基于自适应模糊控制的制粉系统运行优化与节能控制

钟 挺

（ 巴陵石化分公司热电事业部，湖南岳阳 414014）

0 引言

巴陵石化热电事业部现有1台220 t/h、4台130 t/h锅炉，存在制粉系统电耗偏高、出力低、煤粉均匀性较差、锅炉效率偏低、控制参数波动大等诸多问题［1］。如何监测磨煤机内的存煤量或监测煤的料位，并维持制粉系统的最佳运行工况，既是降低制粉电耗、实现磨煤机节能降耗的关键，也是长期以来存在的技术难点。磨煤机是一个非线性、大滞后和不确定性扰动的多变量对象，常规的PID调节控制系统难于保证系统处于最佳工况［2］。

为解决上述问题，热电事业部联合有关科研院校，经现场测试分析，申请进行热电装置达标提效治理科研与技改立项，经中石化集团公司和巴陵石化公司批复，热电事业部于2009年～2010年实施了基于制粉系统自适应模糊控制系统开发的锅炉达标提效治理项目。

1 研究思路

将制粉系统的最佳运行工况与制粉系统的自动控制有机地结合起来，通过理论分析和试验相结合的方法，研究制粉系统的最佳运行工况。研究获得的最佳运行模式必须是定量和参数化的描述，也就是通过维持制粉系统如磨入口负压、磨入口温度、磨进出口差压及磨出口温度等参数处于最佳工况，可以使制粉系统在安全稳定的基础上，保证制粉系统具有较低的制粉电耗。在获得制粉系统的最佳工况后，再进一步以非线性控制理论为基础，对整个制粉系统实施国内最完整的全局自动控制，确保制粉系统严格工作在最佳工况区域，取得节能减排经济效益，这是制粉系统控制的一种新模式。

2 制粉系统最优运行参数技术路线的确定

近年来，模糊神经网络的研究和进展，给工业过程建模和控制提供了新方法。模糊神经网络利用神经网络结构来实现模糊推理，它既能表达模糊知识与实现模糊推理功能，又兼备神经网络强大的学习能力、非线性映射能力以及数据信息处理功能。与其它方法相比，模糊神经网络具有更好的动态跟踪特性和非线性逼近能力，更适合用于制粉系统运行工况的神经网络模型，因此本项目运用补偿递归模糊神经网络，对非线性的制粉系统进行建模计算［3－4］。

3 自适应模糊控制系统的开发策略

3.1 制粉系统最优运行参数的求解

首先根据制粉系统的实际运行数据，建立相关的模糊神经网络模型［5］;在运行参数受到约束的情况下，采用粒群优化算法，求解最优运行参数，作为控制系统的设定値。

为保证安全运行前提确定如下约束条件:280℃≤磨入口温度≤335℃，－200 Pa≤磨入口负压≤ －100 Pa，75℃≤磨出口温度≤90℃，－2.0 kPa≤磨进出口差压≤ －1.2 kPa，60%≤给煤机的转速指令≤80%。最终得到采用粒群优化后的最优制粉运行工况:磨入口温度325.5(℃)，磨入口负压 －148.2(Pa)，磨出口温度 83.15(℃)，磨进出口差压 － 1.52(kPa)，给煤指令74.15(%)等。

3.2 磨煤机冷、热风门的多变量模糊控制系统的设计

在制粉系统运行时，为保证磨煤机的通风量和干燥出力，必须将磨煤机的入口负压和入口温度维持在允许的范围内。由于当通过改变热风流量维持磨入口负压时，同时会影响磨煤机的入口温度。而温风量同样会对磨煤机入口负压有较大的影响，因此，常规控制方案会造成两个单回路控制系统之间的交叉影响［6－8］。

针对上述常规控制系统存在的缺点，课题组提出如下改进方法:以多变量控制理论设计该控制系统，在两单回路控制系统的基础上设计交叉解耦环节，以消除磨煤机入口负压和入口温度控制系统之间的相互作用;在磨煤机入口温度控制系统中，加入相位补偿环节，可以有效克服温度对象的大惯性，提高温度控制系统的品质。

多变量解耦控制的设计原则是:当开大热风门时，通过解耦环节及时开大冷风门，使磨煤机入口的温度基本保持不变;反之，当关小热风门时，应同时关小冷风门开度;

当开大冷风门时，则通过解耦环节及时关小热风门，以保证磨煤机入口负压基本保持不变;反之，当关小冷风门时，应同时适当开大热风门开度。

由于温度侧的对象特性很慢，在系统中加入相位补偿环节，可有效减少温度等效对象的惯性时间，使PID调节器的比例带减小，加快调节器的动作速度，有效抑制磨煤机入口温度的变化。

另外，为了防止磨煤机出口温度的超温，设计了冷(温)风门的强开保护回路，当磨出口温度超过某一限值时，强开磨冷风门。磨出口温度回落后，温风门恢复正常调节。可根据磨出口温度来修正磨入口负压的定值，以便当磨出口温度偏高后能通过改变磨入口风压来关小热风门。

磨煤机入口负压和入口温度控制系统的基本控制方案如图1所示。

上述方案中，通过多变量解耦控制器解除磨入口负压和磨入口温度之间的相互影响;通过磨温度对象补偿器补偿磨入口温度过程的滞后和惯性，改善磨入口温度的控制质量;当出现给煤机断煤或磨出口堵煤等非正常工况时，需要热风门快速动作，此时，可将热风门的控制切换到模糊控制FLC，工况恢复后再切回常规的PID控制;当磨出口温度超温时，通过选择器强开温风门，磨出口温度恢复后，温风门恢复正常的PID控制。所有的这些控制策略，确保了控制系统具有优良的控制品质。

3.3 磨煤机入口负压和入口温度的定值扰动实验

磨煤机入口负压和入口温度采用了多变量模糊控制系统来进行控制。图2测试了当甲磨入口负压定值、磨入口温度定值改变时，甲磨入口负压和入口温度多变量模糊控制系统的响应情况。

从图2中可知，在稳定工况下，磨煤机入口温度波动范围在±1.0℃内，磨煤机入口负压波动范围在±0.04 kPa内。

图2 甲磨入口负压和入口温度的实际测试曲线

当磨入口负压作阶跃变化时(从－0.55 kPa变化到 －0.15 kPa，后又回到 －0.55 kPa)，磨入口负压能快速跟着定值的变化而变化，磨入口负压基本没有超调，且在15秒内就达到了稳定。而且由于冷、热风门的同时动作，使磨入口温度的波动范围控制在设定值的±2℃内。

在磨入口温度定值从321℃ 增加到329℃后又回到321℃时，磨入口温度具有较好的跟踪性能(在6分钟内调整到设定值)，磨入口负压仅变化了0.1 kPa左右，确保了制粉系统的安全运行。

4 系统运行效果

通过系统组态，软件编程和控制系统执行机构等硬件的改造，实现了制粉系统自适应模糊控制，实施后的系统可实现如下功能:

(1)通过感应甲、乙两侧给煤机转速进行正常情况下的给煤量模糊控制，给煤机断煤情况下的模糊控制，磨煤机有满煤趋势情况下的给煤量模糊控制，磨煤机已处于满煤状态下给煤量的模糊控制。

(2)通过调整磨煤机冷、热风门的开度，对磨煤机入口负压、进出口差压、进口及出口温度等参数进行有效控制，维持制粉系统良好的运行工况。

(3)通过调整排粉机的入口风门，对排粉机的电流进行有效控制。

(4)实现整个制粉系统的“一键”自动程序启动和“一键”自动程序停止功能，减少启、停制粉系统对锅炉炉膛负压的影响，有效减轻运行人员的操作强度。

5 结束语

将制粉系统的最佳运行工况与自动控制有机地结合起来，在获得制粉系统的最佳工况后，进一步以非线性控制理论为基础，对整个制粉系统实施国内最完整的全局自动控制，确保制粉系统严格工作在最佳工况的附近。这种制粉系统控制新模式不仅确保了该制粉系统的长期可靠运行，而且使制粉系统工作在最佳工况。对解决热电装置同类型问题、提高系统安全可靠性、提高制粉系统及锅炉热效率、降低电耗等具有良好效果，对中石化及国内同类型热电装置具有很好的推广及借鉴意义。

［1］吕剑虹，吴科，郭颖，等.中储式钢球磨制粉系统的自适应模糊控制［J］.动力工程，2005，25(增刊)，425－430.

［2］吕剑虹，郭颖，吴科，等.中储式钢球磨制粉系统的自适应模糊控制［J］.热能动力工程，2007，22(4)，418－422.

［3］董宸，吕剑虹.中储式钢球磨制粉系统运行优化和节能控制［J］.能源研究与利用，2009(6)，24－27.

［4］田建兵.基于模糊控制的球磨机制粉系统的研究和应用［D］.太原:太原理工大学，2008.

［5］马健霄，孙伟，韩宝睿.城市道路交通安全模糊评价指标体系建立及应用［J］.森林工程，2008，24(1):65－67.

［6］李洋，李丽娜.基于模糊层次分析法的供应商的选择［J］.森林工程，2008，24(5):79 －83.

［7］苏义坤，宋立强，高淑青.基于模糊综合条件判法的施工企业信用研究［J］.森林工程，2010，26(1):61－64.

［8］吕剑虹，沈炯，杨榕，等.中储式钢球磨煤机制粉系统控制策略研究及应用［J］.中国电力，2000，33(9)，57－61.