基于自適應模糊控制的制粉系統運行優化與節能控制

鐘 挺

（ 巴陵石化分公司熱電事業部，湖南岳陽 414014）

0 引言

巴陵石化熱電事業部現有1臺220 t/h、4臺130 t/h鍋爐，存在制粉系統電耗偏高、出力低、煤粉均勻性較差、鍋爐效率偏低、控制參數波動大等諸多問題［1］。如何監測磨煤機內的存煤量或監測煤的料位，并維持制粉系統的最佳運行工況，既是降低制粉電耗、實現磨煤機節能降耗的關鍵，也是長期以來存在的技術難點。磨煤機是一個非線性、大滯后和不確定性擾動的多變量對象，常規的PID調節控制系統難于保證系統處于最佳工況［2］。

為解決上述問題，熱電事業部聯合有關科研院校，經現場測試分析，申請進行熱電裝置達標提效治理科研與技改立項，經中石化集團公司和巴陵石化公司批復，熱電事業部于2009年～2010年實施了基于制粉系統自適應模糊控制系統開發的鍋爐達標提效治理項目。

1 研究思路

將制粉系統的最佳運行工況與制粉系統的自動控制有機地結合起來，通過理論分析和試驗相結合的方法，研究制粉系統的最佳運行工況。研究獲得的最佳運行模式必須是定量和參數化的描述，也就是通過維持制粉系統如磨入口負壓、磨入口溫度、磨進出口差壓及磨出口溫度等參數處于最佳工況，可以使制粉系統在安全穩定的基礎上，保證制粉系統具有較低的制粉電耗。在獲得制粉系統的最佳工況后，再進一步以非線性控制理論為基礎，對整個制粉系統實施國內最完整的全局自動控制，確保制粉系統嚴格工作在最佳工況區域，取得節能減排經濟效益，這是制粉系統控制的一種新模式。

2 制粉系統最優運行參數技術路線的確定

近年來，模糊神經網絡的研究和進展，給工業過程建模和控制提供了新方法。模糊神經網絡利用神經網絡結構來實現模糊推理，它既能表達模糊知識與實現模糊推理功能，又兼備神經網絡強大的學習能力、非線性映射能力以及數據信息處理功能。與其它方法相比，模糊神經網絡具有更好的動態跟蹤特性和非線性逼近能力，更適合用于制粉系統運行工況的神經網絡模型，因此本項目運用補償遞歸模糊神經網絡，對非線性的制粉系統進行建模計算［3－4］。

3 自適應模糊控制系統的開發策略

3.1 制粉系統最優運行參數的求解

首先根據制粉系統的實際運行數據，建立相關的模糊神經網絡模型［5］;在運行參數受到約束的情況下，采用粒群優化算法，求解最優運行參數，作為控制系統的設定値。

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

3.2 磨煤機冷、熱風門的多變量模糊控制系統的設計

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

針對上述常規控制系統存在的缺點，課題組提出如下改進方法:以多變量控制理論設計該控制系統，在兩單回路控制系統的基礎上設計交叉解耦環節，以消除磨煤機入口負壓和入口溫度控制系統之間的相互作用;在磨煤機入口溫度控制系統中，加入相位補償環節，可以有效克服溫度對象的大慣性，提高溫度控制系統的品質。

多變量解耦控制的設計原則是:當開大熱風門時，通過解耦環節及時開大冷風門，使磨煤機入口的溫度基本保持不變;反之，當關小熱風門時，應同時關小冷風門開度;

當開大冷風門時，則通過解耦環節及時關小熱風門，以保證磨煤機入口負壓基本保持不變;反之，當關小冷風門時，應同時適當開大熱風門開度。

由于溫度側的對象特性很慢，在系統中加入相位補償環節，可有效減少溫度等效對象的慣性時間，使PID調節器的比例帶減小，加快調節器的動作速度，有效抑制磨煤機入口溫度的變化。

另外，為了防止磨煤機出口溫度的超溫，設計了冷(溫)風門的強開保護回路，當磨出口溫度超過某一限值時，強開磨冷風門。磨出口溫度回落后，溫風門恢復正常調節。可根據磨出口溫度來修正磨入口負壓的定值，以便當磨出口溫度偏高后能通過改變磨入口風壓來關小熱風門。

磨煤機入口負壓和入口溫度控制系統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壓和磨入口溫度之間的相互影響;通過磨溫度對象補償器補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量;當出現給煤機斷煤或磨出口堵煤等非正常工況時，需要熱風門快速動作，此時，可將熱風門的控制切換到模糊控制FLC，工況恢復后再切回常規的PID控制;當磨出口溫度超溫時，通過選擇器強開溫風門，磨出口溫度恢復后，溫風門恢復正常的PID控制。所有的這些控制策略，確保了控制系統具有優良的控制品質。

3.3 磨煤機入口負壓和入口溫度的定值擾動實驗

磨煤機入口負壓和入口溫度采用了多變量模糊控制系統來進行控制。圖2測試了當甲磨入口負壓定值、磨入口溫度定值改變時，甲磨入口負壓和入口溫度多變量模糊控制系統的響應情況。

從圖2中可知，在穩定工況下，磨煤機入口溫度波動范圍在±1.0℃內，磨煤機入口負壓波動范圍在±0.04 kPa內。

圖2 甲磨入口負壓和入口溫度的實際測試曲線

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

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分鐘內調整到設定值)，磨入口負壓僅變化了0.1 kPa左右，確保了制粉系統的安全運行。

4 系統運行效果

通過系統組態，軟件編程和控制系統執行機構等硬件的改造，實現了制粉系統自適應模糊控制，實施后的系統可實現如下功能:

(1)通過感應甲、乙兩側給煤機轉速進行正常情況下的給煤量模糊控制，給煤機斷煤情況下的模糊控制，磨煤機有滿煤趨勢情況下的給煤量模糊控制，磨煤機已處于滿煤狀態下給煤量的模糊控制。

(2)通過調整磨煤機冷、熱風門的開度，對磨煤機入口負壓、進出口差壓、進口及出口溫度等參數進行有效控制，維持制粉系統良好的運行工況。

(3)通過調整排粉機的入口風門，對排粉機的電流進行有效控制。

(4)實現整個制粉系統的“一鍵”自動程序啟動和“一鍵”自動程序停止功能，減少啟、停制粉系統對鍋爐爐膛負壓的影響，有效減輕運行人員的操作強度。

5 結束語

將制粉系統的最佳運行工況與自動控制有機地結合起來，在獲得制粉系統的最佳工況后，進一步以非線性控制理論為基礎，對整個制粉系統實施國內最完整的全局自動控制，確保制粉系統嚴格工作在最佳工況的附近。這種制粉系統控制新模式不僅確保了該制粉系統的長期可靠運行，而且使制粉系統工作在最佳工況。對解決熱電裝置同類型問題、提高系統安全可靠性、提高制粉系統及鍋爐熱效率、降低電耗等具有良好效果，對中石化及國內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的自適應模糊控制［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的自適應模糊控制［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運行優化和節能控制［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制粉系統的研究和應用［D］.太原:太原理工大學，2008.

［5］馬健霄，孫偉，韓寶睿.城市道路交通安全模糊評價指標體系建立及應用［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商的選擇［J］.森林工程，2008，24(5):79 －83.

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

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