磨煤机自动控制系统解耦

王静

摘 要：虽然传统磨煤机的出口压力、出口温度控制是2个独立的系统，但是，它们会相互影响，导致控制回路发生耦合。简要分析了控制回路发生耦合的原因，综合冷风量、热风量的相关控制策略，并采取调节总风量和热冷风配比的方法自动控制压力和温度，从根本上解决系统耦合的问题。

关键词：解耦；总风量；风配比；磨煤机

中图分类号：TM621.6 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.04.061

在电力应用中，传统磨煤机的出口压力、出口温度控制是一对比较典型的耦合系统。以该系统为例，研究相应的解耦办法。传统磨煤机的热力系统如图1所示。

风压扰动会在一定程度上改变冷风量，使风温发生变化。为了保证风温的稳定性，温度调节回路将调节热风量。热风量的改变会使总风量向相反的方向变化，进而引起更大的压力扰动。温度的扰动结果与此相同。风压对风温、风温对风压的耦合作用是相互的，只要它们存在，就很难保证系统运行的稳定性。特别在小容积系统或2种介质需求相当的系统中，很难自动调节风压和风温。本文将从热力系统和控制策略两方面入手研究解耦的方法，以期为日后的相关工作提供参考。

1 问题分析

对于传统磨煤机，出口压力和温度控制是2个独立的调节回路。如果将这两种介质的混合过程看作理想过程，即将冷热风混合看作理想的气体混合，当磨出力不变时，温度变化不明显。传统调节流程如图2所示。在图2中，压力对总风量的传递函数和温度对热冷风配比的传递函数是一阶惯性环节。

在具体工作过程中，压力调节回路控制的是磨入口的冷风门开度，所以，可以改变冷风量Q1来调节磨出口的压力。压力调节回路的关系式为：

虽然改变冷风量可改变总风量，控制压力，但是，这也会改变热冷风配比，从而影响温度。从式（1）中可看出，温度的变化会影响磨出口压力，它们之间是传递关系。如果压力回路在调节总风量时温度恒定，则压力回路可简化成图3所示框图。要想图3所示的内容成立，在调节压力的过程中，温度要始终不变。因为热冷风配比决定了温度，如果热冷风配比不变，则温度恒定，即：

式（2）中：K（t）为温度函数，当T为额定值时，K（T0）为常数α.常数α是额定温度下（T0）热风需求量与冷风需求量的比。

温度调节回路可以控制磨入口的热风门开度，改变热风量，从而达到调节磨出口温度的目的。温度调节回路的相关关系式为：

虽然改变冷风量可以改变热冷风配比，控制温度，但也同时改变了总风量，进而影响了压力值。从式（3）中可以看出，

压力的变化会影响磨出口的温度，它们之间是传递关系。如果温度回路在调节热冷风配比时能够保持压力恒定，则温度回路就可以简化为图3所示框图。要想图3所示的内容成立，在调节温度的过程中，要保持压力不变。因为压力会受总风量的影响，所以，要想保证总风量恒定，则相应的关系式为：

式（4）中：Q（p）为压力函数，不同的压力定值对应不同的总风量。在额定工况下，将压力函数表示为100，则式（4）可演变为：

由式（5）可知，冷风量与热风量的增减方向相反，但总和不变。

综上所述，影响风压的是总风量，而非冷风量；影响温度的是热冷风配比。对于相互独立的冷风控制系统和热风控制系统，改变任何一方都会改变总风量和冷热风配比。因此，有效调节出口压力，保证冷热风配比不变是非常重要的。在调节出口温度时，要保证总风量的稳定性。

2 解决方案

2.1 方案1

鉴于上述问题，相关人员可以利用前馈系统改进控制系统。在压力调节回路中，可将热风风量的变化情况作为前馈量。当热风挡板变化时，冷风挡板也会发生相应的变化，所以，总风量一定要保持稳定。在此过程中，可以根据热风挡板发出的指令调节前馈量。前馈量是用挡板特性曲线修正值和理想气体的相关参数计算出的。

在温度调节回路中，可以增加冷风量，将其变化情况作为前馈。当冷风量发生变化时，热风量也会相应改变，所以，冷热风配比要保持不变。在实际工作中，可以此为原则计算前馈量。但是，这种方案并没有从根本上解决耦合问题，而是将其转移到前馈系统中。当冷风调节指令增加时，其经前馈加入到热风调节回路中，增加热风调节指令。而热风调节指令的增加又会通过前馈系统减少冷风量，反而影响冷风的调节，影响系统运行的稳定性。因此，在实际应用过程中，可以根据具体情况保留一套控制系统的前馈。这样，能有效保证过程变量的稳定性。

2.2 方案2

在解决问题的过程中，可以从热力系统入手。具体的改造方案如图4所示。将原来的冷风、热风调节挡板作为温度调节挡板1和温度调节挡板2，冷风、热风经过各自挡板后汇集到母管中混合。这时，可在母管上增加1个压力总风门作为压力调节挡板，而冷风和热风也会经过压力总风门进入混合容室。

2.2.1 控制策略

当温度变化时，可控制2个温度挡板向相反的方向动作。当温度升高时，关小热风挡板，开大冷风挡板，以达到控温的目的。因为2个挡板的动作相反，如果再整定，就要保证管道阻力系数不变，这样才不会影响风压。当压力发生变化时，可调整压力调节挡板。当压力调节挡板动作时，只会改变管道阻力，而不会影响冷热风配比Q2/Q1，所以，它也不会影响风温。

2.2.2 系统整定

系统投入运行的关键取决于2个温度调节挡板的特性。在此过程中，要保证2个挡板动作时不会改变管道的阻力。在实际应用中，可采用相关方法获得挡板的整定曲线。其工作原理是：以额定风压为基准，当温度调节挡板2开到一定值时，可调整温度调节挡板1.这时，要保持额定风压，记录此时冷风、热风挡板的开度，获得整定曲线中的一点。然后，再改变温度调节挡板2的开度，调整温度调节挡板1的开度，使风压值达到额定风压，获得整定曲线中的一点。这样，就能获得挡板全过程的对应关系整定曲线。

这个方案从根本上解决了耦合的问题，但是，现有热力系统的改造工程仍有一定的难度，除非原设计就采用此方案，否则，需要重新布置管道，增加挡板。

2.3 方案3

详细研究了方案2后，工作人员提出，可在原有热力系统的基础上采取相应的改进控制策略完成方案2中的计划。具体做法是，先不考虑磨出口的压力，调整磨出口温度是为了不影响磨出口压力，所以，可仿效方案2执行。如果温度调节回路能够直接控制2个挡板向相反的方向动作，那么，利用2个挡板的动作就可以改变冷热风配比，从而达到调温的目的。同时，因为2个挡板的动作相反，那么，要想再整定，就要保证管道阻力系数不变，这样就不会影响风压。如果按照方案2整定挡板，那么，在调节风压时，可以在2个挡板的控制指令上累加风压控制指令，让2个挡板在风压控制指令下同时向相同的方向动作，从而调节压力总风门的流量。改进后的控制原理如图5所示。

由图5可知，对于温度调节器PID1的输出，路经F（x）经过修正后，加上压力调节器的输出，形成了热风调节挡板指令；另一路被100减后形成反向挡板指令，经过加法器形成冷风调节挡板指令。对于压力调节器PID2的输出，路经加法器会输出热风调节挡板指令；另一路经过乘法器，将乘热冷配比系数α加至加法器，会输出冷风调节挡板指令。

在调节压力的过程中，虽然2个风门挡板向相同的方向动作，但是，在动作过程中，为了保证冷热风配比不变，2个挡板的动作幅度不应一致，要按照冷热配比的关系动作。如果冷风动作为X，则热风动作为αX.

在整定过程中，热冷风配比系数α是额定工况下的热风需求量除以额定工况下的冷风需求量。在实际应用中，当磨出口温度、压力稳定在额定值时，2个挡板有一定的开度。此时，热风挡板的开度与冷风挡板的开度比经过温度修正可表示为α.

在整定F（x）时，冷风、热风挡板的特性关系曲线可用实验方法获得。其基本工作原理是：以额定风压为基准，当冷风挡板开到一定值时，调整热风挡板，使风压保持在额定风压。这时，可记录此时的冷风、热风挡板开度，得到关系曲线中的一点，然后再改变冷风挡板的开度，调节热风挡板，使风压达到额定风压，得到另一点。如此，就可以完成挡板全过程的对应关系。

在实际工作中，PID可以按照常规单回路调节器整定。

3 结束语

经过简化改造后，温度系统和压力系统彻底分离，它们之间不会相互影响，从根本上解决了耦合的问题。

〔编辑：白洁〕