破碎機(jī)自適應(yīng)除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真分析

陳 洪

(1.中煤科工集團(tuán)唐山研究院有限公司；2.河北省煤炭洗選工程技術(shù)研究中心，河北 唐山 063012)

原煤的分級(jí)破碎是選煤工藝中必不可少的環(huán)節(jié)[1]，同時(shí)，原煤的破碎又是選煤廠粉塵污染的主要來(lái)源之一，因此對(duì)破碎機(jī)工作過(guò)程中的除塵降塵十分必要[2-4]。噴霧除塵方式在破碎機(jī)的除塵應(yīng)用較多，常見安裝方式是將破碎機(jī)的入料溜槽開小圓孔，把霧化噴頭固定在圓孔上，噴嘴對(duì)破碎腔內(nèi)部進(jìn)行噴霧除塵，噴霧除塵具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)勢(shì)。然而，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用缺乏對(duì)噴霧除塵系統(tǒng)的針對(duì)性設(shè)計(jì)，通常存在由于除塵水壓不穩(wěn)定、水壓不足影響霧化效果，除塵水以水滴形式從破碎機(jī)出料口流出，沒(méi)有起到除塵的作用；除塵噴霧水量不可靈活自動(dòng)調(diào)節(jié)，破碎腔內(nèi)粉塵量上下起伏時(shí)，噴霧量不能與之合理匹配，存在除塵水浪費(fèi)、下料口工作面積水或除塵能力不足的情況。針對(duì)這些問(wèn)題，本文就基于模糊控制理論進(jìn)行破碎機(jī)噴霧除塵系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行論述。

1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本噴霧除塵系統(tǒng)主要組成部分包括控制單元、壓縮機(jī)、單向閥、儲(chǔ)存罐、壓力傳感器、電液比例閥、霧化噴頭、粉塵濃度傳感器以及線路管路等(圖1)。

壓縮機(jī)經(jīng)單向閥對(duì)儲(chǔ)存罐進(jìn)行加壓，儲(chǔ)存罐內(nèi)高壓水經(jīng)電液比例閥由霧化噴頭噴出，對(duì)破碎腔內(nèi)進(jìn)行除塵。儲(chǔ)存罐裝有壓力傳感器對(duì)水壓P進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并將壓力信號(hào)傳送給控制單元，控制單元可通過(guò)外部人機(jī)界面設(shè)定寫入標(biāo)準(zhǔn)壓力值Pi和壓力回差值δp，當(dāng)P<(Pi-δp)時(shí)控制壓縮器啟動(dòng)，當(dāng)P>(Pi-δp)時(shí)控制壓縮器停止。

除塵水壓可穩(wěn)定保持在標(biāo)準(zhǔn)壓力值Pi左右，設(shè)定壓力回差值δp可以防止壓縮機(jī)頻繁啟動(dòng)。

破碎腔內(nèi)部安裝粉塵濃度傳感器，將粉塵濃度傳送至控制單元，控制單元根據(jù)粉塵濃度控制電液比例閥的開度，噴出與粉塵量匹配的水霧進(jìn)行除塵，形成了閉環(huán)控制系統(tǒng)。上述壓力傳感器和粉塵濃度傳感器傳送給控制單元的信號(hào)及控制單元控制電液比例閥的輸出信號(hào)均采用4～20 ma標(biāo)準(zhǔn)模擬量信號(hào)形式。

2 模糊控制器設(shè)計(jì)

破碎機(jī)自適應(yīng)除塵系統(tǒng)基于模糊控制進(jìn)行設(shè)計(jì)。其本質(zhì)是模擬人工的思維和決策，在破碎腔粉塵濃度較小或粉塵濃度下降時(shí)適當(dāng)減小除塵噴霧量，在粉塵濃度較大或粉塵濃度增大時(shí)適當(dāng)增加除塵噴霧量。將實(shí)際粉塵濃度與粉塵濃度常量的差值e及其變化率ec設(shè)為模糊控制的輸入?yún)⒖剂浚敵鰠⒖剂縰為電液比例閥開度的調(diào)整量。

2.1 模糊參數(shù)設(shè)定

以SSC70200破碎機(jī)為例進(jìn)行設(shè)計(jì)，在入料滿負(fù)荷250 t/h、入料末煤占比10%工況下，破碎腔內(nèi)粉塵濃度可達(dá)到500 mg/m3，將與之對(duì)應(yīng)的電液比例閥開度設(shè)定為50%，破碎腔體積約5.4 m3，需沿破碎腔邊緣均布8個(gè)霧化噴頭，目的是在粉塵濃度更大時(shí)，系統(tǒng)有增大噴霧量的余量。

標(biāo)定破碎腔內(nèi)粉塵濃度常量為500 mg/m3，隨入料總量和入料末煤含量的波動(dòng)，粉塵濃度也將隨之變化，設(shè)定粉塵濃度范圍為0～1 000 mg/m3，則e的物理論域Xe=[-500，500]，濃度變化率范圍設(shè)定為ec=[-5，5]，電液比例閥的開度調(diào)節(jié)量u=[-0.5，0.5]，即閥的開度可在0～100%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，為了將輸入量統(tǒng)一成相同數(shù)量級(jí)，將e的量化因子Ke定為0.01，則e=Ke·Xe=[-5，5]。

2.2 模糊規(guī)則設(shè)計(jì)

對(duì)輸入和輸出的模糊集合用5個(gè)語(yǔ)言值來(lái)描述：NB(負(fù)大)、NS(負(fù)小)、 ZO(零)、PS(正小)、PB(正大)。

e={ NB，NS，ZO，PS，PB }

ec={ NB，NS，ZO，PS，PB }

u={ NB，NS，ZO，PS，PB }

模糊規(guī)則用“IfeisAandecisBthenuisC”的語(yǔ)言形式來(lái)表示：

Ifeis PB andecis PB thenuis PB

Ifeis ZO andecis NS thenuis NS

……

Ifeis NB andecis NB thenuis NB

表1為全部模糊控制規(guī)則的詳細(xì)對(duì)照情況，共25條。

表1 模糊控制規(guī)則

由表1可見，粉塵e濃度大、變化速率ec大時(shí)，電液比例閥開度增大，反之減小，呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系，模糊規(guī)則曲面如圖2。

圖2 模糊規(guī)則曲面

3 仿真分析

將上述模糊控制器集成模糊控制模塊，并建立系統(tǒng)整體數(shù)學(xué)仿真模型(圖3)，以一段振幅為500的正弦波形(圖4)模擬粉塵量的變化情況，作為輸入信號(hào)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真。

圖3 系統(tǒng)仿真模型

圖4 粉塵濃度輸入模擬信號(hào)

系統(tǒng)仿真輸出比例閥的開度調(diào)節(jié)量如圖5所示。結(jié)合圖4可見，在粉塵濃度為500 mg/m3時(shí)，比例閥開度調(diào)整量接近0，即保持基礎(chǔ)開度50%進(jìn)行除塵，粉塵濃度升高為1 000 mg/m3時(shí)，比例閥開度調(diào)整量達(dá)到最大，總開度接近100%，加大了噴霧量，粉塵濃度為0時(shí)，比例閥開度降為最低，接近關(guān)閉狀態(tài)。

圖5 比例閥開度調(diào)節(jié)量

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)破碎機(jī)噴霧除塵系統(tǒng)水壓不穩(wěn)定和噴霧水量不可靈活自動(dòng)調(diào)節(jié)的問(wèn)題，以SSC70200破碎機(jī)為例設(shè)計(jì)了基于模糊控制的自適應(yīng)噴霧除塵系統(tǒng)。通過(guò)仿真分析，得到比例閥開度的調(diào)節(jié)曲線，曲線的變化趨勢(shì)和幅度均與設(shè)計(jì)思路一致，達(dá)到了預(yù)期的效果。