中速磨直吹式制粉系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型及其改進(jìn)

孟令虎，劉鑫屏

(華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北 保定 071003)

中速磨直吹式制粉系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型及其改進(jìn)

孟令虎，劉鑫屏

(華北電力大學(xué) 控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北 保定 071003)

現(xiàn)有的中速磨直吹式制粉系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型不能很好地反映磨煤機(jī)在增加給煤量時(shí)的非最小相位特性。為了準(zhǔn)確反映磨煤機(jī)運(yùn)行特性，通過(guò)對(duì)制粉過(guò)程進(jìn)行深入分析，擬合出磨煤機(jī)循環(huán)倍率對(duì)一次風(fēng)量與給煤量的函數(shù)關(guān)系，在現(xiàn)有模型基礎(chǔ)上利用機(jī)理建模法建立改進(jìn)的兩入一出制粉系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型。對(duì)改進(jìn)后的模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明，該動(dòng)態(tài)模型很好地體現(xiàn)了磨煤機(jī)在增加給煤量時(shí)的非最小相位特性。經(jīng)某電廠(chǎng)330 WM機(jī)組制粉系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)驗(yàn)證，中速磨直吹式制粉系統(tǒng)在增加給煤量時(shí)確實(shí)出現(xiàn)了臨界堵磨現(xiàn)象，該現(xiàn)象很好地驗(yàn)證了改進(jìn)后模型的正確性。

直吹式制粉系統(tǒng)；一次風(fēng)；給煤量；循環(huán)倍率；模型改進(jìn)

0 引言

分析直吹式制粉系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，建立具有非最小相位特性的制粉系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型具有重要意義。首先建立準(zhǔn)確的制粉系統(tǒng)模型可使電廠(chǎng)運(yùn)行人員熟悉設(shè)備特性。其次，制粉系統(tǒng)對(duì)象的特性直接影響到協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制性能，利用準(zhǔn)確的制粉系統(tǒng)模型進(jìn)行仿真試驗(yàn)，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以?xún)?yōu)化控制參數(shù)和改進(jìn)控制方案。

由于制粉系統(tǒng)的特性直接關(guān)系到機(jī)組的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，因此，目前針對(duì)直吹式制粉系統(tǒng)，許多學(xué)者在建立其模型方面做出了大量工作。文獻(xiàn)[1-2]給出了直吹式制粉系統(tǒng)慣性加純遲延的動(dòng)態(tài)模型，并且給出了制粉系統(tǒng)慣性系數(shù)的求取方法。文獻(xiàn)[3-4]通過(guò)擬合循環(huán)倍率與一次風(fēng)的關(guān)系，增加了一次風(fēng)變量對(duì)入爐煤量的影響，建立了制粉系統(tǒng)在一次風(fēng)作用下的實(shí)際微分特性模型。文獻(xiàn)[5-6]根據(jù)物質(zhì)和能量守恒定理，在模型輸入中又增加了一次風(fēng)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(gè)三輸入三輸出的非線(xiàn)性模型。這些模型分別從不同重點(diǎn)分析了制粉系統(tǒng)，但都沒(méi)有反映出制粉系統(tǒng)發(fā)生堵磨時(shí)的運(yùn)行特性。

為了建立可準(zhǔn)確反映制粉系統(tǒng)運(yùn)行特性的動(dòng)態(tài)模型，本文首先分析了直吹式制粉系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，使用數(shù)據(jù)擬合法得到磨煤機(jī)循環(huán)倍率與一次風(fēng)及給煤量的關(guān)系，利用機(jī)理分析構(gòu)建一次風(fēng)及給煤量對(duì)入爐煤量的動(dòng)態(tài)模型，該模型不僅可以反映出制粉系統(tǒng)正常工作時(shí)的特性還可以體現(xiàn)制粉系統(tǒng)在臨界堵磨時(shí)的非最小相位特性。通過(guò)某電廠(chǎng)330 WM機(jī)組的制粉系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證本文所建立模型的正確性，進(jìn)而為研究直吹式制粉系統(tǒng)模型提供一種新思路。

1 對(duì)象模型

1.1 直吹式制粉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

燃煤電廠(chǎng)中將原煤碾磨成細(xì)度合適的煤粉，在這個(gè)過(guò)程中所涉及的管道和機(jī)械設(shè)備就構(gòu)成了制粉系統(tǒng)。目前在300 WM及以上機(jī)組中廣泛運(yùn)用直吹式制粉系統(tǒng)，直吹式制粉系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1. 原煤倉(cāng)；2：磅秤；3. 給煤機(jī)；4. 磨煤機(jī)；5. 粗粉分離器；6. 一次風(fēng)箱；7. 一次風(fēng)管；8. 燃燒器；9. 爐膛；10. 二次風(fēng)機(jī)；11. 一次風(fēng)機(jī)；12. 空氣預(yù)熱器；13. 熱風(fēng)管；14. 二次風(fēng)箱；15. 密封冷風(fēng)門(mén)；16. 調(diào)溫冷風(fēng)門(mén)圖1 中速磨直吹式制粉系統(tǒng)示意圖

在圖1中，制粉系統(tǒng)在燃料指令的作用下，將原煤從原煤倉(cāng)中取出并由給煤機(jī)送進(jìn)磨煤機(jī)中進(jìn)行研磨，研磨后的細(xì)度合適的煤粉通過(guò)一次風(fēng)吹入爐膛進(jìn)行懸浮燃燒，完成化學(xué)能向熱能轉(zhuǎn)換。

磨煤機(jī)是制粉系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，按轉(zhuǎn)速可分為低速磨煤機(jī)、中速磨煤機(jī)和高速磨煤機(jī)，其中輥-環(huán)式中速磨煤機(jī)(MPS)應(yīng)用較多，輥-環(huán)式中速磨煤機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖[7]如圖2所示。

1. 一次風(fēng)；2. 原煤下降管；3. 粗粉分離器；4. 彈簧；5. 磨輥；6. 磨電機(jī)及減速裝置；7. 風(fēng)粉混合物圖2 輥-環(huán)式磨煤機(jī)示意圖

輥-環(huán)式磨煤機(jī)的磨盤(pán)是通過(guò)磨電機(jī)及減速裝置帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)的，磨盤(pán)上有3個(gè)互呈120°的磨輥，磨輥在彈簧的作用下壓在磨盤(pán)上，磨盤(pán)的旋轉(zhuǎn)與磨輥發(fā)生摩擦并帶動(dòng)磨輥轉(zhuǎn)動(dòng)，在此期間原煤被碾磨成煤粉。碾磨后的煤粉在一次風(fēng)的帶動(dòng)下上升至粗粉分離器，經(jīng)過(guò)粗粉分離器合格的煤粉被一次風(fēng)送入爐膛進(jìn)行燃燒，較粗的不合格煤粉落入磨盤(pán)再繼續(xù)碾磨。

1.2 模型建立

在直吹式制粉系統(tǒng)中，原煤是通過(guò)刮板或皮帶傳送進(jìn)入磨煤機(jī)的，在這個(gè)過(guò)程中是需要一定輸送時(shí)間的，因此給煤量和進(jìn)入磨煤機(jī)內(nèi)的煤量是不同步的，通過(guò)質(zhì)量守恒可以得到：

(1)

式中：rm為進(jìn)入爐膛的煤粉量(kg/s)；rg為給煤機(jī)的給煤量(kg/s)；τ1為原煤從給煤機(jī)到磨煤機(jī)所需的輸送時(shí)間(s)。原煤從給煤機(jī)到進(jìn)入磨煤機(jī)中的輸送時(shí)間為τ1，τ1的大小和機(jī)組負(fù)荷有關(guān)，一般τ1取3～10 s。

進(jìn)入磨煤機(jī)的原煤通過(guò)擠壓變成煤粉，由一次風(fēng)攜帶送至爐膛，在其他變量都不發(fā)生變化的條件下，磨煤機(jī)磨出的煤粉量與磨煤機(jī)中正在研磨的煤量成正比關(guān)系[8]。

(2)

式中：ro為磨煤機(jī)磨出的煤粉量(kg/s)；M為在磨煤機(jī)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(shù)、原煤顆粒大小和原煤成分等因素確定。根據(jù)質(zhì)量守恒可建立微分方程：

(3)

研磨后細(xì)度合格的煤粉隨一次風(fēng)進(jìn)入爐膛同樣需要一定的輸送時(shí)間：

(4)

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

對(duì)公式(1)～(4)進(jìn)行拉普拉斯變換可以得到：

(5)

式(5)反映了進(jìn)入爐膛進(jìn)行燃燒的煤粉量對(duì)給煤機(jī)的給煤量是一階慣性加遲延的關(guān)系，慣性時(shí)間T1稱(chēng)為初始制粉慣性，遲延時(shí)間為輸送過(guò)程所花費(fèi)的總時(shí)間。

對(duì)于中速磨直吹式制粉系統(tǒng)，僅考慮進(jìn)入爐膛的煤粉量和給煤量的關(guān)系是不夠的，因?yàn)樵谥品圻^(guò)程中一次風(fēng)攜帶煤粉經(jīng)過(guò)粗粉分離器，細(xì)度合格的煤粉被送進(jìn)鍋爐進(jìn)行燃燒，不合格的煤粉返回磨煤機(jī)中繼續(xù)碾磨。因此，在制粉過(guò)程中一次風(fēng)有很重要的作用，若能在建立制粉系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型過(guò)程中考慮一次風(fēng)的作用，將會(huì)使建立的模型更具實(shí)際意義。

文獻(xiàn)[9]研究表明，中速磨直吹式制粉系統(tǒng)的慣性時(shí)間主要和磨煤機(jī)的初始制粉慣性及循環(huán)倍率有關(guān)，并且當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，只要磨煤機(jī)結(jié)構(gòu)及粗粉分離器擋板開(kāi)度確定，初始制粉慣性不會(huì)大幅度變化，但一次風(fēng)要隨著負(fù)荷變化，使循環(huán)倍率發(fā)生變化。圖3是磨煤機(jī)循環(huán)倍率隨一次風(fēng)速的特性曲線(xiàn)。

圖3 循環(huán)倍率特性曲線(xiàn)

磨煤機(jī)的循環(huán)倍率是表征磨煤機(jī)再循環(huán)煤粉量的參數(shù)。在其他參數(shù)不變的情況下，隨著一次風(fēng)量的增加，落回磨煤機(jī)中細(xì)度不合格的煤粉與一次風(fēng)帶出的煤粉比例減小，因此，隨著一次風(fēng)速增加，循環(huán)倍率是減少的。磨煤機(jī)的循環(huán)倍率和一次風(fēng)速的關(guān)系可以通過(guò)數(shù)據(jù)擬合的方法得到。工程上可以把循環(huán)倍率特性曲線(xiàn)擬合成直線(xiàn)。

k=k1qa+k2

(6)

式中：k為磨煤機(jī)循環(huán)倍率；qa為一次風(fēng)量(kg/s)；k1，k2為擬合系數(shù)。

通過(guò)以上分析可知，該模型輸入為給煤量rg和一次風(fēng)量qa，模型輸出為進(jìn)入爐膛的煤粉量rb。忽略煤粉從磨煤機(jī)出口到爐膛的管道傳輸時(shí)間，該兩輸入一輸出的動(dòng)態(tài)模型如圖4所示。

圖4 考慮一次風(fēng)作用的制粉系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型原理圖

由圖4可以得到:

(7)

式中：rb為進(jìn)入爐膛的煤粉量(kg/s)；rm為進(jìn)入磨煤機(jī)的原煤量(kg/s)；ro為磨煤機(jī)磨出的煤粉量(kg/s)；k為磨煤機(jī)循環(huán)倍率；T1為初始制粉慣性(s)；τ為遲延時(shí)間(s)。

通過(guò)分析可知，該兩入一出模型引入了一次風(fēng)變量更好地描述了制粉系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。但模型中只考慮了一次風(fēng)量對(duì)循環(huán)倍率的影響。

1.3 模型改進(jìn)

為了能更加準(zhǔn)確描述中速磨直吹式制粉系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，不能僅考慮一次風(fēng)量對(duì)循環(huán)倍率的影響。在機(jī)組增加負(fù)荷時(shí)，給煤機(jī)在鍋爐主控指令的作用下加入部分超調(diào)的原煤進(jìn)入磨煤機(jī)中，如果此時(shí)機(jī)組的運(yùn)行負(fù)荷較高并且磨煤機(jī)運(yùn)行狀態(tài)不佳時(shí)，磨煤機(jī)會(huì)發(fā)生臨界堵塞，即磨煤機(jī)的出力不能很好地跟隨負(fù)荷指令變化，反而是向反方向變化，一段時(shí)間后進(jìn)入鍋爐的煤粉量才隨指令正常變化。這種現(xiàn)象就說(shuō)明了磨煤機(jī)是一個(gè)非最小相位系統(tǒng)。在制粉系統(tǒng)實(shí)際工作中，中速磨煤機(jī)往往會(huì)出現(xiàn)上述的臨界堵塞狀態(tài)，這種堵塞現(xiàn)象是導(dǎo)致中速磨煤機(jī)是非最小相位系統(tǒng)的主要原因。為了體現(xiàn)磨煤機(jī)堵磨現(xiàn)象在模型中增加了入磨煤量rm對(duì)循環(huán)倍率k修正，可以體現(xiàn)出給煤量與送入爐膛煤粉量的關(guān)系。

工程實(shí)際中，循環(huán)倍率k與rm存在線(xiàn)性關(guān)系，可由式(8)表示：

k=kmrm

(8)

式中：km為計(jì)算風(fēng)煤比關(guān)系系數(shù)；rm為入磨煤量(kg/s)；k為循環(huán)倍率。

圖3中，一次風(fēng)量qa和循環(huán)倍率k的擬合曲線(xiàn)更接近倒數(shù)函數(shù)曲線(xiàn)，根據(jù)圖3可得如下關(guān)系式：

(9)

式中：ka1，ka2為一次風(fēng)量對(duì)循環(huán)倍率的擬合系數(shù)。

由式(8)、(9)可得，模型改進(jìn)后磨煤機(jī)的循環(huán)倍率計(jì)算式為：

(10)

式中：k1，k2為改進(jìn)后循環(huán)倍率的擬合系數(shù)。

改進(jìn)后的模型動(dòng)態(tài)圖如圖5所示。

圖5 改進(jìn)后的制粉系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型原理圖

對(duì)改進(jìn)后的動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行階躍擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，圖6是在仿真時(shí)間t=100 s時(shí)進(jìn)行一次風(fēng)階躍擾動(dòng)時(shí)煤粉量響應(yīng)曲線(xiàn)。仿真結(jié)果表明，模型改進(jìn)前和改進(jìn)后一次風(fēng)發(fā)生階躍擾動(dòng)時(shí)煤粉量響應(yīng)曲線(xiàn)一致，都具有實(shí)際微分特性。

圖6 一次風(fēng)增加時(shí)煤粉量響應(yīng)曲線(xiàn)

圖7 給煤量增加時(shí)煤粉量響應(yīng)曲線(xiàn)

圖7是在仿真時(shí)間t=100 s時(shí)進(jìn)行給煤量的階躍擾動(dòng)時(shí)煤粉量響應(yīng)曲線(xiàn)。 仿真結(jié)果表明，在增加給煤量時(shí)，改進(jìn)后的模型較改進(jìn)前的模型輸出響應(yīng)呈現(xiàn)出了非最小相位特性。

圖8是t=100 s時(shí)進(jìn)行給煤量及一次風(fēng)同時(shí)發(fā)生階躍擾動(dòng)時(shí)煤粉量響應(yīng)曲線(xiàn)。仿真結(jié)果表明，在加煤同時(shí)增加一次風(fēng)量，改進(jìn)后的模型仍表現(xiàn)出了非最小相位特性，但相對(duì)于圖7的輸出響應(yīng)，圖8的非最小相位量明顯減小。

圖8 一次風(fēng)和給煤量同時(shí)增加時(shí)響應(yīng)曲線(xiàn)

由仿真結(jié)果可以看出，改進(jìn)后的模型體現(xiàn)了磨煤機(jī)的臨界堵塞狀態(tài)，并且磨煤機(jī)處于臨界堵塞狀態(tài)時(shí)，通過(guò)增加一次風(fēng)量以及減少給煤量都能有效地減少磨煤機(jī)運(yùn)行中存在的非最小相位量。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)際機(jī)組運(yùn)行過(guò)程中，可以利用磨煤機(jī)運(yùn)行參數(shù)來(lái)反映出磨煤機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)[10-11]，相關(guān)參數(shù)包括磨煤機(jī)出入口風(fēng)壓差Pd(kPa)、磨煤機(jī)電流Im(A)以及磨煤機(jī)出口風(fēng)粉混合物溫度Tc(℃)這3項(xiàng)指標(biāo)。

圖9是某電廠(chǎng)C磨實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的參數(shù)曲線(xiàn)，該磨在t=300 s時(shí)增加了給煤量并且保持一次風(fēng)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(fēng)粉混合物出口溫度Tc顯著降低，這些數(shù)據(jù)說(shuō)明了在300 s時(shí)增加給煤量后進(jìn)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(shí)間內(nèi)進(jìn)入爐膛的煤粉量是減少的[12]。這體現(xiàn)了磨煤機(jī)在增加給煤量時(shí)的特性是非最小相位系統(tǒng)特性。

圖9 給煤量增加時(shí)磨煤機(jī)部分參數(shù)曲線(xiàn)

圖10中該臺(tái)磨煤機(jī)在t=1 500 s時(shí)增加給煤量的同時(shí)增加一次風(fēng)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(fēng)粉混合物出口溫度Tc略有降低。圖10說(shuō)明了在t=1 500 s時(shí)增加給煤量后，煤粉在磨煤機(jī)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(fēng)同時(shí)增加時(shí)磨煤機(jī)部分參數(shù)曲線(xiàn)

從圖7和圖9可以看出，在增加給煤量不增加一次風(fēng)量時(shí)，改進(jìn)后的動(dòng)態(tài)模型和實(shí)際系統(tǒng)都出現(xiàn)了磨煤機(jī)的臨界堵磨現(xiàn)象，表明了磨煤機(jī)是非最小相位系統(tǒng)。從圖8和圖10可以看出，在加煤加風(fēng)時(shí)磨煤機(jī)的非最小相位量較加煤不加風(fēng)時(shí)都明顯減小。通過(guò)比較可以看出改進(jìn)后模型的動(dòng)態(tài)特性較原始模型更貼近實(shí)際制粉系統(tǒng)的運(yùn)行特性。然而實(shí)際的制粉系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的時(shí)變的系統(tǒng)，它的特性會(huì)隨負(fù)荷、煤質(zhì)、一次風(fēng)等因素不斷變化，同時(shí)它的非最小相位量也是變化的。若需要進(jìn)一步準(zhǔn)確模擬制粉過(guò)程需要對(duì)改進(jìn)后的動(dòng)態(tài)模型參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

3 結(jié)論

本文闡述中速磨直吹式制粉系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)和工作原理，根據(jù)制粉系統(tǒng)的工作原理，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)理建模。通過(guò)對(duì)制粉系統(tǒng)的進(jìn)一步分析后對(duì)模型進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)的模型中增加了給煤量對(duì)循環(huán)倍率的影響，并利用MATLAB仿真得到了模型改進(jìn)后的制粉系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，通過(guò)使用一臺(tái)330 MW火電機(jī)組磨煤機(jī)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，得到如下結(jié)論：

(1)實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，在發(fā)電機(jī)組較大范圍變負(fù)荷時(shí)，磨煤機(jī)堵塞是造成負(fù)荷-壓力波動(dòng)較大的重要因素之一。

(2)改進(jìn)后的直吹式制粉系統(tǒng)模型較現(xiàn)有模型體現(xiàn)了煤粉細(xì)度對(duì)循環(huán)倍率的影響，更貼近實(shí)際火力發(fā)電廠(chǎng)磨煤機(jī)在臨界堵磨時(shí)的運(yùn)行特性。

(3)熟悉直吹式制粉系統(tǒng)特性后，通過(guò)合理調(diào)節(jié)給煤量和一次風(fēng)量，可避免使磨煤機(jī)出現(xiàn)堵磨，保證機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)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(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(973計(jì)劃)(2012CB215200)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)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?yàn)榘l(fā)電系統(tǒng)建模、仿真與優(yōu)化控制。