球磨機新型控制策略研究與應用
點擊次數：2947 更新時間：2011-08-09
引言
在我國的中小型火電廠中，球磨機制粉系統使用十分普遍，并且該系統是電廠中除鍋爐燃燒系統外的又一重要調節系統。制粉系統的任務是將含有少量石灰石的燃煤通過鋼球磨煤機的研磨，制成一定細度的煤粉，并通過鍋爐風力進行干燥、輸送和分離，zui終將煤粉儲入料倉。
制粉系統包括原煤倉，振動給煤控制設備，粗細粉分離設備，球磨機，粉倉，絞龍輸粉閘閥，排粉機入口控制閥門，球磨機熱風、冷風、隔離、再循環控制閥門，三次風、乏氣風控制閥門等以及系統的大量測量設備，是一個比較龐大的風粉混合系統。球磨機制粉系統的裝機容量大（僅球磨機的功率一般就為幾百千瓦），由于采用中間儲倉制，系統為間斷運行方式，啟停比較頻繁，故對鍋爐燃燒系統的擾動大。
對制粉系統而言，如何在保持磨煤機zui大出力下運行，以使噸煤電耗zui省是系統控制所追求的目標。但由于球磨機是一個多變量耦合嚴重的非線性系統，采用常規的控制方案很難達到控制目標。
本文以南通一熱電站球磨機制粉系統的控制為例，在對球磨機的動態性能分析的基礎上，提出了一種有效控制策略。該控制策略采用軟測量技術獲取磨負荷信息，通過協調控制器實現對球磨機磨負荷和出口溫度的控制。通過控制熱、冷風量的比值實現對球磨機入口負壓的控制。控制器均采用模糊PID控制算法，利用模糊控制實現動態過程的有效控制，利用PID控制保證系統的穩態精度。
實際運行結果表明，該控制策略能取得滿意的控制效果。
一、球磨機動態特性分析
球磨機制粉系統的核心設備是球磨機。球磨機本身是一個包含機械能量轉換、熱交換的復雜設備。圖1為球磨機的輸人/輸出示意圖。
球磨機的輸入一般有冷風量Fr、熱風量Fh和給煤量Fc。而被控制量有5入口負壓P、出口溫度T和磨負荷L。控制球磨機入口負壓的意義在于使整個球磨機處于負壓狀態，防止煤粉和球磨機的過大漏風。球磨機的出口溫度是指球磨機出口風粉混合物的溫度，它是反映球磨機干燥出力、防止煤粉爆燃或爆炸的重要參數。磨負荷是反映制粉時滾筒內存煤量。
在球磨機運行過程中，通過調節給煤量、熱風量和冷風量，以保證球磨機鼓筒內的存煤量（即磨負荷）、磨煤機出口溫度，以及入口負壓分別處在*值附近，從而使球磨機運行。球磨機的電機功率PD、進出口壓差△P、磨出力Q與磨煤機體內的存煤量N之間的關系[4]如圖2所示。在特性曲線的Ⅰ區，球磨機的耗電量大，出力小;Ⅲ區易堵煤;Ⅱ區電機功率不是zui大，但球磨機的出力為zui大，這是理想工作區。由特性曲線還可看出，進出口壓差可以間接反映磨負荷。
從上面的分析可以得出:球磨機具有多容高階、純遲延較大、參數間耦合的動態特性。其數學模型的結構可以近似表示為
式中K為增益；τ為時間常數；t為純滯后時間。
從階躍響應的時間看，磨煤機入口負壓的響應zui快、出入口壓差響應zui慢，其時間之比達到幾十。這些時間響應的快慢均反映在式中的時間常數上。
上式是在某一條件下線性化得到的。事實上球磨機動態特性具有變幻性，這主要表現在自衡能力和無自衡能力特性之間的差別和信號遲延時間長短的差別上。球磨機出入口壓差在熱空氣帶粉量zui大值范圍內表現為有自衡能力的特性，而在這zui大值之外時則表現為無自衡能力的特性。入口負壓和出口溫度的遲延遠較壓差的遲延小。球磨機動態特性的這種變幻性大大增加了控制難度。
綜上所述，球磨機難以控制的原因可歸結為以下4點。
a.系統具有多變量強耦合特性。如球磨機的入口負壓p與出口溫度T之間耦合十分嚴重。
b.信號難以測量。磨負荷難以直接測量。目前，通常采用磨煤機進出口壓差△P近似反映球磨機負荷。但壓差信號受筒內風量的影響，而且延遲大，不能及時正確反映存煤量。信號難以測量的另一方面在于制粉系統的粉塵影響，使測量儀器的靈敏度降低，尤其是易造成變送器導壓管堵塞、出口溫度測量元件磨損等問題。
c.系統動態特性所具有的變幻性。
d.有限的調節手段。制粉系統需要對磨煤機的入口負壓、出入口負壓、出口溫度、磨煤機負荷進行控制。但控制手段一般只有熱風門、循環風門（或溫風門、冷風門等）和給煤機轉速等有限的調節手段。
目前，球磨機制粉系統通常采用3套獨立的常規PID控制，這樣的控制方式既無法消除回路間的相互干擾，同時對于被控對象的大時滯后和變幻性更是無能為力。因此在很多場合下，尤其在一些規模比較小的熱電站，往往采用手動控制。這使得球磨機制粉系統很難工作在*經濟工況，制粉單耗高。
因此，尋求更好的控制方式，實現對磨煤機制粉系統進行有效控制，是人們一直在追求的目標。文獻[5]提出采用智能解耦的方法，控制系統由基礎控制級、協調控制級以及管理決策級構成，控制系統復雜。文獻[6]將模型預測控制引入球磨機制粉系統，仿真結果表明，該方法不但實現了系統的解耦，同時又能獲得較為滿意的控制效果。文獻[7]采用的遞階模糊控制，可使模糊控制規則大大縮減。文獻[8]提出一種多變量解耦控制策略，實現對球磨機入口負壓和出口溫度的有效控制。事實上，對球磨機制粉控制系統，在設計時首先應綜合考慮安全可靠、節能以及實用等因素，而不是一味追求控制系統的先進性。本文所提出的對球磨機制粉系統的控制策略，具有實用、可靠等特點。
二、球磨機制粉系統控制策略
2.1控制策略確定
通過對球磨機制粉系統的進一步分析可知，磨負荷是需控制的關鍵變量。因此，在確定控制策略時，把球磨機的磨負荷作為重要的被控變量。但控制磨負荷的關鍵是磨負荷的測量問題。多年來，磨負荷的測量一直是薄弱環節，盡管人們曾先后研究稱重法和利用音頻傳感器以及通過測量球磨機的進出口壓差來確定球磨機的存煤量等方法[9-10]，但在實際應用中均存在問題。以目前采用zui多的壓差法測量為例，不但粉塵會造成變送器導壓管的堵塞，使測量儀器的靈敏度降低，而且煤的含水量、煤質及鋼球裝載量的變化，均對壓差有影響。
利用進出口壓差法測量磨負荷實際是一種軟測量的方法，即選擇1組與被測變量（被估變量）相關的可測變量，構造某種以可測變量為輸入、被估變量為輸出的數學模型，用計算機軟件實現重要過程變量的估計。考慮到進出口壓差法中變送器導壓管易堵塞的問題，本系統中沒有選用進出口壓差作為可測變量來估計磨負荷，而是把出口溫度T、熱風量Fh作為估計磨負荷的可測變量。因為進入球磨機原煤的溫度遠低于球磨機內的溫度，給煤量Fc的變化能顯著影響出口溫度T。因此，本系統將磨負荷L作為被估變量，其關系可表示為
L=f（T，Th）
考慮到球磨機入口負壓主要受冷風量和熱風量的影響，因此采取控制加入球磨機熱風量與冷風量的比值，以實現對球磨機入口負壓的控制。
球磨機出口溫度的控制主要從2個方面保證:
a.在設計磨負荷回路時兼顧到出口溫度控制問題，可通過協調控制器實現;
b.控制好磨負荷和入口負壓來保證出口溫度，因為磨負荷和入口負壓均影響球磨機的出口溫度。
由此可見，球磨機的控制系統可簡化為如圖3所示結構。
模糊控制器1為入口負壓控制器，采用入口負壓的偏差及偏差變化率作為輸入變量，輸出變量為對應的熱風量，通過比值器可得到相應的冷風量。這一控制回路主要實現對球磨機入口負壓的控制。模糊控制器2與軟測量控制器，以及協調控制器構成磨負荷與出口溫度控制回路。通過軟測量控制器將出口溫度與熱風量，獲得所需的磨負荷信號，模糊控制器2的輸出量與出口溫度測量值送至協調控制器，以獲得球磨機的給煤量。與其他球磨機控制系統相比，所設計的系統較簡單、實用。
2.2模糊控制器設計
模糊控制器1和模糊控制器2均為模糊PID控制器。這里以模糊控制器1的設計為例，介紹模糊PID控制器的設計。控制器的形式采取模糊控制和PID控制相結合的方案。根據偏差大小確定采用模糊控制還是PID控制，見圖4。在│e│≥ε的動態范圍內實行模糊控制，在│e│＜ε范圍內實行PID控制。其優點在于，利用模糊控制可以獲取系統動態響應的快速性;利用PID控制來減小靜差。
對于模糊控制器，球磨機入口負壓偏差的變化范圍取（-300Pa,+300Pa），壓力偏差變化率的范圍取（-50Pa/s,+50Pa/s）。2個輸入變量以及輸出變量語言值的模糊子集均取（NB，NM，NS，0，PS,PM,PB），它們的量化論域均為（-3,-2,-1，0，+1,+2,+3）。
為簡化起見，各模糊子集的隸屬度函數均取三角型。并通過模糊規則的推理，以及采用重心法求取輸出量U的值，得到控制表（見表1）。
PID控制的主要任務是保證穩態精度。因此，在參數整定時，加大積分的作用。
模糊控制器2也是采用模糊PID控制器，設計方法與入口負壓控制回路的控制器設計相類似。由于磨負荷控制回路兼顧到出口溫度的控制，所以控制器輸出量不能直接作為球磨機的給煤量。在模糊控制器2的輸出加入一個協調控制器。協調控制器依據當前的出口溫度，以及模糊控制器2的輸出值，綜合得到給煤量的值，以防給煤量突變對球磨機出口溫度的影響。
三、結語
本系統自2004年2月開始投入使用，目前運行良好。從鍋爐運行趨勢圖看，磨煤機入口壓力的誤差波動范圍為±（30～50）Pa。磨煤機出口溫度的誤差波動范圍為±4℃。同時，磨負荷能穩定在一個滿意的范圍內。通過2004年2～11月期間的數據統計，并與2003年全年數據比較:研磨電耗由2003年人工手動調節時的22.3kW.h/t，降為20.4kW.h/t,總制粉研磨電耗下降8.52%。
實際運行表明，該設計具有方案簡單、運行可靠、節能效果明顯等特點。
在我國的中小型火電廠中，球磨機制粉系統使用十分普遍，并且該系統是電廠中除鍋爐燃燒系統外的又一重要調節系統。制粉系統的任務是將含有少量石灰石的燃煤通過鋼球磨煤機的研磨，制成一定細度的煤粉，并通過鍋爐風力進行干燥、輸送和分離，zui終將煤粉儲入料倉。
制粉系統包括原煤倉，振動給煤控制設備，粗細粉分離設備，球磨機，粉倉，絞龍輸粉閘閥，排粉機入口控制閥門，球磨機熱風、冷風、隔離、再循環控制閥門，三次風、乏氣風控制閥門等以及系統的大量測量設備，是一個比較龐大的風粉混合系統。球磨機制粉系統的裝機容量大（僅球磨機的功率一般就為幾百千瓦），由于采用中間儲倉制，系統為間斷運行方式，啟停比較頻繁，故對鍋爐燃燒系統的擾動大。
對制粉系統而言，如何在保持磨煤機zui大出力下運行，以使噸煤電耗zui省是系統控制所追求的目標。但由于球磨機是一個多變量耦合嚴重的非線性系統，采用常規的控制方案很難達到控制目標。
本文以南通一熱電站球磨機制粉系統的控制為例，在對球磨機的動態性能分析的基礎上，提出了一種有效控制策略。該控制策略采用軟測量技術獲取磨負荷信息，通過協調控制器實現對球磨機磨負荷和出口溫度的控制。通過控制熱、冷風量的比值實現對球磨機入口負壓的控制。控制器均采用模糊PID控制算法，利用模糊控制實現動態過程的有效控制，利用PID控制保證系統的穩態精度。
實際運行結果表明，該控制策略能取得滿意的控制效果。
一、球磨機動態特性分析
球磨機制粉系統的核心設備是球磨機。球磨機本身是一個包含機械能量轉換、熱交換的復雜設備。圖1為球磨機的輸人/輸出示意圖。
球磨機的輸入一般有冷風量Fr、熱風量Fh和給煤量Fc。而被控制量有5入口負壓P、出口溫度T和磨負荷L。控制球磨機入口負壓的意義在于使整個球磨機處于負壓狀態，防止煤粉和球磨機的過大漏風。球磨機的出口溫度是指球磨機出口風粉混合物的溫度，它是反映球磨機干燥出力、防止煤粉爆燃或爆炸的重要參數。磨負荷是反映制粉時滾筒內存煤量。
在球磨機運行過程中，通過調節給煤量、熱風量和冷風量，以保證球磨機鼓筒內的存煤量（即磨負荷）、磨煤機出口溫度，以及入口負壓分別處在*值附近，從而使球磨機運行。球磨機的電機功率PD、進出口壓差△P、磨出力Q與磨煤機體內的存煤量N之間的關系[4]如圖2所示。在特性曲線的Ⅰ區，球磨機的耗電量大，出力小;Ⅲ區易堵煤;Ⅱ區電機功率不是zui大，但球磨機的出力為zui大，這是理想工作區。由特性曲線還可看出，進出口壓差可以間接反映磨負荷。
從上面的分析可以得出:球磨機具有多容高階、純遲延較大、參數間耦合的動態特性。其數學模型的結構可以近似表示為
式中K為增益；τ為時間常數；t為純滯后時間。
從階躍響應的時間看，磨煤機入口負壓的響應zui快、出入口壓差響應zui慢，其時間之比達到幾十。這些時間響應的快慢均反映在式中的時間常數上。
上式是在某一條件下線性化得到的。事實上球磨機動態特性具有變幻性，這主要表現在自衡能力和無自衡能力特性之間的差別和信號遲延時間長短的差別上。球磨機出入口壓差在熱空氣帶粉量zui大值范圍內表現為有自衡能力的特性，而在這zui大值之外時則表現為無自衡能力的特性。入口負壓和出口溫度的遲延遠較壓差的遲延小。球磨機動態特性的這種變幻性大大增加了控制難度。
綜上所述，球磨機難以控制的原因可歸結為以下4點。
a.系統具有多變量強耦合特性。如球磨機的入口負壓p與出口溫度T之間耦合十分嚴重。
b.信號難以測量。磨負荷難以直接測量。目前，通常采用磨煤機進出口壓差△P近似反映球磨機負荷。但壓差信號受筒內風量的影響，而且延遲大，不能及時正確反映存煤量。信號難以測量的另一方面在于制粉系統的粉塵影響，使測量儀器的靈敏度降低，尤其是易造成變送器導壓管堵塞、出口溫度測量元件磨損等問題。
c.系統動態特性所具有的變幻性。
d.有限的調節手段。制粉系統需要對磨煤機的入口負壓、出入口負壓、出口溫度、磨煤機負荷進行控制。但控制手段一般只有熱風門、循環風門（或溫風門、冷風門等）和給煤機轉速等有限的調節手段。
目前，球磨機制粉系統通常采用3套獨立的常規PID控制，這樣的控制方式既無法消除回路間的相互干擾，同時對于被控對象的大時滯后和變幻性更是無能為力。因此在很多場合下，尤其在一些規模比較小的熱電站，往往采用手動控制。這使得球磨機制粉系統很難工作在*經濟工況，制粉單耗高。
因此，尋求更好的控制方式，實現對磨煤機制粉系統進行有效控制，是人們一直在追求的目標。文獻[5]提出采用智能解耦的方法，控制系統由基礎控制級、協調控制級以及管理決策級構成，控制系統復雜。文獻[6]將模型預測控制引入球磨機制粉系統，仿真結果表明，該方法不但實現了系統的解耦，同時又能獲得較為滿意的控制效果。文獻[7]采用的遞階模糊控制，可使模糊控制規則大大縮減。文獻[8]提出一種多變量解耦控制策略，實現對球磨機入口負壓和出口溫度的有效控制。事實上，對球磨機制粉控制系統，在設計時首先應綜合考慮安全可靠、節能以及實用等因素，而不是一味追求控制系統的先進性。本文所提出的對球磨機制粉系統的控制策略，具有實用、可靠等特點。
二、球磨機制粉系統控制策略
2.1控制策略確定
通過對球磨機制粉系統的進一步分析可知，磨負荷是需控制的關鍵變量。因此，在確定控制策略時，把球磨機的磨負荷作為重要的被控變量。但控制磨負荷的關鍵是磨負荷的測量問題。多年來，磨負荷的測量一直是薄弱環節，盡管人們曾先后研究稱重法和利用音頻傳感器以及通過測量球磨機的進出口壓差來確定球磨機的存煤量等方法[9-10]，但在實際應用中均存在問題。以目前采用zui多的壓差法測量為例，不但粉塵會造成變送器導壓管的堵塞，使測量儀器的靈敏度降低，而且煤的含水量、煤質及鋼球裝載量的變化，均對壓差有影響。
利用進出口壓差法測量磨負荷實際是一種軟測量的方法，即選擇1組與被測變量（被估變量）相關的可測變量，構造某種以可測變量為輸入、被估變量為輸出的數學模型，用計算機軟件實現重要過程變量的估計。考慮到進出口壓差法中變送器導壓管易堵塞的問題，本系統中沒有選用進出口壓差作為可測變量來估計磨負荷，而是把出口溫度T、熱風量Fh作為估計磨負荷的可測變量。因為進入球磨機原煤的溫度遠低于球磨機內的溫度，給煤量Fc的變化能顯著影響出口溫度T。因此，本系統將磨負荷L作為被估變量，其關系可表示為
L=f（T，Th）
考慮到球磨機入口負壓主要受冷風量和熱風量的影響，因此采取控制加入球磨機熱風量與冷風量的比值，以實現對球磨機入口負壓的控制。
球磨機出口溫度的控制主要從2個方面保證:
a.在設計磨負荷回路時兼顧到出口溫度控制問題，可通過協調控制器實現;
b.控制好磨負荷和入口負壓來保證出口溫度，因為磨負荷和入口負壓均影響球磨機的出口溫度。
由此可見，球磨機的控制系統可簡化為如圖3所示結構。
模糊控制器1為入口負壓控制器，采用入口負壓的偏差及偏差變化率作為輸入變量，輸出變量為對應的熱風量，通過比值器可得到相應的冷風量。這一控制回路主要實現對球磨機入口負壓的控制。模糊控制器2與軟測量控制器，以及協調控制器構成磨負荷與出口溫度控制回路。通過軟測量控制器將出口溫度與熱風量，獲得所需的磨負荷信號，模糊控制器2的輸出量與出口溫度測量值送至協調控制器，以獲得球磨機的給煤量。與其他球磨機控制系統相比，所設計的系統較簡單、實用。
2.2模糊控制器設計
模糊控制器1和模糊控制器2均為模糊PID控制器。這里以模糊控制器1的設計為例，介紹模糊PID控制器的設計。控制器的形式采取模糊控制和PID控制相結合的方案。根據偏差大小確定采用模糊控制還是PID控制，見圖4。在│e│≥ε的動態范圍內實行模糊控制，在│e│＜ε范圍內實行PID控制。其優點在于，利用模糊控制可以獲取系統動態響應的快速性;利用PID控制來減小靜差。
對于模糊控制器，球磨機入口負壓偏差的變化范圍取（-300Pa,+300Pa），壓力偏差變化率的范圍取（-50Pa/s,+50Pa/s）。2個輸入變量以及輸出變量語言值的模糊子集均取（NB，NM，NS，0，PS,PM,PB），它們的量化論域均為（-3,-2,-1，0，+1,+2,+3）。
為簡化起見，各模糊子集的隸屬度函數均取三角型。并通過模糊規則的推理，以及采用重心法求取輸出量U的值，得到控制表（見表1）。
PID控制的主要任務是保證穩態精度。因此，在參數整定時，加大積分的作用。
模糊控制器2也是采用模糊PID控制器，設計方法與入口負壓控制回路的控制器設計相類似。由于磨負荷控制回路兼顧到出口溫度的控制，所以控制器輸出量不能直接作為球磨機的給煤量。在模糊控制器2的輸出加入一個協調控制器。協調控制器依據當前的出口溫度，以及模糊控制器2的輸出值，綜合得到給煤量的值，以防給煤量突變對球磨機出口溫度的影響。
三、結語
本系統自2004年2月開始投入使用，目前運行良好。從鍋爐運行趨勢圖看，磨煤機入口壓力的誤差波動范圍為±（30～50）Pa。磨煤機出口溫度的誤差波動范圍為±4℃。同時，磨負荷能穩定在一個滿意的范圍內。通過2004年2～11月期間的數據統計，并與2003年全年數據比較:研磨電耗由2003年人工手動調節時的22.3kW.h/t，降為20.4kW.h/t,總制粉研磨電耗下降8.52%。
實際運行表明，該設計具有方案簡單、運行可靠、節能效果明顯等特點。
