振動(dòng)料位分析技術(shù)在鋼球磨煤機(jī)中的應(yīng)用

王曉杰

(華電青島發(fā)電股份有限公司，山東 青島 266000)

0 引言

華電青島發(fā)電有限公司#2鍋爐為上海鍋爐廠采用美國CE公司引進(jìn)技術(shù)并在其基礎(chǔ)上優(yōu)化設(shè)計(jì)制造的亞臨界、中間一次再熱、控制循環(huán)汽包爐，型號(hào)為SG-1025/17.47-M878，配300 MW汽輪發(fā)電機(jī)組。設(shè)計(jì)煤種為山西晉中貧煤,實(shí)際運(yùn)行時(shí)摻燒無煙煤。制粉系統(tǒng)為中間儲(chǔ)倉式，熱一次風(fēng)送粉，配4臺(tái)DTM350/600型鋼球磨煤機(jī)。

制粉系統(tǒng)自投產(chǎn)以來一直為手動(dòng)操作，存在以下弊端：(1)運(yùn)行人員需時(shí)刻監(jiān)視磨煤機(jī)差壓、出口溫度、電流等參數(shù)，勞動(dòng)強(qiáng)度大；(2)無磨煤機(jī)料位監(jiān)視手段，磨煤機(jī)出入口差壓對磨煤機(jī)內(nèi)部真實(shí)料位情況反應(yīng)不敏感，運(yùn)行人員憑經(jīng)驗(yàn)粗略地判斷磨煤機(jī)內(nèi)料位情況，為避免磨煤機(jī)滿磨、跑粉，磨煤機(jī)經(jīng)常處于低料位，導(dǎo)致制粉出力偏低和磨煤單耗高；(3)磨煤機(jī)入口負(fù)壓波動(dòng)大；(4)磨煤機(jī)出口溫度隨給煤量、煤質(zhì)變化、負(fù)荷變化波動(dòng)幅度大，不能實(shí)現(xiàn)精確控制[1]。

1 磨煤機(jī)制粉自動(dòng)控制系統(tǒng)概述

為挖掘制粉系統(tǒng)節(jié)能潛力，優(yōu)化運(yùn)行方式，減輕運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，保持磨煤機(jī)長期在最佳工況安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，提高設(shè)備自動(dòng)化運(yùn)行水平，提高制粉出力，降低制粉單耗，在#2鍋爐制粉系統(tǒng)加裝了一套由華電青島發(fā)電有限公司與珠海市華遠(yuǎn)自動(dòng)化科技有限公司共同研制開發(fā)的磨煤機(jī)制粉自動(dòng)控制系統(tǒng)，是集自動(dòng)控制、安全穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)高效于一身的全能型控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用遙測振動(dòng)分析技術(shù)對磨煤機(jī)內(nèi)真實(shí)料位進(jìn)行檢測，比傳統(tǒng)的差壓測量料位法和電耳測量料位法測量更準(zhǔn)確，維護(hù)量更小；同時(shí)，以磨煤機(jī)料位、入口負(fù)壓、出口溫度為控制對象，通過風(fēng)煤分控，將整個(gè)制粉系統(tǒng)分成磨煤機(jī)料位自動(dòng)控制單元、磨煤機(jī)入口負(fù)壓自動(dòng)控制單元、磨煤機(jī)出口溫度自動(dòng)控制單元3個(gè)控制單元，最終整合成一套完整的控制體系，實(shí)現(xiàn)中間倉儲(chǔ)式制粉系統(tǒng)自動(dòng)化控制。

2 技術(shù)原理

2.1 信號(hào)測量

磨煤機(jī)內(nèi)的振動(dòng)狀態(tài)與料位具有直接的對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)磨煤機(jī)內(nèi)料位低、存料量少、鋼球間相對柔軟且細(xì)小的被研磨物減少時(shí)，鋼球之間以及鋼球與襯板間因緩沖物減少而振動(dòng)加劇，傳導(dǎo)到磨煤機(jī)筒體表面的振動(dòng)增大；當(dāng)磨煤機(jī)內(nèi)料位上升、存料量增加時(shí)，緩沖物增多，磨煤機(jī)內(nèi)及傳導(dǎo)到筒體表面的振動(dòng)減小。通過分析磨煤機(jī)內(nèi)的振動(dòng)信號(hào)可以精確可靠地分析磨煤機(jī)內(nèi)料位，但實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的前提條件是直接采集磨煤機(jī)內(nèi)的振動(dòng)信息。

該磨煤機(jī)狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)采用高靈敏度的信號(hào)采集裝置，綜合運(yùn)用遙測傳感技術(shù)和智能檢測技術(shù)，徹底解決了傳統(tǒng)方法無法避免的信號(hào)衰減和強(qiáng)干擾導(dǎo)致的料位測量精度低、可靠性差的難題。振動(dòng)傳感器直接安裝在磨煤機(jī)表面(如圖1所示，圖中：MCS為模擬量控制系統(tǒng))，在隨磨煤機(jī)筒體一起旋轉(zhuǎn)的過程中，直接采集殼體內(nèi)部的聲音和振動(dòng)等綜合信息；同時(shí)，軸承座上也加裝有傳感器，與筒體上傳感器采集的信號(hào)互相融合和驗(yàn)證。磨煤機(jī)和設(shè)備發(fā)出的噪聲干擾信號(hào)全部被有效隔離，信號(hào)不經(jīng)過空氣衰減，不受外界噪聲和振動(dòng)信號(hào)的干擾，以達(dá)到更高的測量精度。磨煤機(jī)筒體軸向、徑向每個(gè)點(diǎn)的料位波動(dòng)信息都可以被精確地捕獲，磨煤機(jī)每個(gè)旋轉(zhuǎn)周期特征信號(hào)的三維空間模型都能被有效提取。這種高性能傳感技術(shù)和新算法結(jié)合而形成的料位測量技術(shù)，測量非常精確可靠，傳統(tǒng)測量方法無法達(dá)到這樣的測量精度和可靠性。

圖1 系統(tǒng)硬件安裝示意

制粉系統(tǒng)的自動(dòng)控制由安裝在電子間的制粉系統(tǒng)控制電氣柜實(shí)現(xiàn)，該控制柜以485串口通信的方式從分散控制系統(tǒng)(DCS)采集模擬量信號(hào)，以硬接線的方式輸出控制指令、冷風(fēng)門控制指令和熱風(fēng)門控制指令(如圖2所示，圖中：AI為模擬量輸入；DI為數(shù)字量輸入；AO為模擬量輸出；DO為數(shù)字量輸出)。

圖2 系統(tǒng)信號(hào)傳輸示意

2.2 控制原理

磨煤機(jī)料位調(diào)節(jié)的任務(wù)是：在保證磨煤機(jī)入口負(fù)壓和出口溫度正常的前提下，始終保持最大給煤量，使磨煤機(jī)進(jìn)煤出粉始終保持平衡。

控制原理：通過安裝在磨煤機(jī)筒體和軸承座上的2個(gè)振動(dòng)采集器取得磨煤機(jī)料位的主信號(hào)，另外將分離器出口負(fù)壓和磨煤機(jī)出入口差壓信號(hào)加入磨煤機(jī)料位控制中，3路信號(hào)經(jīng)過系統(tǒng)綜合處理后，發(fā)出指令控制給煤機(jī)的給煤量，實(shí)現(xiàn)磨煤機(jī)料位自動(dòng)控制。正常工況下磨煤機(jī)根據(jù)料位進(jìn)行優(yōu)化控制，以最大出力為控制目標(biāo)，通過對料位的跟蹤調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定控制[2]。

e(t)=(Ls-L)+(ps-p)+(t-ts) ，

式中：u(t)為控制器輸出；Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時(shí)間系數(shù)；Td為微分系數(shù)；Ls為料位設(shè)定值；L為料位當(dāng)前值；ps為壓差設(shè)定值；p為差壓當(dāng)前值；t為磨煤機(jī)出口溫度當(dāng)前值；ts為磨煤機(jī)出口溫度設(shè)定值。

磨煤機(jī)入口負(fù)壓自動(dòng)調(diào)節(jié)的任務(wù)是：無論什么原因引起系統(tǒng)風(fēng)量發(fā)生改變，始終能夠保持制粉系統(tǒng)進(jìn)風(fēng)量和出風(fēng)量平衡。正常情況下球磨煤機(jī)入口負(fù)壓一般控制在-350 Pa左右，通過調(diào)節(jié)熱風(fēng)門實(shí)現(xiàn)磨煤機(jī)入口負(fù)壓自動(dòng)控制。

控制原理：將磨煤機(jī)入口負(fù)壓目標(biāo)值設(shè)為定值，磨煤機(jī)入口負(fù)壓反饋值作為跟蹤信號(hào)，通過調(diào)節(jié)熱風(fēng)門、冷風(fēng)門和再循環(huán)風(fēng)門開度來減小磨煤機(jī)入口負(fù)壓目標(biāo)值和反饋值之間的偏差。入口負(fù)壓實(shí)際設(shè)定值根據(jù)出口溫度進(jìn)行修正，溫度升高后增大負(fù)壓設(shè)定值，以減小熱風(fēng)門開度。

制粉系統(tǒng)出口溫度自動(dòng)控制的任務(wù)是：始終能夠保持磨煤機(jī)出口溫度在規(guī)定的范圍內(nèi)。通過調(diào)節(jié)熱風(fēng)門、冷風(fēng)門擋板開度，實(shí)現(xiàn)磨煤機(jī)出口溫度自動(dòng)控制。

控制原理：將磨煤機(jī)出口溫度目標(biāo)值設(shè)為定值，磨煤機(jī)出口溫度作為跟蹤信號(hào)，通過調(diào)節(jié)熱風(fēng)門、冷風(fēng)門開度來減小出口溫度目標(biāo)值和反饋值之間的偏差。出口溫度高于設(shè)定高限值后開冷風(fēng)，同時(shí)適當(dāng)增大入口負(fù)壓設(shè)定值，減小熱風(fēng)量。

e(t)=ts-t，ts=Fuzzy(m) ，

式中：H(t)為出口溫度控制輸出；Kh為熱風(fēng)門控制系數(shù)，采用運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)決策該參數(shù)變化；Kc為冷風(fēng)門控制系數(shù)，采用專家經(jīng)驗(yàn)決策該參數(shù)變化；m為煤質(zhì)系數(shù)，根據(jù)負(fù)荷和原煤消耗量計(jì)算。

3 系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況

3.1 制粉系統(tǒng)最大出力試驗(yàn)

制粉系統(tǒng)最大出力試驗(yàn)是在保證磨煤機(jī)不滿罐、不跑粉的前提下，逐漸增加給煤機(jī)量，直到磨煤機(jī)或排粉機(jī)電流達(dá)到最大值又開始下降為止。通過制粉系統(tǒng)最大出力試驗(yàn)，確定制粉系統(tǒng)給煤機(jī)轉(zhuǎn)速、磨煤機(jī)料位、磨煤機(jī)前后差壓及粗粉分離器后負(fù)壓最大值，目的是為自動(dòng)控制系統(tǒng)提供上限依據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 2C，2D制粉系統(tǒng)最大出力試驗(yàn)結(jié)果

3.2 確定最佳出力參數(shù)

為確保自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠安全穩(wěn)定運(yùn)行，通過制粉系統(tǒng)最大出力試驗(yàn)確定磨煤機(jī)料位、磨煤機(jī)前后差壓和粗粉分離器后負(fù)壓最大值，在此基礎(chǔ)上，制定了制粉系統(tǒng)主要運(yùn)行參數(shù)最佳值和上下限值(見表2)。磨煤機(jī)料位正常控制范圍為55%～64%，可根據(jù)煤質(zhì)、負(fù)荷等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

3.3 各經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)對比

項(xiàng)目實(shí)施后，磨煤機(jī)料位測量趨勢正確穩(wěn)定，運(yùn)行調(diào)節(jié)良好，爐膛燃燒狀況良好，滿足機(jī)組安全穩(wěn)定運(yùn)行要求。料位測量及自動(dòng)控制系統(tǒng)可用率達(dá)到100%，自動(dòng)投入率達(dá)到100%。

表2 2C，2D制粉系統(tǒng)最佳運(yùn)行數(shù)據(jù)

優(yōu)化調(diào)整后，2C制粉系統(tǒng)的出力由手動(dòng)狀態(tài)下給煤機(jī)轉(zhuǎn)速反饋370 r/min左右提升到自動(dòng)狀態(tài)下410 r/min左右，提升10.8%以上，磨煤機(jī)出口溫度在規(guī)定范圍內(nèi)，差壓由1.55 kPa提升到1.95 kPa。2D制粉系統(tǒng)的出力由手動(dòng)狀態(tài)下給煤機(jī)轉(zhuǎn)速反饋510 r/min左右提升到自動(dòng)狀態(tài)下630 r/min左右，提升23.5%以上，磨煤機(jī)出口溫度在規(guī)定范圍內(nèi)，差壓由1.45 kPa提升到1.85 kPa，運(yùn)行安全穩(wěn)定。

4 結(jié)束語

中儲(chǔ)式鋼球磨制粉自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了磨煤機(jī)入口負(fù)壓、出口溫度、磨煤機(jī)料位全面自動(dòng)控制，運(yùn)行參數(shù)得到全面優(yōu)化。該系統(tǒng)通過自尋優(yōu)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了制粉系統(tǒng)的仿人工智能控制，提高了換煤及特殊工況的適應(yīng)能力，具有良好的推廣價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉明杰,任尚坤,何衛(wèi)國,等.MCS遙測與自動(dòng)控制系統(tǒng)在中儲(chǔ)式制粉系統(tǒng)上的應(yīng)用[J]. 華電技術(shù),2015，37(10)：22-24，77.

[2]張維群，何祖威，陳紹彬.制粉系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性及控制方案研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2005.