火電廠磨煤機(jī)磨負(fù)荷測量技術(shù)研究

火電廠磨煤機(jī)磨負(fù)荷測量技術(shù)研究

0球磨機(jī)制粉系統(tǒng)存煤量的測量鋼球磨坊機(jī)（球磨機(jī)）廣泛應(yīng)用于發(fā)電廠和發(fā)電廠。它具有運(yùn)行可靠、維護(hù)簡單、對(duì)煤種適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。在我國電站鍋爐制粉系統(tǒng)中,凡采用中間儲(chǔ)倉式結(jié)構(gòu),相當(dāng)一部分都配備了筒式低速球磨機(jī)。采用中間儲(chǔ)倉式結(jié)構(gòu)的制粉設(shè)備可靠性高,對(duì)煤種的適應(yīng)性廣,整個(gè)制粉系統(tǒng)相對(duì)來說與機(jī)組運(yùn)行具有一定的獨(dú)立性。這種制粉系統(tǒng)的出力不像直吹式制粉系統(tǒng)由機(jī)組負(fù)荷決定,而是應(yīng)盡量使其達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)工況運(yùn)行,即達(dá)到最大出力。而事實(shí)上大部分球磨機(jī)系統(tǒng)都在保守工況下運(yùn)行,制粉系統(tǒng)耗電率相當(dāng)大,主要原因之一是沒有一種準(zhǔn)確可靠的磨筒內(nèi)負(fù)荷(存煤量)測量手段,使得運(yùn)行人員只能犧牲其經(jīng)濟(jì)性而保守運(yùn)行,因?yàn)槟ネ矁?nèi)負(fù)荷一旦超過一定限度,將造成堵磨和跑粉事故的發(fā)生。磨煤機(jī)內(nèi)的存煤量(磨負(fù)荷)是一個(gè)很難直接測量的量,因?yàn)槟壳皞鞲衅魃胁荒馨惭b在筒體內(nèi)直接對(duì)負(fù)荷進(jìn)行測量。多年來人們對(duì)如何得到磨負(fù)荷最佳工作點(diǎn)做了大量的研究工作,其中一些還用到了比較先進(jìn)的檢測和數(shù)據(jù)處理方法,比如基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的軟測量方法和數(shù)據(jù)融合技術(shù)等。但沒有一種達(dá)到了實(shí)用和可靠滿意的程度。故目前大多數(shù)系統(tǒng)仍是用磨煤機(jī)入、出口之間壓差代表存煤量,使得最佳存煤量也就難以保證。因此,從經(jīng)濟(jì)性和安全性兩方面來講,尋找一種實(shí)用、可靠的測量煤量的方法是很有必要的。本文總結(jié)了多種檢測磨負(fù)荷的方法,并進(jìn)行了簡要的分析比較。1煤粉磨負(fù)荷的物理參數(shù)分析首先簡要介紹一下單進(jìn)單出鋼球磨煤機(jī)的工作原理。球磨機(jī)運(yùn)行時(shí),具有一定形狀的滾筒內(nèi)壁襯板帶動(dòng)鋼球和煤隨滾筒一起轉(zhuǎn)動(dòng),在離心力和摩擦力作用下被提升到一定高度,在重力作用下以拋物線形式跌落,形成落球沖擊。筒內(nèi)的煤受下落鋼球的撞擊作用,以及鋼球與鋼球、鋼球與護(hù)甲之間的擠壓和研磨作用而被破碎,磨制成煤粉。然后由冷風(fēng)、熱風(fēng)以及再循環(huán)風(fēng)將研磨成一定細(xì)度的煤粉吹出磨煤機(jī),供給爐膛燃燒。其中熱空氣既是干燥劑,又是煤粉輸送劑。干燥劑氣流速度越大,帶出煤粉量越多,磨煤機(jī)出力越大,煤粉也越粗。磨負(fù)荷是一個(gè)受諸多因素影響的呈現(xiàn)復(fù)雜關(guān)系的變量,文獻(xiàn)給出了磨負(fù)荷的理論計(jì)算公式。通過分析可以得出,磨負(fù)荷主要與以下變量有關(guān):磨入、出口差壓,磨內(nèi)負(fù)壓,給煤量,磨出口溫度,熱風(fēng)流量,循環(huán)風(fēng)流量。另外,隨著磨內(nèi)負(fù)荷的不同,磨電流、磨噪音信號(hào)、軸振動(dòng)信號(hào)也會(huì)出現(xiàn)一定的變化趨勢。綜合利用以上這些關(guān)系特性,可以開發(fā)多種磨負(fù)荷測量方法。2磨損負(fù)荷檢測方法的現(xiàn)狀針對(duì)球磨機(jī)內(nèi)存煤量無法直接檢測的問題,國內(nèi)外提出了多種間接測量煤量的方法,主要包括:2.1差壓信號(hào)出現(xiàn)錯(cuò)誤調(diào)整引起差壓信號(hào)不穩(wěn)定這是一種傳統(tǒng)的測量煤量的方法,也是目前應(yīng)用最廣泛的一種方法。當(dāng)風(fēng)量穩(wěn)定時(shí),存煤量變化會(huì)改變流通阻力,引起差壓變化,于是可以用測量得到的差壓信號(hào)調(diào)節(jié)給煤。但球磨機(jī)進(jìn)出口差壓信號(hào)并不是存煤量的單值函數(shù),而是存煤量、通風(fēng)量、磨煤機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的多元函數(shù),因此,差壓信號(hào)不能準(zhǔn)確地反映存煤量,故造成調(diào)節(jié)頻繁,運(yùn)行不穩(wěn)定。同時(shí),給煤對(duì)負(fù)壓、出口溫度也有一定的作用,因此系統(tǒng)各回路間不可避免地出現(xiàn)相互耦合。2.2球磨機(jī)負(fù)荷檢測方式經(jīng)長期的探索和大量試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn),球磨機(jī)在不同負(fù)荷時(shí)運(yùn)行的噪音不同。在負(fù)荷較小時(shí),由于存料量少,鋼球與球磨機(jī)金屬筒壁的撞擊機(jī)會(huì)多,產(chǎn)生的噪音較大;反之存料量較多時(shí),鋼球與物料混在一起,金屬間由于有較軟的煤屑起著緩沖作用,撞擊時(shí)發(fā)出的噪音就較小口。因此,可以通過球磨機(jī)的噪音來間接檢測球磨機(jī)內(nèi)負(fù)荷。最初,是用一種俗稱“電耳”的揚(yáng)聲器做為負(fù)荷檢測元件,但其抗干擾能力差,且安裝不便,故未推廣多久。文獻(xiàn)實(shí)地采集了兩個(gè)火電廠球磨機(jī)的噪聲信號(hào)并進(jìn)行分析。在離球磨機(jī)進(jìn)口部1/3、2/3處各安裝了聲音傳感器,在采樣的同時(shí)使用頻譜分析儀對(duì)球磨機(jī)前后聲音信號(hào)與前后軸的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。現(xiàn)場錄制持續(xù)了1個(gè)小時(shí),其間經(jīng)歷了給煤機(jī)的增、減負(fù)荷。然后對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行功率譜分析,得到對(duì)應(yīng)一定的球磨機(jī),通過選取不同中心頻率及長度的頻段,存在一個(gè)特征頻段可以準(zhǔn)確地反映球磨機(jī)負(fù)荷,以此方法來判斷反映球磨機(jī)負(fù)荷的特征頻段。而在特征頻段之外,則與負(fù)荷無關(guān)。2.3加煤過程的電流狀態(tài)根據(jù)經(jīng)驗(yàn),磨內(nèi)負(fù)荷小時(shí),磨煤機(jī)電流小;負(fù)荷增加時(shí),磨煤機(jī)電流隨之增加。如果啟動(dòng)一臺(tái)空磨,然后緩慢向磨中加煤,則電流將穩(wěn)定增加直至最大。如加煤過量,則電流會(huì)再次下降。中間有一個(gè)電流峰值。至于加煤過程中為什么電流會(huì)下降,主要是因?yàn)橹亓χ行膶⑾蚰サ闹行霓D(zhuǎn)移,最終會(huì)看到磨的電功率消耗是依據(jù)磨的加煤量。因此文獻(xiàn)認(rèn)為,利用磨電流代替存煤量參與球磨機(jī)負(fù)荷控制,使其處于最佳載煤量運(yùn)行,將大大提高制粉系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。當(dāng)然還需考慮鋼球裝載量和制粉系統(tǒng)通風(fēng)量的變化,不同的鋼球裝載量及通風(fēng)量,制粉出力是不同的。2.4軸振特征譜識(shí)別球磨機(jī)運(yùn)行時(shí),鋼球隨滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)筒內(nèi)有煤時(shí),落下的鋼球與下面的煤和其它的鋼球以及筒壁發(fā)生碰撞,鋼球的一部分動(dòng)量被煤粉吸收,實(shí)現(xiàn)煤粉的碾磨過程;還有一部分動(dòng)量通過滾筒傳遞給軸承,引起軸承的振動(dòng)。雖然引起軸承振動(dòng)的原因很復(fù)雜,除去鋼球的沖擊外,還包括傳動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)、各部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不對(duì)稱造成的振動(dòng)、安裝誤差引起的振動(dòng)等多種因素,但這些因素引起的振動(dòng)都有特定的固有頻率,其頻譜特性不會(huì)隨筒內(nèi)載煤量的變化而變化。由于筒內(nèi)的煤直接參與落下鋼球的動(dòng)量分配過程,所以軸振頻譜應(yīng)該與筒內(nèi)載煤量有直接的對(duì)應(yīng)關(guān)系。如能在軸振頻譜中識(shí)別出與載煤量有關(guān)的特征譜,就能有效測定不同工況下的筒內(nèi)載煤量。球磨機(jī)軸承振動(dòng)的頻譜特性包括三部分:軸承振動(dòng)位移頻譜特性、軸承振動(dòng)加速度頻譜特性和軸承振動(dòng)速度頻譜特性。在球磨機(jī)負(fù)荷變化時(shí),球磨機(jī)軸承振動(dòng)位移頻譜特性始終不變,而球磨機(jī)軸承振動(dòng)垂直分量的加速度頻譜特性比其速度頻譜特性反應(yīng)更靈敏;又球磨機(jī)前軸承振動(dòng)的頻譜特性比后軸承要好。由此可以看出:用球磨機(jī)前軸振動(dòng)垂直分量的加速度信號(hào)來表征球磨機(jī)負(fù)荷是比較合適的。文獻(xiàn)根據(jù)對(duì)測得軸振圖譜的分析,結(jié)合球磨機(jī)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境及特點(diǎn),提出了依據(jù)球磨機(jī)軸振特征譜識(shí)別確定筒內(nèi)載煤量的方法。圖1為該方法的原理框圖。由內(nèi)置電路加速度傳感器拾取軸振信號(hào),預(yù)處理電路除為傳感器提供電源外,還可對(duì)一次信號(hào)做適當(dāng)調(diào)整。經(jīng)處理后的信號(hào)以標(biāo)準(zhǔn)形式輸出至控制設(shè)備或顯示儀表。結(jié)果表明,振動(dòng)量信號(hào)測取方便,反映給煤變化的動(dòng)態(tài)靈敏度高,純遲延小。由現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)看出,從給煤機(jī)增加給煤量后30s左右,振動(dòng)變送器電流立即變化,并隨著負(fù)荷增加電流減小,而鋼球磨出口風(fēng)壓則需2～3min才有變化;當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)風(fēng)量發(fā)生變化時(shí),反映鋼球磨振動(dòng)變送器電流值幾乎不變,而鋼球磨進(jìn)出口差壓則變化很大?？梢?用振動(dòng)量信號(hào)表征負(fù)荷,可以克服風(fēng)量對(duì)負(fù)荷信號(hào)的影響,提高了控制信號(hào)的靈敏度,并使控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單。2.5基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分工況學(xué)習(xí)分析了制粉系統(tǒng)球磨機(jī)磨筒內(nèi)負(fù)荷(存煤量)的各種影響因素及影響特性,文獻(xiàn)提出了基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測量磨筒內(nèi)負(fù)荷的軟測量方法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自學(xué)習(xí)、聯(lián)想記憶、自適應(yīng)和非線性逼近等功能,所以模型的在線校正能力強(qiáng),可以適用于高度非線性和嚴(yán)重不確定性系統(tǒng),是解決復(fù)雜系統(tǒng)過程參數(shù)軟測量問題的一種較為理想的方法。根據(jù)前面的分析,影響磨內(nèi)負(fù)荷準(zhǔn)確測量的因素很多而特性十分復(fù)雜,同時(shí)它的變化又會(huì)在其它一些量的變化上反映出來。因此,為了更好地利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法測量磨內(nèi)負(fù)荷,文獻(xiàn)提出了分工況學(xué)習(xí)的變結(jié)構(gòu)式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測量方法,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中NN1用于正常工況的測量,NN2用于堵磨工況的測量。由于正常情況下,磨內(nèi)負(fù)荷與給煤量、熱風(fēng)量、再循環(huán)風(fēng)量、磨出口溫度、入出口差壓、磨煤機(jī)電流等的函數(shù)關(guān)系比較清楚,易于建模,對(duì)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練能夠收斂和表達(dá)。但在堵磨情況下磨入出口差壓、入口負(fù)壓與磨內(nèi)負(fù)荷的關(guān)系變得異常。此時(shí)如果還用入出口差壓和磨負(fù)壓作為NN2的輸入,或者是只利用一個(gè)NN1,則神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)迭代次數(shù)和收斂性能均會(huì)受到很大的影響。因此在堵磨工況下采用了NN2專門對(duì)其特性進(jìn)行辨識(shí)。實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證結(jié)果比較理想。2.6d-s證據(jù)理論融合過程數(shù)據(jù)融合技術(shù)自20世紀(jì)70年代末提出以來,得到了迅速發(fā)展,其定義概括為:利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)按時(shí)序獲得的若干傳感器的測量數(shù)據(jù)在一定準(zhǔn)則下加以自動(dòng)分析、綜合以完成所需的決策和估計(jì)任務(wù)而進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的過程。在目標(biāo)模式識(shí)別方面,D-S證據(jù)應(yīng)用比較廣泛,其最大優(yōu)點(diǎn)是可以綜合利用各種對(duì)目標(biāo)模式提供支持信息,提高判斷可靠性。當(dāng)發(fā)生堵磨之前,影響磨負(fù)荷的那些量都有征兆性變化,這些變化可以用做數(shù)據(jù)融合的依據(jù)。盡管可以利用入出口差壓、磨電流,軸承振動(dòng)信號(hào)等單個(gè)因素判斷磨負(fù)荷的狀態(tài),但每一個(gè)的可信度都不是很高。D-S證據(jù)的特點(diǎn)是可以綜合利用各種有用信息,具有更好的判斷能力和更高的判斷可信度。數(shù)據(jù)融合有分布式融合和集中式融合之分,D-S證據(jù)理論融合過程一般屬于分布式融合,如圖3所示。傳感器輸出首先經(jīng)過基本信度分配得到傳感器所支持的目標(biāo)模式及其可信度,然后采用D-S證據(jù)理論中的合并規(guī)則和決策邏輯對(duì)所有傳感器輸出信息進(jìn)行綜合,最后給出被融合的識(shí)別結(jié)果。采用這種方法成功與否的關(guān)鍵之一就是如何比較客觀的對(duì)基本信度函數(shù)進(jìn)行分配。由于受到各種因素影響,其往往都帶有一定主觀性。文獻(xiàn)中采用模糊數(shù)學(xué)中隸屬度函數(shù)的方法來確定各個(gè)信度函數(shù)分配值。并將磨的最佳負(fù)荷工作點(diǎn)判斷目標(biāo)模式分為4個(gè):“不經(jīng)濟(jì)狀態(tài)”,“最佳工作狀態(tài)”,“堵磨狀態(tài)”和“不確定狀態(tài)”。最后依據(jù)一定目標(biāo)模式判別規(guī)則,對(duì)磨負(fù)荷情況進(jìn)行判斷。3有助于解決好載煤量測量中的問題①采用球磨機(jī)進(jìn)出口差壓信號(hào)或粗粉分離器出口與鋼球磨入口差壓來近似反應(yīng)磨負(fù)荷,方法簡單,應(yīng)用也很廣泛。但是,用這個(gè)差壓信號(hào)調(diào)節(jié)煤量存在著純遲延大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、變量間耦合嚴(yán)重等問題(差壓表指示易受風(fēng)量和溫度影響),使運(yùn)行中表計(jì)指示與實(shí)際運(yùn)行狀況有一定的偏差,很難保持最佳存煤量,致使鋼球磨經(jīng)常堵煤、超溫、欠煤,偏離最佳工況,由此引起每年多耗的電能和設(shè)備損耗是很可觀的。②利用測量滾筒噪音的方法來反映磨負(fù)荷,現(xiàn)場利用效果好,但當(dāng)煤種、水分等發(fā)生變化時(shí),存煤量所對(duì)應(yīng)的噪聲電流有所不同。此外,周圍其它球磨機(jī)噪音的影響不能消除,需要使用其他信號(hào)處理方法加以克服。③盡管在一定條件下磨電流和磨負(fù)荷存在一定對(duì)應(yīng)關(guān)系,但從空磨到滿磨,磨煤機(jī)電流變化范圍很小,且易受其它因素影響,故載煤量難以準(zhǔn)確表達(dá)。④用軸振信號(hào)來表征磨內(nèi)煤量是一種行之有效的方法。在此基礎(chǔ)上,采用一種合適的信號(hào)處理技術(shù),找出振動(dòng)信號(hào)與存煤量的關(guān)系,將能有效解決球磨機(jī)載煤量的測量問題。但現(xiàn)場環(huán)境惡劣,噪聲干擾比較嚴(yán)重,抗干擾性和準(zhǔn)確性有待提高。⑤采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行軟測量是目前比較流行的一種方法。但該方法存在著訓(xùn)練樣本的選取、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)泛化能力有限等問題,而且用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的導(dǎo)師信號(hào)不能準(zhǔn)確獲得。另外,目前電廠過程控制廣泛應(yīng)用DCS系統(tǒng),其主要功能是針對(duì)實(shí)時(shí)控制,計(jì)算能力和精度都有限,不適合進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算,這些原因限制了此類方法在現(xiàn)場中的應(yīng)用。⑥基于D-S證據(jù)理論的數(shù)據(jù)融合方法綜合了多個(gè)傳感器的信息,并利用一定規(guī)則進(jìn)行融合判斷,效果要好于單個(gè)傳感器。但該方法的核心問題即信度函數(shù)值分配問題一直沒有得到較好解決,需結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)。而且它只能判