中儲式鋼球磨制粉系統(tǒng)節(jié)能及智能控制方法

中石化集團公司巴陵石化分公司熱電事業(yè)部 劉 一

由于鋼球磨煤機具有可磨煤種多、可靠性高、使用時間長、維護量小等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外的火力發(fā)電廠中。但鋼球磨煤機也存在缺點，主要為鋼球消耗量大、無法直接監(jiān)測磨煤機負(fù)荷從而造成耗電量大等。據(jù)統(tǒng)計，鋼球磨的用電量約占廠用電量的15%左右，是電廠的耗電大戶之一，同時也是潛在的節(jié)能大戶之一。各電廠均把如何減少鋼球磨單位電耗作為一個重要的技改方向。要降低制粉系統(tǒng)的制粉單耗，必須盡量維持制粉系統(tǒng)運行在最優(yōu)的工況上，這必須同時解決兩個相關(guān)的問題：研究并確定制粉系統(tǒng)最優(yōu)的參數(shù)化工況；以及采用先進的控制技術(shù)對制粉系統(tǒng)的參數(shù)進行有效控制，確保制粉系統(tǒng)運行在最優(yōu)的工況點上。

為研究中儲式鋼球磨制粉系統(tǒng)的節(jié)能及智能控制方法，2009年中石化巴陵石化分公司正式批準(zhǔn)“鍋爐制粉系統(tǒng)節(jié)能與控制方法研究”為科技開發(fā)項目，并委托巴陵石化熱電事業(yè)部和東南大學(xué)聯(lián)合研制。

研究工作在熱電事業(yè)部9號爐中儲式鋼球磨制粉系統(tǒng)上進行，為獲得制粉系統(tǒng)的最優(yōu)運行參數(shù)，首先采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立制粉系統(tǒng)的運行工況模型，并通過非線性優(yōu)化技術(shù)確定使制粉單耗最低的運行參數(shù)；在此基礎(chǔ)上，進一步采用模仿人操作行為的智能控制技術(shù)對整個制粉系統(tǒng)進行自動控制，確保制粉系統(tǒng)運行在最佳的工況上。實際應(yīng)用表明，通過對制粉系統(tǒng)的智能控制，有效降低了磨制粉單耗和鍋爐飛灰含碳量，提高了煤粉均勻性指數(shù)。本文主要闡述在9號爐上實施的制粉系統(tǒng)節(jié)能和控制方法，為其它電廠鋼球磨制粉系統(tǒng)的節(jié)能改造提供思路和方法。

1 確定制粉系統(tǒng)的最優(yōu)運行參數(shù)

1.1 制粉系統(tǒng)的電耗模型

制粉系統(tǒng)的電耗主要來自磨煤機和排粉機的電耗，而磨煤機和排粉機的電耗又直接正比于各自電流的大小，制粉系統(tǒng)的運行參數(shù)如：磨入口溫度（℃）、磨入口負(fù)壓（Pa）、磨出口溫度（℃）、磨進出口差壓（Pa）及給煤指令(rpm)對磨煤機和排粉機的電流有直接影響，可以表示為：

式中，I1，I2分別為磨煤機和排粉機電流；T1，T2，P，ΔP分別為磨入口溫度（℃）、磨出口溫度（℃）、磨入口負(fù)壓（Pa）及磨進出口差壓（Pa）；n0為給煤機的轉(zhuǎn)速指令（rpm）。

F1（?）F2分別為磨煤機電流和排粉機電流的非線性模型。傳統(tǒng)的方法很難建立此模型，本文利用制粉系統(tǒng)的實際運行數(shù)據(jù)，采用文[1]所提出的補償遞歸模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可方便獲得磨煤機和排粉機的電流模型。補償遞歸模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[1]如圖1所示。

圖1 補償遞歸模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

對該網(wǎng)絡(luò)模型的說明如下：

第一層：輸入層。該層神經(jīng)元的主要作用就是將輸入數(shù)據(jù)傳給第二層神經(jīng)元。

第二層：模糊化和遞歸層。該層的每一個神經(jīng)元包含如下計算過程，首先將前一時刻保存的該神經(jīng)元的輸出值乘以一定的比例系數(shù)加到當(dāng)前時刻的輸入中，然后根據(jù)隸屬度函數(shù)進行輸入變量的模糊化。隸屬度函數(shù)采用高斯函數(shù)，該層的輸出為：

式中，Ofij（k）是當(dāng)前時刻連接第i個輸入和第j條模糊規(guī)則的模糊神經(jīng)元的輸出；而Ofij（k-1）則為該神經(jīng)元在前一時刻的輸出；cij、σij、ij分別是該神經(jīng)元的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即為中心值、寬度值和遞歸環(huán)節(jié)的反饋系數(shù)。

第三層：模糊推理層。該層主要根據(jù)模糊規(guī)則庫進行模糊推理，每一個神經(jīng)元代表一條模糊規(guī)則，用來匹配模糊規(guī)則的前件，完成模糊運算。模糊規(guī)則的形式如下：

第j條規(guī)則：If x1is F1j, x2is F2j，……，xnis Fnj，Then yjis wj.j = 1，2，…，L

該層的運算結(jié)果為：

式中，Opj（k）是第j條模糊規(guī)則的推理結(jié)果，n為輸入向量的維數(shù)。

第四層：補償運算層。該層對模糊規(guī)則的輸出進行補償運算。消極推理的結(jié)果Up和積極推理的結(jié)果Uo分別為：

式中，Ocj（k）為該層的輸出，γj為第j條模糊規(guī)則對應(yīng)的補償系數(shù)。因此，模糊規(guī)則演變?yōu)椋?/p>

第j條規(guī)則：[If x1is F1j，x2is F2j，……，xnis Fnj]1－γj+γj/n，Then yjis wj. j = 1，2，…，L.

第五層：歸一化層。該層神經(jīng)元將補償之后的輸出結(jié)果進行歸一化運算，并輸出：

式中，Onj（k）為該層的輸出。

第六層：輸出層。計算歸一化之后所有輸出之和。

式中，wj，j=1，2，…，L為該層的加權(quán)系數(shù)。

對上面補償遞歸模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，主要分為兩步[1]：一是結(jié)構(gòu)辨識，二是參數(shù)逼近。結(jié)構(gòu)辨識的主要任務(wù)是確定模糊規(guī)則的條數(shù)及其各個高斯函數(shù)的中心c和寬度σ的初始值。結(jié)構(gòu)辨識后，將最小二乘算法和傳統(tǒng)BP算法有機結(jié)合起來，從而對網(wǎng)絡(luò)進行快速學(xué)習(xí)，最終獲得相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)模型。

為建立磨煤機電流和排粉機電流的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，選取磨入口溫度（℃）、磨入口負(fù)壓（Pa）、磨出口溫度（℃）、磨進出口差壓（Pa）及給煤機轉(zhuǎn)速指令(%)為網(wǎng)絡(luò)的輸入?yún)?shù)并進行歸一化。針對巴陵石化熱電事業(yè)部的9號爐，在一段時間內(nèi)記錄上述數(shù)據(jù)后，通過結(jié)構(gòu)辨識，得到7條模糊規(guī)則，再采用改進的BP算法對網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進行進一步的逼近，最終可計算出磨煤機電流和排粉機電流的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模糊化層的中心c、寬度σ值。

1.2 運行參數(shù)的非線性優(yōu)化

針對所建立的磨煤機電流和排粉機電流模型，采用非線性粒群優(yōu)化方法[2]求解制粉系統(tǒng)的最優(yōu)運行參數(shù)。

定義能反映制粉系統(tǒng)制粉單耗的指標(biāo)函數(shù)：

式中，I1為磨煤機的電流；I2為排粉機電流；N0給煤機的轉(zhuǎn)速指令。很明顯，上述指標(biāo)盡管不是制粉系統(tǒng)的制粉單耗，但可以反映制粉單耗的大小。可采用非線性粒群優(yōu)化方法[2]進行優(yōu)化求解，從確保制粉系統(tǒng)安全運行的角度考慮，優(yōu)化過程中，制粉系統(tǒng)的運行參數(shù)還應(yīng)限制在允許的范圍內(nèi)。因此，問題就歸結(jié)為如下帶約束條件的優(yōu)化問題：

約束條件： 280℃≤磨入口溫度≤335℃，-0.4kPa≤磨入口負(fù)壓≤-0.1kPa，80℃≤磨出口溫度≤90℃，-2.0kPa≤磨進出口差壓≤-1.2kPa，300rpm≤給煤機的轉(zhuǎn)速指令≤380rpm。

針對上述優(yōu)化指標(biāo)和前面的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，采用粒群優(yōu)化后的最優(yōu)制粉運行工況如表1所示。

表1 優(yōu)化所獲得的制粉系統(tǒng)運行參數(shù)

經(jīng)與運行人員討論后認(rèn)為，上述優(yōu)化后的運行參數(shù)比較合適，確實反映了制粉系統(tǒng)的實際情況。

2 制粉系統(tǒng)的智能控制

2.1 磨煤機冷、熱風(fēng)門的多變量智能控制系統(tǒng)

在制粉系統(tǒng)運行時，為保證磨煤機的通風(fēng)量和干燥出力，必須將磨煤機的入口負(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，同時會影響磨煤機的入口溫度。而冷風(fēng)量同樣會對磨煤機入口負(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。另一方面，冷風(fēng)流量改變到引起磨煤機入口溫度變化是一個大慣性的過程，可以通過相位補償降低等效對象模型的階次。

針對上面常規(guī)控制系統(tǒng)存在的缺點，提出改進的控制系統(tǒng)如圖2所示。

多變量解耦控制的設(shè)計原則是：

（1）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；

圖2 磨煤機入口負(fù)壓和入口溫度控制策略

（2）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，系統(tǒng)中加入了相位補償環(huán)節(jié)，以補償溫度被控對象的慣性時間。

另外，為了防止磨煤機出口溫度的超溫，設(shè)計了冷風(fēng)門的強開保護回路，當(dāng)磨出口溫度超過某一限值時，強開磨冷風(fēng)門。磨出口溫度回落后，溫風(fēng)門恢復(fù)正常調(diào)節(jié)。可根據(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。

2.2 給煤機轉(zhuǎn)速的智能控制系統(tǒng)

給煤機轉(zhuǎn)速控制包括正常工況和非正常工況的控制，非正常工況包括給煤機斷煤、磨煤機預(yù)堵煤及已堵煤工況。各種情況的控制方案應(yīng)分別處理。

2.2.1 給煤機斷煤工況的判別與控制

斷煤判別條件：

式中，ΔP是磨煤機進出口差壓；T2是磨煤機出口溫度；ΔPLL，T2HL分別是磨進出口差壓低限和磨出口溫度高限，應(yīng)根據(jù)制粉系統(tǒng)的實際情況確定。

若上面條件成立，則可判斷出給煤機出現(xiàn)斷煤，可采用如下斷煤時的控制方法：

（1）保持給煤機轉(zhuǎn)速不變；

（2）關(guān)小磨煤機入口熱風(fēng)門開度且開大入口冷風(fēng)門開度，確保磨出口溫度不再升高；

（3）待斷煤狀態(tài)消除后，冷、熱風(fēng)門先恢復(fù)到斷煤前的位置，后參與正常調(diào)節(jié)。

2.2.2 磨煤機預(yù)堵煤工況的判別與控制

預(yù)堵煤是指磨煤機雖然沒有堵煤但有堵煤的趨勢，一般可根據(jù)磨煤機的進出口差壓來判別，判別條件：

式中，ΔPHL1為磨進出口差壓的高I值，應(yīng)根據(jù)制粉系統(tǒng)的實際情況確定。

若上面條件成立，則可判斷出磨煤機處預(yù)堵煤工況，可采用如下控制策略：

（1）快速減給煤機轉(zhuǎn)速一定值（如減給煤機轉(zhuǎn)速40rpm）；

（2）待磨進出口差壓正常后，給煤機轉(zhuǎn)速正常調(diào)節(jié)。

2.2.3 磨煤機已堵煤工況的判別與控制

已堵煤是指磨煤機確實已堵煤的工況，一般可根據(jù)磨煤機的進出口差壓來判別，判別條件：

式中，ΔPHL2為磨進出口差壓的高II值，應(yīng)根據(jù)制粉系統(tǒng)的實際情況確定。

若上面條件成立，則可判斷出磨煤機處已堵煤工況，可采用如下控制策略：

（1）快速減給煤機轉(zhuǎn)速到100rpm以下，若磨堵煤嚴(yán)重，則可停給煤機；

（2）堵粉消除后，快速增加給煤機的轉(zhuǎn)速至接近堵粉前的轉(zhuǎn)速，后給煤機轉(zhuǎn)速正常調(diào)節(jié)。

2.2.4 正常工況下給煤機轉(zhuǎn)速控制

（1）判斷磨煤機進出口差壓是否在允許范圍內(nèi)，若進出口差壓低于允許低限，則自動加煤；若進出口差壓高于允許高限，則自動減煤，否則執(zhí)行第（2）步；

（2）判斷磨煤機出口溫度是否在允許范圍內(nèi)，若出口溫度超出允許高限，則自動加煤；若出口溫度低于允許低限，則自動減煤，否則執(zhí)行第（3）步；

（3）磨煤機出口溫度在允許范圍內(nèi)，通過微調(diào)給煤量，確保磨出口溫度維持在最優(yōu)定值上，具體為：若磨煤機出口溫度與最優(yōu)定值之間的偏差在規(guī)定的死區(qū)范圍內(nèi)（一般死區(qū)為0.5℃），保持給煤量不變；若偏差超出死區(qū)且出口溫度大于定值，則適當(dāng)加煤；若偏差超出死區(qū)且出口溫度小于定值，則適當(dāng)減煤。

2.3 制粉系統(tǒng)的程控啟停控制系統(tǒng)

由于投入了程控啟停控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了一鍵啟動或停止制粉系統(tǒng)，不僅有效減輕了運行人員的操作強度，而且減小了由于制粉系統(tǒng)啟、停所造成的爐膛負(fù)壓的波動，確保了鍋爐的安全、穩(wěn)定運行。

制粉系統(tǒng)的程控啟動過程如下：

（1）第1步的動作過程

切磨煤機冷風(fēng)門到手動，并逐步關(guān)閉冷風(fēng)門；將給煤機指令逐步減小到0%；當(dāng)冷風(fēng)門的開度已小于4%時，自動啟動排粉機，排粉機啟動10秒后，則自動轉(zhuǎn)入第2步。

（2）第2步的動作過程

在磨煤機入口負(fù)壓不小于-2.1 kPa的情況下，逐步開大排粉機的入口擋板。當(dāng)磨煤機入口負(fù)壓不滿足條件時，保持排粉機入口擋板的開度，該步最多使排入口擋板開到35%；同時，在磨煤機入口負(fù)壓不大于-0.1 KPa的情況下，逐步開大磨煤機的熱風(fēng)門。當(dāng)磨煤機入口負(fù)壓不滿足條件時，保持熱風(fēng)門的開度，熱風(fēng)門最多開到60%；在此過程中，對磨煤機進行暖磨，當(dāng)滿足啟磨條件（磨出口溫度大于85℃、排粉機入口擋板的開度大于30%），則自動轉(zhuǎn)入第3步。

（3）第3步的動作過程

啟動磨煤機，在磨煤機入口負(fù)壓不大于-0.1 kPa的情況下，繼續(xù)開大磨煤機的熱風(fēng)門。當(dāng)磨煤機入口負(fù)壓不滿足條件時，保持熱風(fēng)門的開度，熱風(fēng)門最多開到60%；同時，在磨煤機入口負(fù)壓不小于-2.1 kPa的情況下，繼續(xù)開大排粉機的入口擋板。當(dāng)磨煤機入口負(fù)壓不滿足條件時，保持排粉機入口擋板的開度，該步最多可使排入口擋板開到60%；當(dāng)磨煤機已啟動10秒后且排粉機入口擋板的開度已大于35%，啟動給煤機，并將給煤機的轉(zhuǎn)速指令逐步提高到24%；滿足條件(排粉機入口擋板的開度已大于50%、給煤機的轉(zhuǎn)速指令已大于23%)，則自動轉(zhuǎn)入第4步。

（4）第4步的動作過程

在磨煤機入口負(fù)壓不大于-0.1 KPa的情況下，繼續(xù)開大磨煤機的熱風(fēng)門。當(dāng)磨煤機入口負(fù)壓不滿足條件時，保持熱風(fēng)門的開度，熱風(fēng)門最多開到60%；在磨煤機入口負(fù)壓不小于-2.1 kPa的情況下，繼續(xù)開大排粉機的入口擋板。當(dāng)磨煤機入口負(fù)壓不滿足條件時，保持排粉機入口擋板的開度，該步最多可使排入口擋板開到60%；當(dāng)排粉機入口擋板的開度已大于53%時，則自動轉(zhuǎn)入第5步。

（5）第5步的動作過程

繼續(xù)開大排粉機入口擋板60%；投制粉系統(tǒng)的聯(lián)鎖。

3 結(jié)語

（1）本文將制粉系統(tǒng)優(yōu)化運行工況的研究與制粉系統(tǒng)的自動控制有機地聯(lián)系起來，從制粉系統(tǒng)整體優(yōu)化的角度去研究、設(shè)計及實施制粉控制系統(tǒng)，降低了制粉電耗，具有明顯的創(chuàng)新性。

（2）能使整個制粉系統(tǒng)甲、乙兩側(cè)的10套自動控制系統(tǒng)全部長期、穩(wěn)定地投入運行，并具有制粉系統(tǒng)斷煤或堵煤時的自動處理功能。

（3）采用了多變量智能控制技術(shù)，對磨煤機入口負(fù)壓、進出口差壓、進口及出口溫度等參數(shù)進行有效控制，維持制粉系統(tǒng)良好的運行工況。

（4）采用了自適應(yīng)智能控制方法對給煤機轉(zhuǎn)速進行了有效控制，有效減少了磨煤機滿煤情況的發(fā)生次數(shù)，并提高了制粉系統(tǒng)的出力，降低了制粉單耗。

（5）實現(xiàn)了制粉系統(tǒng)的自動啟停，減少了啟、停制粉系統(tǒng)對鍋爐爐膛負(fù)壓的影響，提高了鍋爐運行的安全性，有效減輕運行人員的操作強度。

[1] 吳波，吳科，呂劍虹. 一種補償遞歸模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及其學(xué)習(xí)算法[J]. 中國科學(xué), 2009, 39(7):694-703.

[2] Coello C A C, Pulido, G T, Lechuga M S. Handling multiple objectives with particle swarm optimization[J]. IEEE Transactions on Evolutionary Computation, 2004, 8(3):256 – 279.

[3] 呂劍虹，郭穎，吳科. 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.