引言
在我國的中小型火電廠中，球磨機(jī)制粉系統(tǒng)使用十分普遍，并且該系統(tǒng)是電廠中除鍋爐燃燒系統(tǒng)外的又一重要調(diào)節(jié)系統(tǒng)。制粉系統(tǒng)的任務(wù)是將含有少量石灰石的燃煤通過鋼球磨煤機(jī)的研磨，制成一定細(xì)度的煤粉，并通過鍋爐風(fēng)力進(jìn)行干燥、輸送和分離，zui終將煤粉儲入料倉。
制粉系統(tǒng)包括原煤倉，振動給煤控制設(shè)備，粗細(xì)粉分離設(shè)備，球磨機(jī)，粉倉，絞龍輸粉閘閥，排粉機(jī)入口控制閥門，球磨機(jī)熱風(fēng)、冷風(fēng)、隔離、再循環(huán)控制閥門，三次風(fēng)、乏氣風(fēng)控制閥門等以及系統(tǒng)的大量測量設(shè)備，是一個(gè)比較龐大的風(fēng)粉混合系統(tǒng)。球磨機(jī)制粉系統(tǒng)的裝機(jī)容量大（僅球磨機(jī)的功率一般就為幾百千瓦），由于采用中間儲倉制，系統(tǒng)為間斷運(yùn)行方式，啟停比較頻繁，故對鍋爐燃燒系統(tǒng)的擾動大。
對制粉系統(tǒng)而言，如何在保持磨煤機(jī)zui大出力下運(yùn)行，以使噸煤電耗zui省是系統(tǒng)控制所追求的目標(biāo)。但由于球磨機(jī)是一個(gè)多變量耦合嚴(yán)重的非線性系統(tǒng)，采用常規(guī)的控制方案很難達(dá)到控制目標(biāo)。
本文以南通一熱電站球磨機(jī)制粉系統(tǒng)的控制為例，在對球磨機(jī)的動態(tài)性能分析的基礎(chǔ)上，提出了一種有效控制策略。該控制策略采用軟測量技術(shù)獲取磨負(fù)荷信息，通過協(xié)調(diào)控制器實(shí)現(xiàn)對球磨機(jī)磨負(fù)荷和出口溫度的控制。通過控制熱、冷風(fēng)量的比值實(shí)現(xiàn)對球磨機(jī)入口負(fù)壓的控制。控制器均采用模糊PID控制算法，利用模糊控制實(shí)現(xiàn)動態(tài)過程的有效控制，利用PID控制保證系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。
實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，該控制策略能取得滿意的控制效果。
一、球磨機(jī)動態(tài)特性分析
球磨機(jī)制粉系統(tǒng)的核心設(shè)備是球磨機(jī)。球磨機(jī)本身是一個(gè)包含機(jī)械能量轉(zhuǎn)換、熱交換的復(fù)雜設(shè)備。圖1為球磨機(jī)的輸人/輸出示意圖。
球磨機(jī)的輸入一般有冷風(fēng)量Fr、熱風(fēng)量Fh和給煤量Fc。而被控制量有5入口負(fù)壓P、出口溫度T和磨負(fù)荷L。控制球磨機(jī)入口負(fù)壓的意義在于使整個(gè)球磨機(jī)處于負(fù)壓狀態(tài)，防止煤粉和球磨機(jī)的過大漏風(fēng)。球磨機(jī)的出口溫度是指球磨機(jī)出口風(fēng)粉混合物的溫度，它是反映球磨機(jī)干燥出力、防止煤粉爆燃或爆炸的重要參數(shù)。磨負(fù)荷是反映制粉時(shí)滾筒內(nèi)存煤量。
在球磨機(jī)運(yùn)行過程中，通過調(diào)節(jié)給煤量、熱風(fēng)量和冷風(fēng)量，以保證球磨機(jī)鼓筒內(nèi)的存煤量（即磨負(fù)荷）、磨煤機(jī)出口溫度，以及入口負(fù)壓分別處在*值附近，從而使球磨機(jī)運(yùn)行。球磨機(jī)的電機(jī)功率PD、進(jìn)出口壓差△P、磨出力Q與磨煤機(jī)體內(nèi)的存煤量N之間的關(guān)系[4]如圖2所示。在特性曲線的Ⅰ區(qū)，球磨機(jī)的耗電量大，出力小;Ⅲ區(qū)易堵煤;Ⅱ區(qū)電機(jī)功率不是zui大，但球磨機(jī)的出力為zui大，這是理想工作區(qū)。由特性曲線還可看出，進(jìn)出口壓差可以間接反映磨負(fù)荷。
從上面的分析可以得出:球磨機(jī)具有多容高階、純遲延較大、參數(shù)間耦合的動態(tài)特性。其數(shù)學(xué)模型的結(jié)構(gòu)可以近似表示為
式中K為增益；τ為時(shí)間常數(shù)；t為純滯后時(shí)間。
從階躍響應(yīng)的時(shí)間看，磨煤機(jī)入口負(fù)壓的響應(yīng)zui快、出入口壓差響應(yīng)zui慢，其時(shí)間之比達(dá)到幾十。這些時(shí)間響應(yīng)的快慢均反映在式中的時(shí)間常數(shù)上。
上式是在某一條件下線性化得到的。事實(shí)上球磨機(jī)動態(tài)特性具有變幻性，這主要表現(xiàn)在自衡能力和無自衡能力特性之間的差別和信號遲延時(shí)間長短的差別上。球磨機(jī)出入口壓差在熱空氣帶粉量zui大值范圍內(nèi)表現(xiàn)為有自衡能力的特性，而在這zui大值之外時(shí)則表現(xiàn)為無自衡能力的特性。入口負(fù)壓和出口溫度的遲延遠(yuǎn)較壓差的遲延小。球磨機(jī)動態(tài)特性的這種變幻性大大增加了控制難度。
綜上所述，球磨機(jī)難以控制的原因可歸結(jié)為以下4點(diǎn)。
a.系統(tǒng)具有多變量強(qiáng)耦合特性。如球磨機(jī)的入口負(fù)壓p與出口溫度T之間耦合十分嚴(yán)重。
b.信號難以測量。磨負(fù)荷難以直接測量。目前，通常采用磨煤機(jī)進(jìn)出口壓差△P近似反映球磨機(jī)負(fù)荷。但壓差信號受筒內(nèi)風(fēng)量的影響，而且延遲大，不能及時(shí)正確反映存煤量。信號難以測量的另一方面在于制粉系統(tǒng)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(dǎo)壓管堵塞、出口溫度測量元件磨損等問題。
c.系統(tǒng)動態(tài)特性所具有的變幻性。
d.有限的調(diào)節(jié)手段。制粉系統(tǒng)需要對磨煤機(jī)的入口負(fù)壓、出入口負(fù)壓、出口溫度、磨煤機(jī)負(fù)荷進(jìn)行控制。但控制手段一般只有熱風(fēng)門、循環(huán)風(fēng)門（或溫風(fēng)門、冷風(fēng)門等）和給煤機(jī)轉(zhuǎn)速等有限的調(diào)節(jié)手段。
目前，球磨機(jī)制粉系統(tǒng)通常采用3套獨(dú)立的常規(guī)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(shí)對于被控對象的大時(shí)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(guī)模比較小的熱電站，往往采用手動控制。這使得球磨機(jī)制粉系統(tǒng)很難工作在*經(jīng)濟(jì)工況，制粉單耗高。
因此，尋求更好的控制方式，實(shí)現(xiàn)對磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)進(jìn)行有效控制，是人們一直在追求的目標(biāo)。文獻(xiàn)[5]提出采用智能解耦的方法，控制系統(tǒng)由基礎(chǔ)控制級、協(xié)調(diào)控制級以及管理決策級構(gòu)成，控制系統(tǒng)復(fù)雜。文獻(xiàn)[6]將模型預(yù)測控制引入球磨機(jī)制粉系統(tǒng)，仿真結(jié)果表明，該方法不但實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的解耦，同時(shí)又能獲得較為滿意的控制效果。文獻(xiàn)[7]采用的遞階模糊控制，可使模糊控制規(guī)則大大縮減。文獻(xiàn)[8]提出一種多變量解耦控制策略，實(shí)現(xiàn)對球磨機(jī)入口負(fù)壓和出口溫度的有效控制。事實(shí)上，對球磨機(jī)制粉控制系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)時(shí)首先應(yīng)綜合考慮安全可靠、節(jié)能以及實(shí)用等因素，而不是一味追求控制系統(tǒng)的先進(jìn)性。本文所提出的對球磨機(jī)制粉系統(tǒng)的控制策略，具有實(shí)用、可靠等特點(diǎn)。
二、球磨機(jī)制粉系統(tǒng)控制策略
2.1控制策略確定
通過對球磨機(jī)制粉系統(tǒng)的進(jìn)一步分析可知，磨負(fù)荷是需控制的關(guān)鍵變量。因此，在確定控制策略時(shí)，把球磨機(jī)的磨負(fù)荷作為重要的被控變量。但控制磨負(fù)荷的關(guān)鍵是磨負(fù)荷的測量問題。多年來，磨負(fù)荷的測量一直是薄弱環(huán)節(jié)，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(jī)的進(jìn)出口壓差來確定球磨機(jī)的存煤量等方法[9-10]，但在實(shí)際應(yīng)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(dǎo)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(zhì)及鋼球裝載量的變化，均對壓差有影響。
利用進(jìn)出口壓差法測量磨負(fù)荷實(shí)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(guān)的可測變量，構(gòu)造某種以可測變量為輸入、被估變量為輸出的數(shù)學(xué)模型，用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)重要過程變量的估計(jì)。考慮到進(jìn)出口壓差法中變送器導(dǎo)壓管易堵塞的問題，本系統(tǒng)中沒有選用進(jìn)出口壓差作為可測變量來估計(jì)磨負(fù)荷，而是把出口溫度T、熱風(fēng)量Fh作為估計(jì)磨負(fù)荷的可測變量。因?yàn)檫M(jìn)入球磨機(jī)原煤的溫度遠(yuǎn)低于球磨機(jī)內(nèi)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(tǒng)將磨負(fù)荷L作為被估變量，其關(guān)系可表示為
L=f（T，Th）
考慮到球磨機(jī)入口負(fù)壓主要受冷風(fēng)量和熱風(fēng)量的影響，因此采取控制加入球磨機(jī)熱風(fēng)量與冷風(fēng)量的比值，以實(shí)現(xiàn)對球磨機(jī)入口負(fù)壓的控制。
球磨機(jī)出口溫度的控制主要從2個(gè)方面保證:
a.在設(shè)計(jì)磨負(fù)荷回路時(shí)兼顧到出口溫度控制問題，可通過協(xié)調(diào)控制器實(shí)現(xiàn);
b.控制好磨負(fù)荷和入口負(fù)壓來保證出口溫度，因?yàn)槟ヘ?fù)荷和入口負(fù)壓均影響球磨機(jī)的出口溫度。
由此可見，球磨機(jī)的控制系統(tǒng)可簡化為如圖3所示結(jié)構(gòu)。
模糊控制器1為入口負(fù)壓控制器，采用入口負(fù)壓的偏差及偏差變化率作為輸入變量，輸出變量為對應(yīng)的熱風(fēng)量，通過比值器可得到相應(yīng)的冷風(fēng)量。這一控制回路主要實(shí)現(xiàn)對球磨機(jī)入口負(fù)壓的控制。模糊控制器2與軟測量控制器，以及協(xié)調(diào)控制器構(gòu)成磨負(fù)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(fēng)量，獲得所需的磨負(fù)荷信號，模糊控制器2的輸出量與出口溫度測量值送至協(xié)調(diào)控制器，以獲得球磨機(jī)的給煤量。與其他球磨機(jī)控制系統(tǒng)相比，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)較簡單、實(shí)用。
2.2模糊控制器設(shè)計(jì)
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(shè)計(jì)為例，介紹模糊PID控制器的設(shè)計(jì)。控制器的形式采取模糊控制和PID控制相結(jié)合的方案。根據(jù)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(tài)范圍內(nèi)實(shí)行模糊控制，在│e│＜ε范圍內(nèi)實(shí)行PID控制。其優(yōu)點(diǎn)在于，利用模糊控制可以獲取系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的快速性;利用PID控制來減小靜差。
對于模糊控制器，球磨機(jī)入口負(fù)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(gè)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(shù)均取三角型。并通過模糊規(guī)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(wù)是保證穩(wěn)態(tài)精度。因此，在參數(shù)整定時(shí)，加大積分的作用。
模糊控制器2也是采用模糊PID控制器，設(shè)計(jì)方法與入口負(fù)壓控制回路的控制器設(shè)計(jì)相類似。由于磨負(fù)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(jī)的給煤量。在模糊控制器2的輸出加入一個(gè)協(xié)調(diào)控制器。協(xié)調(diào)控制器依據(jù)當(dāng)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(jī)出口溫度的影響。
三、結(jié)語
本系統(tǒng)自2004年2月開始投入使用，目前運(yùn)行良好。從鍋爐運(yùn)行趨勢圖看，磨煤機(jī)入口壓力的誤差波動范圍為±（30～50）Pa。磨煤機(jī)出口溫度的誤差波動范圍為±4℃。同時(shí)，磨負(fù)荷能穩(wěn)定在一個(gè)滿意的范圍內(nèi)。通過2004年2～11月期間的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，并與2003年全年數(shù)據(jù)比較:研磨電耗由2003年人工手動調(diào)節(jié)時(shí)的22.3kW.h/t，降為20.4kW.h/t,總制粉研磨電耗下降8.52%。
實(shí)際運(yùn)行表明，該設(shè)計(jì)具有方案簡單、運(yùn)行可靠、節(jié)能效果明顯等特點(diǎn)。
