中间储仓式制粉系统优化节能控制的研究
中间储仓式制粉系统优化节能控制的研究与应用
李季张宝库程旭
大庆石化公司热电厂，黑龙江大庆 163714
［摘要］本文以410t/h煤粉锅炉配套的中间储仓式制粉系统为研究对象，针对其运行控制多变量、强耦合、大滞后特点造成的制粉系统运行经济性差、运行不稳定等问题，提出了基于料位的中间储仓式制粉系统优化节能控制算法，对制粉系统的磨煤机料位、出口温度和入口负压实施了闭环控制；通过制粉系统运行过程自寻优功能的实现，使制粉系统在煤质发生变化的情况下，仍能自动寻找到最佳工作点，从而提高了制粉出力，实现了制粉系统的安全经济稳定运行，达到了优化节能目标。
［关键词］中间储仓制粉系统料位测量优化控制制粉出力节能
1引言
制粉系统是火力发电厂热力系统中的主要设备，目的是为锅炉提供一定细度的煤粉。近几年由于国家节能政策的相继出台，加快了各行业的自动化进程，主要表现在设备更新与过程控制系统的优化，目前大多数企业将两种方法结合以实现节能效果的最大化。本文以大庆石化公司热电厂410t/h煤粉锅炉中间储仓式制粉系统为背景，开展研究工作。该系统的运行控制主要依靠操作员根据个人经验通过系统各点负压、磨煤机出口温度和磨煤机电流的当前值判断磨煤机内的存煤量，由于受到煤质变化及操作水平差异等方面的局限性，实际运行过程中，超温、断煤、满煤等现象偶有发生，威胁锅炉的安全稳定运行，更主要的是制粉系统长期处于低出力下运行，运行工况未能达到最佳工作点，制粉电耗过高，基于此，展开了该系统的运行过程优化节能控制研究。
2料位测量
磨煤机内钢球和衬板相互碰撞产生噪声，磨煤机噪声随着磨煤机料位（存煤量）的变化而变化。在磨煤机料位较小时，钢球、衬板碰撞的几率大、能量大，产生的噪声大；在磨煤机料位增大时，因为煤的不断填充，钢球、衬板碰撞的几率减小、能量变小，产生的噪声也减小。因而，用噪声传感器可以检测到磨煤机料位的变化和大小。该方法能够准确、灵敏地反映磨煤机内的存煤量多少和存煤量实际变化。通风量、煤种的变化、煤的干湿度对噪声传感器的影响都很小。磨煤机料位的准确检测不仅能够完成对磨煤机内存煤量的检测，而且可以把存煤量控制从整个多变量系统中解耦出来，为整个制粉系统优化控制的顺利实施奠定基础。
3制粉系统运行控制
中间储仓式制粉系统的三大出力主要包括：磨煤出力、干燥出力和通风出力。制粉出力受三大出力的限制，且等于三较小者，要想控制好整个制粉系统的运行状态，就得有效控制三大出力，如果其中一项出力下降，制粉系统的整体出力就会下降。运行过程中主要通过给煤机转速、热风门开度、温风门开度及再循环风门开度控制整个系统的综合制粉出力。
改变给煤机转速不仅可以调节磨煤机内的存煤量，同时也会带动磨煤机内的温度和风压变化；制粉用热风温度通常在300℃～400℃之间，且通风量较大，热风的供给量对磨煤机内的风温、煤粉的干燥出力起着关键作用，其变化同时也会影响制粉系统风压的变化；制粉用温风温度在100℃～200℃之间，通风量较小，主要用于调节制粉系统风压，保证通风出力，控制煤粉细度，但温风门开度的调整，在控制通风出力的同时，因其影响磨煤机出口风温和磨煤机出入口压差，会对给煤量调整造成一定干扰。
将磨煤机料位作为给煤机回路的控制对象，通过磨煤机料位的实时变化来调节给煤机转速，同时将磨煤机出入口压差、磨煤机出口风温、磨煤机入口负压作为前馈补偿；将磨煤机出口风温作为热风
门回路的控制对象，通过磨煤机出口风温的实时变化来调节热风门开度，同时热风门开度的变化量作为温风门回路的补偿值，完成风压系统的解耦；将磨煤机的入口负压作为温风门回路的控制对象，通过入口负压的实时变化来调节温风门开度。
在对中间储仓式制粉系统的研究中，通过阶跃实验证实，制粉系统中的磨煤机料位、磨煤机出口风温、磨煤机入口负压均为纯滞后的一介惯性对象。这样的对象都具有滞后较长、调节反应慢、回路周期长的特点。针对这种现象，回路的控制算法采用采样PID算法。采样PID算法具有良好的适应性和抗干扰性，完全可以满足上述三个回路控制要求。在调试过程中，通过阶跃实验获得各个回路控制对象的特性曲线，再根据曲线设置控制算法参数初始值进行调试。
4优化控制
在一定工况下，磨煤机料位变化可以直观反应制粉出力变化情况。在此将磨煤机出力与制粉出力等同对待，磨煤机出力特性曲线如图1所示。从曲线3可以看出，磨煤机的出力并不随其内存煤量的增加而单调增大，实际上磨煤机存在最大出力点，此工况点即为制粉系统优化控制需要寻找的最佳工作点。虽然磨煤机的出力曲线存在着极值特性，但是其无法用公式表达，而且其最佳工作点会随外界因素的干扰（例如煤种、工况、机械磨损等）而变化，图1中的曲线3会发生漂移，但各曲线的相对位置不变。根据制粉系统运行存在最大出力状态这一事实，采用优化控制算法，对磨煤机的最佳料位点进行搜索，以找到最大出力点为方向，逐渐向最佳料位点靠近。优化控制属于控制的上层，它对下层控制进行操作目标设定，以保证系统的最佳运行。
1磨煤机噪声
磨煤机内存煤量
图 1 磨煤机出力特性曲线
针对磨煤机大惯性、纯滞后、参数时变的特点，采用自寻优、自适应和常规控制相结合的控制策略。常规控制算法能够保证稳定工况下磨煤机料位的稳定，并有较好动态和静态控制性能；在制粉系统工况发生变化时，对象参数会随之改变，采用自适应控制算法使得常规控制器参数能够自动适应对象模型的变化，保证制粉系统在工况变化时控制的稳定性。
根据现场调研和试验，磨煤机出口温度最佳状态在60℃～70℃之间，入口负压一般在200Pa～400pa之间，运行过程中设定值相对固定，同时磨煤机出入口压差运行在1500Pa左右。在此基础上，优化算法可以在维持出口温度和入口负压不变化，使磨煤机料位设定值阶梯增减的方式调节，获寻制粉系统的最佳出力。通过试验，最终优化结果可以让出入口压差维持在1600Pa左右、给煤机转速提高10转以上，并且持续稳定运行，制粉出力明显增加。
中间储仓式制粉系统正常运行时，煤质发生变化是经常性的。煤质变化主要包括：煤的质量、煤的种类、煤的湿度、煤的可磨性以及煤的含灰量变化，上述任何一种变化对制粉系统的运行状态都有较大影响，制粉系统运行的最佳出力点也会发生变化。通过实时地优化寻找制粉系统的最佳工作点，可以使制粉系统自动找到最大出力点，同时根据给煤回路的变动自适应调整出口风温和入口负压，保证系统稳定。同时根据现场的长期观察和实践，设置合理的优化周期，可以更快的适应煤质的变化。
图 2 磨煤机料位优化调节—自整定控制原理
5效益分析
中间储仓式制粉优化节能控制系统应用后，系统能够自动及时、有效控制给煤机转速，改变了磨煤机存煤量忽多忽少的情况，防止了磨煤机的空载运行和满煤运行等不良运行情况，并且对生产现场出现的断煤、给煤机故障等异常情况能够做出及时的监测、报警及处理，提高了系统运行安全稳定性；由于自寻优功能的实现，使得制粉系统能够实时处于最佳出力工作点运行，较人工手动操作提高了制粉出力，并且使得磨煤机料位、出口温度和系统风压控制稳定，减少了钢球的损耗，从而提高了其运行经济性，该控制系统投用后，实现了单套制粉电耗降低8％以上，达到了节能效果。
6结论
中间储仓式制粉优化节能控制系统通过对磨煤机内存煤量的测量，实现了给煤量的自动控制，同时使系统风压和出口温度也实现了自动控制，从而提高了制粉系统运行稳定性；当制粉系统运行工况发生变化时，系统能够通过自动寻找最佳工作点，提高制粉出力，实现制粉系统的经济运行；通过制粉系统运行的自动控制，减少了人工的频繁操作，降低了操作强度，遇到满煤、断煤时，可以自动报警并适当处理，降低了制粉系统故障发生率，实现了制粉系统安全经济稳定运行。
［参考文献］
［1］岑可法,周昊,池作和.大型电站锅炉优化运行技术［M］.北京：中国电力出版社，2003.
作者简介：李季，女，黑龙江大庆人，工程师，主要从事热电厂优化节能技术研究。
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