许润、裘迅斌、傅海浩
1、前言
制粉系统是火力发电厂最重要的系统之一，它的任务就是按照规定的煤粉精细度和水分制出锅炉所需要的煤粉，将其输送到炉膛，以保证锅炉稳定、经济运行。其中钢球磨煤机是制粉系统的关键设备，在国内发电厂中钢球磨煤机占各类磨煤机总量的60%以上。钢球磨煤机的优点是运行可靠、维护简单、对煤种适应性强和检修费用低等；缺点是电耗高(耗电量约占厂用电量的25% ) 、运行复杂、噪音大、耗钢多、磨损。同时，钢球磨煤机在其它行业也有广泛的应用，主要应用于以下场合：
中储式煤粉炉筒式钢球磨煤机
直吹式煤粉炉双进双出钢球磨
建材行业水泥生料粉磨、煤粉制备磨机
冶金及其他行业筒式钢球磨
钢球磨煤机是一个非线性、大滞后、大惯性、强耦合，以及具有多种不确定性扰动的多变量对象。由于原煤水分、煤质(挥发分、灰分、可磨性等)的变化，以及钢球、衬板磨损等原因，不仅特性复杂，而且时变缓慢，使磨煤、干燥、输送出力难以相互优化匹配。
2、当前现状
对于制粉系统的自动控制，尤其是钢球磨的优化控制国内外都有相关的研究，提出预测控制、解藕控制等控制方案，但往往难以与球磨机的实际特性很好地结合，目前行业应用中最常采用的是常规控制或音频控制的方案。
以中储式热风送粉煤粉炉为案例，常规控制将控制系统设计为3个互为独立的控制回路，采用热风门控制球磨机出口温度，再循环风门控制入口负压，给煤量控制球磨机出入口差压形成3套独立的PID控制回路。通过机理分析可知，钢球磨煤机的3个控制回路间耦合非常严重。因此，一个系统中如果有各自独立的系统，控制品质就会很差，很难保证长期稳定运行，在电力实际生产中很大程度上仍需要手动控制，制粉系统很难工作在最佳工况，磨煤电耗高、经济性差。
目前在电力系统更多应用音频信号控制磨煤机负荷，但一方面要增加音频检测设备及专用控制器的投资，另外需要经常手动标定修正，因此难以长期稳定有效的投入自动。利用音频料位长期自动投入音频设备控制存在以下问题：
1、钢球的加入量影响音频信号，指示料位会出现偏差；料位装置需进行人工修正，而且只能在控制器上修正，DCS不能进行修正。
2、煤质的变化，特别是煤含水量的变化，音频信号难以确保最佳料位不会偏移运行在理想状态。
通过对制粉系统工艺及传统控制方案难于长期稳定投入的机理分析，笔者利用中控DCS控制系统为基础，采用自寻优算法、超弛控制、给煤机转速分程非线性控制等先进算法组合实现磨煤机最佳存煤负荷量运行，可使制粉系统实现安、稳、优运行。笔者在某电厂采用以上控制策略，实践证明，采用新的控制方案后，能够较好的解决磨机自动回路投入困难及节能效果不佳的问题。
3、工艺及控制机理分析
笔者采用功率电流法原理，根据钢球磨运行电量信号对料位信号的逆转反应特点，进行控制算法的编制及调试。一般情况下，磨煤机随着给煤量的增加磨煤机内的料位不断升高，此时磨煤机的电流也随之增加（同时也表现为磨煤机的功率增加），当磨煤机的料位达到一定值时，随着料位的升高磨煤机的电流会下降变化（同时也表现为磨煤机的功率下降），这个从上升到下降过程的转折点在这里称为拐点，磨煤机的最佳料位就在这个拐点附近的优化区，这也是磨煤机的最佳工作负荷位置见图1。根据磨煤机运行机理，优化区内磨煤机产量达最大，运行时应控制在这个料位值，磨煤机最经济运行。
在进行此方案的实施前，需要根据工艺运行情况进行磨煤机钢球装载量与钢球补充机制的试验，并根据实际运行工况进行给煤机分程运行试验及数据记录，控制程序依据以上两条试验数据及时修正偏差，使之正确执行，防止出现异常情况。
自寻优钢球磨煤机负荷优化控制策略包括三个环节：1、采集磨煤机的电流信号并将电流信号传送到电流信号处理模块中；2、在此模块中对电流信号进行处理，找到最佳磨煤机负荷的电流；3、将此最佳电流值送到磨煤机给煤调整回路中并对给煤机的速度进行调整。
磨煤机电流采集与输送环节，是将磨煤机电流信号通过变送器转换为4-20mA信号，通过信号电缆传送到电流信号处理模块中。
电流信号处理模块包括接收、运算处理及输出4-20mA电流信号处理模块，通过对磨煤机的电流或是功率的记录计算找到拐点，计算出磨煤机处于最佳优化区域内时磨煤机的电流值，输出到磨煤机的给煤调整回路中。
磨煤机的给煤调整回路接收来自电流信号处理模块的电流信号作为给煤机控制回路的设定值，磨煤机的实测电流作为给煤机调整回路的测量值对给煤机的给煤量进行调整，使磨煤机的料位维持在最佳状态，也就保证了给煤机的负荷处于最佳状态。
在算法的实现中，核心是进行电流信号的数据采集及优化分析，对电流信号进行合理的数据处理算法的编制，防止出现因为信号抖动或干扰造成的优化区判断异常。在实际的调试及投运过程中，还需要考虑例如满罐、堵煤等各种异常情况下对算法的干扰。若判断出磨出口即将堵煤,则切换至相应的堵煤异常处理程序；若判断出给煤机断煤,则控制系统自动切换到断煤异常处理程序；通过对相关参数的判别,发现制粉系统的运行工况由于煤种、湿度及钢球装载量发生变化而导致运行工况的改变,则控制系统将通过控制策略的自适应调整机制,修正原有的控制策略,确保整个控制系统具有良好的自适应能力。
4、结束语
采用笔者的钢球磨优化控制方案进行工程实施时，相比目前电力系统普遍采用的电耳信号、差压信号等控制方案，有如下优点：
1、基本无硬件投资，反应磨机料位信号更为准确，基本不受煤的湿度与煤质的影响，人机界面友好；
2、不需要进行建模，根据现场实际使用情况对原有方案进行修正就能满足其它机组控制方案的实现；
3、给煤机转速分段非线性控制与自寻优算法的有效结合，最能适应磨煤机从低负荷到最佳负荷过程中对象的逆转反应特性，实现磨煤机负荷的自寻优控制。
采用本控制方案所产生的经济技术指标：
1、相同负荷下，减少磨机运行时间，降低制粉电耗，根据某电站蒸汽量为410T/H的锅炉制粉电耗统计：采用最佳存煤量为基础的策略应用的案例，同一台锅炉制粉自动投入前制粉电耗约为28度/吨，自动投入后为26度/吨,节电约 2 度/吨，节电率在7.2%左右。
2、稳定投入自动将使磨机长期在最佳料位方式下运行，最大限度地减少了钢球损耗率及对金属衬板的无用功磨损，增长设备的寿命及检修周期。
3、设备额定负荷、负压、温度参数压红线的自动控制，使磨组的负荷出力及干燥处理等指标得以保证，防止满罐、堵煤事故的发生，减轻运行人员的操作强度。
