磨煤机优化自动控制系统研究与实现

马永刚

（华电能源牡丹江第二发电厂，黑龙江 牡丹江 157015）

1 引言

牡丹江第二发电厂#6锅炉为ЕП670-13.8-545KT（ТПЕ-215БC）型锅炉，所配备的制粉系统采用筒式钢球磨煤机、中间储仓式乏气送粉系统，磨机型号为MЩБу-370/850，给煤机型号为RMSD80型电磁调速电机驱动，电动机功率为15kW。热工控制系统采用了西门子TELEPERM ME集散控制系统。2009年#6机组进行了大修，在#6炉#1制粉系统中采用由黑龙江富奥电力技术开发有限公司提供的“球磨机料位自动控制系统”，其作用是为了提高制粉系统的自动化控制水平，以减轻运行人员劳动强度，实现制粉系统的统一、规范化操作，最终实现节能降耗、安全生产的目的。

2 实施控制的目的

锅炉制粉系统是火电厂重点节能挖潜之处，尤其是筒式钢球磨中储式制粉系统的耗能较高，其耗电量约占厂用电量的20%左右。磨煤机是制粉系统的主要耗电设备，采用人工控制的手段，无法使磨煤机始终运行在最佳工况下，导致制粉效率低、厂用电消耗大、经济效益差。制粉系统是由两大部分构成：一是以球磨机为核心组成的磨制煤粉部分；二是由热风门、冷风门、再循环风门、排粉机和输粉管道构成的送粉系统，这两部分在运行过程中相互关联特别紧密。只有两部分都处最佳平衡状态时，整个制粉系统才能达到经济、高效、节能、安全。而这两部分受外界变化干扰特别敏感，如煤质、煤的干湿程度，机组负荷发生变化都会直接影响制粉系统的最佳平衡状态。如锅炉负荷变化,将会导致烟气量的变化，通过预热器的热风温度变化（20～40℃），随之，送风量、热风风压、入口处热风比例都要减小，此时干燥出力降低，整个制粉系统效率降低。

通过制粉系统的自动化改造，使制粉系统始终能保持在最佳工况下运行,从而系统出力始终保持在最大出力的状态下，达到节能降耗的目的。制粉系统自动化改造的另一个目的是为了使系统的运行更安全，降低操作工人的劳动强度，或者使操作工完全解放出来。

3 制粉系统特性分析

3.1 制粉系统的特性曲线

图1是磨煤机的工作特性曲线。需要说明的一点是，音频信号原本是随着磨煤机内存料量的增加而递减的，见曲线3。为了方便操作，在音频变送器中对信号进行了简单的处理，把递减的音频特性曲线转化成递增的曲线，见曲线4，这时音频信号大就表示磨煤机内的存料量多。

图1 磨煤机的工作特性曲线

（1）从曲线2可以看出，磨煤机的出力并不随着其内存料量的增加而增大。实际上，磨煤机的最大出力点在f2，这也是需要寻找的最佳工作点。

（2）观察曲线1可以看出，磨煤机的功率也不是随着其内存料量的增加而增大，而是有一个极值点，即图中的f1点，并且它在磨煤机最佳工作点f2的左边。

（3）在磨煤机的运行中，当其内存料量较少时，因钢球相互碰撞导致磨煤机噪声（即音频）信号较强；随着其内存料量的不断增加，钢球间的空隙逐渐被煤填满，因而磨煤机的噪声信号逐渐减弱。当磨煤机出力达到最大时（图中f2点），钢球间填满了煤，噪声信号也就基本不变了。

（4）虽然磨煤机的出力曲线存在着极值特性，但是由于出力很难测量，所以不能直接利用。只能用其他曲线的非线性特性来间接找到最大出力点。显然，可以利用噪声曲线到达最大出力点后变化率很小这一特性。

（5）磨煤机的运行范围可划分为3个区间，见图中I，II，III。可以看出，运行在I区时磨煤机的出力很低，非常不经济，显然不合理；III区内磨煤机的出力也不是最大，并且极易发生满灌堵煤事故，因此也是应该避免的运行区域；II区显然是最佳的运行区域。

3.2 制粉系统控制量调节结果

其控制量的改变对其他量的影响见表1。

表1 控制量与检测量关系表

对表1分析得出以下结果：

（1）磨煤机负荷仅由给煤量决定，所以通过磨音传感变送器可以将负荷控制回路进行解耦，实现单回路控制。

（2）出口温度在负荷稳定时，仅靠热风量控制其变化，热风门对出口温度的控制有一定时间的滞后。

（3）热风量的改变对入口负压的影响较快、较大，出入压差的变化与入口负压受热风量影响的结果相反。

4 控制程序

控制算法采用独立的控制算法，即，磨机料位控制回路（控制输入量：磨机料位；控制输出量：给煤机转速）控制回路都必须实现手、自动之间的无扰切换。具体说明如下：

4.1 PV计算

式中：FH：磨机料位控制回路暂存值；

SPfh：磨机料位设定值；

PVfh：磨机料位测量值。

磨机料位控制回路输入值=SPfh-FH。

4.2 控制算法（采样控制策略下的位置式PID）

位置式PID：常规PID，没有其他附加算法。

采样控制策略:每个控制周期PID运算1次，该控制周期的其他时间内保持控制输出不变，直到下个周期开始再进行下一次PID运算。

可调整参数：料位设定值（范围：0～100%），控制周期（也作为PID中的参数TS），比例系数，积分系数，微分系数，输出上限和输出下限。

4.3 画面组态

（1）在【制粉工艺】和【制粉控制】画面，增加磨机料位显示点。

（2）增加手自动切换画面，完成球磨机的给煤的手自动切换。

（3）增加参数设定画面，可设置所需要的参数为：①磨机料位设定值；②给煤控制输出上限；③给煤控制输出下限；④出入口差压危险上限。

4.4 磨煤机内存煤量的测量

现在各种磨煤机内部的载料量通过测量磨煤机的噪声来获得。火电厂磨煤机内填充有钢球，当磨煤机内的存煤量很少时，磨煤机的噪声就相对较大；增大给煤量，这样磨煤机内的存煤量变大，在钢球与钢球之间和钢球与衬板之间就不断地加入介质——煤，钢球撞击钢球、钢球撞击衬板的机会就会慢慢变少，磨煤机的噪声就会随之不断变小。变送器对传感器采集的信号进行滤波、求绝对值、积分、反向等处理，输出4～20 mA的标准信号（料位信号）磨煤机内的存煤量与噪声的关系见图3。

图3 磨煤机存煤量与噪声曲线图

从磨音传感器出来的反映声音强度的电信号强度比较弱，且只是粗略地反映了球磨煤机内填充量的多少。而要是更精确地反映出存料量的大小，还需要经过信号放大、选频滤波、求取有效值等环节。

文章所设计的磨音变送器也采用24 V供电，球磨煤机正常工作时，输出为4～20 mA，由于本系统的特殊性，需要球磨煤机停磨复零信号，必须有一个0位信号，故采用三线制传输。其组成原理框图见图4。

图4 磨音变送器的原理方框图

其中，滤波放大环节将磨音传感器送出的信号放大，进行带通滤波；选频滤波环节根据需要选择一个频段来放大，这是因为，在球磨煤机的磨音信号中，只有一定频段的信号才能真实地反映存料对磨音的吸收，对于这个频段内的信号应给予较大的提升，以更多地获取球磨煤机内存料量的信息。整个频段内声音信号的能量总和与球筒内存料量成反比，因此，经过滤波选频环节后，还要对信号求取绝对值、积分以及反向。通过倒相电路可使输出电流小时对应球磨煤机内缺料，电流大时对应满料，便于观测。当球磨煤机内存煤较少时，钢球相互碰撞发出的磨音较大、频率较高，对应的输出电流小，但是，当球磨煤机停磨时，虽然球磨煤机内物料接近抽空，但此时声音频率却很低，应使输出信号复零，以通知控制器停止控制。最后，经过电压电流转换电路，将信号转换成4～20 mA直流电流的标准信号。

系统电源部分直流为24 V供电，经过DC-DC变换，输出±15 V电压，为电路中的各环节提供电源。