摘要：本文針對巴陵石化熱電事業(yè)部9號爐中儲式鋼球磨制粉系統的特點(diǎn)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)建立制粉系統的運行工況模型，并通過(guò)非線(xiàn)性?xún)?yōu)化技術(shù)確定使制粉單耗最低的運行參數；在此基礎上，采用模仿人操作行為的智能控制技術(shù)對整個(gè)制粉系統進(jìn)行自動(dòng)控制，確保制粉系統運行在最佳的工況上，實(shí)際應用表明，通過(guò)對制粉系統的智能控制后，對降低磨制粉單耗和鍋爐飛灰含碳量，提高煤粉均勻性指數，有良好效果。

    關(guān)鍵詞：鍋爐；制粉系統；鋼球磨；節能；智能控制

    Abstract: In this paper, according to the characteristics of the coal pulverizing system with ball mill of # 9 boiler in Thermoelectric Division of Baling Petrochemical Co., Ltd., the operation condition model of the coal pulverizing system was built by using neural network technology, and the lowest consumption operation parameters of the coal pulverizing system were determined through nonlinear optimization technology. On this basis, the overall coal pulverizing system was controlled automatically by using the intelligent control technology which imitated the manual operation behavior. The best operation condition of the pulverizing system was ensured. The practical application showed that good results were achieved through the intelligent control of the coal pulverizing system. The consumption of the pulverizing system was reduced effectively; the uniformity coefficient of the coal was improved and the carbon content in fly ash of the boiler was reduced.

    Key words: Boiler; Coal pulverizing system; Ball mill; Energy saving; Intelligent control

    由于鋼球磨煤機具有可磨煤種多、可靠性高、使用時(shí)間長(cháng)、維護量小等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應用于國內外的火力發(fā)電廠(chǎng)中。但鋼球磨煤機也存在缺點(diǎn)，主要為鋼球消耗量大、無(wú)法直接監測磨煤機負荷從而造成耗電量大等。據統計，鋼球磨的用電量約占廠(chǎng)用電量的15%左右，是電廠(chǎng)的耗電大戶(hù)之一，同時(shí)也是潛在的節能大戶(hù)之一。各電廠(chǎng)均把如何減少鋼球磨單位電耗作為一個(gè)重要的技改方向。要降低制粉系統的制粉單耗，必須盡量維持制粉系統運行在最優(yōu)的工況上，這必須同時(shí)解決兩個(gè)相關(guān)的問(wèn)題：研究并確定制粉系統最優(yōu)的參數化工況；以及采用先進(jìn)的控制技術(shù)對制粉系統的參數進(jìn)行有效控制，確保制粉系統運行在最優(yōu)的工況點(diǎn)上。

    為研究中儲式鋼球磨制粉系統的節能及智能控制方法，2009年中石化巴陵石化分公司正式批準“鍋爐制粉系統節能與控制方法研究”為科技開(kāi)發(fā)項目，并委托巴陵石化熱電事業(yè)部和東南大學(xué)聯(lián)合研制。

    研究工作在熱電事業(yè)部9號爐中儲式鋼球磨制粉系統上進(jìn)行，為獲得制粉系統的最優(yōu)運行參數，首先采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)建立制粉系統的運行工況模型，并通過(guò)非線(xiàn)性?xún)?yōu)化技術(shù)確定使制粉單耗最低的運行參數；在此基礎上，進(jìn)一步采用模仿人操作行為的智能控制技術(shù)對整個(gè)制粉系統進(jìn)行自動(dòng)控制，確保制粉系統運行在最佳的工況上。實(shí)際應用表明，通過(guò)對制粉系統的智能控制，有效降低了磨制粉單耗和鍋爐飛灰含碳量，提高了煤粉均勻性指數。本文主要闡述在9號爐上實(shí)施的制粉系統節能和控制方法，為其它電廠(chǎng)鋼球磨制粉系統的節能改造提供思路和方法。

    1 確定制粉系統的最優(yōu)運行參數

    1.1 制粉系統的電耗模型

    制粉系統的電耗主要來(lái)自磨煤機和排粉機的電耗，而磨煤機和排粉機的電耗又直接正比于各自電流的大小，制粉系統的運行參數如：磨入口溫度（℃）、磨入口負壓（Pa）、磨出口溫度（℃）、磨進(jìn)出口差壓（Pa）及給煤指令(rpm)對磨煤機和排粉機的電流有直接影響，可以表示為:
       
      式中， , 分別為磨煤機和排粉機電流；T₁,T₂,P,Δ_P 分別為磨入口溫度（℃）、磨出口溫度（℃）、磨入口負壓（Pa）及磨進(jìn)出口差壓（Pa）； n₀為給煤機的轉速指令(rpm)。

      F₁(•)  F ₂分別為磨煤機電流和排粉機電流的非線(xiàn)性模型。傳統的方法很難建立此模型，本文利用制粉系統的實(shí)際運行數據，采用文[1]所提出的補償遞歸模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，可方便地獲得磨煤機和排粉機的電流模型。補償遞歸模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )模型^[1]如圖1所示。 
 
                  
                                    圖1補償遞歸模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )模型

    對該網(wǎng)絡(luò )模型的說(shuō)明如下：

    第一層：輸入層。該層神經(jīng)元的主要作用就是將輸入數據傳給第二層神經(jīng)元。

    第二層：模糊化和遞歸層。該層的每一個(gè)神經(jīng)元包含如下計算過(guò)程，首先將前一時(shí)刻保存的該神經(jīng)元的輸出值乘以一定的比例系數加到當前時(shí)刻的輸入中，然后根據隸屬度函數進(jìn)行輸入變量的模糊化。隸屬度函數采用高斯函數，該層的輸出為：
   
     
    式中，Of_ij(k)是當前時(shí)刻連接第i個(gè)輸入和第j條模糊規則的模糊神經(jīng)元的輸出；而Of_ij(k-1)則為該神經(jīng)元在前一時(shí)刻的輸出；c_ij、σ_ij、θ_ij 分別是該神經(jīng)元的結構參數，即為中心值、寬度值和遞歸環(huán)節的反饋系數。

    第三層：模糊推理層。該層主要根據模糊規則庫進(jìn)行模糊推理，每一個(gè)神經(jīng)元代表一條模糊規則，用來(lái)匹配模糊規則的前件，完成模糊運算。模糊規則的形式如下：

    第j條規則：If x₁ is F_1j, x₂ is F_2j, ……, x_n is F_nj, Then y_j is w_j. j = 1,2,…,L

    該層的運算結果為：
  
                  
    式中，Opj(k)是第j條模糊規則的推理結果，n為輸入向量的維數。

    第四層：補償運算層。該層對模糊規則的輸出進(jìn)行補償運算。消極推理的結果Up和積極推理的結果Uo分別為：
           
             
               (5)

    式中，Oc_j(k)為該層的輸出，γj為第j條模糊規則對應的補償系數。因此，模糊規則演變?yōu)椋?br />
    第j條規則：[If x₁ is F_1j, x₂ is F_2j, ……, x_n is F_nj]^{1－γj+γj/n} , Then y_j is w_j. j = 1,2,…,L.

    第五層：歸一化層。該層神經(jīng)元將補償之后的輸出結果進(jìn)行歸一化運算，并輸出：
 
     
    式中，On_j(k)為該層的輸出。

    第六層：輸出層。計算歸一化之后所有輸出之和。
  
          
   
    式中，wj，j=1,2,…,L為該層的加權系數。  

    對上面補償遞歸模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的訓練，主要分為兩步[1]：一是結構辨識，二是參數逼近。結構辨識的主要任務(wù)是確定模糊規則的條數及其各個(gè)高斯函數的中心c和寬度σ的初始值。結構辨識后，將最小二乘算法和傳統BP算法有機結合起來(lái)，從而對網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行快速的學(xué)習，最終獲得相關(guān)的網(wǎng)絡(luò )參數模型。

    為建立磨煤機電流和排粉機電流的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )模型，選取磨入口溫度（℃）、磨入口負壓（Pa）、磨出口溫度（℃）、磨進(jìn)出口差壓（Pa）及給煤機轉速指令(%)為網(wǎng)絡(luò )的輸入參數并進(jìn)行歸一化。針對巴陵石化熱電事業(yè)部的9號爐，在一段時(shí)間內記錄上述數據后，通過(guò)結構辨識，得到7條模糊規則，再采用改進(jìn)的BP算法對網(wǎng)絡(luò )參數進(jìn)行進(jìn)一步的逼近，最終可計算出磨煤機電流和排粉機電流的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的模糊化層的中心c、寬度σ值。

    1.2 運行參數的非線(xiàn)性?xún)?yōu)化

    針對所建立的磨煤機電流和排粉機電流模型，采用非線(xiàn)性粒群優(yōu)化方法[2]求解制粉系統的最優(yōu)運行參數。

    定義能反映制粉系統制粉單耗的指標函數：
           
          (8)  

    式中， 為磨煤機的電流； 為排粉機電流； 給煤機的轉速指令。很明顯，上述指標盡管不是制粉系統的制粉單耗，但可以反映制粉單耗的大小?？刹捎梅蔷€(xiàn)性粒群優(yōu)化方法[2]進(jìn)行優(yōu)化求解，從確保制粉系統安全運行的角度考慮，優(yōu)化過(guò)程中，制粉系統的運行參數還應限制在允許的范圍內。因此，問(wèn)題就歸結為如下帶約束條件的優(yōu)化問(wèn)題：

       J₀=minJ      (9)  

    約束條件： 280℃≤磨入口溫度≤335℃，-0.4kPa≤磨入口負壓≤-0.1kPa，80 ℃≤磨出口溫度≤90 ℃，-2.0kPa≤磨進(jìn)出口差壓≤-1.2kPa，300rpm≤給煤機的轉速指令≤380rpm。

    針對上述優(yōu)化指標和前面的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )模型，采用粒群優(yōu)化后的最優(yōu)制粉運行工況如表1所示。

                             表1優(yōu)化所獲得的制粉系統運行參數
                      

    最小的指標  J₀=0.191  A/rpm

    經(jīng)與運行人員討論后認為，上述優(yōu)化后的運行參數比較合適，確實(shí)反映了制粉系統的實(shí)際情況。

    2 制粉系統的智能控制

    2.1磨煤機冷、熱風(fēng)門(mén)的多變量智能控制系統

    在制粉系統運行時(shí)，為保證磨煤機的通風(fēng)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(guò)改變熱風(fēng)流量維持磨入口負壓時(shí)，同時(shí)會(huì )影響磨煤機的入口溫度。而冷風(fēng)量同樣會(huì )對磨煤機入口負壓有較大的影響，因此，常規控制方案會(huì )造成兩個(gè)單回路控制系統之間的交叉影響。另一方面，冷風(fēng)流量改變到引起磨煤機入口溫度變化是一個(gè)大慣性的過(guò)程，可以通過(guò)相位補償降低等效對象模型的階次。

    針對上面常規控制系統存在的缺點(diǎn)，提出改進(jìn)的控制系統如圖2所示。

    多變量解耦控制的設計原則是：

    (1) 當開(kāi)大熱風(fēng)門(mén)時(shí)，通過(guò)解耦環(huán)節及時(shí)開(kāi)大冷風(fēng)門(mén)，使磨煤機入口的溫度基本保持不變；反之，當關(guān)小熱風(fēng)門(mén)時(shí)，應同時(shí)關(guān)小冷風(fēng)門(mén)開(kāi)度；

    (2) 當開(kāi)大冷風(fēng)門(mén)時(shí)，則通過(guò)解耦環(huán)節及時(shí)關(guān)小熱風(fēng)門(mén)，以保證磨煤機入口負壓基本保持不變；反之，當關(guān)小冷風(fēng)門(mén)時(shí)，應同時(shí)適當開(kāi)大熱風(fēng)門(mén)開(kāi)度。

    由于溫度側的對象特性很慢，系統中加入了相位補償環(huán)節，以補償溫度被控對象的慣性時(shí)間。

    另外，為了防止磨煤機出口溫度的超溫，設計了冷風(fēng)門(mén)的強開(kāi)保護回路，當磨出口溫度超過(guò)某一限值時(shí)，強開(kāi)磨冷風(fēng)門(mén)。磨出口溫度回落后，溫風(fēng)門(mén)恢復正常調節?？筛鶕コ隹跍囟葋?lái)修正磨入口負壓的定值，以便當磨出口溫度偏高后能通過(guò)改變磨入口風(fēng)壓來(lái)關(guān)小熱風(fēng)門(mén)。
   
              
                               圖2 磨煤機入口負壓和入口溫度控制策略

    2.2給煤機轉速的智能控制系統

    給煤機轉速控制包括正常工況和非正常工況的控制，非正常工況包括給煤機斷煤、磨煤機預堵煤及已堵煤工況。各種情況的控制方案應分別處理。

    2.2.1給煤機斷煤工況的判別與控制

    斷煤判別條件：

  

      式中，ΔP 是磨煤機進(jìn)出口差壓； T₂是磨煤機出口溫度；   ΔP _LL , T_2HL分別是磨進(jìn)出口差壓低限和磨出口溫度高限，應根據制粉系統的實(shí)際情況確定。

    若上面條件成立，則可判斷出給煤機出現斷煤，可采用如下斷煤時(shí)的控制方法：

    （1） 保持給煤機轉速不變；

    （2） 關(guān)小磨煤機入口熱風(fēng)門(mén)開(kāi)度且開(kāi)大入口冷風(fēng)門(mén)開(kāi)度，確保磨出口溫度不再升高； 

    （3） 待斷煤狀態(tài)消除后，冷、熱風(fēng)門(mén)先恢復到斷煤前的位置，后參與正常調節。

    2.2.2磨煤機預堵煤工況的判別與控制

    預堵煤是指磨煤機雖然沒(méi)有堵煤但有堵煤的趨勢，一般可根據磨煤機的進(jìn)出口差壓來(lái)判別，判別條件：

      

    式中， 為磨進(jìn)出口差壓的高I值，應根據制粉系統的實(shí)際情況確定。

    若上面條件成立，則可判斷出磨煤機處預堵煤工況，可采用如下控制策略：

    （1）快速減給煤機轉速一定值（如減給煤機轉速40rpm）； 

    （2）待磨進(jìn)出口差壓正常后，給煤機轉速正常調節。

    2.2.3磨煤機已堵煤工況的判別與控制

    已堵煤是指磨煤機確實(shí)已堵煤的工況，一般可根據磨煤機的進(jìn)出口差壓來(lái)判別，判別條件：
   
         

    式中， 為磨進(jìn)出口差壓的高II值，應根據制粉系統的實(shí)際情況確定。

    若上面條件成立，則可判斷出磨煤機處已堵煤工況，可采用如下控制策略：

    （1）快速減給煤機轉速到100rpm以下，若磨堵煤嚴重，則可停給煤機；

    （2） 堵粉消除后，快速增加給煤機的轉速至接近堵粉前的轉速，后給煤機轉速正常調節。

    2.2.4正常工況下給煤機轉速控制

    （1）判斷磨煤機進(jìn)出口差壓是否在允許范圍內，若進(jìn)出口差壓低于允許低限,則自動(dòng)加煤；若進(jìn)出口差壓高于允許

    高限，則自動(dòng)減煤，否則執行第（2）步；

    （2） 判斷磨煤機出口溫度是否在允許范圍內，若出口溫度超出允許高限,則自動(dòng)加煤；若出口溫度低于允許低限，則自動(dòng)減煤，否則執行第（3）步；

    （3）磨煤機出口溫度在允許范圍內，通過(guò)微調給煤量，確保磨出口溫度維持在最優(yōu)定值上，具體為：若磨煤機出口溫度與最優(yōu)定值之間的偏差在規定的死區范圍內（一般死區為0.5℃），保持給煤量不變；若偏差超出死區且出口溫度大于定值，則適當加煤；若偏差超出死區且出口溫度小于定值，則適當減煤。

    2.3制粉系統的程控啟?？刂葡到y

    由于投入了程控啟?？刂葡到y，實(shí)現了一鍵啟動(dòng)或停止制粉系統，不僅有效減輕了運行人員的操作強度，而且減小了由于制粉系統啟、停所造成的爐膛負壓的波動(dòng)，確保了鍋爐的安全、穩定運行。

    制粉系統的程控啟動(dòng)過(guò)程如下：

    （1）第1步的動(dòng)作過(guò)程

    切磨煤機冷風(fēng)門(mén)到手動(dòng)，并逐步關(guān)閉冷風(fēng)門(mén)；將給煤機指令逐步減小到0%；當冷風(fēng)門(mén)的開(kāi)度已小于4%時(shí)，自動(dòng)啟動(dòng)排粉機，排粉機啟動(dòng)10秒后，則自動(dòng)轉入第2步。

    （2）第2步的動(dòng)作過(guò)程

    在磨煤機入口負壓不小于-2.1 kPa的情況下，逐步開(kāi)大排粉機的入口擋板。當磨煤機入口負壓不滿(mǎn)足條件時(shí)，保持排粉機入口擋板的開(kāi)度，該步最多使排入口擋板開(kāi)到35%；同時(shí)，在磨煤機入口負壓不大于-0.1 KPa的情況下，逐步開(kāi)大磨煤機的熱風(fēng)門(mén)。當磨煤機入口負壓不滿(mǎn)足條件時(shí)，保持熱風(fēng)門(mén)的開(kāi)度，熱風(fēng)門(mén)最多開(kāi)到60%； 在此過(guò)程中，對磨煤機進(jìn)行暖磨，當滿(mǎn)足啟磨條件(磨出口溫度大于85℃、排粉機入口擋板的開(kāi)度大于30%),則自動(dòng)轉入第3步。

    （3）第3步的動(dòng)作過(guò)程

    啟動(dòng)磨煤機，在磨煤機入口負壓不大于-0.1 KPa的情況下，繼續開(kāi)大磨煤機的熱風(fēng)門(mén)。當磨煤機入口負壓不滿(mǎn)足條件時(shí)，保持熱風(fēng)門(mén)的開(kāi)度，熱風(fēng)門(mén)最多開(kāi)到60%；同時(shí)，在磨煤機入口負壓不小于-2.1 kPa的情況下，繼續開(kāi)大排粉機的入口擋板。當磨煤機入口負壓不滿(mǎn)足條件時(shí)，保持排粉機入口擋板的開(kāi)度，該步最多可使排入口擋板開(kāi)到60%；當磨煤機已啟動(dòng)10秒后且排粉機入口擋板的開(kāi)度已大于35%，啟動(dòng)給煤機，并將給煤機的轉速指令逐步提高到24%；滿(mǎn)足條件(排粉機入口擋板的開(kāi)度已大于50%、給煤機的轉速指令已大于23%)，則自動(dòng)轉入第4步。

    （4）第4步的動(dòng)作過(guò)程

    在磨煤機入口負壓不大于-0.1 KPa的情況下，繼續開(kāi)大磨煤機的熱風(fēng)門(mén)。當磨煤機入口負壓不滿(mǎn)足條件時(shí)，保持熱風(fēng)門(mén)的開(kāi)度，熱風(fēng)門(mén)最多開(kāi)到60%；在磨煤機入口負壓不小于-2.1 kPa的情況下，繼續開(kāi)大排粉機的入口擋板。當磨煤機入口負壓不滿(mǎn)足條件時(shí)，保持排粉機入口擋板的開(kāi)度，該步最多可使排入口擋板開(kāi)到60%；當排粉機入口擋板的開(kāi)度已大于53%時(shí)，則自動(dòng)轉入第5步。
 
    (5) 第5步的動(dòng)作過(guò)程

    繼續開(kāi)大排粉機入口擋板60％；投制粉系統的聯(lián)鎖。

    3 結語(yǔ)

    （1）本文將制粉系統優(yōu)化運行工況的研究與制粉系統的自動(dòng)控制有機地聯(lián)系起來(lái)，從制粉系統整體優(yōu)化的角度去研究、設計及實(shí)施制粉控制系統，降低了制粉電耗，具有明顯的創(chuàng )新性。

    （2）能使整個(gè)制粉系統甲、乙兩側的10套自動(dòng)控制系統全部長(cháng)期、穩定地投入運行，并具有制粉系統斷煤或堵煤時(shí)的自動(dòng)處理功能。

    （3）采用了多變量智能控制技術(shù)，對磨煤機入口負壓、進(jìn)出口差壓、進(jìn)口及出口溫度等參數進(jìn)行有效控制，維持制粉系統良好的運行工況。

    （4）采用了自適應智能控制方法對給煤機轉速進(jìn)行了有效控制，有效減少了磨煤機滿(mǎn)煤情況的發(fā)生次數，并提高了制粉系統的出力，降低了制粉單耗。

    （5）實(shí)現了制粉系統的自動(dòng)啟停，減少了啟、停制粉系統對鍋爐爐膛負壓的影響，提高了鍋爐運行的安全性，有效減輕運行人員的操作強度。

    參考文獻：

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    摘自《自動(dòng)化博覽》2011年第四期