李苑茹

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

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淺談球磨機制粉系統(tǒng)的料位檢測和優(yōu)化控制

李苑茹

(中石化寧波工程有限公司，浙江 寧波 315103)

磨煤機是火電廠的大型重要設備，用于磨制鍋爐燃燒煤粉。鋼球磨煤機一方面具有對煤種的適應性好、可靠性高、易于維護等優(yōu)點，另一方面存在能耗利用率低、自動化水平低、運行維護難以精細化等缺點。球磨機筒體內的料位自動控制是困擾企業(yè)生產的難題，是影響磨煤機安全運行的重要因素。因為無法對球磨機的運行狀態(tài)進行準確、及時的測量，而且球磨機系統(tǒng)具有大慣性、純滯后、多變量、強耦合、模型時變和非線性等控制特征，只依靠人工憑經(jīng)驗進行操作，不僅造成系統(tǒng)安全隱患，而且導致自動控制難以實現(xiàn)，無法保證磨煤安全、經(jīng)濟、自動運行。

1制粉系統(tǒng)概況

1.1球磨機的工作原理

球磨機為臥式筒形旋轉裝置，外沿齒輪傳動，兩倉、格子型。物料由進料裝置經(jīng)入料中空軸螺旋均勻地進入磨機第一倉，該倉內有階梯襯板或波紋襯板，內裝不同規(guī)格鋼球，筒體轉動產生離心力將鋼球帶到一定高度后落下，對物料產生重擊和研磨作用。物料在第一倉達到粗磨后，經(jīng)單層隔倉板進入第二倉，該倉內鑲有平襯板，內有鋼球，將物料進一步研磨。粉狀物通過卸料箅板排出，完成粉磨作業(yè)。

1.2制粉系統(tǒng)結構

球磨機的制粉系統(tǒng)結構如圖1所示，一般電廠1臺鍋爐配2臺球磨機，根據(jù)實際需要，可運行1臺或2臺。

1.3球磨機工作原理

圖1　制粉系統(tǒng)結構示意

球磨機有三大出力分別為磨煤出力、干燥出力、通風出力。其中，磨煤出力指單位時間內磨出煤粉的能力；干燥出力指制粉系統(tǒng)將濕粉烘干加熱到規(guī)定溫度的能力；通風出力指制粉系統(tǒng)的攜粉能力，通風越大，系統(tǒng)所能輸送的煤粉量就越大，且風量過大會導致攜帶煤粉過粗。然而，磨煤出力的大小與磨煤機的存煤量、鋼球量、鋼球極配、襯板磨損等有關。在鋼球、襯板等條件一定時，存在一個最佳負荷，此時磨煤出力較大，電耗較低，對應的磨煤單耗最低。磨煤機存煤量的改變對系統(tǒng)風溫和風壓有一定影響，隨著磨煤機負荷的增加，其出口溫度會降低，出入口壓差增大。在增大熱風門開度、增加磨煤機干燥出力時，磨煤機通風出力也隨之增強，通風出力通過調整再循環(huán)風門開度進行控制。

2球磨機的料位測量

為了保證球磨機出力，需保持筒體內料位的穩(wěn)定?？刂普{整給煤量大小,以保證筒體內料位在各種負荷下均為設定值。料位信號反饋給給煤機，用以實現(xiàn)給煤量自動控制。測量料位的方法有多種，測量原理大致分為三種：

1) 電流測量。觀察磨煤機主電機電流，通過間接的測量方式來測量料位。

2) 探針測量。即差壓測量料位，通過在磨煤機筒體安裝探針，判斷之間的壓差來確定料位。

3) 振動測量。通過在磨煤機筒體上安裝傳感器來檢測筒體的實時振動，經(jīng)過信號處理與標定得出料位信號。

4) 噪聲料位測量系統(tǒng)。磨煤機內鋼球和襯板相互碰撞產生噪聲，且隨著磨煤機料位(存煤量)的變化而變化。鋼球磨煤機噪聲料位測量提取出磨煤機噪聲中與料位變化相關的信號，濾除無關信號。對于濾波后的信號采用信號頻譜處理方法，對噪聲信號的功率譜及有效頻段同時進行處理，用噪聲傳感器就可以檢測到磨煤機料位的變化和大小。借助測量學、電子學、聲學等多學科知識，進一步通過料位變送器對傳感器送來的信號進行處理，輸出4～20mA標準電流信號。目前很多項目上應用此方法測量料位。

3磨煤機綜合優(yōu)化系統(tǒng)

3.1自動控制存在的問題

1) 大慣性、大滯后。表現(xiàn)為磨煤機負荷設定值變化后，存煤量并不是立即改變，而是緩慢變化。

2) 強烈的非線性特征。在制粉系統(tǒng)中幾乎所有的執(zhí)行機構都存在非線性，由于氣固兩相流的湍流效應，使磨煤機出入口差壓與磨煤機實際符合呈現(xiàn)出強烈的穩(wěn)態(tài)非線性、回滯特性，這也是利用給煤量控制差壓的控制系統(tǒng)無法穩(wěn)定的原因。

3) 強耦合。表現(xiàn)為調整干燥出力和通風出力時，在增大熱風門開度、提高磨煤機出口溫度的同時也會使通風量增大；在增大再循環(huán)風門開度、增加通風量的同時，會導致磨煤機出口溫度降低，干燥出力減小。

4) 模型時變。制粉系統(tǒng)在運行過程中存在很多可變因數(shù)，有些因數(shù)會導致系統(tǒng)整體的變化，如鋼球的數(shù)量、煤的含水量和機械性能等，進而改變系統(tǒng)運行工況。

3.2磨煤機優(yōu)化方案

某石化公司乙烯煤代油改造項目新建2臺410t/h煤粉爐鍋爐。采用DTM3258型鋼球磨煤機，中間儲倉式熱風送粉系統(tǒng)。磨煤機綜合優(yōu)化系統(tǒng)提供了磨煤機內物質狀態(tài)檢測方案，包括存煤量和研磨體量，甚至研磨體級配，為控制磨煤機內煤球比需提供檢測手段和控制數(shù)據(jù)，為操作人員提供重要的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)。

磨煤機優(yōu)化方案如圖2所示。磨煤機先進控制模塊獲取制粉系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)與實時數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行處理分析及動態(tài)優(yōu)化后分別輸出磨煤機最佳料位值、最佳出口溫度和最佳通風量，也可優(yōu)化控制回路最佳控制器參數(shù)，所獲得的數(shù)據(jù)分別輸給料位控制回路、出口溫度控制回路和制粉系統(tǒng)通風量控制回路；同時，得出最佳研磨體添加量并傳輸至研磨體添加裝置，裝置根據(jù)添加量自動控制添加研磨體。磨煤機料位控制回路、磨煤機出口溫度控制回路和制粉系統(tǒng)通風量控制回路經(jīng)過運算處理后，將控制輸出信息輸入三回路協(xié)調控制模塊，分別控制給煤量、熱風門、再循環(huán)風門、冷風門或其他控制點。磨煤機先進控制模塊可提供制粉系統(tǒng)故障診斷與安全評估信息、制粉系統(tǒng)運行評價與操作建議信息。

圖2　磨煤機優(yōu)化方案示意

3.2.1磨煤機內物質狀態(tài)檢測解決方案

在磨煤機料位較小時，鋼球、襯板碰撞的幾率大、能量大，產生的噪聲大；在磨煤機料位增大時，因為煤的不斷填充，鋼球、襯板碰撞的幾率減小、能量降低，產生的噪聲也減小，因而此項目采用了噪聲傳感器檢測磨煤機的料位。檢測磨煤機料位的目的在于找出與料位成比例的特征譜頻段，這有賴于對現(xiàn)場采集信號的頻譜分析。

磨煤機料位的準確檢測不僅能夠完成對球磨機內存煤量的檢測，而且可以把存煤量控制從整個多變量系統(tǒng)中解耦出來，為整個制粉系統(tǒng)自動控制的順利進行奠定了基礎。由于磨煤機內研磨體處于拋落式運行模式，其有用功率P的表達式為

(1)

式中：G——球荷重力；φ——研磨體填充率；D——磨煤機直徑；ψ——轉速率；K——磨煤機處于工作狀態(tài)時，最內層球至回轉中心的半徑與最外層球至回轉中心的半徑比，與研磨體填充率和轉速率有關。由式(1)可以看出，在磨煤機的直徑、轉速率一定時，其有功功率只受研磨體充填率影響，所以根據(jù)磨煤機的有功功率可以對研磨體充填率進行估算。實際過程參數(shù)還受到其他因素的影響，例如煤質、機械磨損等。為了實現(xiàn)對磨煤機狀態(tài)參數(shù)的進一步準確測量，引入軟測量技術，通過設置在制粉系統(tǒng)中的各種傳感器，獲取球磨機給料量參數(shù)、球磨機電流參數(shù)、球磨機料位參數(shù)、球磨機進出口壓差參數(shù)、球磨機出力參數(shù)等，引入軟測量神經(jīng)網(wǎng)絡模型，經(jīng)過綜合運算分析，給出更為有效的磨煤機內物質狀態(tài)信息。

3.2.2磨煤機參數(shù)控制

為了保證干燥出力和通風量，必須將入口負壓和出口溫度控制在允許范圍內?？刂迫肟趬毫统隹跍囟韧ㄟ^調節(jié)冷風門和熱風門完成。當通過改變熱風流量維持磨煤機出口溫度時，會影響磨煤機的入口風壓；而冷風量同樣會對磨煤機出口溫度產生較大的影響。因此，常規(guī)控制方案會造成2個單回路控制系統(tǒng)之間的交叉影響。另一方面，從熱風流量改變到引起磨煤機出口溫度變化是一個大慣性、大滯后的過程，對于一個存在大慣性的高階被控對象，基于單回路的PID控制不可能獲得滿意的控制品質，特別是在制粉系統(tǒng)啟、停過程中，隨著給煤量的變化，磨煤機出口溫度會發(fā)生大的變化，在磨煤機料位穩(wěn)定的前提下，存煤量對出口溫度和入口負壓的影響很小，此時出口溫度和入口負壓形成兩變量耦合對象，控制要實現(xiàn)對對象的解耦。所以如果單獨對這兩個對象進行分別控制，很難實現(xiàn)要求的控制品質，因而要采用兩個同時控制的方式來實現(xiàn)。

以多變量控制理論設計該控制系統(tǒng)，可以在2個單回路控制系統(tǒng)的基礎上交叉解耦環(huán)節(jié)，以消除磨煤機入口風壓和出口溫度控制系統(tǒng)之間的相互作用，基本控制方案如圖3所示。

圖3　磨煤機入口負壓和入口溫度控制系統(tǒng)示意

上述方案中，通過多變量解耦控制器解除磨煤機入口負壓和磨煤機入口溫度之間的相互影響，通過磨煤機溫度對象補償器補償磨煤機入口溫度過程的滯后和慣性，改善磨煤機入口溫度的控制質量；當出現(xiàn)給煤機斷煤或磨煤機出口堵煤等非正常工況時，需要熱風門快速動作，工況恢復后再切回常規(guī)的PID控制；當磨煤機出口溫度超溫時，通過選擇器強開冷風門，磨煤機出口溫度恢復后，冷風門恢復正常的PID控制。采用上述控制方案后，無論是在制粉系統(tǒng)正常運行還是在啟動或停止過程

中，均能使磨煤機入口負壓控制在理想的范圍內。特別是在給煤機斷煤時，由于冷、熱風門及時動作，使磨煤機入口負壓仍能維持在正常的范圍內。

3.2.3料位優(yōu)化

在一定工況下，磨煤機出力主要由磨煤機料位決定。磨煤機料位—出力特性曲線如圖4所示?？梢钥闯?，磨煤機的出力并不隨其內存煤量的增加而增大，實際上磨煤機存在最大出力點，即最佳工作點。雖然磨煤機的出力曲線存在極值特性，但是其無法用公式表達，而且會隨外界因素(例如煤種、工況、機械磨損等)的干擾而變化，但各曲線的相對位置不變。根據(jù)制粉系統(tǒng)運行存在最大出力狀態(tài)這一事實，采用優(yōu)化控制算法，對磨煤機的最佳料位點進行搜索，以找到最大出力點為方向，逐漸向最佳料位點靠近。優(yōu)化控制屬于控制的上層，它對下層控制進行操作目標設定，以保證系統(tǒng)的最佳運行。針對磨煤機大慣性、純滯后、參數(shù)時變的特點，采用自尋優(yōu)、自適應和常規(guī)控制相結合的控制策略，控制框圖如圖5所示。常規(guī)控制算法能夠保證穩(wěn)定工況下磨煤機料位的穩(wěn)定，并有較好動態(tài)和靜態(tài)控制性能；在制粉系統(tǒng)工況發(fā)生變化時，對象參數(shù)會隨之改變，采用自適應控制算法使得常規(guī)控制器參數(shù)能夠自動適應對象模型的變化，保證制粉系統(tǒng)在工況變化時控制的穩(wěn)定。

圖4　磨煤機料位—出力特性曲線

圖5　磨煤機料位自尋優(yōu)自適應控制框圖示意

3.3與DCS對接

目前電站機組大多采用DCS控制，DCS具有控制功能強大、操作維護方便等優(yōu)點?；谀ッ簷C料位檢測信號的標準化和控制算法的標準化，中間儲倉式制粉優(yōu)化節(jié)能控制能夠全部在DCS上實現(xiàn)。該項目利用DCS現(xiàn)有的軟硬件實現(xiàn)制粉系統(tǒng)自動控制，通過DCS實現(xiàn)手動/自動切換磨煤機啟動/停止信號、磨煤機進出口壓差信號等，同時用DCS監(jiān)視料位信號，這樣可以達到與現(xiàn)有DCS的完全融合，簡化操作，降低維護工作量。

4球磨機研磨體的自動添加和剔除

制粉過程中，球磨機內的研磨體自身會與原料、襯板、其他研磨體等發(fā)生碰撞而磨損，其破碎、研磨作用因研磨體的磨損而逐漸減小，直到最終失效。因此，及時剔除失效的研磨體，使球磨機在最佳工況下運轉，是降低球磨機能耗的重要手段。隨著球磨機投入時間的推移，球磨機內的合格研磨體逐漸減少，研磨體與原料的比例發(fā)生變化，最終失去最佳配比狀態(tài)，球磨機制粉效率降低，能耗加大。為保證球磨機內合格研磨體的比例，使其處于最佳工作狀態(tài)，及時向球磨機內添加合格研磨體是非常重要的。利用球磨機內研磨體動態(tài)測量技術在線監(jiān)測研磨體的保有量，結合球磨機內料位的監(jiān)測結果，找出球磨機最佳出力時需要的研磨體的最佳保有量值，根據(jù)這一數(shù)值的變化，自動向球磨機內添加研磨體，達到制粉效率最優(yōu)化。

5結束語

中儲式磨煤機制粉系統(tǒng)是一個極其復雜的系統(tǒng)，利用傳統(tǒng)PI控制方法難以實現(xiàn)穩(wěn)定的運行和過程控制。在滿足制粉系統(tǒng)安全的前提下，優(yōu)化磨煤機內料位、出口溫度和系統(tǒng)風壓的運行狀態(tài)，協(xié)調磨煤出力、干燥出力和通風出力的關系，實現(xiàn)制粉系統(tǒng)的經(jīng)濟運行。利用原有DCS軟硬件實現(xiàn)制粉過程優(yōu)化控制，控制完全融入DCS，簡化了運行

操作，降低了維護工作量。在某石化公司乙烯煤代油改造項目中，達到了理想的控制效果。實際運行穩(wěn)定可靠，節(jié)能效果顯著，并提高了安全性和磨煤機自動化水平。簡化了操作，降低操作人員勞動強度。實現(xiàn)球磨機研磨體動態(tài)優(yōu)化管理，提高球磨機出力，降低球磨機能耗。減少研磨體使用量，降低球磨機鋼耗，節(jié)約資源。環(huán)境效益明顯，減少了CO2排放，改善噪音及粉塵污染。

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摘要：介紹了球磨機制粉系統(tǒng)的結構及運行特點，對自動控制的難點進行了分析。其中料位的測量是球磨機穩(wěn)定、優(yōu)化、經(jīng)濟運行的關鍵，針對目前經(jīng)常采用的幾種料位測量方法進行了介紹?；谀ッ簷C綜合優(yōu)化系統(tǒng)，提出對球磨機制粉系統(tǒng)進行優(yōu)化控制，詳細說明了解決方案和控制原理，并結合球磨機研磨體自動剔除、自動添加技術，最終實現(xiàn)全自動控制，運行穩(wěn)定可靠，節(jié)能效果明顯。

關鍵詞：球磨機料位制粉系統(tǒng)優(yōu)化控制

Brief Discussion on Material Level Detection and Control Optimization for Ball Mill Pulverizing SystemLi Yuanru

(Sinopec Ningbo Engineering Co. Ltd., Ningbo, 315103, China)

Abstract：The structure and operating characteristics of ball mill pulverizing system are introduced. The difficulties of automatic control are analyzed. Level measurement is the key for stable operation, optimization, and economic operation for ball mill. Several level measurement methods used nowadays are introduced. Based on comprehensive optimal system for coal mill, optimization for ball mill pulverizing system is put forward. The solutions and control theory are explained in detail. Combined with technology of automatic elimination and addition for ball mill grinding, automatic control is ultimately achieved with stable and reliable operation and energy-saving effect.

Key words：ball mill; material level; pulverizing system; control optimization

中圖分類號：TP273

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)03-0033-05

作者簡介：李苑茹(1982—)，女，遼寧鞍山人，2005年畢業(yè)于遼寧石油化工大學自動化專業(yè)，獲學士學位，2010年畢業(yè)于浙江工業(yè)大學，獲工程碩士學位，現(xiàn)就職于中石化寧波工程有限公司電控室，從事石油化工自動化設計工作，任工程師。

稿件收到日期： 2015-02-04，修改稿收到日期： 2015-03-20。