振动料位分析技术在钢球磨煤机中的应用

王晓杰

(华电青岛发电股份有限公司，山东 青岛 266000)

0 引言

华电青岛发电有限公司#2锅炉为上海锅炉厂采用美国CE公司引进技术并在其基础上优化设计制造的亚临界、中间一次再热、控制循环汽包炉，型号为SG-1025/17.47-M878，配300 MW汽轮发电机组。设计煤种为山西晋中贫煤,实际运行时掺烧无烟煤。制粉系统为中间储仓式，热一次风送粉，配4台DTM350/600型钢球磨煤机。

制粉系统自投产以来一直为手动操作，存在以下弊端：(1)运行人员需时刻监视磨煤机差压、出口温度、电流等参数，劳动强度大；(2)无磨煤机料位监视手段，磨煤机出入口差压对磨煤机内部真实料位情况反应不敏感，运行人员凭经验粗略地判断磨煤机内料位情况，为避免磨煤机满磨、跑粉，磨煤机经常处于低料位，导致制粉出力偏低和磨煤单耗高；(3)磨煤机入口负压波动大；(4)磨煤机出口温度随给煤量、煤质变化、负荷变化波动幅度大，不能实现精确控制[1]。

1 磨煤机制粉自动控制系统概述

为挖掘制粉系统节能潜力，优化运行方式，减轻运行人员的劳动强度，保持磨煤机长期在最佳工况安全经济运行，提高设备自动化运行水平，提高制粉出力，降低制粉单耗，在#2锅炉制粉系统加装了一套由华电青岛发电有限公司与珠海市华远自动化科技有限公司共同研制开发的磨煤机制粉自动控制系统，是集自动控制、安全稳定、经济高效于一身的全能型控制系统。该系统使用遥测振动分析技术对磨煤机内真实料位进行检测，比传统的差压测量料位法和电耳测量料位法测量更准确，维护量更小；同时，以磨煤机料位、入口负压、出口温度为控制对象，通过风煤分控，将整个制粉系统分成磨煤机料位自动控制单元、磨煤机入口负压自动控制单元、磨煤机出口温度自动控制单元3个控制单元，最终整合成一套完整的控制体系，实现中间仓储式制粉系统自动化控制。

2 技术原理

2.1 信号测量

磨煤机内的振动状态与料位具有直接的对应关系，当磨煤机内料位低、存料量少、钢球间相对柔软且细小的被研磨物减少时，钢球之间以及钢球与衬板间因缓冲物减少而振动加剧，传导到磨煤机筒体表面的振动增大；当磨煤机内料位上升、存料量增加时，缓冲物增多，磨煤机内及传导到筒体表面的振动减小。通过分析磨煤机内的振动信号可以精确可靠地分析磨煤机内料位，但实现这一目标的前提条件是直接采集磨煤机内的振动信息。

该磨煤机状态监控系统采用高灵敏度的信号采集装置，综合运用遥测传感技术和智能检测技术，彻底解决了传统方法无法避免的信号衰减和强干扰导致的料位测量精度低、可靠性差的难题。振动传感器直接安装在磨煤机表面(如图1所示，图中：MCS为模拟量控制系统)，在随磨煤机筒体一起旋转的过程中，直接采集壳体内部的声音和振动等综合信息；同时，轴承座上也加装有传感器，与筒体上传感器采集的信号互相融合和验证。磨煤机和设备发出的噪声干扰信号全部被有效隔离，信号不经过空气衰减，不受外界噪声和振动信号的干扰，以达到更高的测量精度。磨煤机筒体轴向、径向每个点的料位波动信息都可以被精确地捕获，磨煤机每个旋转周期特征信号的三维空间模型都能被有效提取。这种高性能传感技术和新算法结合而形成的料位测量技术，测量非常精确可靠，传统测量方法无法达到这样的测量精度和可靠性。

图1 系统硬件安装示意

制粉系统的自动控制由安装在电子间的制粉系统控制电气柜实现，该控制柜以485串口通信的方式从分散控制系统(DCS)采集模拟量信号，以硬接线的方式输出控制指令、冷风门控制指令和热风门控制指令(如图2所示，图中：AI为模拟量输入；DI为数字量输入；AO为模拟量输出；DO为数字量输出)。

图2 系统信号传输示意

2.2 控制原理

磨煤机料位调节的任务是：在保证磨煤机入口负压和出口温度正常的前提下，始终保持最大给煤量，使磨煤机进煤出粉始终保持平衡。

控制原理：通过安装在磨煤机筒体和轴承座上的2个振动采集器取得磨煤机料位的主信号，另外将分离器出口负压和磨煤机出入口差压信号加入磨煤机料位控制中，3路信号经过系统综合处理后，发出指令控制给煤机的给煤量，实现磨煤机料位自动控制。正常工况下磨煤机根据料位进行优化控制，以最大出力为控制目标，通过对料位的跟踪调节实现长期稳定控制[2]。

e(t)=(Ls-L)+(ps-p)+(t-ts) ，

式中：u(t)为控制器输出；Kp为比例系数；Ti为积分时间系数；Td为微分系数；Ls为料位设定值；L为料位当前值；ps为压差设定值；p为差压当前值；t为磨煤机出口温度当前值；ts为磨煤机出口温度设定值。

磨煤机入口负压自动调节的任务是：无论什么原因引起系统风量发生改变，始终能够保持制粉系统进风量和出风量平衡。正常情况下球磨煤机入口负压一般控制在-350 Pa左右，通过调节热风门实现磨煤机入口负压自动控制。

控制原理：将磨煤机入口负压目标值设为定值，磨煤机入口负压反馈值作为跟踪信号，通过调节热风门、冷风门和再循环风门开度来减小磨煤机入口负压目标值和反馈值之间的偏差。入口负压实际设定值根据出口温度进行修正，温度升高后增大负压设定值，以减小热风门开度。

制粉系统出口温度自动控制的任务是：始终能够保持磨煤机出口温度在规定的范围内。通过调节热风门、冷风门挡板开度，实现磨煤机出口温度自动控制。

控制原理：将磨煤机出口温度目标值设为定值，磨煤机出口温度作为跟踪信号，通过调节热风门、冷风门开度来减小出口温度目标值和反馈值之间的偏差。出口温度高于设定高限值后开冷风，同时适当增大入口负压设定值，减小热风量。

e(t)=ts-t，ts=Fuzzy(m) ，

式中：H(t)为出口温度控制输出；Kh为热风门控制系数，采用运行经验决策该参数变化；Kc为冷风门控制系数，采用专家经验决策该参数变化；m为煤质系数，根据负荷和原煤消耗量计算。

3 系统实际运行情况

3.1 制粉系统最大出力试验

制粉系统最大出力试验是在保证磨煤机不满罐、不跑粉的前提下，逐渐增加给煤机量，直到磨煤机或排粉机电流达到最大值又开始下降为止。通过制粉系统最大出力试验，确定制粉系统给煤机转速、磨煤机料位、磨煤机前后差压及粗粉分离器后负压最大值，目的是为自动控制系统提供上限依据，试验结果见表1。

表1 2C，2D制粉系统最大出力试验结果

3.2 确定最佳出力参数

为确保自动控制系统能够安全稳定运行，通过制粉系统最大出力试验确定磨煤机料位、磨煤机前后差压和粗粉分离器后负压最大值，在此基础上，制定了制粉系统主要运行参数最佳值和上下限值(见表2)。磨煤机料位正常控制范围为55%～64%，可根据煤质、负荷等参数进行调整。

3.3 各经济技术指标对比

项目实施后，磨煤机料位测量趋势正确稳定，运行调节良好，炉膛燃烧状况良好，满足机组安全稳定运行要求。料位测量及自动控制系统可用率达到100%，自动投入率达到100%。

表2 2C，2D制粉系统最佳运行数据

优化调整后，2C制粉系统的出力由手动状态下给煤机转速反馈370 r/min左右提升到自动状态下410 r/min左右，提升10.8%以上，磨煤机出口温度在规定范围内，差压由1.55 kPa提升到1.95 kPa。2D制粉系统的出力由手动状态下给煤机转速反馈510 r/min左右提升到自动状态下630 r/min左右，提升23.5%以上，磨煤机出口温度在规定范围内，差压由1.45 kPa提升到1.85 kPa，运行安全稳定。

4 结束语

中储式钢球磨制粉自动控制系统实现了磨煤机入口负压、出口温度、磨煤机料位全面自动控制，运行参数得到全面优化。该系统通过自寻优技术实现了制粉系统的仿人工智能控制，提高了换煤及特殊工况的适应能力，具有良好的推广价值。

参考文献：

[1]刘明杰,任尚坤,何卫国,等.MCS遥测与自动控制系统在中储式制粉系统上的应用[J]. 华电技术,2015，37(10)：22-24，77.

[2]张维群，何祖威，陈绍彬.制粉系统动态特性及控制方案研究[D].重庆：重庆大学，2005.