磨煤机

1 引言
磨煤机是火力发电站煤粉制备系统的主体设备，它的工作可靠性直接影响到整个制粉系统，乃至整个锅炉机组工作的可靠性。

其作用是将一定尺寸的煤块磨制到规定的细度煤粉以供给锅炉燃烧，并在磨制过程中将煤干燥到规定的水平，以利用煤在锅炉中充分燃烧。

磨煤机的形式主要有三大类：低速磨煤机（钢球磨煤机），中速磨煤机（E型磨煤机、碗式磨煤机、平盘磨煤机及MPS磨煤机等）及高速磨煤机（风扇磨煤机、锤击式磨煤机等）。

其中，钢球磨煤机被我国大多数火电厂采用，据资料统计，在国内发电厂中钢球磨煤机占各类磨煤机总量的60%以上。

然而钢球磨煤机的缺点也是显而易见的，如运行复杂、电耗高、噪音大、耗钢多、磨损多等，特别是自动控制难以实现这个问题至今仍未得到有效地解决，绝大多数电厂现在仍以手动为主。

长期手动控制球磨机的运行，不仅容易造成球磨机满煤、断煤、跑粉、超温事件的发生，而且也不能使系统长期保持在最佳工况下运行。

钢球磨煤机作为电厂的重要设备其安全、经济运行与整个电厂的安全、经济运行有着紧密的联系，同时热工过程的自动控制是保证热力设备安全和经济运行的必要技术措施，所以有必要对钢球磨煤机的特性以及国内现有的控制方案进行深入的分析，寻找到最优控制方案，以找出磨煤机自动投入率低的根本原因。

2 锅炉燃烧系统及其设备
2.1制粉系统介绍
制粉系统是指将原煤磨制成煤粉，然后送入锅炉炉膛进行悬浮燃烧所需设备和相关连接管道的组合。

它可以分为中间仓储式制粉系统和直吹式制粉系统。

中间仓储式制粉系统将磨好的煤粉先储存在煤粉仓中，然后再根据锅炉运行负荷的需要，从煤粉仓经给粉机送入炉膛燃烧；而直吹式制粉系统将原煤经磨煤机制成煤粉后直接吹入炉膛进行燃烧。

主要制粉系统设备如下：
（一）磨煤机
磨煤机是制粉系统的主要设备，它的作用是将具有一定尺寸的煤块进行干燥、破碎并磨制成煤粉。

磨煤机通常是按照转速进行分类的。

1．低速球磨机
其工作原理是电动机经减速装置带动圆筒转动，在离心力和摩擦力作用力下，护甲将钢球提升到一定高度，然后借重力自由落下。

煤主要被落下的钢球击碎，同时还受到钢球之间的挤压、碾磨作用。

原煤和热空气从一端进入磨煤机，磨好的煤粉被气流从另一端带出。

热空气不仅起干燥原煤作用，而且又是输送煤粉的介质。

干燥剂气流速度越大，带出的煤粉量越多，磨煤机出力越大，煤粉越粗。

低速磨煤机的优点是对煤种的适应性强，有较强的磨煤能力，工作可靠，能连续可靠地运行；缺点是设备笨重，金属耗量多，占地面积大，耗电量较大，特别是低负荷运行时，单位电耗很高。

2.中速磨煤机
工作转速为50~300r/min，目前电厂采用的中速磨煤机型式主要有：平盘磨；碗式磨；中速钢球磨或E型磨；MPS磨。

工作原理都是以碾压破碎为主，其优点是结构紧凑，占地面积小，金属耗量小，磨煤电耗低，煤粉均匀性好；缺点是磨煤部件易磨损，不宜磨硬煤和水分多、灰分大的煤。

3.高速磨煤机
目前国内常用的高速磨煤机是风扇式磨煤机（简称风扇磨），其工作转速为500~1500r/min。

风扇磨的优点是结构简单，制造方便，尺寸小，占地少，初投资低，磨煤机均匀地送入磨煤机，适应负荷变化快；缺点是磨损严重，不宜磨硬煤和水分大的煤，煤粉均匀性差等。

（二）给煤机
给煤机的作用是根据磨煤机或锅炉负荷的需要调节给煤量，并把原煤均匀地送入磨煤机。

给煤机的型式很多，国内应用较多的给煤机有圆盘式给煤机、电磁振动式给煤机、刮板式给煤机和电动式皮带给煤机。

2.2燃烧系统简介
燃烧过程的实质是将燃料化学能转变为蒸汽热能的能量形式转换过程。

燃烧过程控制的根本任务是及时响应主控系统的输出指令，使燃料所提供的热量适应锅炉蒸汽负荷的需要，同时还要保证锅炉燃烧的安全性和经济性。

燃烧的经济性主要是保证有合适的风/煤比，而安全性是保证锅炉处于过氧燃烧的状况及维持炉膛负压力为设定值。

由于炉内煤的燃烧是否良好，对发电成本影响很大，因此，要求锅炉运行人员合理组织煤的燃烧过程，保证良好的燃烧条件，使煤粉迅速而完全地燃烧。

2.2.1炉跟机控制方式
如图2.1所示，炉跟机控制方式的特点是：汽轮机调负荷，锅炉调汽压。

调节过程中，锅炉跟随汽轮机而动作，其控制优点是充分利用了锅炉的蓄热来迅速适应负荷的变化，对机组调峰调频有利；缺点是主汽压力变化较大，甚至超出允许范围，将对机组的安全经济运行不利。

图2.1 炉跟机控制方式示意图
2.2.2机跟炉控制方式
如图2.2所示，机跟炉控制方式特点是：锅炉调负荷，汽轮机调汽压。

调节过程中汽轮机跟随锅炉而动作，其控制优点是运行中主蒸汽压力相当稳定，有利于机组的安全经济运行；缺点是不能有效利于锅炉蓄热，适应负荷变化能力较差，不利于机组带变动负荷和参加电网调频。

图2.2 机跟炉控制方式示意图
2.3风机
为了使燃料在炉内的燃烧正常运行，必须不断地向炉膛内送入燃料燃烧所需要的空气，并随时排出燃烧后所生成的烟气。

火电厂所使用的风机有：送风机，其作用是提供燃料在锅炉炉膛内燃烧时所需要的空气；引风机，其作用是及时排出燃料在锅炉炉膛内燃烧时所生成的烟气；一次风机，其作用是将磨制好的煤粉排送至炉膛；二次风机，其作用是为锅炉内煤粉的燃烧提供氧气；密封风机，其作用是防止磨煤机正压运行时的煤粉外漏。

3 600MW单元机组燃烧控制系统实例
3.1 单元机组简介
该600MW单元机组采用6台给煤机、6台磨煤机，形成6个同样地制粉系统单元。

6台给煤机中只要有5台正常运行，就能保证机组满负荷运行，1台作为备用。

此汽包炉机组采用的是直吹式制粉系统，燃烧控制系统主要包括6个子控制系统，即燃料控制系统、磨煤机一次风量、磨煤机出口温度、一次风压力、二次风量、炉膛压力控制系统。

3.2 控制过程分析
3.2.1 燃烧控制系统
燃料控制系统如图3.1所示，接受的是锅炉指令，反馈信号是热量信号，控制的是给煤机转速，以给煤机转速代表煤量信号。

通过小值选择器作为燃料量指令的定值信号的作用是为了保证锅炉在燃料过程中，风量始终大于燃煤量，保证燃煤在炉膛中能完全燃烧，提高燃烧的经济性；大值选择器的作用是使每台给煤机的最小给煤量为25%，大值选择器的输出除了去改变给煤量外，还送至BCS。

ST为给煤机A转速信号，它也送至BCS。

当给煤机A转速信号大于50%时，将发出信号给BCS。

当某台给煤机的输出（给煤机A）与平均值不等，则通过减法器（2）、转换器T20、加法器（2）、转换器T1、T2去修正给煤机A的给煤量。

这样设计的目的是使每台给煤机的负荷能接近平均负荷；转换器T19是用来实现燃料控制器PI1的手动/自动转换；转换器T1的作用是实现给煤机的手动/自动转换。

（a）
（b）
图3.1 燃烧控制系统
（a）串级控制系统方框图；（b）燃料燃烧控制系统SAMA图
3.2.2 磨煤机一次风量控制系统
煤粉管道中的煤粉和空气混合物的速度应保持在一定范围内（约在20~30m/s 左右），流速太低会使煤粉沉积在管道内，也会造成磨煤机内煤的溢出。

另外，流速过低还会使着火点移近燃烧炉膛的煤粉颗粒度将过粗，使着火减慢，煤粉和空气在炉膛的混合度差，使不完全燃烧增加，同时可能造成结渣。

因此，磨煤机的一次风量必须保持在给定值。

3.2.3 磨煤机出口温度控制系统
磨煤机出口温度控制的任务是保持出口温度在一定的范围内变化。

因为如果温度太低，煤和煤粉将得不到足够的干燥，造成制粉困难，甚至会造成堵塞，影响煤粉的输送；如果温度太高，可能会引起制粉某些地方着火，发生事故。

因此输送煤粉的一次风必须满足一定的温度。

如图3-2可知，改变冷、热风挡板的开度能够改变一次风的温度，从而使磨煤机出口温度保持在给定值。

图3.2 磨煤机出口温度控制系统
3.2.4 二次风（送风）控制系统
600MW机组风量控制系统有一次风和二次风两个相互独立的系统，一次风主要用于将煤粉从磨煤机输送到燃烧器，二次风主要用来帮助燃料在炉膛中完全燃烧.其中二次风管道有左右两侧，故二次风测量分左右两侧，每侧的二次风量经各自的二次风温进行补偿，两侧补偿后的二次风相加称为补偿后总二次风量。

补偿后总一次风和补偿后总二次风量相加，便得到补偿后总风量测量值。

如图3.3所示。

图3.3 二次风量控制系统
图3.3中，二次风量采用双变送器测量，一个为主变送器，一个为副变送器，两个变送器之间有偏差比较器。

当两个变送器间的偏差超过规定值时，表示两个变送器之一或者两个变送器同时发生了故障，这时将发生报警信号，并通过逻辑控制电路的作用，使磨煤机一次风量控制由自动地切换到手动方式，以免发生误调。

再经过温度补偿修正后得到补偿后的二次风量。

将两台送风机A、B补偿后的二次风量相加便得到总二次风量。

补偿后总一次风加补偿后总二次风，便得到补偿后总风量测量值。

补偿后总风量再经过氧量校正便得到校正后的总风量。

4 华能伊敏电厂二期#2磨煤机控制系统
4.1 单元机组简介
华能伊敏电厂二期是由8台磨煤机形成的600MW单元机组，8台磨煤机中只要有6台正常运行，就能保证机组满负荷运行，2台作为备用，确保了机组安全稳定的运行。

该机组采用的是直吹式制粉系统，这比采用中间仓储式制粉系统在基建投资和运行费用上的耗费少了许多，且在燃烧设备与制粉系统之间就有明显可分得界限。

4.2二次风干燥风控制过程分析
该控制系统采用的是单回路控制系统，单回路控制系统主要由调节器和控制对象。

其控制原理方框图如图4.1所示.。

在此系统中调节器的给定值为磨煤机温度，测量值是各点磨煤机出口温度。

单回路控制系统适用于被控对象滞后时间较小、负荷和干扰变化不大、控制质量要求不高的场合，此外，单回路的设计和整定方法是其他各类复杂控制系统的基础。

图4.1 单回路控制系统原理方框图
4.2.1 测量参数整定
图4.2 参数整定组态图
（一）主要功能码介绍：
1.功能码156--新型PID控制器：
S1 —过程变量的块地址。

本输入标识PID 算法所控制的过程变量。

S2 —设定值的块地址。

S3 —跟踪参比信号的块地址。

当在跟踪方式时本规格确定PID 的输出。

S4一跟踪开关信号的块地址。

本规格控制跟踪或释放方式：
0 = 跟踪方式
1 = 释放方式
在跟踪方式时，输出强制等于跟踪参比信号（S3）。

在释放方式时，输出是据过程变量和设定值计算的函数。

S6 —前馈信号的块地址。

当在释放方式时，根据PID 算法计算的输出加上这个前馈输入后作为整个功能块的输出。

2.功能码15—2输入加法器：
输出= （<S1>×S3）＋（<S2>×S4）
（二）控制逻辑分析：
1.磨煤机出口温度整定
将磨煤机出口温度测量值与磨煤机出口温度设定值经输入加法器进行偏差计算，然后将其值输入到函数发生器中计算出磨煤机出口温度特性曲线，并将其作为PID整定的过程变量输入值进行参数整定。

2.给煤机煤量整定
将给煤机给定值与给煤机煤量的测量值进行大值选择，输出两者中最大值，
再经函数发生器输入到PID的<S6>中作为系统的前馈信号，以便快速消除内扰，以便保证机组稳定运行。

3.PID运算
当系统处于自动状态并且二次风挡板位置在除中间位置、全开位置及全关位置之外的任意位置时，PID<S4>=1属于释放方式，因此其输出等于PID的设定值与过程变量值的运算结果；
当系统处于手动状态或是二次风挡板位置在上述三种特殊位置时，PID<S4>=0属于跟踪状态，此时PID的输出值等于<S3>的值。

4.2.2 二次风干燥风挡板位置设定
图4.3 二次风干燥风挡板位置组态图
（一）主要功能码介绍：
1. 功能码80—控制站：通过调整控制站按键，可改变该站的方式、设定值、比
率系数和控制输出。

S1 —PV —输出为过程变量的块号。

S2 —SPT —设定值跟踪信号的块地址
S3 —当站在基本自动方式时其输出值为控制输出的那个块号。

S4 —当本站在跟踪状态时（<S5>等于1）。

其输出作为站控制输出的那个块号。

S5 —确定站块控制输出是否要跟踪<S4>的跟踪开关信号的块地址。

0 = 不跟踪
1 = 跟踪
S18 —切换到手动信号的块地址
0 = 不切换
1 = 切换到手动
S28 —与本站相连的模拟输出的块号。

S30 —过程变量跟踪信号的块地址。

本规格与<S29>一起确定设定值的跟踪特性。

<S29>指示是否应该跟踪<S2>，<S30>指示是否应该跟踪
<S1>。

如果两者都指示跟踪，<S29>超驰<S30>。

如果<S30>为l，
则不论站处手动方式或自动方式，其设定值都将跟踪<S1>。

当站处
于串级方式时，本规格是无用的，因为此时的设定值输入不使用站
的内部逻辑于控制。

0 = 不跟踪 1 = 跟踪<S1>
2.功能码9—模拟切换器：这个功能码根据布尔输入<S3>选择输入中的一个。

S3：切换信号的块地址—0=输出等于<S1>；1=输出等于<S2>；
S4：切换到输入1上的时间的常数；
3.功能码2—手动设定常数：手动设定常数块的输出是一个产生于本块内部的模
拟量信号，其值等于<S1>。

（二）控制逻辑分析：
1.挡板处于中间位置
挡板位于中间位置时，“逻辑或”<4452>=1,切换器T4434的<S3>端输入为1，使控制站处于跟踪状态。

其他切换器仍选择各自的S1端的输入值。

此时T输出选择S2端，而<S2>是由手动设定量设定信号，由2号功能码可知，其输出等于其本身S1所设定的值20，也就是当挡板处于此位置时，自动控制系统将发出指令控制磨煤机二次风干燥风挡板位置于最佳位置处，以便保证磨煤机出口风量和风温的值，确保机组锅炉安全经济的运行。

2.挡板处于全开位置
挡板位于全开位置时，应极力关小挡板开度，以免降低煤粉温度，使煤粉得不到充分干燥而影响燃烧质量。

此时“逻辑或”<4452>=1，使控制站处于跟踪状态。

切换器T4445的<S3>端输入为1，其他切换器仍选择各自的S1端的输入值。

同理，此时T4445的值为100，即自动控制系统将经过控制站运算处理将调节挡板，使其关小，保证磨煤机正常运行。

3.挡板处于全关位置
挡板位于全关位置时，应尽快开打挡板开度，以免因进煤量不足了而影响锅炉中燃料的燃烧，从而造成安全事故。

同挡板处于全开位置时，“逻辑或”<4452>=1控制指令输出为0，以使控制器输出能以一定快的速率开大挡板开度，保证机组安全稳定的运行。

4.挡板位于其他位置
挡板位于其他位置时，“逻辑或”<4452>=0，使控制站处于不跟踪状态，所有的切换器T均选择S1端，，则此时控制输出为磨煤机二次风干燥风挡板调节指令的值。

（三）控制站逻辑分析：
假设系统此时处于自动状态，则控制站N+2端输出为1，<S30>=0，则设定
值SP的值不跟踪<S1>。

当挡板处于中间位置、全开位置或是全关位置时，<S5>=1，则控制站输出跟踪<S4>的值，即每个时刻由运行员手动设定的值；当挡板处于其他位置时，控制站不处于跟踪状态，其输出值由控制站的给定值，过程变量值控制。

假设系统此时处于手动状态，则控制站N+2端输出为0，<S30>=1，则设定值SP的值跟踪<S1>，即此时控制站输出等于其输入端PV的值（磨煤机出口温度测量值）。

4.2.3磨煤机二次风报警系统
图4.4 磨煤机二次风报警系统组态图
（一）主要功能码简介：
1.功能码12--高/低比较器：本功能有两个输出。

当输入大于或等于高限时，输出
N等于逻辑1。

当输入小于或等于低限时，输出N+1等于逻辑1。

若输入的值在两个限值之间，则两个输出都为逻辑0。

2.功能码31—检验质量：能够检查l至4个输入点的质量。

这是一个四输入的
（OR）功能，如果所有要检测的点均为好质量，则输出逻辑0，若有一个多个输入的测试点是坏质量，则输出为逻辑1。

（二）控制逻辑分析：
如上图所示，控制系统的输入信号为磨煤机出口温度偏差，磨煤机二次风干燥风挡板位置偏差信号，磨煤机运行，磨煤机出口温度测量失败等，将此信号经高低比较器和质量检查功能码控制逻辑“或”4453是否发出报警信号，以此控制系统是否要切换到手动状态，直至运行人员切除故障后才能无扰切换回自动。

总结
本次设计是基于串级控制系统的磨煤机控制系统的设计，对磨煤机的良好控制是保证锅炉汽轮机等系统安全稳定生产的前提。

采用串级控制系统可以极大地消除控制系统工作过程中的各种扰动，使系统工作在良好的状态下，在系统中控制仪表可进行主控、串级控制的切换，可满足系统在不同情况下的控制要求。

在做这个课程设计之前，我一直以为自己的理论知识学的还不错，但当我拿到设计任务书的时候，有一种懵的感觉，不知道如何下手。

开始我总是被一些小的、细的问题挡住前进的步伐，让我总是为了解决一个小问题而花费很长的时间，最后还要查阅其他的书籍才能找出解决的办法。

并且我在做设计的过程中发现有很多东西我都还不知道。

设计中遇到了很多自己无法解决的问题，在指导老师的点拨以及同学们的建议下，我完美的解决了遇到的问题。

由此我意识到，任何时候任何事情闭门造车是不可取的，要一直向周围的师长、同学求教，以取得新鲜的主意。

能够顺利如期的完成本次课程设计给了我很大的信心，让我了解专业知识的同时也对本专业的发展前景充满信心。

无论磨煤机控制系统再怎么复杂，我都采用了一些新的技术和设备。

它们有着很多的优越性，但也存在一定的不足，这些不足在一定程度上限制了我们的创造力。

发现问题，面对问题，才有可能解决问题。

不足和遗憾不会给我打击只会更好的鞭策我前行，今后我更会关注新技术新设备新工艺的出现，并争取尽快的掌握这些先进的知识，更好的为社会做出应有的贡献，为祖国的四化服务。

致谢
在这为期两周的课程设计已接近尾声，回顾这过去的两周学习生活，可以说是收获颇多。

拿到课程设计题目之后我便着手在图书馆和互联网上收集与本题目相关的资料，先初步的了解这方面的专业知识，然后确定自己研究的方向。

通过这次磨煤机控制系统的设计，使我更深刻的了解了课堂上我所学到的有关锅炉燃烧方面的知识，并且这次设计使我将理论与实践相结合，弥补了单有理论知识的不足。

很庆幸能有这样一次课设的机会，让我学尝试了理论与实际的结合，让我学到了很多知识，让我认识到了自己的不足，知道光是掌握了理论知识并不代表什么，必须还要与实际结合才能更好的理解这些知道，使之掌握得更牢靠。

在以后的学习生涯中我会不断的完善自己，用更多知识来丰富和充实自己，为自己以后的人生道路打下坚实的基础！两周的课程设计是个面对问题，解决问题的过程，是自我认识的过程。

两周的设计虽然不是很长，但是使自己对所学的知识有个系统的整理和总结。

通过此次课程设计我比较清楚地明白了控制过程的设计，以及优化控制系统的思想，这对我以后的工作将长生深远的影响，将是我人生中的一笔宝贵财富。

参考文献
[1] 边立秀等热工控制系统中国电力出版社2002，1
[2] 王常力集散控制系统选型与应用清华大学出版社1996
[3] 高伟计算机控制系统中国电力出版社2004.4
[4] 吴季兰汽轮机设备及系统中国电力出版社2004.9
[5] 牛玉广等计算机控制系统在火电厂中的应用中国电力出版社2003
[6] 荣銮恩燃煤锅炉机组中国电力出版社2005.1
[7] 王锦标计算机控制系统清华大学出版社2004.3
[8] 铁岭电厂#4机组DCS组态图、热控CCS系统SAMA图
[9] 元宝山发电厂#2机组DCS组态图、热控CCS系统SAMA图
[10] INFI-90分散控制系统培训手册（1——3）
[11] 华能伊敏#4机组组态图
[12] 张明600MW火电机组培训教材中国电力出版社2006
[13] 张安国等电站锅炉煤粉制备与计算中国电力出版社2011
附录一
附录二
附录三。