钢球磨煤机风系统智能控制方法及模块与流程

本发明涉及钢球磨煤机风系统的控制技术。

背景技术：

钢球磨煤机(以下简称磨煤机)是中储粉仓式煤粉锅炉的重要辅助设备，用来将原煤研磨成一定细度的煤粉，储存在煤粉仓中。磨煤机运行时，磨筒转动，磨筒内的钢球被内壁带到一定高度后靠自身重力坠落，撞击筒内的存煤，存煤被击碎成煤粉，煤粉由风从磨煤机中分离出来，并经过粗粉分离器、细粉分离器和旋风分离器分离后，落入煤粉仓中储存。因此，磨煤机的风系统至关重要，承担着干燥原煤、分离煤粉、输送煤粉的作用，直接影响磨煤机的出力(单位时间内制成合格煤粉的重量)。磨煤机的入口风压(简称入口压力)、出口风粉温度(简称出口温度)代表磨煤机的风系统运行指标。为使磨煤机安全、稳定、高效地运行，磨煤机的入口压力和出口温度必须控制在一定范围内。

磨煤机入口压力和出口温度对磨煤机运行的影响如下：

入口压力：若入口压力高，容易造成磨煤机入口跑粉；若入口压力低，进入磨煤机的风量减少，没有足够的风量输送和分离煤粉，磨煤机出力降低。另外，入口压力低还会导致冷空气进入制粉系统，随三次风进入炉膛，降低锅炉的燃烧效率。因此，在保证不跑粉的前提下，需尽量提高磨煤机的入口压力，以达到通风出力最大，提高锅炉燃烧效率之目的。

出口温度：若出口温度高，容易造成制粉系统管道和煤粉仓温度升高，持续时将有爆燃的危险；若出口温度低，原煤干燥不充分，钢球击打原煤、破碎效率低，磨煤机干燥出力下降。因此，在保证制粉系统安全运行的前提下，应尽量提高磨煤机的出口温度，以达到磨煤机的干燥出力最大。

入口压力与出口温度的关系：当磨煤机的入口压力和出口温度发生矛盾时，应优先满足入口压力不过高，防止磨煤机入口“跑煤”，其次满足出口温度不过高，防止爆燃。在满足上述两个基本条件后，尽量提高磨煤机的入口压力和出口温度，达到磨煤机出力最大化。

进入磨煤机的风量由热风、温风、冷风和再循环风(煤粉和风的混合物)构成，其风量的大小分别由热风门、温风门、冷风门和再循环门调节，调节任意一个风门，都会影响磨煤机的入口压力和出口温度。因此，必须实时根据磨煤机的入口压力和出口温度以及各种风门的可调节裕度，计算调节哪一个风门以及调节幅度的大小，才能确保磨煤机运行的 安全稳定和高效。

但是，磨煤机运行时存在多种随机扰动，如原煤的硬度变化、湿度变化、风的来源扰动、输煤装置断煤、给煤量不均匀、钢球磨损和各种风量之间的内部扰动。磨煤机本身还存在着调节周期长、惯性大等问题。因此，磨煤机是一个典型的强耦合、非线性、变参数、大滞后的复杂系统，难以实现自动控制。特别是目前广泛应用的常规DCS组态控制方法，在该类磨煤机应用后，入口压力和出口温度调节跟不上，当“断煤”发生或煤质改变时，不是调节“过慢”，就是调节“过快”。若调节“过慢”，则因入口压力不能及时调回(过高)而导致磨煤机“跑粉”，或因出口温度不能及时调回(过高)而导致制粉系统爆燃；若调节“过快”，则入口压力和出口温度反复震荡，很难同时达到“合格”状态，即便有同时“合格”状态出现，也只是“昙花一现”，不能长久，随之而来的便是各种风门的频繁调节，磨煤机出力下降，风门磨损严重甚至损坏。另外，各种风门的快速震荡调节，还会引发炉膛压力的剧烈波动，严重时有灭火停炉的危险。所以，目前所有运行的钢球磨煤机都难以实现长期稳定的自动控制，仍然靠人工手动调节。手动调节带来的问题是操作频繁，精力高度集中，稍有不慎，很容易造成“跑粉”或制粉系统“爆燃”，危及锅炉的运行安全。为保障磨煤机的安全运行，运行人员不得不降低磨煤机的入口压力和出口温度指标，以便留有较大的安全裕度。但这又造成磨煤机出力的下降，电耗增加。

因此，迫切需要研发新的自动控制技术，解决该类磨煤机运行的自动控制问题，为减员增效，节能降耗创造条件。

技术实现要素：

本发明的目的是为了满足钢球磨煤机的运行需求，提供一种钢球磨煤机风系统智能控制方法及模块。

本发明所述的钢球磨煤机风系统智能控制方法包括以下步骤：

采样步骤：采集钢球磨煤机的入口压力值和出口温度值；

控制方式判断步骤：当入口压力达到高压阈值时或者出口温度达到高温阈值时，执行暂态控制步骤；否则，执行稳态控制步骤；

所述暂态控制步骤为：采用PID控制器控制热风门和温风门，然后返回执行采样步骤；

稳态控制步骤：采用模糊控制方法控制热风门、温风门、再循环门以及冷风门，然后返回执行采样步骤。

本发明所述的钢球磨煤机风系统智能控制模块包括以下单元：

采样单元：采集钢球磨煤机的入口压力值和出口温度值；

控制方式判断单元：当入口压力达到高压阈值时或者出口温度达到高温阈值时，启动暂态控制单元；否则，启动稳态控制单元；

暂态控制单元：采用PID控制器控制热风门和温风门，然后返回启动采样单元；

稳态控制单元：采用模糊控制技术控制热风门、温风门、再循环门以及冷风门，然后返回启动采样单元。

目前该类磨煤机运行控制普遍采用单回路PID组态方法，难以实现复杂的逻辑判断和大量的分析计算，投自动后不能长期稳定运行，只能解除自动，靠人工手动调节。本发明考虑了该类磨煤机在实际运行中遇到的所有问题，并针对这些问题，分别给出判断逻辑和控制方案，有效地克服了磨煤机自动控制中的各种干扰因素，实现了磨煤机运行的长期稳定自动控制。由于采用了暂态和稳态分开的控制技术，既保证了危机时刻的快速响应，又实现了稳定情况下的平稳调节，减少了风门的动作频率，延长了风门的使用寿命。又由于在稳态时采取了智能控制方案，明显提高了磨煤机的干燥出力和通风出力，降低了磨煤机电耗。上述优点在本技术实际应用后均得到验证。

附图说明

图1为实施方式一所述的钢球磨煤机风系统智能控制方法的流程图；

图2为实施方式二中暂态控制步骤的流程图；

图3为实施方式四中稳态控制步骤的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的钢球磨煤机风系统智能控制方法包括以下步骤：

采样步骤：采集钢球磨煤机的入口压力值和出口温度值；

控制方式判断步骤：当入口压力达到高压阈值时或者出口温度达到高温阈值时，执行暂态控制步骤；否则，执行稳态控制步骤；

所述暂态控制步骤为：采用PID控制器控制热风门和温风门，然后返回执行采样步骤；

稳态控制步骤：采用模糊控制方法控制热风门、温风门、再循环门以及冷风门，然后返回执行采样步骤。

本实施方式采用PID控制器实现暂态控制，采用模糊(FUZZY)控制器实现稳态控制。模糊控制是人工智能控制的典型代表，它模仿人的思维逻辑，对被控对象的运行规律(往往没有确切的数学模型)进行总结、抽象、推理和量化，实施有效的控制。模糊控制的基础是模糊数学，利用模糊数学的推理理论，离线建立隶属函数数据库，将各种复杂的过程对象简单化。该过程需要对被控对象充分了解，只有具有丰富经验的直接操作者才能总结出规律，并建立隶属函数数据库。当在线运行时，利用计算机的高速和大容量性能，通过推理和量化运算得到具体的控制量。模糊控制是一种非线性控制器，适用于时变、非线性及强耦合系统。

FUZZY控制器的工作过程主要由四部分组成：

(1)模糊化

这部分的作用是将输入的精确量进行处理，转换成模糊控制器要求的输入量。对处理过的输入量进行尺度变换，使其变换到各自的论域范围，然后进行模糊处理，并用相应的模糊集合表示。其中输入量包括外界的参考输入、系统的输出或状态。

(2)知识库

知识库通常由数据库和模糊控制规则库两部分组成。数据库包括各语言变量的隶属度函数、尺度变换因子以及模糊空间的分级数等。规则库包括了用模糊语言变量表示的一系列控制规则，它们反映了实际控制的经验和知识。

(3)模糊推理

模糊推理是FUZZY控制器的核心，模糊推理过程是基于模糊逻辑中的蕴涵关系及推理规则来进行的。

(4)清晰化

清晰化的作用是将模糊的控制量经清晰化变换变成表示在论域范围的清晰量，最后将清晰量经尺度变化成实际的控制量。

本实施方式所述的钢球磨煤机风系统智能控制方法，根据钢球磨煤机的具体运行情况，采用智能控制技术将其调节过程分为暂态和稳态。暂态时采用PID控制技术，用于磨煤机入口压力超过上限或磨煤机出口温度超过上限时的快速调节；稳态时则采用模糊控制器进行控制，综合分析磨煤机的各项运行参数，采取相应的控制策略，确保磨煤机运行安全稳定，同时也提高了磨煤机的出力。

具体实施方式二：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一所述的钢球磨煤机风系统智能控制方法的进一步限定，本实施方式中，所述暂态控制步骤具体为：

当出口温度达到高温阈值时，热风门开度输出值AO_rfm＝AO_rfm_1+du_rfm+Δrfm，按照所述热风门开度输出值AO_rfm控制热风门，并连续执行Tzt个控制周期；

当入口压力达到高压阈值时，温风门开度输出值AO_wfm＝AO_wfm_1+du_wfm+Δwfm，按照温风门开度输出值AO_wfm控制温风门，并连续执行Tzt个控制周期；

其中，AO_rfm_1和AO_wfm-1分别为前一个控制周期热风门和温风门的开度控制输出值；

du_rfm和du_wfm分别为本控制周期热风门和温风门开度控制输出值的增量；du_rfm和du_wfm由PID控制器计算得到。例如，将当前的出口温度值与出口温度的设定值相减，得到的偏差输入到PID控制器中，PID控制器计算得到du_rfm；将当前的入口压力值与入口压力设定值相减，得到的偏差输入到PID控制器中，PID控制器计算得到du_wfm。

Δrfm、Δwfm分别为本控制周期热风门、温风门开度控制输出值计算中的前馈量，分别与温风门、热风门开度成正比；

Tzt为暂态过程控制延续执行时间。

暂态控制过程中引入了热风门开度信号作为温风门控制输出的前馈补偿，引入温风门开度信号作为热风门控制输出的前馈补偿，然后利用PID控制器计算热风门开度输出值和温风门开度输出值，以此控制热风门和温风门。

具体实施方式三：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对实施方式二所述的钢球磨煤机风系统智能控制方法的进一步限定，在暂态控制步骤中，如果出口温度达到高温阈值，则Tzt＝Tzt1；否则，Tzt＝Tzt2；Tzt1＞Tzt2。

通常一个控制周期为1秒，可以取Tzt1＝200，Tzt2＝400。那么，当入口压力达到高压阈值但出口温度没有达到高温阈值时，按照所述热风门开度输出值AO_rfm控制热风门，并连续执行200个控制周期。当出口温度达到高温阈值时，按照温风门开度输出值AO_wfm控制温风门，并连续执行400个控制周期。

具体实施方式四：结合图3说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一和二所述的钢球磨煤机风系统智能控制方法的进一步限定，本实施方式中，

SP_P为入口压力设定值，入口压力P分为以下四种状态：

入口压力达到高压阈值：P≥SP_P+ΔP2；

入口压力较高：SP_P+ΔP2>P≥SP_P+ΔP1；ΔP2＞ΔP1，

入口压力适中：SP_P+ΔP1>P>SP_P-ΔP1；

入口压力较低：P≤SP_P-ΔP1；

ΔP1和ΔP2均为预先设定好的值；

ΔP1和ΔP2根据实际情况进行设定，通常可以取ΔP1＝100Pa，ΔP2＝200Pa；

SP_T为出口温度设定值，出口温度T分为以下四种状态：

出口温度达到高温阈值：T≥SP_T+ΔT2；

出口温度较高：SP_T+ΔT2>T≥SP_T+ΔT1；ΔT2＞ΔT1；

出口温度适中：SP_T+ΔT1>T>SP_T-ΔT1；

出口温度较低：T≤SP_T-ΔT1；

ΔT1和ΔT2根据实际情况进行设定，通常可以取ΔT1＝5℃，ΔT2＝10℃；

所述稳态控制步骤包括以下步骤：

出口温度及入口压力判断步骤：根据采集到的出口温度值和入口压力值判断出口温度状态和入口压力状态，

如果出口温度状态为较低，且入口压力状态为较低，则执行加热风步骤；

如果出口温度状态为较低，且入口压力状态为适中，则同时执行加热风步骤和减混合风步骤；

如果出口温度状态为较低，且入口压力状态为较高，则执行减混合风步骤；

如果出口温度状态为适中，且入口压力状态为较低，则同时执行加热风步骤和加混合风步骤；

如果出口温度状态为适中，且入口压力状态为适中，则执行AO保持步骤；

如果出口温度状态为适中，且入口压力状态为较高，则同时执行减热风步骤和减混合风步骤；

如果出口温度状态为较高，且入口压力状态为较低，则执行加混合风步骤；

如果出口温度状态为较高，且入口压力状态为适中，则同时执行减热风步骤和加混合风步骤；

如果出口温度状态为较高，且入口压力状态为较高，则执行减热风步骤；

加热风步骤：增加热风门开度，然后返回执行采样步骤；

减热风步骤：减少热风门开度，然后返回执行采样步骤；

加混合风步骤：先增加温风门开度，后增加再循环门开度，最后增加冷风门开度，然后返回执行采样步骤；

减混合风步骤：先减少冷风门开度，然后减少循环门开度，最后减少温风门开度，然后返回执行采样步骤；

AO保持步骤：保持各风门开度不变，然后返回执行采样步骤。

进入磨煤机的风量可以定义成两部分，即热风和混合风。热风是经热风门调节后送入磨煤机的风，混合风是经温风门、冷风门和再循环门调节后送入磨煤机的风，是温风门出口风量、冷风门出口风量和再循环门出口风量的总和。稳态智能控制是根据磨煤机入口压力状态和出口温度状态，计算热风和混合风的调节量，再分别由热风门和“温风门+冷风门+再循环门”实施调节。

加混合风步骤中，混合风调节量在温风门、再循环门和冷风门的开度控制输出值增量之间的最优分配比例为1：2：4，温风门、再循环门和冷风门之间的最优动作时间间隔为10秒。减混合风步骤中，混合风调节量在冷风门、再循环门和温风门的开度控制输出值减少量之间的最优分配比例为1：2：4，在冷风门、再循环门和温风门之间的最优动作时间间隔也为10秒。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的钢球磨煤机风系统智能控制模块包括以下单元：

采样单元：采集钢球磨煤机的入口压力值和出口温度值；

控制方式判断单元：当入口压力达到高压阈值时或者出口温度达到高温阈值时，启动暂态控制单元；否则，启动稳态控制单元；

暂态控制单元：采用PID控制器控制热风门和温风门，然后返回启动采样单元；

稳态控制单元：采用模糊控制技术控制热风门、温风门、再循环门以及冷风门，然后返回启动采样单元。

本实施方式所述的钢球磨煤机风系统智能控制模块与实施方式一所述的钢球磨煤机风系统智能控制方法相对应。

具体实施方式六：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对实施方式五所述的钢球磨煤机风系统智能控制模块的进一步限定，本实施方式中，所述暂态控制单元具体为：

当入口压力达到高压阈值时，热风门开度输出值AO_rfm＝AO_rfm_1+du_rfm+Δrfm，按照所述热风门开度输出值AO_rfm控制热风门，并连续执行Tzt个控制周期；

当出口温度达到高温阈值时，温风门开度输出值AO_wfm＝AO_wfm_1+du_wfm+Δwfm，按照温风门开度输出值AO_wfm控制温风门，并连续执行Tzt个控制周期；

其中，AO_rfm_1和AO_wfm_1分别为前一个控制周期热风门和温风门的开度控制输出值；

du_rfm和du_wfm分别为本控制周期热风门和温风门的开度控制输出值的增量； Δrfm、Δwfm分别为本控制周期热风门、温风门的开度控制输出值的前馈量；

Tzt为暂态过程控制延续执行时间。

本实施方式所述的钢球磨煤机风系统智能控制模块与实施方式二所述的钢球磨煤机风系统智能控制方法相对应。

具体实施方式七：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对实施方式六所述的钢球磨煤机风系统智能控制模块的进一步限定，本实施方式中，在暂态控制单元中，如果出口温度达到高温阈值，则Tzt＝Tzt1；否则，Tzt＝Tzt2；Tzt1＞Tzt2。

本实施方式所述的钢球磨煤机风系统智能控制模块与实施方式三所述的钢球磨煤机风系统智能控制方法相对应。

具体实施方式八：结合图2说明本实施方式，本实施方式是对实施方式五至七所述的钢球磨煤机风系统智能控制模块的进一步限定，本实施方式中，SP_P为入口压力设定值，入口压力P分为以下四种状态：

入口压力达到高压阈值：P≥SP_P+ΔP2；

入口压力较高：SP_P+ΔP2>P≥SP_P+ΔP1；ΔP2＞ΔP1，

入口压力适中：SP_P+ΔP1>P>SP_P-ΔP1；

入口压力较低：P≤SP_P-ΔP1；

ΔP1和ΔP2均为预先设定好的值；

SP_T为出口温度设定值，出口温度T分为以下四种状态：

出口温度达到高温阈值：T≥SP_T+ΔT2；

出口温度较高：SP_T+ΔT2>T≥SP_T+ΔT1；ΔT2ΔT2ΔT1；

出口温度适中：SP_T+ΔT1>T>SP_T-ΔT1；

出口温度较低：T≤SP_T-ΔT1；

所述稳态控制方法包括以下单元：

出口温度及入口压力判断单元：根据采集到的出口温度值和入口压力值判断出口温度状态和入口压力状态，

如果出口温度状态为较低，且入口压力状态为较低，则启动加热风单元；

如果出口温度状态为较低，且入口压力状态为适中，则同时启动加热风单元和减混合风单元；

如果出口温度状态为较低，且入口压力状态为较高，则启动减混合风单元；

如果出口温度状态为适中，且入口压力状态为较低，则同时启动加热风单元和加混合 风单元；

如果出口温度状态为适中，且入口压力状态为适中，则启动AO保持单元；

如果出口温度状态为适中，且入口压力状态为较高，则同时启动减热风单元和减混合风单元；

如果出口温度状态为较高，且入口压力状态为较低，则启动加混合风单元；

如果出口温度状态为较高，且入口压力状态为适中，则同时启动减热风单元和加混合风单元；

如果出口温度状态为较高，且入口压力状态为较高，则启动减热风单元；

加热风单元：增加热风门开度，然后返回启动采样单元；

减热风单元：减少热风门开度，然后返回启动采样单元；

加混合风单元：先增加温风门开度，后增加再循环门开度，最后增加冷风门开度，然后返回启动采样单元；

减混合风单元：先减少冷风门开度，然后减少再循环门开度，最后减少温风门开度，然后返回启动采样单元；

AO保持单元：保持各风门开度不变，然后返回启动采样单元。

本实施方式所述的钢球磨煤机风系统智能控制模块与实施方式四所述的钢球磨煤机风系统智能控制方法相对应。