用于自动提供向工厂供应煤粉的多个磨煤机的控制参数的基于计算机的方法及装置的制作方法

专利名称：：用于自动提供向工厂供应煤粉的多个磨煤机的控制参数的基于计算机的方法及装置的制作方法
技术领域：
：本发明涉及用于自动提供向工厂诸如电厂或水泥生产厂供应煤粉的多个磨煤机的控制参数的基于计算机的方法。此外，本发明涉及控制这种工厂的方法、适合于执行发明方法的计算装置、包括这种计算装置的工厂、适合于执行发明方法的计算机程序产品和其上存储有相应计算机程序产品的计算机可读介质。
背景技术：
：现代燃煤电厂或水泥厂一般都烧粉碎形式的煤。煤在磨煤机中被研磨成细粉。然后，通过运输机或初级空气将粉以流化形式送到炉子。在炉子中，煤粉被燃烧，并且生成的热能例如可用在蒸汽生产中以便产生电力或用在水泥生产中。通常，煤研磨机上的气压降可指示在磨机内流化的粉量。磨机中的流化粉量和压降倾向于随不断增大的煤研磨载荷而增大。当煤研磨机上的压降超过某一阈限时，粉碎的煤可不再由初级气流有效地运输出磨煤机。这种情形可导致在磨机内部累积剧增的煤粉，并因此可造成重大操作风险。在燃煤电站中的常规实践是监视向电站供应粉碎煤的所有多个磨煤机中的压降读数，但在整个正常操作过程中不采取控制措施。一旦特定磨煤机的压降读数超过预定义阈值，到那个特定磨机的煤馈送就经由替代方案人工或自动运行回到其最小容许界限。在这种情况下，可能有必要向所有其它磨机重新分配这个特定磨机的缩减煤载荷，以便保持炉子内到燃烧过程的总粉碎燃料流。然而，这基于如下假设:其余磨煤机的容量可承担附加煤载荷。这可导致其余操作磨煤机迅速斜升，其通常增大所有其余磨机中的压降。另一磨机中的压降违背其阈值并非不常见。那么，这可导致发电能力的大大下降。所描述的情形可以是常规电厂控制方案的严重限制。为了避免发电能力的下降，许多常规电站被设计成具有备用磨煤机以有可能当需要维护磨煤机时填充能力间隙。但是再者，大多数电站都保持备用磨机操作，连同所有其它磨机，并将磨机操作在它们的设计能力以下，以便具有快速承担跳闸磨机的操作载荷的缓冲能力。这个实践从能量效率角度来看可能是浪费的，因为磨煤机以它们的完全设计能力最有效地研磨和干燥煤馈送，并且还因为存在与运行额外磨煤机相关联的恒定机械和热损耗。此外，在常规磨煤机控制方案中，可限制多个磨煤机斜升或斜降的速率。因为磨煤机的煤研磨能力可限制电厂的能量生成，所以磨机的研磨能力的这种受限斜变可导致电厂的受限斜变速率。
发明内容本发明的目的可以是提供用于提供向工厂供应煤粉的多个磨煤机的控制参数的方法和装置，其中由于这种方法或装置，例如可以克服上面提到的常规控制方案的缺点，并且具体地说，煤研磨载荷可最优地分配给多个磨煤机中的每个单独磨煤机。具体地说，优选应该改进磨煤机布置的效率以及斜变速率。此外，应该改进电厂对载荷改变的总体动态响应。最后，还应该改进粉碎煤的质量，由此有可能增大电厂效率。这种目的由独立权利要求的主题解决。在从属权利要求中描述了本发明实施例。根据本发明的一个方面，提出了用于自动提供向工厂供应煤粉的多个磨煤机的控制参数的基于计算机的方法。该方法包括优选按如下顺序的如下步骤:a)通过测量指示磨煤机操作的实际参数获取对于每一个磨煤机指示单独磨煤机载荷的多个操作变量；b)从工厂获取指示煤需求的需求变量；c)将获取的多个操作变量和需求变量供应给计算系统；d)使用多变量计算算法，基于所述多个操作变量和所述需求变量计算所述控制参数；e)提供计算的控制参数以便单独控制每个磨煤机的操作；f)重复步骤(a)-(e)。其中所述多变量计算算法可将有关每一个所述磨煤机的操作状况的信息考虑进去。有关操作状况的这种信息例如可以是指示相应磨机磨损的因子，诸如例如磨机自从其最后维护或服务以来的操作小时数。备选地，有关操作状况的信息可以是由于相应磨机内的煤粉分布不规则性(例如由于煤粉中的湿度过大)引起的气流的暂时堵塞、进来的初级气压的波动、进来的初级气温的波动以及在单独磨机处的分类机设置。其中，气流堵塞最常见是由于煤粉因为进来的煤馈送中的高湿度含量而黏在一起形成大块。分类机是磨机的位于磨机出口处的一部分，其自旋并且通过离心作用分开大块颗粒。叶片或者这个零件的旋转率可对产出颗粒大小有大的影响。用于计算控制参数的多变量计算算法可基于物理或统计模型，并且这种技术可用于执行多个维度上的计算，同时将所有变量对所关注响应的影响考虑进去。优选可用在所提出方法内的一种类型的多变量算法可以是模型预测算法或模型预测控制(MPC)，将在下面对此进行更详细描述。为了获取在计算控制参数中所获取和使用的多个操作变量而测量的指示磨煤机操作的参数可包括:(I)粉碎机差压参数，也称为初级气压降参数，其可指示磨煤机的入口与出口之间的压差；(2)粉碎燃料出口温度参数，其可指示在磨煤机出口处的粉碎煤的温度；(3)粉碎机电机电流参数，其可指示到磨煤机驱动电机的电流；以及(4)初级气流率参数，其可指示供应给磨煤机的初级空气流率。在所提出的基于计算机的方法中，可以设想与人类操作员的交互作用。例如，在操作的“顾问模式”中，可向操作员显示计算的控制参数，使得操作员然后可在将所提供的参数考虑进去的情况下人工控制每一个磨煤机。作为备选，可例如以在线或以闭环操作模式提供全自动操作，其中计算的控制参数直接用于自动控制每一个磨煤机。可给予操作员在模式之间切换的可能性。此外，可通过实现多个操作变量、需求变量和操作状况信息中至少一项的操作员输入提供操作员交互作用。换句话说，例如使用输入装置(诸如键盘或触摸屏)，人类操作员可输入或更新在计算控制参数时使用的一个、一些或所有变量或操作状况信息。备选地，可进行预配置(provision)使得所有至少一些或所有这些变量或信息都被自动获取并提供给用于计算控制参数的计算系统。由此，可以实现全自动操作。获取多个操作变量和需求变量、然后向计算系统供应获取的变量、然后在此基础上计算控制参数并且最后提供计算的控制参数的步骤可周期性地重复，并以某种方式实时提供控制参数。换句话说，可连续获取期望变量，例如每20秒，并且可立即计算控制参数并提供给人类操作员或自动控制系统以便单独控制每一个磨煤机。根据本发明的另外方面，提出了控制向工厂的煤粉供应的方法、计算装置、工厂、计算机程序产品和计算机可读介质，它们全都使用如上面所说明的本发明或其实施例的示教和原理。构成本发明基础的基本思想是改进用于通过将指示每个单独磨煤机的实际载荷并指示来自工厂的煤需求的多个变量中的几个或所有考虑进去以便根据其计算用于单独控制每个磨煤机操作的控制参数来控制从多个磨煤机到工厂的煤粉供应的总体控制方案。虽然在常规磨煤机控制方案中，一般控制多个磨煤机中的每个磨煤机以在正常条件下以同一载荷操作，并且这个载荷在紧急情况下才被修改，即当超过沿着磨煤机的气压降的阈限(其指示磨煤机爆炸的可能风险)时，其中然后这个特定磨煤机的失去的磨煤机能力被均等地分配给其余磨煤机，本发明的思想是以更智能的方式控制多个磨煤机中的每个磨煤机。为了该目的，多变量计算算法(诸如例如模型预测算法)使用所有磨煤机的操作变量连同工厂的需求变量，以便分别计算每一个磨煤机的控制参数。在这种计算中，另外的信息优选被考虑进去，这个信息例如指示每个单独磨煤机的可能载荷能力，该载荷能力例如可取决于这个磨煤机自从其最后维护以来的工作小时。基于这种方法，磨煤机载荷可最优地分配给每个单独磨煤机，由此改进控制方案的效率，以及用其控制的工厂的效率。单独控制到每个磨煤机的煤加载同时保持到工厂炉子的总燃料馈送的可能性可能仅是使用所提出方法的优点之一。使用内部模型预测磨机动态特性的行为可以带来电厂的启动、斜升和斜降期间的主要优点，因为控制系统现在可具有预期磨机操作的未来状态的能力。基于这种能力，所提出的方法和装置相比常规控制系统可允许将燃煤电厂的总体动态响应的数十个百分点。最后，在多变量计算算法中包含煤研磨过程的数学模型可进一步允许根据粉碎燃料细度的测量的可用性在某种程度上估计并控制粉碎燃料细度。如果这种测量不存在，则多变量计算算法仍可推动磨煤机的致动器，从而影响燃料细度，诸如将动态分类机旋转到它们的界限，以便优化燃料细度，同时保持操作目标，诸如主要是粉碎的燃料流。要注意，本文参考不同主题描述本发明的方面和实施例。具体地说，参考方法类型权利要求描述一些实施例，而参考设备类型权利要求描述其它实施例。然而，本领域技术人员将从上面和下面的描述中推断，除非其它通知，否则除了属于一种类型主题的特征的任何组合之外，有关不同主题的特征之间的任何组合(具体地说是设备类型权利要求的特征与方法类型权利要求的特征之间的任何组合)也被视为用本申请公开了。图1示意性示出了具有根据本发明实施例的基于计算机的方法操作的控制的电厂的组件。具体实施例方式本发明的实施例涉及用于向工厂供应煤粉的煤研磨机的控制。煤研磨过程一般涉及多个煤研磨机以满足来自下游过程和装置、诸如电站中的锅炉或水泥厂中的回转窑的粉碎燃料要求。图1示出了工厂I的组件，包括充当用于控制电厂组件的控制器的计算装置3、用于将煤研磨成粉碎燃料的多个磨煤机5a、5b、5c和用于烧粉碎燃料以便生成用于电厂I的热能的炉子7。主控制器(图1中未示出)可确定工厂I所需的粉碎燃料量。计算装置3将多变量计算算法用于计算用于单独地控制每一个磨煤机5a、5b、5c的控制参数。由此，来自工厂I的主控制器的总煤需求的分配可被适当地分配给单独的磨煤机。为了这么做，通过测量实际参数对于每一个磨煤机获取指示各个磨煤机5a、5b、5c的操作状态的操作变量，并经由输入信道9a、9b、9c将操作变量提供给计算装置3。例如，测量的实际参数可以是每一个磨煤机5a、5b、5c中的初级气压降ΛF1、ΛF2、ΛF3。备选地，可以测量其它参数并将其它参数提供给计算装置3，诸如粉碎机差压、粉碎燃料出口温度、粉碎机电机电流和/或初级气流率。此外，获取来自工厂或其主控制器的指示煤需求的需求变量并经由通信信道11将需求变量供应给计算装置3。为了生成在使用多变量计算算法计算控制参数时使用的适当控制模型，有关每一个磨煤机操作状况的信息还经由供应信道13供应给计算装置3。该操作状况信息例如可包含指示每一个磨机5a、5b、5c的磨损的因子，这些因子可取决于相应磨机自从其最后维护以来的操作小时数。备选地，该信息可包括由于磨机内煤粉分布的不规则而引起的气流暂时堵塞、进来的初级气压的波动、进来的初级气温的波动和/或动态分类机设置。将在下面更详细描述，计算装置3可在将多个操作变量和需求变量优选还有有关磨机的操作状况(也称为操作适合度)的信息考虑进去的情况下使用多变量计算算法计算用于单独控制每一个磨煤机5a、5b、5c的操作的控制参数。计算的控制参数可包括磨机馈煤器速度设置点，其可经由供应信道17a、b、c提供给相应馈煤器速度控制器15a、b、c，相应馈煤器速度控制器然后可控制包含在相应磨煤机5a.5b.5c中的馈送器速度致动器。此外，控制参数可包括经由供应信道21a、b、c提供给相应初级气流控制器19a、b、c以便最终控制包含在磨煤机5a、5b、5c中相应初级气流致动器的相应初级气流设置点。馈煤器速度控制器15a、b、c以及初级气流控制器19a、b、c都可通过分别测量馈煤器速度和初级气流得到进一步调节，其中可附加地对于温度变化校正初级气流。图1中未示出的其它计算的控制参数可包含热和冷初级空气阻尼器位置或风扇电机速度、煤研磨台(millgrindingtable)电机速度、动态分类机旋转速度或控制这些参数的对应设置点。作为这种控制方案的结果，可单独在适当载荷条件下操作磨煤机5a、5b、5c。每一个磨煤机5a、5b、5c研磨煤并经由相应供应线路23a、b、c向炉子7供应粉碎燃料以便满足煤需求并使锅炉主机(boilermaster)能够根据实际能量生成要求来操作。可用在计算装置3中用于计算控制参数的其中一个可能多变量计算算法是模型预测控制(MPC)。基于MPC的磨煤机控制方案可使用实时调整的操作变量、即优化标准，以确定每个单独磨机的煤需求，而不是只在多个磨煤机上均匀划分总煤需求，在现有技术控制方法中是这样做的。这优选在自动模式操作下进行。用多变量控制算法处理煤需求分配的不那么明显的优点是它可创建磨煤机中压降控制的新自由度的事实。今天使用的常规控制方案一般不能在正常操作期间控制磨机压降，这是因为它们没有充当操控变量的额外自由度。磨机压降主要根据到那个具体磨煤机的煤载荷，其已经作为控制到电厂的热输入的操控变量在使用。另一方面，基于MPC的磨煤机控制可自动单独调整所有磨机的相对加载，同时保持到炉子的总恒定煤燃料，由此创建将磨机压降保持在可接受界限内的可能性。控制的额外自由度背后的主要原因是，即使磨煤机设计得一样，单独的研磨和煤运输性能也可能由于各种因素而不同。这些因素之一可能是由于正常操作引起的磨机磨损。自从磨机最后维护和服务以来的磨机操作小时数可能是那个磨机有效研磨能力的良好指示。其它因素包含磨机内部煤粉分布的不规则性引起的气流暂时堵塞、进来的初级气压和温度的波动以及分类机设置。简言之，基于MPC的控制方案可实现自动通过最优量将煤载荷从具有高压降的磨机移到具有较低压降的另一磨机，这超出常规磨机控制系统的能力。·在下文，提供了使用多变量计算算法(具体地说是模型预测算法)计算控制参数的示范计算方案的细节。该方案也称为模型预测磨煤机控制器。根据本发明的一实施例，模型预测磨煤机控制器由计算装置中形成为控制应用选择的实时计算平台的软件例程的集合构成。这种实时计算平台的可能示例是具有到电厂分布式控制系统的网络接入的个人计算机。软件例程的集合包含:(i)数据收集和分发应用；()状态估计器；(iii)被参数化并对于电厂中若干磨煤机复制的磨煤机模型；以及(iv)优化器。周期性地运行软件例程，优选每20s—次。这些软件例程的运行序列执行如下。步骤1.(数据收集)经由到电厂分布式控制系统的网络接入收集来自电厂中磨煤机的可用参数测量结果和期望操作条件。测量结果包含但不限于压降、研磨台电机功耗、操作小时、初级空气入口和/或出口温度、初级气流率。设置点形式的期望操作条件包含但不限于来自磨煤机的总煤需求以及初级空气出口温度。步骤2.(状态估计)在多变量计算算法中使用的磨煤机数学模型以其最简单的形式是将磨煤机输出的时间相关行为与磨煤机输入或操控变量相关的一组等式。例如，当原始煤输入增加某一百分比时，粉碎的煤输出将增加多少以及多快。等式可具有但不限于如下形式:x(k-1)-.f|s(kkuCk))等式Iy(k)=-h|x(k)|等式2其中:X表示磨煤机的内部状态或状况信息、诸如粉碎煤容纳量(pulverizedcoalholdup)；u表示磨煤机的输入或操控变量、诸如初级气流率；以及y表示来自磨煤机的可测量输出、诸如粉碎燃料温度。f和h是线性或非线性函数，并且k表示时间点。在等式I中所示出的磨煤机在时间k+Ι的将来状态与在时间k的当前状态的相关性使数学模型能够进行关于磨煤机的将来行为的预测，或当k+Ι表示当前时间并且k表示过去时，基于过去的测量结果估计磨煤机的当前状态。状态估计器是能够求解优化问题的软件例程，其可向等式I和等式2添加误差项，并且可将过去的测量结果I放到这些等式中，以通过最小化误差项找到当前状态X。为了合并在过去多于一个时间步长采样的测量结果，通过用k-1、k-2、..、k-n代替k，将等式I和等式2递归地扩展到过去。重要的是，注意，当f和h是线性函数并且通过将等式扩展一个时间步长到过去来执行估计时，估计将相当于卡尔曼滤波器。状态估计步骤的目的是获得关于磨煤机的不可测量属性的信息、诸如煤容纳量，其方式是通过数学模型将它们与可测量属性、诸如压降和电机功耗相关。必须对于操作中的每个磨煤机单独执行上面描述的状态估计步骤。因此，在等式I和等式2中描述的函数f和h需要对于每个磨煤机是先验可用的。重要的是，注意，函数f和h对于每个磨机将是不同的，指示它们的操作的具体细节，主要是研磨面的耗损状态，因此还有研磨效率。每个磨机的函数f和h可被参数化，并且可实时调整这些参数以跟踪磨煤机行为的改变。步骤3.(优化)在优化步骤中，确定输入或操控变量的轨线，它们充当用于控制磨煤机的判定变量(例如馈煤器设置点)。为了这个目的，依据磨煤机输入(U)、磨煤机输出(y)和磨煤机内部状态(X)规定优化目标。可能的目标可以是最大化粉碎燃料输出，最大化对电厂载荷改变的响应速度,或最大化粉碎燃料质量或细度。还有可能将目标创建为所有这些目标的加权组合。优化任务的最终构成是规定可行的最优解要满足的约束，其在这种情况下是等式I和等式2中给出的磨煤机模型、对输入或操控变量(U)的操作约束(诸如最小初级气流和最大初级气流)、对输出(y)的操作约束(诸如最小粉碎燃料温度和最大粉碎燃料温度)以及对内部状态的操作约束(诸如最小煤容纳量和最大煤容纳量)。可能要指出，相比状态估计步骤,在优化步骤中，通过用k+l、k+2、...、k+p代替k来将等式I和等式2递归地扩展到将来，其可允许利用磨煤机模型的预测功能性。优化问题的可能表示可给出如下:权利要求1.一种用于自动提供供应工厂(I)中煤粉的多个磨煤机(5a，5b,5c)的控制参数的基于计算机的方法，所述方法包括:a)通过测量指示磨煤机操作的实际参数获取(9a,9b,9c)对于每一个所述磨煤机指示单独磨煤机的载荷的多个操作变量；b)从所述工厂获取(11)指示煤需求的需求变量；c)将获取的多个操作变量和所述需求变量供应给计算系统(3)；d)使用多变量计算算法，基于所述多个操作变量和所述需求变量计算所述控制参数；e)提供(17a，17b,17c,21a,21b,21c)计算的控制参数以便单独控制每个磨煤机的操作；f)重复步骤(a)到(e)。2.按权利要求1所述的方法，其中所述多变量计算算法将有关每一个所述磨煤机的操作状况的信息(13)考虑进去。3.按权利要求2所述的方法，其中有关操作状况的所述信息包含如下至少一项:指示磨机的磨损的因子；磨机自从其最后维护以来的操作小时数；指示磨机堵塞的因子；进来的初级气压的波动；进来的初级气温的波动；以及分类机设置。4.按权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述多变量计算算法包括模型预测算法。5.按权利要求1至4中任一项所述的方法，其中指示磨煤机操作的所述参数包括如下至少一项:粉碎机差压；粉碎燃料出口温度；粉碎机电机电流；以及初级空气流率。6.按权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述控制参数包括如下至少一项:磨机馈煤器速度设置点；初级气流设置点；热和冷初级空气阻尼器位置设置点；风扇电机速度设置点；磨机研磨台电机速度设置点；以及动态分类机旋转速度设置点。7.按权利要求1至6中任一项所述的方法，其中由如下至少一项提供操作员交互作用:实现所述多个操作变量、所述需求变量和所述操作状况信息中至少一项的操作员输入；以及向操作员显示计算的控制参数。8.按权利要求1至7中任一项所述的方法，其中周期性地重复步骤(a)到(e)以实时提供所述控制参数。9.一种控制工厂(I)中煤粉供应的方法，包括:使用如权利要求1至8中任一项所述的方法提供控制参数；基于提供的参数自动控制多个磨煤机中每个磨煤机的操作。10.一种计算装置，适合于执行如权利要求1至9中任一项所述的方法。11.一种工厂，包括:炉子(7)；多个磨煤机(5a,5b,5c)；以及如权利要求10所述的计算装置(3)。12.一种计算机程序产品，当在计算装置上运行时允许执行如权利要求1至9中任一项所述的方法。13.一种计算机可读介质，其上存储有如权利要求12所述的计算机程序产品。全文摘要提出了用于自动提供例如向电厂的炉子(7)供应煤粉的多个磨煤机(5a,5b,5c)的控制参数的基于计算机的方法和计算装置(3)。该方法包括(a)通过测量指示磨煤机操作的实际参数获取对于每一个磨煤机指示单独磨煤机的载荷的多个操作变量；(b)从工厂获取指示煤需求的需求变量；(c)将获取的多个操作变量和需求变量供应给计算系统；(d)使用多变量计算算法，具体地说是模型预测算法，基于多个操作变量和需求变量计算控制参数；(e)提供计算的控制参数以便单独控制每个磨煤机的操作；以及(f)重复步骤(a)-(e)。由于将多变量计算算法用于计算控制参数将多个实际操作变量和来自电厂组件的需求变量考虑进去了，所以煤研磨载荷可最优地分配给每个单独磨煤机，由此实现工厂操作的高效率以及高速率斜升或斜降。文档编号G05B17/02GK103097969SQ201180015455公开日2013年5月8日申请日期2011年3月3日优先权日2010年3月24日发明者M.默坎戈茨,T.马图尔,T.冯霍夫申请人:Abb研究有限公司