基于MPC的電廠輸煤皮帶機系統(tǒng)能源效率優(yōu)化

李紅軍

摘要：皮帶機是現(xiàn)代散狀物料運輸系統(tǒng)的主要設備，我國發(fā)電廠的煤炭大都采用皮帶輸送的方式。在實際生產(chǎn)中，為了保證用戶用電的可靠性，發(fā)電廠多采用皮帶機24小時不間斷恒速運行的工作模式，導致“大馬拉小車”的現(xiàn)象時常發(fā)生，不僅造成能源的大量浪費，而且加速了設備的磨損，縮短了使用壽命。在電廠煤炭運輸中，皮帶輸送能耗占整機全部能耗的30%-40%。隨著電廠設備自動化程度的提高和國家節(jié)能降耗政策的實施，原來的皮帶機運行模式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在的社會發(fā)展需要，對皮帶運輸系統(tǒng)進行優(yōu)化改進，提高運輸效率從而降低生產(chǎn)成本顯得尤為必要。

關(guān)鍵詞：皮帶機;開環(huán)最優(yōu)控制;模型預測控制;削峰填谷;節(jié)能

引言：文章圍繞發(fā)電廠輸煤皮帶機系統(tǒng)能源效率較低的問題，提出了提高皮帶機運行效率的優(yōu)化控制方案。首先分析確立了皮帶機功率的數(shù)學模型，然后利用基于有限元模型的動態(tài)參數(shù)分析法獲得精確的優(yōu)化參數(shù)，采用開環(huán)最優(yōu)控制削峰填谷策略優(yōu)化處理。最后根據(jù)系統(tǒng)中存在干擾產(chǎn)生控制誤差的問題，引入模型預測控制算法（MPC）進行反饋校正和滾動優(yōu)化。結(jié)果表明在分時電價下，模型預測控制策略節(jié)能顯著，使生產(chǎn)成本大大降低，增加了發(fā)電廠的生產(chǎn)效益，具有良好的實際應用價值。

1.皮帶機模型的建立

1.1功率數(shù)學模型

皮帶機功率計算模型有多種，這些模型均來源于公認的準則，如ISO5048，DIN22015等。而這些模型在計算過程中需要詳細的參數(shù)，并不適合運行效率的優(yōu)化。

1.2粘彈性動力學模型

基于剛體運動力學的分析方法，皮帶機可以被看作是一個剛體，皮帶機上的任意一個受力點視作具有相同的速度和加速度。對皮帶機受力分析：FFma′=?（5）式中，F(xiàn)為驅(qū)動力;F′為阻力;m為移動部分的等效質(zhì)量;a為加速度。剛體并不能完全的描述皮帶機的粘彈特性，因此，根據(jù)有限元的思想，將皮帶機環(huán)形分割成n個小段，每個小段都用能反應輸送帶粘彈性特性的數(shù)學模型來代表。將連續(xù)系統(tǒng)的分布質(zhì)量分段聚集在有限個點上，各點之間用無質(zhì)量的彈性元件和粘性元件連接起來，連續(xù)系統(tǒng)便轉(zhuǎn)化為離散系統(tǒng)。此時，離散系統(tǒng)可以看作連續(xù)系統(tǒng)的近似描述，如圖1所示。

將皮帶機出廠的初始設計數(shù)據(jù)輸入仿真程序中，對連續(xù)皮帶機滿載啟動進行仿真，得到按S型啟動曲線啟動的頭中尾速度對比曲線，如圖2所示。

由圖2知，皮帶機頭部單元因靠近頭部驅(qū)動裝置而最先運動，中間滾筒單元在13s時開始運動，尾部單元由于靜阻力的作用在22s時才開始運動。在25s時，中間驅(qū)動滾筒單元開始輸出驅(qū)動力以驅(qū)動其后面的輸送單元。32s時整條輸送帶被完全牽動，而之后帶速出現(xiàn)了下降是由于出現(xiàn)了打滑現(xiàn)象，此外，在加速時間結(jié)束即125s時，出現(xiàn)了尾部單元速度高于頭部單元速度的浪涌現(xiàn)象。仿真結(jié)果表明，皮帶機在125s時達到穩(wěn)定，速度極限為2.4m/s。最后，帶速達到穩(wěn)定的額定帶速為2.23m/s。

2.皮帶機輸送系統(tǒng)

某火力發(fā)電廠的煤炭輸送系統(tǒng)的基本過程如圖3所示。

目前該火力發(fā)電廠有兩臺250MW機組，未來會增容兩臺600MW的機組，煤炭輸送系統(tǒng)將針對這4個部分進行設計?；疖噷⒃哼\輸?shù)桨l(fā)電廠，翻車機摘取煤箱經(jīng)C1、C2、C3輸送至煤場。然后，斗輪機、電磁振動給煤機將煤經(jīng)C4-C7輸送至兩個燃燒室的煤倉中。在實際中，每臺皮帶機均有它的備用皮帶機，兩臺皮帶機組成一對。而在傳統(tǒng)的操作模式下，一對皮帶機僅一條工作，另一條作為故障時的備用，因而選擇一條皮帶機進行研究是合理的。其中，在C5和C6之間有一個碎煤機，每一個燃燒室都有8臺磨煤機，每一個磨煤機都有自己的煤倉。從系統(tǒng)分析的角度，可將16個煤倉作為一個整體考慮。16個煤倉的總?cè)萘坑洖門CB，該火力發(fā)電廠的煤倉總?cè)萘繛?.0×103t。

3.優(yōu)化控制策略研究

3.1目前的控制策略

該煤炭輸送系統(tǒng)中，煤倉內(nèi)安裝有超聲波探測器，一個順序控制系統(tǒng)（SCS）通過超聲波探測器計算出煤倉中煤的余量（RCB）。設置煤倉余量的上限（HL）和下限（LL），如果RCB小于LL，SCS使皮帶機C4-C7加速給煤至煤倉;反之停止給煤。目前的控制策略沒有考慮系統(tǒng)的約束條件[1]。

3.2開環(huán)最優(yōu)控制策略

煤倉在煤炭輸送和供給燃燒室的過程中起到緩沖的作用，給皮帶機的運行調(diào)控帶來了便利。根據(jù)峰谷分時電價（11），采用削峰填谷策略，以最小能源成本為目標函數(shù)，對皮帶機運行速度進行優(yōu)化控制。在電價低谷時期加速皮帶機的運輸，同時增加燃燒室煤的消耗量，使得煤倉煤炭儲量降至最低，提前為高峰期騰空存儲空間;在電價高峰期到來時減緩皮帶機的運輸，同時減少燃燒室的耗煤量，將皮帶機運輸?shù)拿簳簳r存儲在煤倉中，等到電價低谷時期再進行加快運輸。

3.3MPC閉環(huán)優(yōu)化

在電價低谷時期，兩種優(yōu)化控制優(yōu)化調(diào)控，保證皮帶機相對高的轉(zhuǎn)速和運載量，煤倉存儲量逐漸增加，為電價高峰期燃燒室燃燒發(fā)電提供充足的燃料;在電價正常時期，平衡發(fā)電需要和系統(tǒng)約束條件，選取運載量和帶速的最優(yōu)值平穩(wěn)運行。而在電價高峰期，為減少發(fā)電成本，同時增加電廠發(fā)電效益，皮帶機速度、運載量減到最小甚至為0，而燃燒室的耗煤量增加，煤倉的容量降低至下限，為下一個低谷時期清空存儲空間[2]。

結(jié)論：

簡而言之，針對皮帶機的初始設計參數(shù)在操作條件變化與系統(tǒng)組件損失等情況下會發(fā)生偏移的問題，設計了基于有限元分析的皮帶機模型動態(tài)參數(shù)仿真，獲得優(yōu)化參數(shù)，便于能源消耗的優(yōu)化處理。根據(jù)采集獲得的耗煤量數(shù)據(jù)，用灰色理論建立耗煤量的模型，預測24小時耗煤量。針對皮帶機傳統(tǒng)的恒速運行模式，引入最優(yōu)控制，為彌補外來干擾，提出閉環(huán)MPC控制策略。對開環(huán)最優(yōu)控制和閉環(huán)MPC控制分別仿真，結(jié)果表明兩種控制方案使皮帶機的運行效率均得到改善。閉環(huán)MPC控制能夠有效抑制外界干擾，控制精度高，優(yōu)化前后對比表明電能消耗減少了20.14%，電費成本降低了49.38%，優(yōu)化效果更顯著。

參考文獻：

[1]劉繼東，韓學山，韓偉吉.分時電價下用戶響應行為的模型與算法[J].電網(wǎng)技術(shù)，2019，37（10）：2973-2978.

[2]楊華龍，劉金霞，鄭斌.灰色預測GM（1，1）模型的改進及應用[J].數(shù)學的實踐與認識，2018，41（23）：39-46.