破碎機自適應除塵系統設計與仿真分析

陳 洪

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

原煤的分級破碎是選煤工藝中必不可少的環節[1]，同時，原煤的破碎又是選煤廠粉塵污染的主要來源之一，因此對破碎機工作過程中的除塵降塵十分必要[2-4]。噴霧除塵方式在破碎機的除塵應用較多，常見安裝方式是將破碎機的入料溜槽開小圓孔，把霧化噴頭固定在圓孔上，噴嘴對破碎腔內部進行噴霧除塵，噴霧除塵具有結構簡潔、經濟實用等優勢。然而，現場實際使用缺乏對噴霧除塵系統的針對性設計，通常存在由于除塵水壓不穩定、水壓不足影響霧化效果，除塵水以水滴形式從破碎機出料口流出，沒有起到除塵的作用；除塵噴霧水量不可靈活自動調節，破碎腔內粉塵量上下起伏時，噴霧量不能與之合理匹配，存在除塵水浪費、下料口工作面積水或除塵能力不足的情況。針對這些問題，本文就基于模糊控制理論進行破碎機噴霧除塵系統的設計進行論述。

1 整體結構設計

本噴霧除塵系統主要組成部分包括控制單元、壓縮機、單向閥、儲存罐、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)。

壓縮機經單向閥對儲存罐進行加壓，儲存罐內高壓水經電液比例閥由霧化噴頭噴出，對破碎腔內進行除塵。儲存罐裝有壓力傳感器對水壓P進行實時監測，并將壓力信號傳送給控制單元，控制單元可通過外部人機界面設定寫入標準壓力值Pi和壓力回差值δp，當P<(Pi-δp)時控制壓縮器啟動，當P>(Pi-δp)時控制壓縮器停止。

除塵水壓可穩定保持在標準壓力值Pi左右，設定壓力回差值δp可以防止壓縮機頻繁啟動。

破碎腔內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行除塵，形成了閉環控制系統。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及控制單元控制電液比例閥的輸出信號均采用4～20 ma標準模擬量信號形式。

2 模糊控制器設計

破碎機自適應除塵系統基于模糊控制進行設計。其本質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適當減小除塵噴霧量，在粉塵濃度較大或粉塵濃度增大時適當增加除塵噴霧量。將實際粉塵濃度與粉塵濃度常量的差值e及其變化率ec設為模糊控制的輸入參考量，輸出參考量u為電液比例閥開度的調整量。

2.1 模糊參數設定

以SSC70200破碎機為例進行設計，在入料滿負荷250 t/h、入料末煤占比10%工況下，破碎腔內粉塵濃度可達到500 mg/m3，將與之對應的電液比例閥開度設定為50%，破碎腔體積約5.4 m3，需沿破碎腔邊緣均布8個霧化噴頭，目的是在粉塵濃度更大時，系統有增大噴霧量的余量。

標定破碎腔內粉塵濃度常量為500 mg/m3，隨入料總量和入料末煤含量的波動，粉塵濃度也將隨之變化，設定粉塵濃度范圍為0～1 000 mg/m3，則e的物理論域Xe=[-500，500]，濃度變化率范圍設定為ec=[-5，5]，電液比例閥的開度調節量u=[-0.5，0.5]，即閥的開度可在0～100%范圍內調節，為了將輸入量統一成相同數量級，將e的量化因子Ke定為0.01，則e=Ke·Xe=[-5，5]。

2.2 模糊規則設計

對輸入和輸出的模糊集合用5個語言值來描述：NB(負大)、NS(負小)、 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 }

模糊規則用“IfeisAandecisBthenuisC”的語言形式來表示：

Ifeis PB andecis PB thenuis PB

Ifeis ZO andecis NS thenuis NS

……

Ifeis NB andecis NB thenuis NB

表1為全部模糊控制規則的詳細對照情況，共25條。

表1 模糊控制規則

由表1可見，粉塵e濃度大、變化速率ec大時，電液比例閥開度增大，反之減小，呈現正相關的關系，模糊規則曲面如圖2。

圖2 模糊規則曲面

3 仿真分析

將上述模糊控制器集成模糊控制模塊，并建立系統整體數學仿真模型(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，作為輸入信號對控制系統進行仿真。

圖3 系統仿真模型

圖4 粉塵濃度輸入模擬信號

系統仿真輸出比例閥的開度調節量如圖5所示。結合圖4可見，在粉塵濃度為500 mg/m3時，比例閥開度調整量接近0，即保持基礎開度50%進行除塵，粉塵濃度升高為1 000 mg/m3時，比例閥開度調整量達到最大，總開度接近100%，加大了噴霧量，粉塵濃度為0時，比例閥開度降為最低，接近關閉狀態。

圖5 比例閥開度調節量

4 結 語

針對破碎機噴霧除塵系統水壓不穩定和噴霧水量不可靈活自動調節的問題，以SSC70200破碎機為例設計了基于模糊控制的自適應噴霧除塵系統。通過仿真分析，得到比例閥開度的調節曲線，曲線的變化趨勢和幅度均與設計思路一致，達到了預期的效果。