1 選題背景鍋爐的制粉系統是火力發電廠的重要組成部分。其任務是根據鍋爐燃燒的要求，磨制出合格的煤粉，以保證鍋爐安全、穩定、經濟運行。球磨機運行時，其噪音很大、鋼球及襯板磨損量也很大。它是一個具有非線性、大滯后、強耦合和具有多種不確定性擾動的多變量對象。另外，由于原煤水份、煤質(揮發份、灰份、可磨性指數等)的變化，以及鋼球、襯板磨損等原因，球磨機不僅特性復雜，而且緩慢時變，使得對其優化和控制難度很大。磨煤、干燥、輸送出力之間難以優化匹配，制粉電耗(包括磨煤電耗和通風輸粉電耗)長期居高不下，以致制粉系統長期在低負荷下運行，經濟性很差。　　目前，國內大部分球磨機制粉系統的控制都是由運行人員手動操作完成。長期在手動控制方式下，經常會導致球磨機滿磨、軸封冒粉、出口溫度超溫或偏低等許多事故的發生，嚴重影響了制粉系統的安全、穩定、環保運行。另外，球磨機制粉系統在手動操作方式下，經常運行于煤位偏低、通風量偏大工況，致使制粉單耗長期偏高。因此，在保證球磨機制粉系統安全穩定運行的前提下，如何降低制粉單耗，提高經濟效益，就成為火電廠節能降耗的一個關鍵所在。　　早在1963年電力部大抓火電廠自動化試點工作時，電力部就將球磨機制粉系統的自動化列為重點課題。但由于主設備不完善、堵煤嚴重、技術水平有限等原因，使之自動化投入率很低，投用效果也很不理想。隨著國家電力體制的改革，廠網分開、競價上網政策的出臺。在保證電廠運行安全性的前提下，電廠運行的經濟性日益受到重視。　　因此，球磨機制粉系統作為火電廠的耗電大戶，其節能改造和優化運行就成為各發電廠的關注焦點。在中儲式球磨機制粉系統中，決定球磨機出力和經濟性的的主要因素有：鋼球裝載量，鋼球的球徑配比，磨筒內煤的料位，磨的通風量，磨的出口溫度，煤質(煤的可磨性系數、灰份含量、煤的水份)，粗粉分離器的擋板開度， 細粉分離器的擋板開度，磨的軸封等。碳鋼球

　　2 球磨機制粉系統料位軟測量的現狀與發展 球磨機制粉系統中各運行參數的可測量化是實現系統運行優化與控制的前提。對球磨機內存煤量的有效測量是制粉系統進行優化和控制的關鍵問題之一。磨煤機料位的主要測量方法有：　　2．1 差壓法 到目前為止，差壓法是很多廠家用來判定球磨機內料位(或存煤量)的方法。球磨機進出口差壓信號在一定程度上能間接反映筒內的存煤量情況，當球磨機正常運行且在其它條件不變的情況下，磨進出口壓差越大，說明筒內存煤量越多，反之磨進出口壓差越小，筒內存煤量越少。但是差壓信號易受其它因素，如通風量，煤質及鋼球裝載量等的影響，因此用它來反映存煤量，其動態響應較慢、可靠性較差，難以保證球磨機維持在最佳存煤量運行，導致自動控制系統難以長期投入運行。　　2．2 音頻法 音頻法的原理是通過音頻傳感器或傳聲器采集音頻信號，根據不同的存煤量狀態下工作時其滾筒發出的噪音不同來判斷存煤量。經驗運行表明當球磨機內存煤量少時，鋼球間及銅球與簡體的撞擊機會將增大，發出的聲音頻率高，聲強大；而當存煤量多時，金屬間由于有較軟的煤屑起著緩沖作用，發出的聲音頻率低，聲強弱。利用音頻信號反映料位的典型系統是陜西天安智能公司的TCS200球磨機存煤量監控系統，其工作機理提取能敏感反映煤位高低的聲信號特征量(經帶通濾波后音頻信號的有效值)，來表征存煤量。　　浙江大學的吳志敏等經研究發現，對球磨機的聲信號進行小波包分解后，隨著煤位由高到低變化，相應的各頻道聲信號幅度大致由小到大遞增，且尤以(2500～3750)Hz頻道的信號變化最顯著，對存煤量變化的靈敏度最高。因此，利用小波變換技術和基于小波變換的多頻道分解技術，將該頻道(2500～3750Hz)的小波包分解信號的能量，用于表征球磨機的存煤量。　　音頻法從本質上看是振動法的演變，音頻信號的起源還是設備的振動。音頻法受到鋼球裝載量、煤質等因素的影響，從它的投用效果來看，只在部分球磨機制粉系統上獲得了成功的應用。　　2．3 氣動差壓法 氣動差壓法的測量原理是：在磨的兩端對稱布置有傳壓管，連續的、壓力穩定的低壓空氣流入傳壓管并在管內建立壓力。當煤粉部分“淹沒”傳壓管探頭時，傳壓管內的壓力升高，與基準傳壓管的壓力產生壓差，該壓差信號即可反映磨筒內的煤位。安徽省電力公司曾成功開發出氣動差壓式球磨機料位測量裝置，并應用于雙進雙出球磨機制粉系統上。　　2．4 軸承振動法 軸承振動測量法的原理是：根據球磨機主軸上軸承的振動與磨筒內存煤量之間的某種關系，提取煤位的特征值，以反映磨筒中的實際煤位。　　廣東省電力試驗研究所的李曉楓等開發了球磨機料位檢測儀，其工作流程為：測取振動頻率為0～10KHz的振動信號，對其進行放大處理；然后濾除包括球磨機的固有振動在內的低頻及無效的高頻振動，檢測出有效頻段內的振動能量；對該頻段能量進行積分，將積分值作為表征球磨機存煤量的特征量，并將該特征量轉換為4～20mA的標準信號送至表頭進行顯示。對軸承振動法進行研究的還有華北電力大學的張曉宏、蘇杰、常太華等教授。珠海的亞洲仿真科技有限公司從2000年起也對此方面做了一定的研究，并在不同型號的球磨機上做過一些測試試驗。　　2．5 其他測量方法 除上述幾種常用的測量方法以外，還有功率電流法、稱重法等。目前在國內用的較少就不作詳細的介紹。

　　3 球磨機制粉系統控制的現狀及其發展 球磨機制粉系統主要需進行三個參數的控制，即料位、磨出口溫度和入口負壓的控制。由于三個被控參數之間相互耦合嚴重，且料位和出口溫度都是時間上的大滯后，非線性很強的被控對象。因此，傳統的三個單回路PID控制難以取得理想的控制效果。近年來，全國各大院校、研究所及其他科研單位均對此進行了艱難的攻關并取得了一定的成果。現將其主要的控制策略與方法歸納如下。　　3．1 解耦控制球磨機制粉系統是一個嚴重的三輸入三輸出多變量耦合系統，在其三個調節回路中，不管三個輸入和三個輸出如何配對均存在嚴重的耦合，因此需要進行多變量解耦。　　3．2 預測控制預測控制是一種基于模型的計算機控制算法，主要應用于非線性的、時變的、嚴重不確定的、大純滯后的和多變量的工業控制過程。最早由Richalet等人于1978年提出來以脈沖響應模型基礎的模型預測啟發式控制(MPHC)或稱為模型算法控制(Model AlgorithmicControl，簡稱MAC)。1980年Cutler等人提出了以階躍響應模型為基礎的動態矩陣控制(Dynamic Matrix Control，簡稱DMC)。近來，還經常采用易于在線辨識并能描述不穩定過程的CARMA模型和CARIMA模型。　　3．3 神經網絡控制人工神經網絡目前對其研究正方興未艾。現在主要有多層前向網絡模型、Adalme模型、Hopfield網絡模型、Kohonen自組織映照模型、細胞神經元網絡模型和小腦模型等。由于其具有的強大的并行處理能力、分布式的存儲方式、很強的容錯和聯想能力及很強的學習能力，近年來已引起控制界的極大重視。目前，基于人工神經網絡而開發出的新型控制系統主要有逆動態模型控制、直接ANN控制和自適應控制。　　3．4 球磨機的其他控制方法除了上述提到的有關控制方法以外，還有模糊控制、自尋優控制和專家智能控制等。

　　4 優化算法的現狀與發展優 化算法其實就是一種搜索過程或規則，它是基于某種思想和機制，通過一定的途徑或規則來得到滿足用戶要求的問題的解。就優化機制與行為來分，目前工程上主要優化算法有：經典算法、構造算法、基于系統動態演化的算法和混合算法。

　　5 故障診斷技術的現狀與發展 故障診斷就是根據設備運行狀態信息查找故障源，并確定相應決策的一門科學技術。故障診斷已從以信號分析為基礎的一般診斷方法發展到以知識處理為基礎的智能診斷系統。但這些診斷方法都以診斷對象在工作過程中出現的外部特征為基礎，還未涉及到診斷對象的動力學本質。由于系統自身的結構復雜性，機、光、電、液、氣間的耦合非線性，運動非線性等，使系統故障引起的外部特征可能減弱、消失、重疊，因而現有診斷方法不能有效地解決復雜系統的故障診斷問題，對強干擾、并發故障的診斷和預測還需進一步研究。

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