CN109821646A - 一种磨煤机出口煤粉流量软测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磨煤机出口煤粉流量软测量方法，所述测量方法包括以下步骤：步骤1：基于一次风的质量平衡和能量平衡方程，建立磨煤机入口一次风温度和流量模型；步骤2：基于磨煤机内部煤的质量平衡方程，建立磨煤机内原煤量和煤粉量模型；步骤3：基于磨煤机入口一次风温度、一次风流量和磨煤机内煤粉量，构建磨出口煤粉流量软测量方法；本发明实现了磨煤机出口煤粉流量的在线估计，提高了制粉系统出力控制精度和调整精细化配风。

Description

一种磨煤机出口煤粉流量软测量方法

技术领域

本发明涉及煤粉流量软测量技术领域，特别是涉及磨煤机出口煤粉流量软测量方法。

背景技术

我国“富煤、少气、贫油”的特征，导致了以煤炭为主的一次能源布局。长期以来，我国煤炭消费量在一次能源消费总量中所占比例约为70％，煤炭消费总量的50％以上来自于以火力发电为主的电力行业。截止2016年末，全国总发电装机容量到达16.5亿千瓦，其中，火电10.5亿千瓦，占总装机容量的64.0％。火电作为我国电力供应的重要保障，对实现节能优先的目标具有决定性作用，也是集中治理燃煤污染、解决环境问题的关键。制粉系统作为火电机组煤炭的输入端，其控制品质直接关系到锅炉燃烧的安全性、稳定性、经济性、环保性和快速性，尤其在新能源电力系统的大环境下，面对电网的频繁调峰调频和煤炭清洁高效利用的双重需求，制粉系统的控制性能至关重要。

目前，在火电厂制粉系统的出力一般通过控制各给煤机转速进行间接控制，控制方法本身较为粗犷且存在一定的滞后和惯性，在这种控制方式下，燃烧系统的风煤比不是总风量与入炉煤量的比值，而是总风量与总给煤量的比值，导致锅炉燃烧过程无法实现精准配风。近年来，随着一系列煤粉流量的检测方法的出现，使得解决这一问题成为可能，但这些方法或对检测元件产生较强的冲刷磨损，或对安装位置要求十分苛刻，均不适用实际工程应用。

因此希望有一种磨煤机出口煤粉流量软测量方法能有效解决现有技术中存在的问题。

发明内容

本发明公开了一种磨煤机出口煤粉流量软测量方法，所述测量方法包括以下步骤：

步骤1：基于一次风的质量平衡和能量平衡方程，建立磨煤机入口一次风温度和流量模型；

步骤2：基于磨煤机内部煤的质量平衡方程，建立磨煤机内原煤量和煤粉量模型；

步骤3：基于磨煤机入口一次风温度和流量、磨煤机内原煤量和煤粉量，构建磨煤机出口煤粉流量软测量方法。

优选地,所述步骤1的磨煤机入口一次风温度和流量模型的微分方程形式为：

式中，W_air为磨煤机入口一次风流量；T₁为冷热风门至一次风流量惯性常数；为冷风门最大风流量；为热风门最大风流量；u_L为冷风门开度；u_H为热风门开度；θ_in为磨煤机入口一次风温度；T₂为冷热风门至一次风温度惯性常数；C_L为冷风比热容；θ_L为冷风温度，即空预器入口风温；C_H为热风比热容；θ_H为热风温度，即空预器出口一次风温；C_in为磨煤机入口一次风比热容。

优选地,所述冷风比热容C_L、热风比热容C_H和磨煤机入口一次风比热容C_in分别为冷风温度、热风温度、磨煤机入口温度的函数为：

其中，C_L的计算过程中分别取温度为0℃和25℃，湿度为d＝10g/kg对应的比热容，即1.011kJ/kg·℃和1.012kJ/kg·℃；C_H的计算过程中温度分别为200℃和400℃，干空气对应的比热容，即1.011，kJ/kg·℃和1.028，kJ/kg·℃；C_in的计算过程中温度为200℃和300℃，干空气对应的比热容，即1.011kJ/kg·℃和1.019kJ/kg·℃。

优选地,所述步骤2的磨煤机内原煤量和煤粉量模型的微分方程形式为：

I＝K₁M_c+K₂M_pf+K₃

式中，M_c为磨煤机内原煤质量；W_c为给煤量；W_pf为磨煤机内煤粉质量；W_pf为磨煤机出口煤粉流量；K_conv为单位时间内原煤向煤粉的转换系数。

优选地，所述磨煤机出口煤粉流量W_pf为一次风携带出磨煤机的煤粉质量流量，其正比于磨煤机内部的煤粉质量和一次风差压，一次风差压与磨煤机入口一次风温度和流量的函数关系为：

W_pf＝K_pfΔP_paM_pf

其中，ΔP_pa为一次风差压；K_pf为煤粉流量系数。

优选地,所述磨煤机内原煤质量M_c、单位时间内原煤向煤粉的转换系数K_conv、煤粉流量系数K_pf和磨煤机内煤粉质量M_pf通过磨电流公式进行辨识，磨电流公式为：

I＝K₁M_pf+K₂M_c+K₃

其中，I为磨电流，K₁、K₂、K₃为模型待辨识参数。

优选地，所述步骤3的磨煤机出口煤粉流量软测量为基于状态量的代数方程，取磨煤机内原煤量和煤粉量模型中的中间变量W_pf作为磨煤机出口煤粉流量估计信号。

本发明公开的磨煤机出口煤粉流量软测量方法具有以下有益效果：

1.测量精确高。磨煤机是制粉系统中相对独立的环节，基于磨煤机的质量和能量平衡方程能够建立高精度的磨煤机出口煤粉流量估计模型，基于该估计模型提出的磨煤机出口煤粉流量软测量方法具有较高测量精度。

2.便于工程应用。建模过程采用机理分析和数据驱动相结合的建模方法，根据实际磨煤机对象的历史运行数据进行模型辨识，辨识得到的磨煤机模型能够反应实际对象的真实运行状态，有一定的工程应用和推广价值。

附图说明

图1是MPS型中速磨煤机结构示意图。

图2是模型辨识流程图。

图3是模型输出和实际输出对比验证示意图。

图4是磨出口煤粉流量软测量对比验证示意图。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

由于磨煤机是制粉系统中相对独立的个体，其存在精确的质量和能量平衡关系，本发明专利正是基于这种质能平衡关系建立磨出口煤粉流量估计模型，实现磨煤机出口煤粉流量的在线估计，为提高制粉系统出力控制精度和调整精细化配风奠定基础。

本发明适用于火电厂MPS(Mill Parter Ship)型中速磨煤机，该磨煤机是由德国Babcock公司设计制造的一种辊盘式中速磨煤机，其电耗低、出力平稳且受碾磨件磨损影响小。

如图1所示，在MPS中速磨煤机内原煤由落煤管进入两个碾磨部件磨辊和磨盘之间，在压紧力的作用下受到挤压和碾磨而被粉碎成煤粉。一次风由热风和冷风经过各自的调节挡板混合至一定温度，通过风环进入中速磨煤机对煤粉进行干燥，同时将一定细度的煤粉带入碾磨区上部的粗粉分离器中进行分离，合格的细粉被一次风带出分离器出口的煤粉管道送到锅炉中燃烧，不合格的煤粉落入落煤管中继续碾磨。

磨煤机入口一次风温度和流量模型，所述的磨入口一次风流量和温度模型是基于一次风的质量平衡和能量平衡建立的，具体微分方程形式如下：

式中，W_air为磨入口一次风流量，kg/s；T₁为冷热风门至一次风流量惯性常数，s；冷风门最大风流量，kg/s；热风门最大风流量，kg/s；u_L冷风门开度，％；u_H热风门开度，％；θ_in磨入口一次风温度，℃；T₂冷热风门至一次风温度惯性常数，s；C_L冷风比热容，kJ/kg·℃；θ_L冷风温度，即空预器入口风温，℃；C_H热风比热容，kJ/kg·℃；θ_H热风温度，即空预器出口一次风温，℃；C_in磨入口一次风比热容，kJ/kg·℃。

所述的冷风比热容C_L、热风比热容C_H、磨入口一次风比热容C_in分别冷风温度、热风温度、磨入口温度的函数，可查表按下式计算：

其中，C_L的计算过程中分别取温度为0℃；和25℃，湿度为d＝10g/kg对应的比热容，即1.011kJ/kg·℃和1.012kJ/kg·℃；C_H的计算过程中温度为200℃和400℃，干空气对应的比热容，即1.011，kJ/kg·℃和1.028，kJ/kg·℃；C_in的计算过程中温度为200℃和300℃，干空气对应的比热容，即1.011kJ/kg·℃和1.019kJ/kg·℃。

上述模型中，W_air，u_L，u_H，θ_in，θ_L，θ_H为可测量参数，C_L，C_H，C_in为中间过程参数，T₁和T₂为待辨识参数，可通过模型输出的一次风流量和一次风温度与实际输出数据对比辨识得到。

磨内原煤量和煤粉量模型，所述的磨内原煤量和煤粉量模型是基于磨内煤的质量平衡建立的，具体微分方程形式如下：

I＝K₁M_c+K₂M_pf+K₃

式中，M_c为磨煤机内原煤质量，kg；W_c为给煤量，kg/s；M_pf为磨内煤粉质量，kg；W_pf为磨出口煤粉流量，kg/s；K_conv为单位时间内原煤向煤粉的转换系数。其中，磨出口煤粉流量W_pf等于一次风携带出磨煤机的煤粉质量流量，其正比于磨煤机内部的煤粉质量和一次风差压，而一次风差压又与磨入口一次风温度和流量存在一定的函数关系，具体计算公式如下：

W_pf＝K_pfΔP_paM_pf

其中，ΔP_pa为一次风差压，mbar；K_pf为煤粉流量系数。

由于上述状态方程中的两个状态量(磨内原煤量和煤粉量)均不可测，导致模型辨识过程无法进行。为此，本发明专利构建了一个能够表征磨内存煤量的可测状态——磨电流来完成模型参数的辨识，具体公式如下：

I＝K₁M_pf+K₂M_c+K₃

其中，I为磨电流，A，K₁、K₂、K₃为模型待辨识参数。。

上述模型中，N_c，I为可测量参数；W_c，W_pf，ΔP_pa为中间过程参数；M_c，K_conv，M_pf，K_pf，K₁，K₂，K₃为待辨识参数。

磨出口煤粉流量软测量方法，取磨内原煤量和煤粉量模型中的中间变量W_pf作为磨出口煤粉流量估计信号，由其表达式可见，其是一次风流量、一次风温度、磨内煤粉量三个状态量的代数计算形式。至此，基于模型状态估计提出一种磨出口煤粉流量软测量方法。

模型辨识及验证

本发明专利提出的磨出口煤粉流量软测量模型可采用多种模型辨识方法进行辨识和验证，本发明中采用实数编码的遗传算法对模型中的待定参数进行辨识，以实际输出和模型输出误差的函数作为个体适应度函数，种群大小为50，终止迭代次数为50，交叉概率为0.9，变异概率为0.3，具体辨识流程如图2所示。

其中，模型适应度函数为：

其中，N为测量数据点的个数；W₁和W₂为权重系数；W_air为模型输出的一次风流量，kg/s；为实际一次风流量，kg/s；T_in为模型输出的磨入口温度，℃；为实际磨入口温度，℃；I为实际磨电流，℃；为实际磨电流，A。

所述辨识获得的模型参数列表如下表所示：

表1磨出口煤粉流量软测量模型参数列表

为了验证模型在多工况下的准确性和有效性，连续5天的实际运行数据被用来对比验证，采样期间磨煤机负荷率为59.88％-97.59％。如图3所示，模型输出与实际输出基本吻合，所建模型能够准确描述磨煤机在中高负荷段的动态特性。

如图4所为了进一步验证磨出口煤粉流量估计信号的准确性，将模型软测量获得磨出口煤粉流量与实际给煤量进行对比验证，对比结果示磨出口煤粉流量和给煤量基本吻合，且磨出口煤粉流量相对于给煤量迟延约20秒，验证了磨出口煤粉流量软测量方法的准确性。

最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.一种磨煤机出口煤粉流量软测量方法，其特征在于，所述测量方法包括以下步骤：

步骤1：基于一次风的质量平衡和能量平衡方程，建立磨煤机入口一次风温度和流量模型；

步骤2：基于磨煤机内部煤的质量平衡方程，建立磨煤机内原煤量和煤粉量模型；

步骤3：基于磨煤机入口一次风温度和流量、磨煤机内原煤量和煤粉量，构建磨煤机出口煤粉流量软测量方法。

2.根据权利要求1所述的磨煤机出口煤粉流量软测量方法，其特征在于：所述步骤1的磨煤机入口一次风温度和流量模型的微分方程形式为：

式中，W_air为磨煤机入口一次风流量；T₁为冷热风门至一次风流量惯性常数；为冷风门最大风流量；为热风门最大风流量；u_L为冷风门开度；u_H为热风门开度；θ_in为磨煤机入口一次风温度；T₂为冷热风门至一次风温度惯性常数；C_L为冷风比热容；θ_L为冷风温度，即空预器入口风温；C_H为热风比热容；θ_H为热风温度，即空预器出口一次风温；C_in为磨煤机入口一次风比热容。

3.根据权利要求2所述的磨煤机出口煤粉流量软测量方法，其特征在于：所述冷风比热容C_L、热风比热容C_H和磨煤机入口一次风比热容C_in分别为冷风温度、热风温度、磨煤机入口温度的函数为：

其中，C_L的计算过程中分别取温度为0℃和25℃，湿度为d＝10g/kg对应的比热容，即1.011kJ/kg·℃和1.012kJ/kg·℃；C_H的计算过程中温度分别为200℃和400℃，干空气对应的比热容，即1.011kJ/kg·℃和1.028kJ/kg·℃；C_in的计算过程中温度为200℃和300℃，干空气对应的比热容，即1.011kJ/kg·℃和1.019kJ/kg·℃。

4.根据权利要求2所述的磨煤机出口煤粉流量软测量方法，其特征在于：所述步骤2的磨煤机内原煤量和煤粉量模型的微分方程形式为：

I＝K₁M_c+K₂M_pf+K₃

式中，M_c为磨煤机内原煤质量；W_c为给煤量；M_pf为磨煤机内煤粉质量；W_pf为磨煤机出口煤粉流量；K_conv为单位时间内原煤向煤粉的转换系数。

5.根据权利要求4所述的磨煤机出口煤粉流量软测量方法，其特征在于：所述磨煤机出口煤粉流量W_pf为一次风携带出磨煤机的煤粉质量流量，其正比于磨煤机内部的煤粉质量和一次风差压，一次风差压与磨煤机入口一次风温度和流量的函数关系为：

W_pf＝K_pfΔP_paM_pf

其中，ΔP_pa为一次风差压；K_pf为煤粉流量系数。

6.根据权利要求5所述的磨煤机出口煤粉流量软测量方法，其特征在于：所述磨煤机内原煤质量M_c、单位时间内原煤向煤粉的转换系数K_conv、煤粉流量系数K_pf和磨煤机内煤粉质量M_pf通过磨电流公式进行辨识，磨电流公式为：

I＝K₁M_pf+K₂M_c+K₃

其中，I为磨电流，K₁、K₂、K₃为模型待辨识参数。

7.根据权利要求5所述的磨煤机出口煤粉流量软测量方法，其特征在于：所述步骤3的磨煤机出口煤粉流量软测量为基于状态量的代数方程，取磨煤机内原煤量和煤粉量模型中的中间变量W_pf作为磨煤机出口煤粉流量估计信号。