钢球磨煤机制粉系统运行特性分析和控制研究

1、第25卷第4期合肥工业大学学报(自然科学版Vol.25No.4 2002年8月JOURN AL OF HEFEI U NIVERSITY OF T ECH NOLOGY A ug.2002钢球磨煤机制粉系统运行特性分析和控制研究王铁军1,朱峰2(1.合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥230009;2.马鞍山万能达发电有限责任公司,安徽马鞍山243051摘要:结合马鞍山万能达发电有限公司1号机组制粉系统的控制技术改造,对中储式钢球磨煤机制粉系统的相关控制问题进行深入的理论分析和控制策略研究,并根据被控对象的具体特性,提出了交叉解耦和有约束条件的自动控制方法,结果证明,既保证了制粉系统的安全

2、运行,又大幅度降低了制粉电耗。关键词:制粉系统;钢球磨煤机;运行特性与控制中图分类号:TH6,T K229.6文献标识码:A文章编号:1003-5060(200204-0605-05Characteristic analysis of the pulverizing system ofthe tube coal mill and control strategiesWANG T ie-jun1,ZH U Feng2(1.School of M achinery and Au tom ob ile Engineerin g,Hefei Un ivers ity of Techn ology,He

3、fei230009,Ch ina;2.M aans han W ann engda Power Plan t,M aans han243051,ChinaAbstract:The impr ovement practice in the control technolog y of the pulver ized co al system of No.1 generation unit in Maanshan Wanneng da Po w er Plant is intr oduced in this paper.A theo retical analy-sis of the contr o

4、l str ategies of tube coal mill system w ith interm ediate storage bunker is made in a deepg oing w ay.Fur thermor e,the cross-coupling control m ethod and the co ntro l scheme considering co nstr aints ar e proposed based on the characteristics of the contr olled object.As a result,the reliabili-ty

5、 o f the pulver ized coal preparation system is im pro ved and the pow er consumptio n is decreased. Key words:pulverized coal sy stem;tube coal mill;characteristics and co ntrol strategy0引言钢球磨煤机以其工作可靠性高、煤种适应性广及维修量小的优点,广泛应用于国内外火电厂,但其缺点是制粉系统能耗较高,用电量高达设备总能耗的20%左右1。由于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

6、统的控制系统采用3套相互独立的PID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生2。收稿日期:2002-01-07;修改日期:2002-04-16作者简介:王铁军(1957-,男,安徽黄山人,合肥工业大学副教授.本文以多变量控制理论3为基础,在详细分析制粉系统运行特性的基础上,针对被控对象的具体特性,提出了简单实用的控制策略,并成功地应用于马鞍山万能达发电公司1号机组的制粉系统中,确保了制粉系统长期可靠高效运行,取得了明显的经济效益。1被控对象1.1制粉系统采用热风送粉的中间储仓式制粉系统,其制粉流程如图1 所示。该制粉系统采用二次风作为干燥

7、1.原煤仓2.给煤机3.粗粉分离器4.排粉机5.细粉分离器6.煤粉仓7.喷燃器8.炉膛9.再循环风门10.磨煤机11.冷风门12.热风门图1制粉系统磨煤机流程图剂,干燥剂将磨煤机中磨制好的煤粉带出,在粗粉分离器中分离出较粗的煤粉,粗粉经回粉管回到磨煤机中重新磨制,热风携带着合格的煤粉通过细粉分离器将煤粉与热风分离开,煤粉送到煤粉仓,热风经过排粉机排出后称为乏气(乏气中约含有10%的煤粉,乏气一部分作为再循环风回到磨煤机,其余部分作为三次风送入炉膛燃烧。干燥剂输送煤粉的动力是由排粉机提供,制粉系统在负压状态下工作,运行中为确保制粉系统安全运行,要求磨煤机出口温度不超过120,磨煤机入口负压保持在

8、-800-300Pa 范围内。1.2钢球磨煤机特性磨煤机磨煤过程所消耗的能量主要用于筒体转动和提升钢球,因此磨煤机空载时功率较大,随着磨煤出力的增加,磨煤机功率增加较少,磨煤出力越大,制粉单耗就越小,所以,磨煤机在高出力下保持运行,对提高制粉系统的经济性作用较大。1.2.1运行特性磨煤机的电动机功率、进出口差压、磨出力与筒体内的存煤量之间关系,如图2所示。 磨煤机投入运1.电机功率2.进出口差压3.磨出力图2磨煤机特性曲线行时,随着筒内存煤量的不断增多,电动机功率也不断增大。当功率达到最大时,磨煤机出力并没有达到最大,出力最大点在功率最大点右边,因此,将磨煤机运行工作点推向最大出力点附近,既可

9、提高出力,又可节约单位电耗。当磨煤机出力达到最大以前,磨煤机出入口差压变化比较平稳,达到最大出力后,若继续加大给煤量,出力减小,差压先是缓慢增加,继而急剧增大,造成堵煤。根据各曲线特性将图2分为区、区和区,在区时磨煤机耗电量大,出力小,不合理,在区易堵煤,应避免,区状况最好,是磨煤机的理想工作区域。1.2.2磨煤机出力影响因素磨煤机制粉能力的大小受磨制出力、干燥出力和通风出力三者的限制,而且等于三者中较小者。(1磨制出力。磨煤机出力除了与设备类型、筒体转速及煤种有关外,还与钢球数量、规格和筒内载煤量有关。由图2可知,提高磨煤机出力和降低磨煤机电耗的关键在于维持筒内的合理载煤量。(2干燥出力。影

10、响磨煤机干燥出力的因素主要是煤的水分、热风温度和干燥风量。在热风送、制粉系统中,磨煤机进口干燥剂组成一般为热风加再循环风,为了保持磨入口负压、降低风机电耗、提高锅炉燃烧效率,磨入口总风量需在一定范围内调节。606合肥工业大学学报(自然科学版第25卷(3通风出力。磨煤机内磨制好的煤粉需要有相当的磨煤通风量将其携带出,其通风量与磨煤出力及制粉电耗关系,如图3所示。(4中间储仓式制粉系统的风量协调。在磨制煤粉的过程中, 既要有一定的通风量把磨好的煤粉1.磨煤出力2.电耗图3通风量与出力、电耗关系输送走,又要有一定数量和温度的干燥通风量以保证干燥出力。风量协调的出发点是使磨煤机在经济工况下运行,其干燥

11、出力应不小于磨煤出力。1号机组中间储仓式制粉系统采用热风送粉,利用向热风中掺冷风或乏气再循环来降低磨煤机入口干燥剂介质温度,以协调干燥风量和磨煤风量。由于利用向热风中掺入冷风的方法降低磨煤机入口干燥剂温度和增加磨煤通风量,使流往空气预热器的空气量减少,导致排烟温度升高,锅炉效率降低,因而不经济。故应优先考虑采用乏气再循环来协调干燥出力与磨煤出力之间的相互关系。2制粉系统控制方案2.1磨煤机入口负压和出口温度控制制粉系统运行时,为保证磨煤机通风量和干燥出力,必须将磨煤机入口负压和出口温度维持在允许范围内。原控制回路设计以单回路PID 控制为基础,通过控制热风量来维持磨煤机出口温度,通过控制再循环

12、风量来维持磨煤机入口负压。由于这种控制方案无法在现场正常使用,故无法获得满意的控制效果,其主要原因如下:(1当改变热风流量维持出口温度时,对磨煤机入口负压产生干扰,即热风门开度改变1%左右,磨煤机入口负压改变400600Pa,而再循环风量对磨煤机出口温度也有较大影响。因此,常规控制方案会造成2个单回路控制系统之间的交叉影响。(2因热风流量改变而引起磨煤机出口温度变化,这是一个大惯性和大滞后的过程,对于一个存在大惯性的子阶被控对象,基于单回路PID 控制不可能获得满意的控制效果。(3若负压升高,为了维持负压稳定,再循环门将打开,但是磨煤机出口温度和干燥出力降低。在磨煤机正常运行时,通过再循环门来

13、调节磨煤机入口负压,会降低磨煤机出力,故不经济。(4在机组负荷较低时,二次风温度较低,磨煤机的干燥通风量大于磨煤通风量,控制系统为了维持磨煤机出口温度,将开大热风门,增加热风流量,由于热风量增加,磨煤机入口负压降低。为保持磨煤机入口负压不变,再循环门将关小,若关闭后,磨煤机出口温度仍低于设定值,则热风门将继续开大,造成磨煤机入口负压迅速降低,甚至出现正压和喷粉,严重影响磨煤机的安全经济运行。2.2温度控制改进方法(1以多变量控制理论设计控制系统,在2个单回路控制系统基础上设计交叉解耦环节46,消除磨煤机入口负压和出口温度控制系统间的相互作用。(2在系统中设置再循环管,协调磨煤通风量和干燥通风量

14、。改进后的控制系统将再循环门作为磨煤机出口温度过高时的调节手段,当磨煤机出口温度过低时,通过减少给煤量来提高磨煤机出口温度。(3由于热风量对磨煤机入口负压影响较大,为了维持磨煤机工况稳定,保持磨煤机入口负压在一定范围内波动,可改变热风门开度来控制磨煤机入口负压。方法(1中,交叉解耦控制的整定原则如下: 当磨煤机出口温度高于120而开大再循环风门时,则通过解耦环节及时关小热风门,使磨煤机入口负压保持不变;反之关小再循环风门,并同时适当开大热风门。 磨煤机入口负压偏高时,开大热风门,通过解耦环节及时开大再循环风门,保证磨煤机出口温度基本不变;反之关小热风门,同时关小再循环门。607第4期王铁军,等

15、:钢球磨煤机制粉系统运行特性分析和控制研究改进后的磨煤机入口负压和出口温度控制原理,如图4 所示。图4磨煤机入口负压和出口温度控制原理框图2.3磨煤机负荷控制实践证明,当制粉系统的制粉出力接近最大时,制粉的单位电耗较小。因此,通过控制给煤机转速,确保磨煤机内合适的存煤量是解决问题的关键。以磨煤机进出口差压(流动压力降信号来反映磨煤机内的存煤量,给煤量的自动控制分为正常工况调节和异常工况调节,其调节原理如图5 所示。图5给煤量控制原理图2.3.1正常工况调节受干燥出力的限制,给煤机的控制指令首先根据二次风温度,生产给煤机指令的初始值,再经过热风门开度的耦合信号修正,产生最终的给煤机控制指令,如图

16、6所示。当二次风温度分别为0、280、310、340和400时,其给煤机指令初始值分别为50%、60%、64%、70%和75%。608合肥工业大学学报(自然科学版第25卷 图6给煤控制指令原理框图2.3.2异常调节有时因设备故障或调整不当,使磨煤机运行出现故障,如断煤、满煤等情况,需要进行特殊控制。断煤的主要原因是通道堵塞、给煤机故障、监视调整不当及给煤量太小等,当磨煤机断煤时,磨煤机进出口差压信号逐渐减小,磨出口温度快速上升。在这种情况下,应发出事故报警信号,提醒运行人员及时排除故障。满煤的主要原因是监视调整不当、给煤量太大、管道堵塞、磨煤机内钢球量不足或钢球不合格等,当磨煤机内满煤时,磨入

17、口负压减小,差压增大,出口温度降低。因此,一旦发现满煤,应立即减少给煤量,严重时停止给煤,并进行抽粉。3调试结果在马鞍山万能达发电公司1号机组中的4台钢球磨煤机上采用了本文介绍的控制方案,使磨煤机投入率达到100%。通过交叉解耦控制有效地克服了磨煤机入口负压与磨煤机出口温度及给煤量之间的相互影响,在给煤机转速控制中采用带约束条件的控制方案,不仅保证制粉系统可靠安全运行,而且有效地降低了制粉单位电耗。4结束语(1钢球磨煤机工作在最大出力点附近,工效高、单位电耗低。(2建议采用乏气再循环来协调干燥出力与磨煤出力之间的关系,改变热风门开度来控制磨煤机入口负压。(3因磨煤机入口负压、出口温度和出口压差3个被控参量相互耦合、交叉干扰,故设置合适的解耦控制环节是提高控制质量和运行效率的关键。(4本文的分析结论和控制方法对广泛使用的同类制粉系统具有一定的参考和借鉴作用。参考文献1华北电力设计院技术处.国外大型磨煤机的应用M .北京:水力电力出版社,1985.1-50.2王诗必.多变量控制系统的分析和设计M .北京:中国电力出版社,1996.122-168.3邵裕森,戴先中.过程控制工程M .北京:机械工业出版社,2000.219-232.4Pet