爐，年平均運行小時數(shù)達到6670 h，燃煤量達139440 t，產氣量1 002617 t，占全廠年產汽量的46%，2004年全年制粉單耗平均為27.4 kW/t。其制粉系統(tǒng)配置2臺MG - 250/390型低速鋼球磨煤機，采用中間倉儲式，溫風送粉。制粉系統(tǒng)運行為人為判斷和手工操作的模式，人工操作本身的局限性和操作人員的責任心等因素導致制粉系統(tǒng)往往不能運行在最佳狀態(tài)，造成球磨機耗電量大，經濟效益差，甚至會發(fā)生堵煤、超壓、超溫或欠煤等現(xiàn)象，造成事故，使機組停運，造成經濟損失。
制粉系統(tǒng)的電耗主要來自球磨機和排粉機。球磨機功率主要消耗于轉動簡體和提升鋼球，它的運行電耗與其負荷（球磨機內存煤量）的關系不大，一般空載功率與最大功率的差值不會超過額定功率的15%。用于制粉的通風電耗與出為的關系最大影響不超過8%。因此對制粉系統(tǒng)的優(yōu)化，主要就是對球磨機的控制改造，在一定電耗的情況下，讓磨煤機工作在最大出力點附近。
根據對現(xiàn)場信號的觀測繪出了球磨機的工作特性如圖1所示：
從圖1中可知，球磨機電流不是隨著存煤量的增大而程線性增大，起初隨著存煤量增大而增大，隨著達到一個最大值后，球磨機電流隨著存煤量增大反而減小；球磨機的最大出力點與存煤量的關系也亦然，球磨機負荷音頻曲線隨著存煤量的增大逐漸減小。為了使用方便，將該曲線作求反處理得出曲線④。將圖分為3個區(qū)域分別用I、Ⅱ和Ⅲ標注，可知在工區(qū)中球磨機的功率達到最大，但出力卻沒有達到最大，所以該區(qū)不是系統(tǒng)運行的最優(yōu)區(qū)域；在Ⅲ區(qū)，存煤量很大，容易出現(xiàn)滿磨，因此Ⅲ區(qū)也不是最佳運行區(qū)域；在Ⅱ區(qū)，制粉出力接近最大出力點，該區(qū)應當是系統(tǒng)運行的最優(yōu)區(qū)域。
球磨機制粉量的大小受磨制出力、干燥出力和通風出力三者的限制，且等于三者中的較小者。制粉系統(tǒng)在最經濟工況下運行，不僅要維持磨煤出力最大，同時還要保證最佳的通風出力和干燥出力。就磨煤機而言，滿足煤粉細度要求的制粉出力取決于兩方面的因素：一是磨煤機的磨制能力，它不僅取決子磨煤出力，而且還受干燥出力的影響，提高磨煤機入口溫度可以改善磨煤條件，即增加干燥出力可使磨煤出力提高；二是通風攜帶煤粉的能力，主要由風量決定。一般來說，使磨煤出力最大時的通風量都不是最佳通風量，因為這時通風龜耗過大甚至會超過磨煤電耗的節(jié)省，所以，只要達到磨煤和通風電耗為最小的通風量，才稱之為最佳通風量。此時，雖不能達到最大的磨煤出力，但可使瞎煤機在最經濟方式下運行。這需要對制粉系統(tǒng)的磨煤出力、干燥出力和通風出力進行綜合協(xié)調控制。
3改造原理及實施方案
制粉系統(tǒng)是一個大慣性、純滯后、動態(tài)特性復雜
且參數(shù)時變的系統(tǒng)，其主要有如下幾個重要的特點：
①制粉系統(tǒng)具有多個變量，其中重要的變量有：出入口溫度、入口負壓、球磨機負荷、出入口壓差、排粉機電流和球磨電流等。
②制粉系統(tǒng)具有強耦合性。球磨機的最佳出力需要干燥出力、磨煤出力和通風出力三者均達到最佳，這3個出力分別對應著3個控制回路即熱風量也即出口溫度調節(jié)回路，球磨機負荷調節(jié)回路和再循環(huán)風量即出人口壓差調節(jié)回路。調節(jié)這3個回路中的任意一個變量都會引起其他2個回路變量的變化，另外2個回路進而又會影響該調節(jié)回路，從而引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。
③系統(tǒng)具有純滯后的特點。主要表現(xiàn)在球磨機負荷即存煤量對給煤變化的響應時間長；球磨機出口溫度對熱風門調節(jié)的響應時間長；入口負壓對再循環(huán)風門調節(jié)的響應時間長。
④系統(tǒng)的時變特性。由于煤質、鋼球、護甲等外在因素造成的系統(tǒng)特性的改變也是一個無法忽略的問題，系統(tǒng)在運行一段之后，其運行特性都將發(fā)生改變，因此固定不變的控制算法無法適應時變的球磨機系統(tǒng)。
磨煤機運行于經濟工況下的基本控制策略是：在維持最佳通風量和出口溫度均在正常范圍之內時（而不是在某一點），盡量加大給煤量，尋找最佳經濟工作點。為此需組成以磨機負荷、出入口差壓、出口溫度、人口負壓和磨機電流為輸入的檢測量，分別控制熱風門、循環(huán)風門和給煤量的3交量輸入、3變量輸出系統(tǒng)。高溫風量改變對磨煤機人口負壓的擾動，利用增大再循環(huán)風門的調節(jié)速度，降低熱風門的調節(jié)速度，盡量減少和不用冷風門參與調節(jié)來解決。
3.1球磨機內裝煤量檢測
球磨機負荷是制粉系統(tǒng)控制對象的核心，如何測量球磨機負荷是一個關鍵問題。磨煤機內煤塊、鋼球和村板相互碰撞產生噪音，該噪音隨著磨煤機內裝煤量的變化而變化。裝煤較少時，鋼球、襯板碰撞的幾率大、能量大，產生的噪音大；隨著裝煤量增多，煤塊的不斷填充，與鋼球、襯板碰撞的幾率減小、能量變小，產生的噪音也減小。根據觀測得知，磨音信號隨著球磨機負荷舶增加逐漸減小，在球磨機負荷與磨音信號之間存在著較好的線性關系，因此，用音頻傳感器就可以檢測到磨煤機裝煤變化的多少，只要對音頻信號作取反處理，即可得到球磨機負荷與磨音信號之間的近似正比例關系。磨音傳感變送器正是基于此原理，實現(xiàn)對球磨機發(fā)出的負荷音頻信號進行采集并作信號處理、濾波以及變進的作用，使輸出的音頻信號真實可信，能夠比較準確的反映出球磨機負荷的變化。此外，測量磨音信號，可以有效的實現(xiàn)3個回路的解耦問題，使控制變得簡單。
3.2給煤量的控制
針對磨煤機大慣性、純滯后及參數(shù)時變的特點，采用白尋優(yōu)——模糊PI相結合的控制策略及雙層控制結構，如圖2所示。圖中自尋優(yōu)控制器的作用是給出一個適當?shù)脑O定值R；而模糊PI控制器則保證了被控對象的輸出可以跟隨該設定值。自尋優(yōu)的引入，使控制系統(tǒng)能夠實時跟蹤最大出力點，保證磨煤機始終運行在最佳工況，從而真正起到節(jié)能降耗的效果。自尋優(yōu)——模糊PI相結合的控制策略，不僅可以保證磨煤機始終運行在最佳狀態(tài)下，而且能達到安全節(jié)能、提高產品質量和產量的目的。
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