基于MPC的電廠輸煤皮帶機(jī)系統(tǒng)能源效率優(yōu)化

李紅軍

摘要：皮帶機(jī)是現(xiàn)代散狀物料運(yùn)輸系統(tǒng)的主要設(shè)備，我國(guó)發(fā)電廠的煤炭大都采用皮帶輸送的方式。在實(shí)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(jī)24小時(shí)不間斷恒速運(yùn)行的工作模式，導(dǎo)致“大馬拉小車”的現(xiàn)象時(shí)常發(fā)生，不僅造成能源的大量浪費(fèi)，而且加速了設(shè)備的磨損，縮短了使用壽命。在電廠煤炭運(yùn)輸中，皮帶輸送能耗占整機(jī)全部能耗的30%-40%。隨著電廠設(shè)備自動(dòng)化程度的提高和國(guó)家節(jié)能降耗政策的實(shí)施，原來(lái)的皮帶機(jī)運(yùn)行模式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在的社會(huì)發(fā)展需要，對(duì)皮帶運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提高運(yùn)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(jī);開環(huán)最優(yōu)控制;模型預(yù)測(cè)控制;削峰填谷;節(jié)能

引言：文章圍繞發(fā)電廠輸煤皮帶機(jī)系統(tǒng)能源效率較低的問(wèn)題，提出了提高皮帶機(jī)運(yùn)行效率的優(yōu)化控制方案。首先分析確立了皮帶機(jī)功率的數(shù)學(xué)模型，然后利用基于有限元模型的動(dòng)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(wèn)題，引入模型預(yù)測(cè)控制算法（MPC）進(jìn)行反饋校正和滾動(dòng)優(yōu)化。結(jié)果表明在分時(shí)電價(jià)下，模型預(yù)測(cè)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(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1.皮帶機(jī)模型的建立

1.1功率數(shù)學(xué)模型

皮帶機(jī)功率計(jì)算模型有多種，這些模型均來(lái)源于公認(rèn)的準(zhǔn)則，如ISO5048，DIN22015等。而這些模型在計(jì)算過(guò)程中需要詳細(xì)的參數(shù)，并不適合運(yùn)行效率的優(yōu)化。

1.2粘彈性動(dòng)力學(xué)模型

基于剛體運(yùn)動(dòng)力學(xué)的分析方法，皮帶機(jī)可以被看作是一個(gè)剛體，皮帶機(jī)上的任意一個(gè)受力點(diǎn)視作具有相同的速度和加速度。對(duì)皮帶機(jī)受力分析：FFma′=?（5）式中，F(xiàn)為驅(qū)動(dòng)力;F′為阻力;m為移動(dòng)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(jī)的粘彈特性，因此，根據(jù)有限元的思想，將皮帶機(jī)環(huán)形分割成n個(gè)小段，每個(gè)小段都用能反應(yīng)輸送帶粘彈性特性的數(shù)學(xué)模型來(lái)代表。將連續(xù)系統(tǒng)的分布質(zhì)量分段聚集在有限個(gè)點(diǎn)上，各點(diǎn)之間用無(wú)質(zhì)量的彈性元件和粘性元件連接起來(lái)，連續(xù)系統(tǒng)便轉(zhuǎn)化為離散系統(tǒng)。此時(shí)，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(jī)出廠的初始設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)輸入仿真程序中，對(duì)連續(xù)皮帶機(jī)滿載啟動(dòng)進(jìn)行仿真，得到按S型啟動(dòng)曲線啟動(dòng)的頭中尾速度對(duì)比曲線，如圖2所示。

由圖2知，皮帶機(jī)頭部單元因靠近頭部驅(qū)動(dòng)裝置而最先運(yùn)動(dòng)，中間滾筒單元在13s時(shí)開始運(yùn)動(dòng)，尾部單元由于靜阻力的作用在22s時(shí)才開始運(yùn)動(dòng)。在25s時(shí)，中間驅(qū)動(dòng)滾筒單元開始輸出驅(qū)動(dòng)力以驅(qū)動(dòng)其后面的輸送單元。32s時(shí)整條輸送帶被完全牽動(dòng)，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(shí)間結(jié)束即125s時(shí)，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(jī)在125s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定，速度極限為2.4m/s。最后，帶速達(dá)到穩(wěn)定的額定帶速為2.23m/s。

2.皮帶機(jī)輸送系統(tǒng)

某火力發(fā)電廠的煤炭輸送系統(tǒng)的基本過(guò)程如圖3所示。

目前該火力發(fā)電廠有兩臺(tái)250MW機(jī)組，未來(lái)會(huì)增容兩臺(tái)600MW的機(jī)組，煤炭輸送系統(tǒng)將針對(duì)這4個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)?；疖噷⒃哼\(yùn)輸?shù)桨l(fā)電廠，翻車機(jī)摘取煤箱經(jīng)C1、C2、C3輸送至煤場(chǎng)。然后，斗輪機(jī)、電磁振動(dòng)給煤機(jī)將煤經(jīng)C4-C7輸送至兩個(gè)燃燒室的煤倉(cāng)中。在實(shí)際中，每臺(tái)皮帶機(jī)均有它的備用皮帶機(jī)，兩臺(tái)皮帶機(jī)組成一對(duì)。而在傳統(tǒng)的操作模式下，一對(duì)皮帶機(jī)僅一條工作，另一條作為故障時(shí)的備用，因而選擇一條皮帶機(jī)進(jìn)行研究是合理的。其中，在C5和C6之間有一個(gè)碎煤機(jī)，每一個(gè)燃燒室都有8臺(tái)磨煤機(jī)，每一個(gè)磨煤機(jī)都有自己的煤倉(cāng)。從系統(tǒng)分析的角度，可將16個(gè)煤倉(cāng)作為一個(gè)整體考慮。16個(gè)煤倉(cāng)的總?cè)萘坑洖門CB，該火力發(fā)電廠的煤倉(cāng)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(cāng)內(nèi)安裝有超聲波探測(cè)器，一個(gè)順序控制系統(tǒng)（SCS）通過(guò)超聲波探測(cè)器計(jì)算出煤倉(cāng)中煤的余量（RCB）。設(shè)置煤倉(cāng)余量的上限（HL）和下限（LL），如果RCB小于LL，SCS使皮帶機(jī)C4-C7加速給煤至煤倉(cāng);反之停止給煤。目前的控制策略沒(méi)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(cāng)在煤炭輸送和供給燃燒室的過(guò)程中起到緩沖的作用，給皮帶機(jī)的運(yùn)行調(diào)控帶來(lái)了便利。根據(jù)峰谷分時(shí)電價(jià)（11），采用削峰填谷策略，以最小能源成本為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)皮帶機(jī)運(yùn)行速度進(jìn)行優(yōu)化控制。在電價(jià)低谷時(shí)期加速皮帶機(jī)的運(yùn)輸，同時(shí)增加燃燒室煤的消耗量，使得煤倉(cāng)煤炭?jī)?chǔ)量降至最低，提前為高峰期騰空存儲(chǔ)空間;在電價(jià)高峰期到來(lái)時(shí)減緩皮帶機(jī)的運(yùn)輸，同時(shí)減少燃燒室的耗煤量，將皮帶機(jī)運(yùn)輸?shù)拿簳簳r(shí)存儲(chǔ)在煤倉(cāng)中，等到電價(jià)低谷時(shí)期再進(jìn)行加快運(yùn)輸。

3.3MPC閉環(huán)優(yōu)化

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

結(jié)論：

簡(jiǎn)而言之，針對(duì)皮帶機(jī)的初始設(shè)計(jì)參數(shù)在操作條件變化與系統(tǒng)組件損失等情況下會(huì)發(fā)生偏移的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了基于有限元分析的皮帶機(jī)模型動(dòng)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(yù)測(cè)24小時(shí)耗煤量。針對(duì)皮帶機(jī)傳統(tǒng)的恒速運(yùn)行模式，引入最優(yōu)控制，為彌補(bǔ)外來(lái)干擾，提出閉環(huán)MPC控制策略。對(duì)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(jī)的運(yùn)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(duì)比表明電能消耗減少了20.14%，電費(fèi)成本降低了49.38%，優(yōu)化效果更顯著。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉繼東，韓學(xué)山，韓偉吉.分時(shí)電價(jià)下用戶響應(yīng)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(yù)測(cè)GM（1，1）模型的改進(jìn)及應(yīng)用[J].數(shù)學(xué)的實(shí)踐與認(rèn)識(shí)，2018，41（23）：39-46.