孟令虎，劉鑫屏

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

中速磨直吹式制粉系統(tǒng)動態(tài)模型及其改進

孟令虎，劉鑫屏

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

現(xiàn)有的中速磨直吹式制粉系統(tǒng)動態(tài)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(huán)倍率對一次風(fēng)量與給煤量的函數(shù)關(guān)系，在現(xiàn)有模型基礎(chǔ)上利用機理建模法建立改進的兩入一出制粉系統(tǒng)動態(tài)模型。對改進后的模型進行仿真實驗，實驗表明，該動態(tài)模型很好地體現(xiàn)了磨煤機在增加給煤量時的非最小相位特性。經(jīng)某電廠330 WM機組制粉系統(tǒng)實際運行數(shù)據(jù)驗證，中速磨直吹式制粉系統(tǒng)在增加給煤量時確實出現(xiàn)了臨界堵磨現(xiàn)象，該現(xiàn)象很好地驗證了改進后模型的正確性。

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

0 引言

分析直吹式制粉系統(tǒng)動態(tài)特性，建立具有非最小相位特性的制粉系統(tǒng)動態(tài)模型具有重要意義。首先建立準確的制粉系統(tǒng)模型可使電廠運行人員熟悉設(shè)備特性。其次，制粉系統(tǒng)對象的特性直接影響到協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的控制性能，利用準確的制粉系統(tǒng)模型進行仿真試驗，控制系統(tǒng)設(shè)計人員可以優(yōu)化控制參數(shù)和改進控制方案。

由于制粉系統(tǒng)的特性直接關(guān)系到機組的安全經(jīng)濟運行，因此，目前針對直吹式制粉系統(tǒng)，許多學(xué)者在建立其模型方面做出了大量工作。文獻[1-2]給出了直吹式制粉系統(tǒng)慣性加純遲延的動態(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[3-4]通過擬合循環(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)作用下的實際微分特性模型。文獻[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(tǒng)，但都沒有反映出制粉系統(tǒng)發(fā)生堵磨時的運行特性。

為了建立可準確反映制粉系統(tǒng)運行特性的動態(tài)模型，本文首先分析了直吹式制粉系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點和工作原理，使用數(shù)據(jù)擬合法得到磨煤機循環(huán)倍率與一次風(fēng)及給煤量的關(guān)系，利用機理分析構(gòu)建一次風(fēng)及給煤量對入爐煤量的動態(tài)模型，該模型不僅可以反映出制粉系統(tǒng)正常工作時的特性還可以體現(xiàn)制粉系統(tǒng)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(tǒng)運行數(shù)據(jù)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(tǒng)模型提供一種新思路。

1 對象模型

1.1 直吹式制粉系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

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(shè)備就構(gòu)成了制粉系統(tǒng)。目前在300 WM及以上機組中廣泛運用直吹式制粉系統(tǒng)，直吹式制粉系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1. 原煤倉；2：磅秤；3. 給煤機；4. 磨煤機；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；11. 一次風(fēng)機；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；16. 調(diào)溫冷風(fēng)門圖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(fēng)吹入爐膛進行懸浮燃燒，完成化學(xué)能向熱能轉(zhuǎn)換。

磨煤機是制粉系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，按轉(zhuǎn)速可分為低速磨煤機、中速磨煤機和高速磨煤機，其中輥-環(huán)式中速磨煤機(MPS)應(yīng)用較多，輥-環(huán)式中速磨煤機的結(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. 磨電機及減速裝置；7. 風(fēng)粉混合物圖2 輥-環(huán)式磨煤機示意圖

輥-環(huán)式磨煤機的磨盤是通過磨電機及減速裝置帶動旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)與磨輥發(fā)生摩擦并帶動磨輥轉(zhuǎn)動，在此期間原煤被碾磨成煤粉。碾磨后的煤粉在一次風(fēng)的帶動下上升至粗粉分離器，經(jīng)過粗粉分離器合格的煤粉被一次風(fēng)送入爐膛進行燃燒，較粗的不合格煤粉落入磨盤再繼續(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(nèi)的煤量是不同步的，通過質(zhì)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(guān)，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(fēng)攜帶送至爐膛，在其他變量都不發(fā)生變化的條件下，磨煤機磨出的煤粉量與磨煤機中正在研磨的煤量成正比關(guān)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(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)

研磨后細度合格的煤粉隨一次風(fēng)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(fēng)壓和一次風(fēng)速較大，遲延時間τ2相對較小，一般取3～5 s。一次風(fēng)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(guān)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(tǒng)，僅考慮進入爐膛的煤粉量和給煤量的關(guān)系是不夠的，因為在制粉過程中一次風(fēng)攜帶煤粉經(jīng)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(xù)碾磨。因此，在制粉過程中一次風(fēng)有很重要的作用，若能在建立制粉系統(tǒng)的動態(tài)模型過程中考慮一次風(fēng)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(tǒng)的慣性時間主要和磨煤機的初始制粉慣性及循環(huán)倍率有關(guān)，并且當負荷變化時，只要磨煤機結(jié)構(gòu)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(fēng)要隨著負荷變化，使循環(huán)倍率發(fā)生變化。圖3是磨煤機循環(huán)倍率隨一次風(fēng)速的特性曲線。

圖3 循環(huán)倍率特性曲線

磨煤機的循環(huán)倍率是表征磨煤機再循環(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，落回磨煤機中細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。磨煤機的循環(huán)倍率和一次風(fēng)速的關(guān)系可以通過數(shù)據(jù)擬合的方法得到。工程上可以把循環(huán)倍率特性曲線擬合成直線。

k=k1qa+k2

(6)

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

通過以上分析可知，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(tài)模型如圖4所示。

圖4 考慮一次風(fēng)作用的制粉系統(tǒng)動態(tài)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(huán)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(fēng)變量更好地描述了制粉系統(tǒng)的動態(tài)特性。但模型中只考慮了一次風(fēng)量對循環(huán)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(tǒng)的動態(tài)特性，不能僅考慮一次風(fēng)量對循環(huán)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(diào)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(tài)不佳時，磨煤機會發(fā)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(xiàn)象就說明了磨煤機是一個非最小相位系統(tǒng)。在制粉系統(tǒng)實際工作中，中速磨煤機往往會出現(xiàn)上述的臨界堵塞狀態(tài)，這種堵塞現(xiàn)象是導(dǎo)致中速磨煤機是非最小相位系統(tǒng)的主要原因。為了體現(xiàn)磨煤機堵磨現(xiàn)象在模型中增加了入磨煤量rm對循環(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。

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

k=kmrm

(8)

式中：km為計算風(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的擬合曲線更接近倒數(shù)函數(shù)曲線，根據(jù)圖3可得如下關(guān)系式：

(9)

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

由式(8)、(9)可得，模型改進后磨煤機的循環(huán)倍率計算式為：

(10)

式中：k1，k2為改進后循環(huán)倍率的擬合系數(shù)。

改進后的模型動態(tài)圖如圖5所示。

圖5 改進后的制粉系統(tǒng)動態(tài)模型原理圖

對改進后的動態(tài)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(fēng)階躍擾動時煤粉量響應(yīng)曲線。仿真結(jié)果表明，模型改進前和改進后一次風(fēng)發(fā)生階躍擾動時煤粉量響應(yīng)曲線一致，都具有實際微分特性。

圖6 一次風(fēng)增加時煤粉量響應(yīng)曲線

圖7 給煤量增加時煤粉量響應(yīng)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(yīng)曲線。 仿真結(jié)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(yīng)呈現(xiàn)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(fēng)同時發(fā)生階躍擾動時煤粉量響應(yīng)曲線。仿真結(jié)果表明，在加煤同時增加一次風(fēng)量，改進后的模型仍表現(xiàn)出了非最小相位特性，但相對于圖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)和給煤量同時增加時響應(yīng)曲線

由仿真結(jié)果可以看出，改進后的模型體現(xiàn)了磨煤機的臨界堵塞狀態(tài)，并且磨煤機處于臨界堵塞狀態(tài)時，通過增加一次風(fēng)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(shù)來反映出磨煤機的運行狀態(tài)[10-11]，相關(guān)參數(shù)包括磨煤機出入口風(fēng)壓差Pd(kPa)、磨煤機電流Im(A)以及磨煤機出口風(fēng)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(shù)曲線，該磨在t=300 s時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(nèi)進入爐膛的煤粉量是減少的[12]。這體現(xiàn)了磨煤機在增加給煤量時的特性是非最小相位系統(tǒng)特性。

圖9 給煤量增加時磨煤機部分參數(shù)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(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(fēng)同時增加時磨煤機部分參數(shù)曲線

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，改進后的動態(tài)模型和實際系統(tǒng)都出現(xiàn)了磨煤機的臨界堵磨現(xiàn)象，表明了磨煤機是非最小相位系統(tǒng)。從圖8和圖10可以看出，在加煤加風(fēng)時磨煤機的非最小相位量較加煤不加風(fēng)時都明顯減小。通過比較可以看出改進后模型的動態(tài)特性較原始模型更貼近實際制粉系統(tǒng)的運行特性。然而實際的制粉系統(tǒng)是一個復(fù)雜的時變的系統(tǒng)，它的特性會隨負荷、煤質(zhì)、一次風(fēng)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(tài)模型參數(shù)進行調(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，對系統(tǒng)進行機理建模。通過對制粉系統(tǒng)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(huán)倍率的影響，并利用MATLAB仿真得到了模型改進后的制粉系統(tǒng)的動態(tài)特性，通過使用一臺330 MW火電機組磨煤機的運行數(shù)據(jù)進行驗證，得到如下結(jié)論：

(1)實際運行數(shù)據(jù)顯示，在發(fā)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(tǒng)模型較現(xiàn)有模型體現(xiàn)了煤粉細度對循環(huán)倍率的影響，更貼近實際火力發(fā)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(tǒng)特性后，通過合理調(diào)節(jié)給煤量和一次風(fēng)量，可避免使磨煤機出現(xiàn)堵磨，保證機組穩(wěn)定運行。

[1] 田亮,曾德良,劉吉臻,等. 簡化的330 MW機組非線性動態(tài)模型[J]. 中國電機工程學(xué)報,2004,24(8):183-187.

[2] 丁承剛,郭士義,龔燕雯,等. 電站鍋爐制粉系統(tǒng)模型的建立與應(yīng)用[J]. 鍋爐技術(shù),2016,47(1):5-8.

[3] 田丹,田亮,劉鑫屏,等.中速磨直吹式制粉系統(tǒng)的動態(tài)模型[J].電力科學(xué)與工程，2008,24(9):41-44.

[4] 張銳鋒,潘華,李小軍,等. 制粉系統(tǒng)動態(tài)特性對協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的影響[J].熱力發(fā)電,2015,44(7):78-82.

[5] 曾德良,高珊,胡勇. MPS型中速磨煤機建模與仿真[J]. 動力工程學(xué)報,2015,35(1):55-61.

[6] 魏樂,苑召雄,閆媛媛,等. 基于系統(tǒng)動力學(xué)的MPS中速磨煤機建模與仿真[J]. 熱力發(fā)電,2016,45(8):26-30，42.

[7] 宋增旺,成凱. MPS與ZGM型中速磨煤機比較[J]. 中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2016(8):30.

[8] 秦志明,劉吉臻,張欒英,等. 直流爐機組簡化非線性動態(tài)模型[J].動力工程學(xué)報,2013,33(12):955-961.

[9] 劉鑫屏．熱力發(fā)電過程建模與狀態(tài)參數(shù)檢測研究[D]．北京：華北電力大學(xué)，2010．

[10] 趙雯文,田亮,張銳鋒. 電站鍋爐一次風(fēng)系統(tǒng)模型[J]. 華北電力大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2015,42(2):84-90.

[11] 廖海燕,張維,余學(xué)海,等. 200 MW富氧燃煤電廠制粉系統(tǒng)及磨煤機參數(shù)研究[J].中國電力,2016,31(1):23-27，32.

[12] 張競爭. ZGM型中速磨煤機堵塞故障的分析與預(yù)測[J]. 熱能動力工程,2016,31(9):125-128，140.

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(chǔ)研究發(fā)展計劃項目(973計劃)(2012CB215200)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)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(fā)電系統(tǒng)建模、仿真與優(yōu)化控制。