基于自適應(yīng)模糊控制的制粉系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化與節(jié)能控制

鐘 挺

（ 巴陵石化分公司熱電事業(yè)部，湖南岳陽 414014）

0 引言

巴陵石化熱電事業(yè)部現(xiàn)有1臺220 t/h、4臺130 t/h鍋爐，存在制粉系統(tǒng)電耗偏高、出力低、煤粉均勻性較差、鍋爐效率偏低、控制參數(shù)波動大等諸多問題［1］。如何監(jiān)測磨煤機(jī)內(nèi)的存煤量或監(jiān)測煤的料位，并維持制粉系統(tǒng)的最佳運(yùn)行工況，既是降低制粉電耗、實現(xiàn)磨煤機(jī)節(jié)能降耗的關(guān)鍵，也是長期以來存在的技術(shù)難點。磨煤機(jī)是一個非線性、大滯后和不確定性擾動的多變量對象，常規(guī)的PID調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)難于保證系統(tǒng)處于最佳工況［2］。

為解決上述問題，熱電事業(yè)部聯(lián)合有關(guān)科研院校，經(jīng)現(xiàn)場測試分析，申請進(jìn)行熱電裝置達(dá)標(biāo)提效治理科研與技改立項，經(jīng)中石化集團(tuán)公司和巴陵石化公司批復(fù)，熱電事業(yè)部于2009年～2010年實施了基于制粉系統(tǒng)自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)開發(fā)的鍋爐達(dá)標(biāo)提效治理項目。

1 研究思路

將制粉系統(tǒng)的最佳運(yùn)行工況與制粉系統(tǒng)的自動控制有機(jī)地結(jié)合起來，通過理論分析和試驗相結(jié)合的方法，研究制粉系統(tǒng)的最佳運(yùn)行工況。研究獲得的最佳運(yùn)行模式必須是定量和參數(shù)化的描述，也就是通過維持制粉系統(tǒng)如磨入口負(fù)壓、磨入口溫度、磨進(jìn)出口差壓及磨出口溫度等參數(shù)處于最佳工況，可以使制粉系統(tǒng)在安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，保證制粉系統(tǒng)具有較低的制粉電耗。在獲得制粉系統(tǒng)的最佳工況后，再進(jìn)一步以非線性控制理論為基礎(chǔ)，對整個制粉系統(tǒng)實施國內(nèi)最完整的全局自動控制，確保制粉系統(tǒng)嚴(yán)格工作在最佳工況區(qū)域，取得節(jié)能減排經(jīng)濟(jì)效益，這是制粉系統(tǒng)控制的一種新模式。

2 制粉系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)技術(shù)路線的確定

近年來，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究和進(jìn)展，給工業(yè)過程建模和控制提供了新方法。模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)模糊推理，它既能表達(dá)模糊知識與實現(xiàn)模糊推理功能，又兼?zhèn)渖窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力、非線性映射能力以及數(shù)據(jù)信息處理功能。與其它方法相比，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有更好的動態(tài)跟蹤特性和非線性逼近能力，更適合用于制粉系統(tǒng)運(yùn)行工況的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，因此本項目運(yùn)用補(bǔ)償遞歸模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對非線性的制粉系統(tǒng)進(jìn)行建模計算［3－4］。

3 自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)的開發(fā)策略

3.1 制粉系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)的求解

首先根據(jù)制粉系統(tǒng)的實際運(yùn)行數(shù)據(jù)，建立相關(guān)的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型［5］;在運(yùn)行參數(shù)受到約束的情況下，采用粒群優(yōu)化算法，求解最優(yōu)運(yùn)行參數(shù)，作為控制系統(tǒng)的設(shè)定値。

為保證安全運(yùn)行前提確定如下約束條件:280℃≤磨入口溫度≤335℃，－200 Pa≤磨入口負(fù)壓≤ －100 Pa，75℃≤磨出口溫度≤90℃，－2.0 kPa≤磨進(jìn)出口差壓≤ －1.2 kPa，60%≤給煤機(jī)的轉(zhuǎn)速指令≤80%。最終得到采用粒群優(yōu)化后的最優(yōu)制粉運(yùn)行工況:磨入口溫度325.5(℃)，磨入口負(fù)壓 －148.2(Pa)，磨出口溫度 83.15(℃)，磨進(jìn)出口差壓 － 1.52(kPa)，給煤指令74.15(%)等。

3.2 磨煤機(jī)冷、熱風(fēng)門的多變量模糊控制系統(tǒng)的設(shè)計

在制粉系統(tǒng)運(yùn)行時，為保證磨煤機(jī)的通風(fēng)量和干燥出力，必須將磨煤機(jī)的入口負(fù)壓和入口溫度維持在允許的范圍內(nèi)。由于當(dāng)通過改變熱風(fēng)流量維持磨入口負(fù)壓時，同時會影響磨煤機(jī)的入口溫度。而溫風(fēng)量同樣會對磨煤機(jī)入口負(fù)壓有較大的影響，因此，常規(guī)控制方案會造成兩個單回路控制系統(tǒng)之間的交叉影響［6－8］。

針對上述常規(guī)控制系統(tǒng)存在的缺點，課題組提出如下改進(jìn)方法:以多變量控制理論設(shè)計該控制系統(tǒng)，在兩單回路控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上設(shè)計交叉解耦環(huán)節(jié)，以消除磨煤機(jī)入口負(fù)壓和入口溫度控制系統(tǒng)之間的相互作用;在磨煤機(jī)入口溫度控制系統(tǒng)中，加入相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)，可以有效克服溫度對象的大慣性，提高溫度控制系統(tǒng)的品質(zhì)。

多變量解耦控制的設(shè)計原則是:當(dāng)開大熱風(fēng)門時，通過解耦環(huán)節(jié)及時開大冷風(fēng)門，使磨煤機(jī)入口的溫度基本保持不變;反之，當(dāng)關(guān)小熱風(fēng)門時，應(yīng)同時關(guān)小冷風(fēng)門開度;

當(dāng)開大冷風(fēng)門時，則通過解耦環(huán)節(jié)及時關(guān)小熱風(fēng)門，以保證磨煤機(jī)入口負(fù)壓基本保持不變;反之，當(dāng)關(guān)小冷風(fēng)門時，應(yīng)同時適當(dāng)開大熱風(fēng)門開度。

由于溫度側(cè)的對象特性很慢，在系統(tǒng)中加入相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)，可有效減少溫度等效對象的慣性時間，使PID調(diào)節(jié)器的比例帶減小，加快調(diào)節(jié)器的動作速度，有效抑制磨煤機(jī)入口溫度的變化。

另外，為了防止磨煤機(jī)出口溫度的超溫，設(shè)計了冷(溫)風(fēng)門的強(qiáng)開保護(hù)回路，當(dāng)磨出口溫度超過某一限值時，強(qiáng)開磨冷風(fēng)門。磨出口溫度回落后，溫風(fēng)門恢復(fù)正常調(diào)節(jié)?？筛鶕?jù)磨出口溫度來修正磨入口負(fù)壓的定值，以便當(dāng)磨出口溫度偏高后能通過改變磨入口風(fēng)壓來關(guān)小熱風(fēng)門。

磨煤機(jī)入口負(fù)壓和入口溫度控制系統(tǒng)的基本控制方案如圖1所示。

上述方案中，通過多變量解耦控制器解除磨入口負(fù)壓和磨入口溫度之間的相互影響;通過磨溫度對象補(bǔ)償器補(bǔ)償磨入口溫度過程的滯后和慣性，改善磨入口溫度的控制質(zhì)量;當(dāng)出現(xiàn)給煤機(jī)斷煤或磨出口堵煤等非正常工況時，需要熱風(fēng)門快速動作，此時，可將熱風(fēng)門的控制切換到模糊控制FLC，工況恢復(fù)后再切回常規(guī)的PID控制;當(dāng)磨出口溫度超溫時，通過選擇器強(qiáng)開溫風(fēng)門，磨出口溫度恢復(fù)后，溫風(fēng)門恢復(fù)正常的PID控制。所有的這些控制策略，確保了控制系統(tǒng)具有優(yōu)良的控制品質(zhì)。

3.3 磨煤機(jī)入口負(fù)壓和入口溫度的定值擾動實驗

磨煤機(jī)入口負(fù)壓和入口溫度采用了多變量模糊控制系統(tǒng)來進(jìn)行控制。圖2測試了當(dāng)甲磨入口負(fù)壓定值、磨入口溫度定值改變時，甲磨入口負(fù)壓和入口溫度多變量模糊控制系統(tǒng)的響應(yīng)情況。

從圖2中可知，在穩(wěn)定工況下，磨煤機(jī)入口溫度波動范圍在±1.0℃內(nèi)，磨煤機(jī)入口負(fù)壓波動范圍在±0.04 kPa內(nèi)。

圖2 甲磨入口負(fù)壓和入口溫度的實際測試曲線

當(dāng)磨入口負(fù)壓作階躍變化時(從－0.55 kPa變化到 －0.15 kPa，后又回到 －0.55 kPa)，磨入口負(fù)壓能快速跟著定值的變化而變化，磨入口負(fù)壓基本沒有超調(diào)，且在15秒內(nèi)就達(dá)到了穩(wěn)定。而且由于冷、熱風(fēng)門的同時動作，使磨入口溫度的波動范圍控制在設(shè)定值的±2℃內(nèi)。

在磨入口溫度定值從321℃ 增加到329℃后又回到321℃時，磨入口溫度具有較好的跟蹤性能(在6分鐘內(nèi)調(diào)整到設(shè)定值)，磨入口負(fù)壓僅變化了0.1 kPa左右，確保了制粉系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

4 系統(tǒng)運(yùn)行效果

通過系統(tǒng)組態(tài)，軟件編程和控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等硬件的改造，實現(xiàn)了制粉系統(tǒng)自適應(yīng)模糊控制，實施后的系統(tǒng)可實現(xiàn)如下功能:

(1)通過感應(yīng)甲、乙兩側(cè)給煤機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行正常情況下的給煤量模糊控制，給煤機(jī)斷煤情況下的模糊控制，磨煤機(jī)有滿煤趨勢情況下的給煤量模糊控制，磨煤機(jī)已處于滿煤狀態(tài)下給煤量的模糊控制。

(2)通過調(diào)整磨煤機(jī)冷、熱風(fēng)門的開度，對磨煤機(jī)入口負(fù)壓、進(jìn)出口差壓、進(jìn)口及出口溫度等參數(shù)進(jìn)行有效控制，維持制粉系統(tǒng)良好的運(yùn)行工況。

(3)通過調(diào)整排粉機(jī)的入口風(fēng)門，對排粉機(jī)的電流進(jìn)行有效控制。

(4)實現(xiàn)整個制粉系統(tǒng)的“一鍵”自動程序啟動和“一鍵”自動程序停止功能，減少啟、停制粉系統(tǒng)對鍋爐爐膛負(fù)壓的影響，有效減輕運(yùn)行人員的操作強(qiáng)度。

5 結(jié)束語

將制粉系統(tǒng)的最佳運(yùn)行工況與自動控制有機(jī)地結(jié)合起來，在獲得制粉系統(tǒng)的最佳工況后，進(jìn)一步以非線性控制理論為基礎(chǔ)，對整個制粉系統(tǒng)實施國內(nèi)最完整的全局自動控制，確保制粉系統(tǒng)嚴(yán)格工作在最佳工況的附近。這種制粉系統(tǒng)控制新模式不僅確保了該制粉系統(tǒng)的長期可靠運(yùn)行，而且使制粉系統(tǒng)工作在最佳工況。對解決熱電裝置同類型問題、提高系統(tǒng)安全可靠性、提高制粉系統(tǒng)及鍋爐熱效率、降低電耗等具有良好效果，對中石化及國內(nèi)同類型熱電裝置具有很好的推廣及借鑒意義。

［1］呂劍虹，吳科，郭穎，等.中儲式鋼球磨制粉系統(tǒng)的自適應(yīng)模糊控制［J］.動力工程，2005，25(增刊)，425－430.

［2］呂劍虹，郭穎，吳科，等.中儲式鋼球磨制粉系統(tǒng)的自適應(yīng)模糊控制［J］.熱能動力工程，2007，22(4)，418－422.

［3］董宸，呂劍虹.中儲式鋼球磨制粉系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化和節(jié)能控制［J］.能源研究與利用，2009(6)，24－27.

［4］田建兵.基于模糊控制的球磨機(jī)制粉系統(tǒng)的研究和應(yīng)用［D］.太原:太原理工大學(xué)，2008.

［5］馬健霄，孫偉，韓寶睿.城市道路交通安全模糊評價指標(biāo)體系建立及應(yīng)用［J］.森林工程，2008，24(1):65－67.

［6］李洋，李麗娜.基于模糊層次分析法的供應(yīng)商的選擇［J］.森林工程，2008，24(5):79 －83.

［7］蘇義坤，宋立強(qiáng)，高淑青.基于模糊綜合條件判法的施工企業(yè)信用研究［J］.森林工程，2010，26(1):61－64.

［8］呂劍虹，沈炯，楊榕，等.中儲式鋼球磨煤機(jī)制粉系統(tǒng)控制策略研究及應(yīng)用［J］.中國電力，2000，33(9)，57－61.