（热能工程专业论文）模糊pid复合控制在钢球磨煤机中的应用.pdf

摘要 钢球磨煤机是一个典型三输入三输出的祸合系统，具有时变性、大迟延等特点， 并且由于测量技术的限制，影响制粉经济性的料位难以准确的测量，长期以来国 内绝大部分钢球磨煤机的都处于手动控制状态，制粉单耗高，经济性差。因此， 钢球磨煤机的控制性能改造有着重要的意义。 针对以上问题，本文对于简体内料位采用了基于神经网络的软测量技术，为控 制提供了实时的料位信号，在此基础上，采用了模糊- p i d 复合控制策略，以改善 钢球磨煤机的控制效果，保证制粉系统能够长期安全的自动运行。 在充分研究了制粉系统的工艺流程、各参数对制粉系统的经济性影响以及对象 特征后，为了降低各参数的耦合影响首先对对象进行了简化处理，将一些耦合量 作为扰动量来处理，把原来三输入三输出的耦合系统简化为三条单输入单输出的 回路，再采用前馈解耦，基本上消除了各个量之间的耦合影响，为后续控制的实 施铺平了道路。控制策略选择了模糊- p i d 复合控制器，这样可以有效地利用模糊 控制反应速度快，动态特性好以及p i d 控制器可以消除静差的优点，增加了控制 回路的鲁棒性，解决了模型时变性问题。 通过m a t l a b 建模仿真，结果表明模糊- p i d 复合控制确实优于传统的p i d 控制 方案。为了近一步提高钢球磨煤机的经济性，又采用了料位白寻优控制，为模糊 - p i d 复合控制提供各种工况下的设定值，力图达到降低制粉单耗，提高钢球磨煤 机制粉系统的经济性。 关键字：模糊一p i d 复合控制；钢球磨煤机；料位软测量；料位自寻优 v a b s t r a c t b a l lc o a lm i l ls y s t e mi sat h r e ei n p u ta n dt h r e eo u t p u t sc o u p l i n gs y s t e m ，w h i c h h a v ec h a r a c t e r i s t i co ft i m e - v a r y i n ga n dg r e a tc h a n g e si no p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，a n dt h e l e v e lo fb a l lc o a lm i l li sh a r dt om a s u r i n g t h u si ti sd i f f i c u l tt oa p p l yt h et r a d i t i o n a l c o n t r o lt h e o r ya n dm e t h o d st oa c h i e v et h ed e s i r e dc o n t r 0 1 c o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so fr e a s o n s ，m a i n l yd u et oc h a r a c t e r i s t i c so ft h eo b j e c t b a l lm i l lc o m p l e x ，a l lo fc o u p l i n gb e t w e e nt h es e r i o u sa n dl e v e lo fb a l lc o a lm i l l d i f f i c u l tt oa c h i e v ea c c u r a t em e a s u r e m e n t f o rt h ea b o v e m e n t i o n e dp r o b l e m s ，t h i s a r t i c l em e a s u r e dl e v e lo fb a l lc o a lm i l lb a s e do nn e u r a ln e t w o r ks o f t w a r em e a s u r e m e n t t e c h n o l o g y , t op r o v i d er e a l t i m ec o n t r o lo ft h em a t e r i a ll e v e ls i g n a l ，u s i n gaf u z z y p i d c o m p o u n dc o n t r o ls t r a t e g yt oi m p r o v eb a l lm i l lt h ee f f e c to fc o n t r o l ，m i l l i n gs y s t e mt o e n s u r el o n g t e r ms e c u r i t yo ft h ea u t o m a t i co p e r a t i o n t h ef u l ls t u d yi nt h ep r o c e s so fm i l l i n gs y s t e m ，t h ep a r a m e t e r so ft h em i l l i n g s y s t e ma n dt h ee c o n o m i ci m p a c to fo b j e c tc h a r a c t e r i s t i c s ，i no r d e rt or e d u c et h ei m p a c t o fc o u p l i n gp a r a m e t e r so ft h ef i r s tt a r g e t so fas i m p l i f i e d ，a sw i l ls o m eo fc o u p l i n gt o d e a lw i t hd i s t u r b a n c e s t h eo r i g i n a lt h r e ei n p u ta n dt h r e eo u t p u tc o u p l i n gs y s t e m s i m p l i f i e dt ot h r e eai n p u ta n dao u t p u tc o u p l i n gs y s t e m s ，a n dt h e nu s i n gf e e d f o r w a r d d e c o u p l i n g ，b a s i c a l l ye l i m i n a t e da l l o ft h ec o u p l i n gb e t w e e nt h e i m p a c to ft h e i m p l e m e n t a t i o no ft h ef o l l o w - u pc o n t r o lp a v e dt h ew a y c o n t r o ls t r a t e g yc h o i c eo f f u z z y p i dc o n t r o l l e r , t h i sc a nb ee f f e c t i v eu s eo ff u z z yc o n t r o lc o r r e s p o n d i n gs p e e d ， d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fg o o da n dp i dc o n t r o l l e rc a ne l i m i n a t et h ea d v a n t a g e so f s t a t i cp o o r , a ni n c r e a s eo ft h er o b u s t n e s so ft h ec o n t r o ll o o p ，w h e nt h ed e g e n e r a t i o no f t h em o d e lt os o l v et h ep r o b l e m t h er e s u l t ss h o wt h a tf u z z y p i dc o n t r o li ss u p e r i o rt ot h et r a d i t i o n a lp i dc o n t r o l p r o g r a m m e ，b ym a t l a bt h r o u g hm o d e l i n ga n ds i m u l a t i o n i no r d e rt oe n h a n c ec l o s e r e c o n o m i cb a l lm i l l ，a n dt h em a t e r i a l su s e di ns e l f - o p t i m i z i n gc o n t r o l ，f u z z y - p i d c o n t r o lo ft h ec o n d i t i o nt op r o v i d ea l lk i n d so fs e t t i n g s ，i nab i dt oa c h i e v el o w e r m i l l i n gc o n s u m p t i o n ，i m p r o v eb a l lm i l ls y s t e mf a n o ft h ee c o n o m i cs y s t e m k e y w o r d s ：f u z z yc o n t r o l l e r ；b a l lm i l l ；p u l v e r i z i n gs y s t e m ；g e n e t i ca l g o r i t h m ；p i d c o n t r o l l e r v l 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝望盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者虢问i 虱 签字眺捌年万月时日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘鲎有权保留并向国家有关部门或机构 送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂可以 将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：l 司 导师签名：寇蠊 签字r 期：乃。3 年月时日 签字同期：d8 年f 月心e t 致谢 两年的研究生生活转瞬即逝，回顾这一段日子，我得到了很多老师以及同学的 无私帮助。在此，我对他们表示诚挚的谢意。 首先，我要忠心感谢盛德仁教授、冯晓露副教授，本文是在他们精心指导和帮 助下完成的，从研究生学习计划的制定，论文的选题，课题的研究一直到论文的 完成，都给与了巨大的帮助和指导。导师严谨的治学态度，丰富的专业知识，面 对困难、解决困难的做事态度，以及对本人生活上的关心，使我终生难忘，在此 谨向盛老师、冯老师表示诚挚的谢意! 我还要感谢陈坚红老师、缪思恩老师、李蔚老师、任浩仁老师，他们在我的工 作与学习中都给与了我许多指导和帮助。 其次，我还要感谢师兄覃来丰在平时对我的关心和指导，以及赵翠、杨巍巍同 学在论文的完成过程中提供热心的帮助，在此表示感谢! 最后，还要感谢我的家人，感谢他们对我的养育之恩，以及在我遇到困难时对 我的鼓励和支持! i v 周凤 与浙大求是园 二零零八年五月 第一章绪论 浙江人学硕一i 二学位论文 1 绪论 1 1 研究课题的目的和意义 目前，我国火力发电厂广泛应用着筒式钢球磨煤机，它具有煤种适应性广，结 构可靠性强，可以安全可靠地长期连续工作，并且能够达到其它类型磨煤机难达 到的煤粉细度，特别适宜磨制硬质无烟煤和高灰分贫煤。但是，钢球磨煤机又普 遍存在着钢球消耗量大，系统运行自动化程度低、单位煤耗大等问题。据统计， 制粉系统用电量占厂用电量的15 2 5 ，是电厂的耗电大户之一，同时也是潜在 的节能大户之一。 钢球磨煤机是将煤块破碎和研磨成煤粉的设备。它的任务是将原煤通过钢球的 研磨制成一定细度的煤粉，并通过热风进行干燥输送和分离，最终将煤粉送入料 仓。钢球磨煤机筒体旋转时，筒内钢球和煤在离心力和摩擦力的作用下被提升到 一定高度，在重力作用下跌落，筒内的煤受下落钢球的撞击作用，以及钢球与钢 球和钢球与护甲之间的挤压和研磨作用而被破碎，磨制成煤粉，热空气既是干燥 剂，又是煤粉输送剂。磨好的煤粉由干燥剂气流带出简体。干燥剂气流越大，带 出煤粉量就越多，磨煤机处力就越大，煤粉也越粗。但是煤粉过粗，会大大降 低锅炉的燃烧效率，因此，提高磨煤出力必须以保证煤粉一定的细度为前提。 钢球磨煤机是一个具有非线性、大滞后、强耦合和具有多种不确定性扰动的多 变量对象。另外，由于原煤水份、煤质( 挥发份、灰份、可磨性指数等) 的变化， 以及钢球、衬板磨损等原因，钢球磨煤机不仅特性复杂，而且缓慢时变，无论改 变给煤量、热风门开度、冷风门开度、再循环风门开度诸多操作中的任一个量， 都会影响其出口温度、入口负压、存煤量、进出口压差及通风量的改变。因此， 必须分析各种因素对磨煤机出力的影响，协调和调整各因素之间的关系，优化制 粉系统的运行方式，以达到磨煤机出力最大、同时系统电耗最低的目的。但是以往 的控制系统采用了3 套相互独立的p i d 控制回路，强行地将它们之间的相互关系 割裂，造成顾此失彼，以致磨煤、干燥、输送出力之间难以优化匹配，制粉电耗 ( 包括磨煤电耗和通风输粉电耗) 长期居高不下，以致制粉系统长期在低负荷下 运行，经济性很差n 1 。 l 第一章绪论浙江大学硕卜学位论文 随着先进控制理论和检测手段以及计算机控制的发展，火电厂热工过程控制 水平有了大幅度的提高，制粉系统钢球磨煤机这一较难控制的系统开始受到重视， 并取得了一些理论和应用方面的研究成果。一批以多变量控制理论、解耦理论、 模糊控制理论及自适应优化理论为基础，在充分考虑了制粉系统特点的基础上， 基于不同控制理论的实用控制策略己被提出。为了实现钢球磨煤机的最佳控制， 钢球磨煤机料位的测量，进煤量的控制成为一非常重要的问题，测量方法的改进 对于提高系统自动化水平有重要的意义。 提出了神经网络软测量方法测量载煤量， 针对上海金山石化的制粉系统的配置， 为控制提供了较为准确的信号，在此基 础上选择合适的控制策略，以确保钢球磨煤机的安全高效的运行，以达到降低制 粉系统单位电耗的目的。 1 2 研究课题的现状 钢球磨煤机制粉系统是一个复杂的循环系统，主要由给煤机、钢球磨煤机、排 粉机、粗粉分离器、细粉分离器等设备组成。其控制调节变量为给煤机转速、热 风门开度、再循环门开度、冷风门开度聆1 。为保证钢球磨煤机安全、经济运行，必 须对其料位( 载煤量) 、出口煤粉温度、入口负压进行控制调节，调节磨煤机负荷 的任务就是保证磨煤机在最经济工况下运行，维持磨煤机入口负压稳定，便能达 到磨煤机通风量恒定，从而维持煤粉细度。但是，由于它的非线性、大滞后、强 耦合的特点以及测量技术的限制，长期以来，一直是热工控制领域中的一大难题， 绝大多数电厂现在仍主要依靠运行人员手动进行控制。 1 2 1 、料位测量手段 提高钢球磨煤机制粉效率的关键是对磨煤机内料位进行有效测量，这也是制粉 系统能否投入自动控制的基本前提。筒内料位过高会导致磨损和噪声增大，磨煤 电耗增加，使钢球粉碎效果下降，甚至导致堵塞。实验表明，随着钢球磨煤机内 料位的升高，钢球磨煤机的功率先是增加，当钢球的空隙全部被煤充满时，功率 达到最大值，继续增加给煤量，则会使料位过高，功率减小。从制粉出力和经济 性角度考虑，希望给煤越多越好，但料位如果高至饱和料位，再继续增加给煤反 而使出粉量减少，结果会使料位升高，料位升高又进一步减少出粉率，由于不能 2 第一章绪论浙江人学硕上学位论文 自平衡，料位将迅速增加至满煤状态，导致钢球磨煤机堵塞h 。在手动方式下， 实际上由于料位没有准确而可靠的测量方法，实际运行点远达不到最大出力点。 为了降低单位电耗我们希望钢球磨煤机的工作点运行在优化运行区，但此时钢球 磨煤机工作状态不自稳的，处于稳态和非稳态工作区的边缘，只有通过有效的控 制钢球磨煤机才能在该区运行。而在此处，只利用进出口压力差来监控在料位是 不可靠的，因此必须与其他信号相结合才能达到良好的控制效果。目前，常用的 料位检测手段有： 1 、压差法：钢球磨煤机进出口差压信号在一定程度上能间接反映筒内的料位 情况，当钢球磨煤机正常运行且在其已条件不变的情况下，磨进出口压差越大， 说明筒内料位越高，反之磨进出口压差越小，筒内料位越少。利用进出口压差信 号来表征磨煤机的料位，这是一种传统的测量料位的方法。但是，钢球磨煤机进 出口压差信号并不是料位的单值函数，而是料位、通风量、钢球磨煤机结构参数 的多元函数，因此，进出口压差信号不能准确地反映料位，故调节频繁，运行不 稳定。 2 、音频法( 声响法) ：工业生产实践表明，钢球磨煤机的声响与料位具有一 定的关系，这种方法的实质就是根据钢球磨煤机所产生噪声的不同来确定钢球磨 煤机内的料位。当钢球磨煤机中料位增加时，钢球磨煤机噪音强度减少；反之， 当钢球磨煤机中料位减少时，钢球磨煤机噪音强度就增加，即在钢球磨煤机噪音 强度和钢球磨煤机中料位之间存在着关系，因此，可以利用钢球磨煤机的噪音强 度来评估钢球磨煤机中的料位。相对于其它方法而言，音响信号灵敏度较高，但 当煤种、水分、钢球装载量等发生变化时，不同料位所对应的音响信号就要发生 变化。因此，应对一定钢球装载量下不同料位时的音响信号进行定标试验。同时 在现场，声音信号容易受到干扰，可能导致较大的波动b 1 。 3 、功率或电流法：根据理论推算和实际检测结果表明，钢球磨煤机的有用功 率和钢球磨煤机料位之间存在一定关系随着钢球磨煤机料位的增加，开始时钢 球磨煤机电机的有用功率明显上升，达到某一极值后，随着钢球磨煤机料位的增 加，有用功率值反而下降，此极值可认为是钢球磨煤机料位的最佳点。因此，有 用功率直接与钢球磨煤机料位有关但是，从空磨到满磨，钢球磨煤机功率变化 或电流变化范围很小，且易受其他因素的影响，故料位难以准确表达b 1 。 第一章绪论浙江大学硕：t 学位论文 4 、振动法：所有的机械设备在运转过程中都可能产生或大或小的震动。钢球 磨煤机运转时，研磨物体和物料偏于磨煤机的一侧，并不断地滚滑和下落，冲击 研磨物料，钢球磨煤机的转动部分处于严重的不平衡状态，造成不平衡的离心力， 使钢球磨煤机系统震动。检测出钢球磨煤机的震动强度就可以间接反映出磨中料 位的情况。震动信号测取方便，反映给煤量变化动态灵敏度高，纯迟延小。但是， 当煤种变化时，震动信号变化较大，此时料位的测量误差难以估计。 1 2 2 、常用的控制方案 钢球磨煤机是一个三输入三输出的强耦合、非线性、大迟延及大惯性的被控 对象，传统的控制系统采用3 套相互独立的p i d 控制回路，无法消除回路间的耦合， 控制效果不佳，容易造成钢球磨煤机满煤、断煤、超温及跑粉等事故发1 。随着先 进控制理论和检测手段以及计算机控制的发展，火电厂热工过程控制水平有了大 幅度的提高，制粉系统球磨机这一较难控制的系统开始受到重视，并取得了一些 理论和应用方面的研究成果。主要的控制方案有： 1 、常规p i d 控制：将控制系统设计为三个被调量，三个调节量，即3 个互为 独立的p i d 控制回路，采用热风门控制钢球磨煤机出口温度，再循环风门控制入 口负压，给煤机控制钢球磨煤机入口的负压，分别形成3 套独立的p i d 控制回路。 这种方法的优点是实现简单盯1 。 2 、自寻最优控制：自寻最优控制的工作原理是利用被控对象所具有的非线性 静态极值特性，通过改变控制量，试探它对被控指标的影响，从而确定系统以何 种方式进行响应，使被控指标达到或接近最优。设计人员不必关心对象的精确动 态特性，也不必了解其特性的漂移，由控制系统本身根据条件的变化修正控制参 数，从而达到最佳的运行效果膳1 钢球磨煤机制粉系统自寻优控制是一定范围内 的在线寻优。先计算出单耗，然后根据其变化方向进行正向或反向寻优，直到单 耗在某值附近摆动，表示单耗已接近最佳工况值。钢球磨煤机单耗的计算没有统 一的算法，若以给煤机的给煤量近似表示钢球磨煤机负荷，并不能准确测得钢球 磨煤机的实际出力，也无法正确计算出单耗，那么在线寻优也并非为最优。 3 、预测控制：预测控制的主要目的是解决大延时系统的控制问题。将钢球磨 煤机的传递函数矩阵转换为钢球磨煤机的脉冲响应矩阵，根据系统的现在时刻和 4 第一章绪论浙江大学硕f ：学位论文 过去时刻的控制输入预测系统输出的未来值，实现预测控制。预测控制的难点在 于预测传递函数的获取，特别在于像钢球磨煤机这种时变对象p 1 。 4 、神经网络控制：神经网络因其具有自学习、白适应的优点，并且不依赖具 体数学模型，非常适合动态特性随运行工况大范围变化的对象，而钢球磨煤机就 属于这类对象，因此一些学者已经开始尝试神经网络在制粉系统中的应用n 们。 5 、模糊控制：它本质上是非线性控制，它不需要知道被控对象的数学模型， 具有比常规控制系统更好的稳定性、更强的鲁棒性和良好的抗噪性能，且容易跟 人工操作经验相结合，可以有效地实现对非线性系统的控制。运用模糊控制理论 控制钢球磨煤机必须解决多变量模糊控制的问题，通过相关方程分解可将一个多 输入多输出的模糊控制器分解为若干个单输入，单输出的模糊控制器，这样可用 3 个单输入单输出的模糊控制器实现对钢球磨煤机的控制，大大简化了系统的设 计1 。 综上所诉是目前较为常用的测量和控制方法，其各具优缺点，但是，其核心都 在于首先解决影响制粉经济性的料位测量的基础上，采用有效的控制技术来解决 钢球磨煤机的多输入多输出、强耦合、大迟延、非线性等问题，力图使钢球磨煤 机运行安全经济，降低制粉单耗。 1 3 本课题的主要研究内容 钢球磨煤机是一个三输入三输出的系统，如图1 所示。即磨煤机被控对象有三 给 热 冷 煤量料位 l 风量 叉炙 磨出 风量 淡 磨入 温度t 负压p 图1 - 1 磨煤机控制系统图 个被调量( 磨内料位、磨出口温度和磨入口负压) ，对应有三个调节量( 给煤量、 热风量和冷风量) ，三个输入量和三个输出量之间存在较强的耦合。我们对磨煤机 5 第一章绪论浙江大学硕t ：学位论文 实施控制的最终目的是：在保证磨煤机安全运行的前提下，最大可能地保证整个 制粉系统的经济性。 因此，本课题的思路是在充分研究整个制粉系统的工艺流程，钢球磨煤机的工 作特性的基础上，来改进测量和控制的策略，在保证安全的前提下，提高制粉系 统的经济性。具体来说本课题研究的主要内容可以概括为以下几个方面： 1 在分析了钢球磨煤机的工艺流程以及运行特性的基础上，讨论了钢球磨煤机的 各参数对经济性的影响，为优化控制提出了具体要求； 2 采用基于神经网络的软测量技术取代传统利用进出口压差代表钢球磨煤机内 料位的方法，实现料位的实时测量，为控制提供较为准确的控制信号； 3 对于钢球磨煤机的控制，设计了模糊- p i d 复合控制器，根据现场运行人员控 制经验编写了控制规则，并使用m a t l a b 建模仿真，用以检验该控制策略的控 制效果； 4 为适应钢球磨煤机现场运行中的时变特性，设计了料位的自寻优控制为模糊 - p i d 控制器提供各个工况下的设定值； 5 利用电厂的d c s 系统的硬件和软件配置，使设计的模糊- p i d 控制器在系统中 得以使用。 6 第二章钢球磨煤机制粉系统分析浙江人学硕士学位论文 2 钢球磨煤机制粉系统分析 2 1 制粉系统的结构和特点 制粉系统是火力发电厂的重要组成部分，它的任务是向将原煤磨制成煤粉向锅 炉燃烧系统提供合格的燃料。图2 - 1 是乏气送粉的钢球磨煤机仓储式制粉系统。 原煤由原煤仓下来进入钢球磨煤机，干燥剂与原煤一起进入，磨制成的煤粉经过 粗粉分离器，绝大部分在旋风分离器中被分离出来，通过切换挡板送入煤粉仓， 或利用螺旋输粉机( 俗称绞龙) 送入别的锅炉的煤粉仓，不合格的煤粉通过回粉管 回到钢球磨煤机内继续被磨制，乏气则被排粉机抽吸。煤粉仓下来的煤粉通过给 粉机加入排粉机出来的一次风，送向锅炉的燃烧器。煤粉仓和螺旋输粉机上都有 吸潮管，利用排粉机负压把潮气吸出，以免煤粉结块。煤粉仓中的煤粉会靠重力 下落至给粉机n 钉。给粉机按锅炉负荷需要送适量的煤粉入一次风，喷入炉膛燃烧。 带有少量煤粉的干燥剂则通过排粉风机作为一次风。整个系统，从磨煤机入口到 燃烧器一次风口的流阻，都由排粉风机克服，磨煤机在负压下运行n 孔。 图2 - 1 中间仓储式制粉系统 相比直吹式系统，中间贮仓式系统有如下优点： ( 1 ) 排粉机输送的是经煤粉分离器后的乏气，其含粉量只有10 左右，因而 7 第二章钢球磨煤机制粉系统分析浙江人学硕士学位论文 减轻了排粉机叶轮的磨损，延长了使用寿命。 ( 2 ) 利用给粉机调节进入锅炉的煤粉量，增强了调节灵活性，加快了锅炉负 荷变化速度。 ( 3 ) 磨煤机可一直在不变的最大出力下运行，降低了磨煤单位电耗和金属磨损 量。 ( 4 ) 由于有中间煤粉仓，且各锅炉制粉系统间有螺旋输粉机相连系，提高了锅 炉机组运行的可靠性，可适当降低制粉系统磨煤机出力的设计裕量。 中间贮仓式制粉系统的不足之处n 町： ( 1 ) 与直吹式相比，增加了煤粉分离器、煤粉仓、给粉机、螺旋输粉机等设备， 制粉系统复杂，增大了系统的建筑尺寸和初建投资。 ( 2 ) 由于系统中负压较大，漏风增多，致使输粉电耗增加，同时漏风增大，还 降低了锅炉效率。 ( 3 ) 增大了爆炸危险性，设备维护也复杂。 2 2 钢球磨煤机的结构和工作特性 2 2 1 钢球磨煤机的结构 钢球磨煤机为一内装波浪形铸钢护板的长圆筒，其结构如图2 2 所示 1 4 1 。一 图2 - 2 钢球磨煤机结构 卜进料装置；2 一主轴承；3 一传动齿轮；4 一转动筒体； 5 一螺旋管；6 一出料装置；7 一减速器；8 一电动机 般筒长3 8 m ，内径2 4 m 筒内装3 0 6 0 m m 的锻钢球。筒体内壁衬装波浪型锰 钢护甲。筒身两端是架在大轴承上的空心轴颈，一端是热空气与原煤的进口，另 r 第二章钢球磨煤机制粉系统分析浙江人学硕上学位论文 一端是气粉混合物的出口。滚筒由电动机通过减速系统带动、旋转，转速随简直 径不同而变化，在2 0 r m i n 上下。在旋转中钢球被护板带到一定高度时就因重力 作用而下落，下落时可将下面的煤打碎。球在随护板上升而相互滚动时也起辗压、 研磨混在一起煤粒的作用，钢球磨煤机的工作原理见图2 - 3 。干燥和磨煤是同时 进行的，一般采用热空气作为干燥剂。磨好的煤粉由干燥剂气流从筒体带出。干 燥剂所携带出的煤粉有一部分较粗，因而需经分离器分离出来送回入口再行研磨 n 3 l 图2 - 3 钼球磨煤机的工作原理 钢球磨煤机的优点是： ( 1 ) 安全可靠，可以适应可磨度低、水份高的煤，不怕煤中有铁块、硬石块等； ( 2 ) 运行维护简单，钢球磨损时添加钢球即可。 钢球磨煤机的缺点是： ( 1 ) 设备金属耗量大，初投资费用高； ( 2 ) 能耗高，磨制每吨煤粉耗电达2 0 3 0 k w h ； ( 3 ) 不宜低负荷运行，须采用带中间煤粉仓的复杂的煤粉系统。 2 2 2 钢球磨煤机工作的主要影响因素 1 、钢球磨煤机的临界转速和工作转速n 5 1 钢球磨煤机的转速影响到钢球和原煤的运动情况以及原煤的磨制过程。不同转 速时，筒内钢球和煤的运动情况，如图2 - 4 所示。 9 第_ 二章钢球磨煤机制粉系统分析 浙江大学硕_ l ：学位论文 ( a )( b )( c ) 图2 - 4 简体转速对钢球和煤运动状态的影响 ( 口) 刀嘞；( b ) n n t ，；( c ) 刀嘞； 如果转速太低，钢球上升不大的高度就往下落，此时，钢球的运动对磨碎原煤 的作用很小，而且磨制的煤粉不易从钢球层中吹出来，煤将被重复研磨，磨煤出 力很小。 当转速过高，由于离心力的作用很大，以至于钢球与煤被贴着壁上随着筒体旋 转不再脱离，这时，简体旋转耗能增大，但钢球已没有撞击作用，每只受到轻微 的研磨，磨煤作用也很小。 当简体转速介于两者之间时，钢球被带到一定高度后，沿抛物线落下，此时， 钢球对筒底的煤发生强烈的撞击作用，当筒内的钢球达到最大提升高度，此时的 转速为最佳工作转速，这时的钢球最具冲击力，落下后对煤的撞击能力最强，磨 煤出力最大。理论上认为筒体的最佳工作转速n = o 7 5 6 n 1 _ f ；r m i n 。 2 、钢球充满系数杪以及球径配比【 由钢球磨煤机试验指出，磨煤机处出力与钢球装载量有如下关系： = q g 仉6 ( 2 2 1 ) 式中：吃一磨煤机出力，t h ； g 一钢球装载量，f ； q 一比例常数。 磨煤机电机消耗功率与钢球装载量关系：p = a 2 g 0 9 ( 2 - 2 - 2 ) 式中：p 一磨煤机电机消耗功率，k w ； 口 一比例常数。 l o 第_ 二章钢球磨煤机制粉系统分析浙江大学硕十学位论文 磨煤单位电耗： 吃= 妄= 筹一 ( 2 2 - 3 ) 式中：c 一比例常数。 由式( 2 - 2 - 2 ) 表明磨煤机电机消耗功率与钢球装载量不是线性关系，这是由于筒 体内不同层的钢球，其磨粉能力是不相同的。紧贴筒壁的最外层钢球磨粉能力最 大。内外层钢球数量的比值与钢球充满系数少关。随着沙值增大，内层钢球数量 增多因此从整体上来讲，磨煤出力并不随成正比增加，而仅与成正比。当 装球量较少时，磨煤机出力很低，随着装球量的增加，磨煤机出力将很快增加。 但继续增加装球量时，磨煤机出力增加逐渐趋缓。这主要是因为随着钢球的不断 补充，新增的钢球都集中到磨煤机的内层中去了，因而磨制效果变差，同时钢球 的落下高度减少了。达到某一最大装球量后，磨煤机出力不再增加。磨煤机的功 率则随着钢球量的增加而增加。磨煤机的功率的大小主要取决于筒体内钢球的质 量。随着钢球量的增加，磨煤机出力开始增加较快，后来基本不变；而磨煤机功 率差不多成比例增加。因此，磨煤单耗就会有先下降、后上升的变化规律。为保 证制粉系统的经济运行，应控制钢球充满系数y 钢球磨煤机的出力还与钢球球径配比有着密切的关系。钢球磨煤机中煤的磨 制过程复杂，通常认为钢球破碎煤块有3 种作用，即钢球落下的冲击力、球与球 之间的挤压作用与球与粉的研磨作用。根据破碎定律，被破碎的物体产生的表面 积与它所受应力成正比。无疑钢球直径越大，砸击力就越大，砸击效果就越好 而钢球在对煤进行砸击时是点接触，如用很大的钢球砸击，砸击面将非常有限， 如将大钢球做成同质量的小钢球，砸击面就会增加。使用一定数量的小球能有效 增加钢球对煤的砸击面和研磨面，有利于煤的破碎，同时，小球填补了大球间空 出的较大空隙，大球砸击时小球能更有利地传递大球的砸击力，增强对煤的研磨 因此采用合理的钢球直径配比，不仅可以增加煤粉的细度，还可以提高磨煤机的 出力，减小单位电耗h 。 3 、钢球磨煤机的通风量 钢球磨煤机简体的通风工况直接影响煤沿简体长度方向的分布和磨煤出力。 若风量过小，只能带出细粉，则已生产出的合格煤粉滞留在筒内被无益的磨制成 第二章钢球磨煤机制粉系统分析浙江大学硕。 ：学位论文 更细的煤粉，导致磨煤机出力降低、磨煤单耗增大，这时通风输送能力限制制粉 出力的情况；若风量过大，或磨制能力低于风的携带能力，则通风带出的粗粉只 会在系统内无益的循环，并不能增加磨煤出力，从而使通风电耗无谓的增加。在 一定的磨煤机状态下，随着磨煤机通风量的增加，磨煤出力增加，磨煤单耗下降， 同时通风电耗增加，当通风电耗的升高超过磨煤单耗的降低时，再增大风量就无 益了，因此，在一定的磨煤状态下要保持通风量在最佳通风量上h 1 。最佳通风量 就是指在一定的通风量下达到磨煤和通风电耗之和最小的风量。最佳通风量的大 小与煤的种类、煤粉细度、钢球充满系数等有关，综合大量试验，钢球磨煤机的 最佳通风量k 罗可由经验公式计算： 学= 焉( 1 0 0 0 氟“戍厄痧) ( 2 - 2 - 4 ) 式中：n 一钢球磨煤机的转速，r r a i n ； d 、矿一简体的直径和容积，m 、砌3 。 4 、护甲 护甲的形状对球磨机的工作有一定影响。运行中，由于护甲被磨损，磨煤出 力会逐渐降低。实际上钢球的旋转速度永远小于筒体本身的旋转速度，两者的差 值决定于钢球和护甲间的摩擦系数。摩擦系数愈高，速度差就愈小。因此，决定 钢球有最大提升高度的因素除简体转速外，护甲的结构形状也是重要的。如果护 甲与钢球问摩擦系数大，就可以在比较低的简体转速下使钢球达到最大提升高度。 就是说，可以在较小的能量消耗下达到钢球的最佳工作状态。因为护甲与钢球间 的速度差增大时，将有更多的能量消耗在两者的摩擦上，而未能用来提升钢球。 2 2 2 钢球磨煤机的运行经济性 钢球磨煤机具有很高的可靠性，同时亦有很好的经济指标稳定性。作为运行 经济指标主要是指磨煤单位电耗( 七臃，) ，通风单位电耗( k w h t ) ，制粉单位 电耗勺( 吁= + 勺) ，磨煤部件的单位磨损量( g f ) ，以及磨煤机连续运行时间等 制粉单耗吁与很多因素有关，这些因素有的决定于磨煤机结构，有的决定于 1 2 第二章钢球磨煤机制粉系统分析浙江大学硕十学位论文 磨煤机和制粉系统的运行工况。图2 - 5 示出了一些运行因素对勺的影响。 、 、 、 、 “卜 ( a ) 、 iy 、 7 b 。 、 、 ， 、 ， 、 m r 钰 ili ( b ) 、 、 县- ( c ) 图2 - 5 钢球磨煤机运行特性 图2 5 ( a ) 表明煤可磨性系数的影响。制粉单耗勺与煤可磨性系数成反比。 这是由于随着煤的可磨性系数增大( 印煤易磨) 磨煤机出力增加。图2 - 5 ( b ) 表明煤 粉细度的影响。瓦增加( 煤粉变粗) ，磨煤机出力增加，磨煤单位电耗下降。 图2 - 5 ( c ) 表明磨煤机出力增大时，磨煤单位电耗随之下降。这是由于钢球磨煤 机能耗主要用于转动简体和提升钢球，而消耗用电功率基本上不随出力变化。 图2 5 ( d ) 示出磨煤出力玩、磨煤单位电耗及通风单位电耗钉与磨煤机简 体通风速度的关系。由图可见，e m 随简体通风速度加强而降低，如果同时煤粉也 加粗( 硫增大) ，那么的降低会更加显著( 图中虚线) ；如果调整粗粉分离器保持 煤粉细度不变，降低的幅度就小一些( 图中实线) 。随着通风的加强，通风电耗 总是增加但通风单位电耗的变化有所不同：若煤粉亦变粗( 分离器挡板不调 整) ，则e , z 稍稍降低；若保持煤粉细度不变，则逐渐升高，当通风速度变得较 大时，勺的升高明显加快。总单位制粉电耗勺，在煤粉加粗时，随通风量加强而 一直降低，在煤粉细度不变时，随着通风的增强，先是降低，而后升高。 1 1 第二章钢球磨煤机制粉系统分析 浙江火学硕上学位论文 图2 5 ( e ) 表明当煤粉细度保持一定时，提高干燥剂初始温度的影响。提高 初温后，由于干燥过程得到改善，开始可以增大磨煤出力，降低磨煤单位电耗； 但当达到某一温度值时，和将不再随初温的升高而减小。图2 5 ( f ) 表明钢 球装载量的影响随着钢球装载量的增大，一开始，磨煤出力增大，但以后逐渐 趋缓，磨煤单耗则是先降低，后升高，与单位磨煤电耗最低点对应的装球量称最 佳装球量。 2 3 钢球磨煤机的模型 由前两节的分析可知，钢球磨煤机制粉系统是由多种设备组成的复杂系统， 其经济性受多个变量的影响，对该系统控制成功的关键，就是要熟悉和掌握制粉 系统的静态和动态特性，只有深刻了解了制粉系统制粉过程的机理、模型及特点 后，才能正确选择控制策略及正确设计相关的控制系统。 2 3 1 钢球磨煤机的动态特性分析 卜磨煤机出力特性；2 一压差特性；3 一功率特性 图2 - 6 钢球磨煤机工作特性曲线 钢球磨煤机的工作特性曲线如图2 - 6 所示。横坐标是磨煤机料位，代表钢球 磨煤机内参与磨制的煤的数量；纵坐标为磨煤机功率和磨煤机出力。为了更好的 分析磨煤机的工作特性，我们将磨煤机的工作区域划分为i 、l l i 三个区域。 i 、i l 区磨煤出力和磨煤功率都随着料位的增加而增加，i 区增加较快，区增 1 4 第二章钢球磨煤机制粉系统分析浙江人学硕i ：学位论文 加较缓，而i 区磨煤出力和磨煤功率随着料位的增加而减小，此时将导致堵煤事 故的发生。磨煤机运行在i 区时，出力太低，经济性差，而i i 区既有较好的制粉 经济性，又可以保证磨煤机有足够的安全裕量。因此运行中我们希望在一定的通 风量下磨煤机料位控制在区末端，接近最大出力点的位置1 。 2 3 2 钢球磨煤机模型的建立 获得钢球磨煤机的模型对于定性和定量研究钢球磨煤机制粉系统运行参数 的设计、仿真以及生产指导都具有重要的意义。文献n6 1 通过分别对钢球磨煤机的 输入施加阶跃信号，记录3 条输出响应曲线，通过拟合建立了钢球磨煤机正常工 况下的数学模型，传递函数矩阵为： b 0 4 1 0 s + l o o 0 ( 2 - 3 - 1 ) 式中：a 兀m 分别为磨内负压、磨出口温度、磨内载煤量，、甜：、u 3 分别为 再循环风门开度、热风门开度、给煤量，s 为拉普拉斯算子。 从模型的传递函数中可以看出，再循环风门开度、热风门开度u ：对磨内载 煤量m 的影响较小基本上可以忽略，于是可以认为磨内载煤量m 是给煤量敞的 单值函数；磨出口温度丁是热风门开度u ：、给煤l u 3 共同决定，受再环风门开度嵋 的影响较小，可以把给煤量敬看作是磨出口温度丁的扰动；对磨内负压p 做相同 处理，可以把热风门开度看作是磨内负压p 的扰动因此，系统可以简单的看 作如图2 - 7 所示的结构 1 5 兰矿一n p 一卜 七 一卜 。 筋一蚋 弦一。篆篆 一1 一l 2一眦吣一 第二章钢球磨煤机制粉系统分析浙江大学硕十学位论文 图2 - 7 系统结构简图 2 4 钢球磨煤机制粉系统控制难点以及控制要求 钢球磨煤机是一个典型的三输入三输出的系统，具有由于多变量、非线性、 强耦合、大延迟、时变的特性，控制效果都不理想。主要表现为： 1 、三被控参数动态特性的差别较大 钢球磨煤机三被控参数动态特性的差别主要表现为有自平衡能力和无自平衡 能力特性之间的差别。理论上，当原煤量与热空气带出的煤粉量相同时，钢球磨 煤机工作在动态稳定状态，其特性应为无自平衡能力的对象特性。但在实际运行 中，当给煤量小于热空气带出的煤粉量时，做给煤量响应扰动试验，只要给煤量的 大小不超过热空气的最大带粉量，此时的阶跃响应曲线特性为有自平衡能n7 1 力的 特性曲线n 甜这种双相特性给控制系统的参数整定带来很大困难。 2 、参数相互耦合严重 钢球磨煤机压差，入口负压和出口温度三被控参数是反映钢球磨煤机简体内 工作状态的信息，但由于简体内存在的是气固两相流，并且由于测量手段的限制， 以上三被控参数之间存在严重的耦合现象n 7 1 。 3 、干扰因素多 钢球磨煤机压差、入口负压和入口温度三被控参数受到的干扰因素较多，在 实际运行中不可能得到理论上的单输入单输出的阶跃响应曲线。另外在运行中， 钢球磨煤机被控三参数所受的干扰因素较多，持续时间长，如原煤含水量的多少、 煤质含灰量的大小、热风和冷风温度的高低、钢球磨煤机筒体内钢球装载量的多 少以及钢球球径的大小都会影响钢球磨煤机三个被控参数。 1 6 第二章钢球磨煤机制粉系统分析浙江人学硕上学位论文 4 、磨煤机内的存煤量测量难度大 在运行过程中，我们总希望磨煤机处于最佳工况状态。从以上介绍中已知， 当磨煤机制粉系统的制粉出力接近最大，单位电耗最小。因此，要降低制粉电耗， 必须提高给煤机转速，增加磨煤机的存煤量。但是存煤量太多，容易造成磨煤机 内满煤。如何直接或者间接测量磨煤机内的存煤量是给煤机转速控制系统的关键 1 1 7 l 针对当前磨煤机控制系统中主要存在的问题，应首先解决磨煤机载煤量测量 不准的问题，在此基础上，选择合适的控制策略，以达到降低制粉系统单位电耗 的目的中储式磨煤机制粉系统控制目的有以下几点d 1 。概括起来讲就是：在保证 安全的前提下，提高制粉经济性。 1 、保证系统的平稳性，减少风量、风压的波动，保证系统制粉粒度的稳定，从而 减少制粉系统对锅炉燃烧的扰动； 2 、合格的煤粉细度煤粉太粗会增加机械未完全燃烧损失，煤粉太细会增加磨煤机 的耗电量。所以，必须保证煤粉细度在规定的范围内； 3 、保证系统的安全性，确保一定的风温、风压和给煤量，杜绝跑粉现象出现； 4 、提高制粉系统运行的经济性，降低球磨机的单位制粉电耗，减少排粉机和钢球 磨煤机的运行时间； 5 、保持磨煤机出口温度在一定范围内，煤粉温度过高会引起自燃，产生煤粉爆炸 事故，煤粉湿度大，则煤粉的流动性差，无法采用乏气送粉，也容易产生积粉。 如果保持了气粉混合物的温度小变也就是保持了煤粉湿度小变； 6 、最大出力下运行，单位磨煤电耗最小磨煤机在运行过程中，受到的干扰量很多， 必须及时消除来自各方的扰动 第三章料位的软测量技术浙江人学硕士学位论文 料位的软测量技术 3 1 软测量技术的分类 软测量技术也称软仪表技术，就是采用间接测量的思路，利用易于测量的其 它信息，通过计算来实现被检测量的估计。软测量技术是依据某种优化准则，利 用辅助变量构成的可测信息，通过软件计算实现对主导变量的测量，软仪表的核 心是表征辅助变量和主导变量之间的数学关系的软测量模型，如图3 - 1 。因此， 软仪表的本质就是如何建立软测量的模型。 辅助变量 可测过程扰动 可测过程输入 可测过程输出 校j e 值 王 软测量 模型 主导变量 估计值 图3 - 1 软测量基本框架 但是，由于软测量模型注重的是通过辅助变量来获得对主导变量的最佳估 计，而不是强调过程个输入输出变量彼此间的关系，因此它不同于一般意义下的 数学模型。软测量模型本质上是要完成由辅助变量构成的可测信息集日到主导变 量集y 的映射，用数学公式表示即为： y = 厂( 9 ) ( 3 - 1 1 ) 3 1 1 软测量模型的分类 1 、基于工艺机理分析的软测量，它主要是运用化学反应动力学、物料平衡、 能量平衡等原理，