中速磨直吹式制粉系統動態模型及其改進

孟令虎，劉鑫屏

(華北電力大學 控制與計算機工程學院，河北 保定 071003)

中速磨直吹式制粉系統動態模型及其改進

孟令虎，劉鑫屏

(華北電力大學 控制與計算機工程學院，河北 保定 071003)

現有的中速磨直吹式制粉系統動態模型不能很好地反映磨煤機在增加給煤量時的非最小相位特性。為了準確反映磨煤機運行特性，通過對制粉過程進行深入分析，擬合出磨煤機循環倍率對一次風量與給煤量的函數關系，在現有模型基礎上利用機理建模法建立改進的兩入一出制粉系統動態模型。對改進后的模型進行仿真實驗，實驗表明，該動態模型很好地體現了磨煤機在增加給煤量時的非最小相位特性。經某電廠330 WM機組制粉系統實際運行數據驗證，中速磨直吹式制粉系統在增加給煤量時確實出現了臨界堵磨現象，該現象很好地驗證了改進后模型的正確性。

直吹式制粉系統；一次風；給煤量；循環倍率；模型改進

0 引言

分析直吹式制粉系統動態特性，建立具有非最小相位特性的制粉系統動態模型具有重要意義。首先建立準確的制粉系統模型可使電廠運行人員熟悉設備特性。其次，制粉系統對象的特性直接影響到協調控制系統的控制性能，利用準確的制粉系統模型進行仿真試驗，控制系統設計人員可以優化控制參數和改進控制方案。

由于制粉系統的特性直接關系到機組的安全經濟運行，因此，目前針對直吹式制粉系統，許多學者在建立其模型方面做出了大量工作。文獻[1-2]給出了直吹式制粉系統慣性加純遲延的動態模型，并且給出了制粉系統慣性系數的求取方法。文獻[3-4]通過擬合循環倍率與一次風的關系，增加了一次風變量對入爐煤量的影響，建立了制粉系統在一次風作用下的實際微分特性模型。文獻[5-6]根據物質和能量守恒定理，在模型輸入中又增加了一次風溫度變量，輸出變量中增加了煤粉水分和出口溫度變量，建立了一個三輸入三輸出的非線性模型。這些模型分別從不同重點分析了制粉系統，但都沒有反映出制粉系統發生堵磨時的運行特性。

為了建立可準確反映制粉系統運行特性的動態模型，本文首先分析了直吹式制粉系統的結構特點和工作原理，使用數據擬合法得到磨煤機循環倍率與一次風及給煤量的關系，利用機理分析構建一次風及給煤量對入爐煤量的動態模型，該模型不僅可以反映出制粉系統正常工作時的特性還可以體現制粉系統在臨界堵磨時的非最小相位特性。通過某電廠330 WM機組的制粉系統運行數據來驗證本文所建立模型的正確性，進而為研究直吹式制粉系統模型提供一種新思路。

1 對象模型

1.1 直吹式制粉系統結構

燃煤電廠中將原煤碾磨成細度合適的煤粉，在這個過程中所涉及的管道和機械設備就構成了制粉系統。目前在300 WM及以上機組中廣泛運用直吹式制粉系統，直吹式制粉系統的結構如圖1所示。

1. 原煤倉；2：磅秤；3. 給煤機；4. 磨煤機；5. 粗粉分離器；6. 一次風箱；7. 一次風管；8. 燃燒器；9. 爐膛；10. 二次風機；11. 一次風機；12. 空氣預熱器；13. 熱風管；14. 二次風箱；15. 密封冷風門；16. 調溫冷風門圖1 中速磨直吹式制粉系統示意圖

在圖1中，制粉系統在燃料指令的作用下，將原煤從原煤倉中取出并由給煤機送進磨煤機中進行研磨，研磨后的細度合適的煤粉通過一次風吹入爐膛進行懸浮燃燒，完成化學能向熱能轉換。

磨煤機是制粉系統中的關鍵設備，按轉速可分為低速磨煤機、中速磨煤機和高速磨煤機，其中輥-環式中速磨煤機(MPS)應用較多，輥-環式中速磨煤機的結構示意圖[7]如圖2所示。

1. 一次風；2. 原煤下降管；3. 粗粉分離器；4. 彈簧；5. 磨輥；6. 磨電機及減速裝置；7. 風粉混合物圖2 輥-環式磨煤機示意圖

輥-環式磨煤機的磨盤是通過磨電機及減速裝置帶動旋轉的，磨盤上有3個互呈120°的磨輥，磨輥在彈簧的作用下壓在磨盤上，磨盤的旋轉與磨輥發生摩擦并帶動磨輥轉動，在此期間原煤被碾磨成煤粉。碾磨后的煤粉在一次風的帶動下上升至粗粉分離器，經過粗粉分離器合格的煤粉被一次風送入爐膛進行燃燒，較粗的不合格煤粉落入磨盤再繼續碾磨。

1.2 模型建立

在直吹式制粉系統中，原煤是通過刮板或皮帶傳送進入磨煤機的，在這個過程中是需要一定輸送時間的，因此給煤量和進入磨煤機內的煤量是不同步的，通過質量守恒可以得到：

(1)

式中：rm為進入爐膛的煤粉量(kg/s)；rg為給煤機的給煤量(kg/s)；τ1為原煤從給煤機到磨煤機所需的輸送時間(s)。原煤從給煤機到進入磨煤機中的輸送時間為τ1，τ1的大小和機組負荷有關，一般τ1取3～10 s。

進入磨煤機的原煤通過擠壓變成煤粉，由一次風攜帶送至爐膛，在其他變量都不發生變化的條件下，磨煤機磨出的煤粉量與磨煤機中正在研磨的煤量成正比關系[8]。

(2)

式中：ro為磨煤機磨出的煤粉量(kg/s)；M為在磨煤機中正在研磨的煤量(kg);T1為初始制粉慣性(s)。T1由原煤的可磨性系數、原煤顆粒大小和原煤成分等因素確定。根據質量守恒可建立微分方程：

(3)

研磨后細度合格的煤粉隨一次風進入爐膛同樣需要一定的輸送時間：

(4)

式中：rb進入爐膛的煤粉量(kg/s)；τ2為煤粉從磨煤機出口傳送到爐膛中所需的時間(s)，由于一次風壓和一次風速較大，遲延時間τ2相對較小，一般取3～5 s。一次風速越大τ2就越小。

對公式(1)～(4)進行拉普拉斯變換可以得到：

(5)

式(5)反映了進入爐膛進行燃燒的煤粉量對給煤機的給煤量是一階慣性加遲延的關系，慣性時間T1稱為初始制粉慣性，遲延時間為輸送過程所花費的總時間。

對于中速磨直吹式制粉系統，僅考慮進入爐膛的煤粉量和給煤量的關系是不夠的，因為在制粉過程中一次風攜帶煤粉經過粗粉分離器，細度合格的煤粉被送進鍋爐進行燃燒，不合格的煤粉返回磨煤機中繼續碾磨。因此，在制粉過程中一次風有很重要的作用，若能在建立制粉系統的動態模型過程中考慮一次風的作用，將會使建立的模型更具實際意義。

文獻[9]研究表明，中速磨直吹式制粉系統的慣性時間主要和磨煤機的初始制粉慣性及循環倍率有關，并且當負荷變化時，只要磨煤機結構及粗粉分離器擋板開度確定，初始制粉慣性不會大幅度變化，但一次風要隨著負荷變化，使循環倍率發生變化。圖3是磨煤機循環倍率隨一次風速的特性曲線。

圖3 循環倍率特性曲線

磨煤機的循環倍率是表征磨煤機再循環煤粉量的參數。在其他參數不變的情況下，隨著一次風量的增加，落回磨煤機中細度不合格的煤粉與一次風帶出的煤粉比例減小，因此，隨著一次風速增加，循環倍率是減少的。磨煤機的循環倍率和一次風速的關系可以通過數據擬合的方法得到。工程上可以把循環倍率特性曲線擬合成直線。

k=k1qa+k2

(6)

式中：k為磨煤機循環倍率；qa為一次風量(kg/s)；k1，k2為擬合系數。

通過以上分析可知，該模型輸入為給煤量rg和一次風量qa，模型輸出為進入爐膛的煤粉量rb。忽略煤粉從磨煤機出口到爐膛的管道傳輸時間，該兩輸入一輸出的動態模型如圖4所示。

圖4 考慮一次風作用的制粉系統動態模型原理圖

由圖4可以得到:

(7)

式中：rb為進入爐膛的煤粉量(kg/s)；rm為進入磨煤機的原煤量(kg/s)；ro為磨煤機磨出的煤粉量(kg/s)；k為磨煤機循環倍率；T1為初始制粉慣性(s)；τ為遲延時間(s)。

通過分析可知，該兩入一出模型引入了一次風變量更好地描述了制粉系統的動態特性。但模型中只考慮了一次風量對循環倍率的影響。

1.3 模型改進

為了能更加準確描述中速磨直吹式制粉系統的動態特性，不能僅考慮一次風量對循環倍率的影響。在機組增加負荷時，給煤機在鍋爐主控指令的作用下加入部分超調的原煤進入磨煤機中，如果此時機組的運行負荷較高并且磨煤機運行狀態不佳時，磨煤機會發生臨界堵塞，即磨煤機的出力不能很好地跟隨負荷指令變化，反而是向反方向變化，一段時間后進入鍋爐的煤粉量才隨指令正常變化。這種現象就說明了磨煤機是一個非最小相位系統。在制粉系統實際工作中，中速磨煤機往往會出現上述的臨界堵塞狀態，這種堵塞現象是導致中速磨煤機是非最小相位系統的主要原因。為了體現磨煤機堵磨現象在模型中增加了入磨煤量rm對循環倍率k修正，可以體現出給煤量與送入爐膛煤粉量的關系。

工程實際中，循環倍率k與rm存在線性關系，可由式(8)表示：

k=kmrm

(8)

式中：km為計算風煤比關系系數；rm為入磨煤量(kg/s)；k為循環倍率。

圖3中，一次風量qa和循環倍率k的擬合曲線更接近倒數函數曲線，根據圖3可得如下關系式：

(9)

式中：ka1，ka2為一次風量對循環倍率的擬合系數。

由式(8)、(9)可得，模型改進后磨煤機的循環倍率計算式為：

(10)

式中：k1，k2為改進后循環倍率的擬合系數。

改進后的模型動態圖如圖5所示。

圖5 改進后的制粉系統動態模型原理圖

對改進后的動態模型進行階躍擾動實驗，圖6是在仿真時間t=100 s時進行一次風階躍擾動時煤粉量響應曲線。仿真結果表明，模型改進前和改進后一次風發生階躍擾動時煤粉量響應曲線一致，都具有實際微分特性。

圖6 一次風增加時煤粉量響應曲線

圖7 給煤量增加時煤粉量響應曲線

圖7是在仿真時間t=100 s時進行給煤量的階躍擾動時煤粉量響應曲線。 仿真結果表明，在增加給煤量時，改進后的模型較改進前的模型輸出響應呈現出了非最小相位特性。

圖8是t=100 s時進行給煤量及一次風同時發生階躍擾動時煤粉量響應曲線。仿真結果表明，在加煤同時增加一次風量，改進后的模型仍表現出了非最小相位特性，但相對于圖7的輸出響應，圖8的非最小相位量明顯減小。

圖8 一次風和給煤量同時增加時響應曲線

由仿真結果可以看出，改進后的模型體現了磨煤機的臨界堵塞狀態，并且磨煤機處于臨界堵塞狀態時，通過增加一次風量以及減少給煤量都能有效地減少磨煤機運行中存在的非最小相位量。

2 實驗驗證

實際機組運行過程中，可以利用磨煤機運行參數來反映出磨煤機的運行狀態[10-11]，相關參數包括磨煤機出入口風壓差Pd(kPa)、磨煤機電流Im(A)以及磨煤機出口風粉混合物溫度Tc(℃)這3項指標。

圖9是某電廠C磨實際運行過程中的參數曲線，該磨在t=300 s時增加了給煤量并且保持一次風量不變。圖中磨差壓Pd和磨電流Im在300 s之后有較大增加并且風粉混合物出口溫度Tc顯著降低，這些數據說明了在300 s時增加給煤量后進入爐膛的煤粉量并不是隨著給煤量增加而增加的，而是在一段時間內進入爐膛的煤粉量是減少的[12]。這體現了磨煤機在增加給煤量時的特性是非最小相位系統特性。

圖9 給煤量增加時磨煤機部分參數曲線

圖10中該臺磨煤機在t=1 500 s時增加給煤量的同時增加一次風量，圖中磨差壓Pd和磨電流Im在t=1 500 s之后有輕微增加并且風粉混合物出口溫度Tc略有降低。圖10說明了在t=1 500 s時增加給煤量后，煤粉在磨煤機中堵塞程度小于圖9中堵塞程度，較好地跟隨了給煤指令。

圖10 給煤量和一次風同時增加時磨煤機部分參數曲線

從圖7和圖9可以看出，在增加給煤量不增加一次風量時，改進后的動態模型和實際系統都出現了磨煤機的臨界堵磨現象，表明了磨煤機是非最小相位系統。從圖8和圖10可以看出，在加煤加風時磨煤機的非最小相位量較加煤不加風時都明顯減小。通過比較可以看出改進后模型的動態特性較原始模型更貼近實際制粉系統的運行特性。然而實際的制粉系統是一個復雜的時變的系統，它的特性會隨負荷、煤質、一次風等因素不斷變化，同時它的非最小相位量也是變化的。若需要進一步準確模擬制粉過程需要對改進后的動態模型參數進行調整。

3 結論

本文闡述中速磨直吹式制粉系統的組成結構和工作原理，根據制粉系統的工作原理，對系統進行機理建模。通過對制粉系統的進一步分析后對模型進行了改進，改進的模型中增加了給煤量對循環倍率的影響，并利用MATLAB仿真得到了模型改進后的制粉系統的動態特性，通過使用一臺330 MW火電機組磨煤機的運行數據進行驗證，得到如下結論：

(1)實際運行數據顯示，在發電機組較大范圍變負荷時，磨煤機堵塞是造成負荷-壓力波動較大的重要因素之一。

(2)改進后的直吹式制粉系統模型較現有模型體現了煤粉細度對循環倍率的影響，更貼近實際火力發電廠磨煤機在臨界堵磨時的運行特性。

(3)熟悉直吹式制粉系統特性后，通過合理調節給煤量和一次風量，可避免使磨煤機出現堵磨，保證機組穩定運行。

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Dynamic Model of Medium Speed Mill Direct Firing Pulverizing System and its Improvement

MENG Linghu，LIU Xinping

(School of Control and Computer Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China)

The present dynamic model of direct firing pulverizing system of medium-speed pulverizer cannot reflect the non-minimum phase characteristics of coal mill well when the coal feed rate increases. In order to accurately obtain the operating characteristics of the coal mill, by analyzing the milling process deeply, the function relationship of the coal mill circulating ratio to primary air and feed coal rate is obtained and fitted in curves, then the improved model of two-input one-output for the direct firing pulverizing system is established by using the mechanism modeling method based on existing model. Simulations and experiments have been conducted on the improved model, and the results demonstrate that the dynamic model can well reflect the coal mill non-minimum phase characteristics as the coal feed rate increases. Verified by actual operation data of a certain power plant with a 330 WM unit pulverizing system, in the direct firing pulverizing system of medium-speed pulverizer, the phenomenon of critical blocking appears when feed coal rate increases, which confirms the correctness of the improved model.

direct firing pulverizing system; primary air; coal feed rate;circulation ratio; model improvement

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.04.007

2016-10-24。

國家重點基礎研究發展計劃項目(973計劃)(2012CB215200)；中央高?；究蒲袠I務費專項資金(2014MS145)。

TK229.2

A

1672-0792(2017)04-0037-06

孟令虎(1995-)，男，碩士研究生，研究方向為發電系統建模、仿真與優化控制。