高炉喷煤制粉系统中速磨控制方法

摘要

本发明公开了一种高炉喷煤制粉系统中速磨控制方法，通过分别控制中速磨负荷、中速磨入口负压、以及中速磨出口温度来使中速磨稳定运行；包括：构建中速磨负荷值识别模型、中速磨负荷规则控制器，由中速磨负荷值识别模型、中速磨负荷规则控制器构建PID中速磨负荷控制回路；以排风机转速作为调节变量，构建PID中速磨入口负压控制回路，构建中速磨出口温度控制器，并在中速磨出口温度控制器后分别以热风阀开度和冷风阀开度作为调节变量，构建中速磨出口温度控制回路。基于规则推理与PID控制器相结合，根据不同的工况产生的控制规则库以实现对中速磨给煤量的最优控制，克服了难以保证中速磨的最佳工作状态以及出口温度在工艺要求的最佳范围内。

说明书

技术领域

本发明主要涉及高炉炼铁喷煤制粉系统中对中速磨（以下简称中速磨）的控制，采用该控制方法可将中速磨出力控制在最大范围内，保证中速磨工作在最佳工况，同时保证磨机出口温度的稳定，降低中速磨因负荷过大引起的故障率，避免中速磨因负荷较小而浪费能源，提高制粉生产效率。

技术背景

高炉喷煤制粉系统是高炉喷煤系统的重要关键工艺，其关系到后续工艺煤粉喷吹的连续性与高炉生产的稳定性。如图1所示，它的任务是将原煤仓1的原煤通过皮带给煤机2可控的送入中速磨4中研磨成煤粉，再由干燥气体发生器3产生热风，由冷风阀8和热气阀9调节干燥气体的温度，再由干燥气体（热风）将煤粉输送到袋式收粉器5中，煤粉经过滤收集后送入煤粉仓7，输送并干燥煤粉的气体由排风机6牵引。其中中速磨4是高炉制粉工艺生产过程中最核心设备，主要由磨辊及磨碗装置、分离器部分、排出阀及多出口装置、蜗轮蜗杆减速箱等部分组成，其工作原理是原煤从中速磨的中心落煤管落入旋转的磨盘中心，在离心力的作用下进入磨辊与磨盘的碾磨轨道被滚压碾磨成煤粉，煤粉被从风环下部吹出的一次热风干燥并将其携带至碾磨区上部的分离器，经分离后，合格的煤粉送入炉膛被分离后的粗粉则返回磨内重磨。其他难以磨碎的杂物(石子煤)，因其颗粒直径和密度大，风环的风力不足以托起而落下到磨盘底部一次风室，经随磨盘一道旋转的刮板刮入排渣箱，最后从排渣门排出中速磨。该过程主要是通过调节中速磨给煤量、中速磨进出口压差、中速磨出口温度、中速磨碾压力等控制变量以实现对中速磨的稳定控制，对于提高制粉系统的生产效率和节能降耗以及保证高炉的稳定生产具有重要意义。

由于该系统具有强耦合、大时滞、多变量的特点，其操作变量（热风阀开度、冷风阀开度、给煤量、排风机转速）与控制变量（中速磨进口负压、出口温度、中速磨负荷）之间相互耦合，互相影响，各变量间相互关系很难用精确的数学模型表示，而且关键参数中速磨负荷难以测量，因此传统的单回路控制方式难以达到理想控制效果。目前，高炉制粉生产过程对于中速磨的控制大部分处于人工手动控制状态，由于操作员难以及时准确的判断中速磨负荷状况以及确定给煤量，常常使制粉系统负荷过高，出力减少，甚至堵磨，造成生产故障。当出口温度偏低且磨机进出口差压较高时，无法准确的减少加煤量，造成磨机负荷减小，出力不足，降低了生产效率。因此，如何采用一种控制方法来避免中速磨的“饱磨”及“空磨”现象，保证中速磨工作在最佳工况，提高制粉生产效率，保证制粉系统的稳定和高效就显得尤为重要。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种高炉喷煤制粉系统中速磨控制方法，避免中速磨的“饱磨”及“空磨”现象，保证中速磨工作在最佳工况，保证制粉系统的稳定和高效。

本发明为解决上述技术问题，采用如下技术方案： 

一种高炉喷煤制粉系统中速磨控制方法，其特征在于：在中速磨生产过程中，通过分别控制中速磨负荷、中速磨入口负压、以及中速磨出口温度来使中速磨稳定运行；具体包括：

（1）分别构建中速磨负荷值识别模型、中速磨负荷规则控制器，并由中速磨负荷值识别模型、中速磨负荷规则控制器构建PID中速磨负荷控制回路；通过中速磨负荷值识别模型实时获取中速磨负荷值，并基于获取的中速磨负荷值，通过中速磨负荷规则控制器调节给煤量和碾磨力，使给煤量和碾磨力与中速磨负荷相匹配；

其中，中速磨负荷值识别模型中包含多个负荷识别案例，所述负荷识别案例为：中速磨电机电流和中速磨进出口压差参数中至少一项参数与中速磨负荷值的对应关系；

中速磨负荷规则控制器中包含负荷调节案例，所述负荷调节案例为：中速磨负荷值与中速磨给煤量设定值以及中速磨碾压力设定值之间的对应关系，和中速磨出口温度与中速磨给煤量设定值以及中速磨碾压力设定值之间的对应关系；

（2）以排风机转速作为调节变量，构建中速磨入口负压PID控制回路，并同时在控制回路中对排风机转速进行转速限幅控制，使中速磨处于负压状态；

（3）构建中速磨出口温度控制器，并在中速磨出口温度控制器后分别以热风阀开度和冷风阀开度作为调节变量，构建中速磨出口温度控制回路；通过中速磨出口温度控制回路调整中速磨出口温度；

所述中速磨出口温度控制器包含多个温度调节案例，所述温度调节案例为：中速磨出口温度与热风阀开度设定值以及冷风阀开度设定值之间的对应关系。

按上述技术方案，（1）中速磨负荷控制回路中，给煤量、中速磨碾同时作为调节变量分别串接在中速磨负荷规则控制器后，给煤量检测结果反馈到中速磨负荷规则控制器中，中速磨电机电流和中速磨进出口压差反馈到中速磨负荷工况识别模型中，中速磨负荷工况识别模型中的中速磨负荷值输入到中速磨负荷规则控制器中。

按上述技术方案，（1）中所述负荷识别案例具体为：

当  C< Cmin时， S=S1；

当 Cmin <C< Cmax 且  dP1<= dP < dP2时，S=S1；

当Cmin <C< Cmax  且  dP2<= dP <dP3  时，S=S2；

当  Cmin <C< Cmax  且  dP3< =dP < dP4时，S=S3；

当  Cmin <C< Cmax  且  dP4< =dP < dP5时，S=S4；

当  Cmin <C< Cmax  且  dP5< =dP时，S=S5；

当  C >Cmax时， S=S6；

其中：Cmax为中速磨满负荷电机电流的最大值, Cmin为中速磨空负荷电机电流的最大值，C为中速磨电机电流，dP为中速磨进出口压差，S为中速磨负荷值；dP1～dP5为常数，可根据实际工况适当调整；S1～S6分别为“欠负荷状态”、“低负荷状态”、“高负荷状态”、“满负荷状态”、“负荷极高”、“过负荷状态”。

按上述技术方案，（1）中所述负荷调节案例具体为：

当 S=S1  时，  Wsp=Wpv+△W1   且  Fsp=Fpv+△F1；

当 S=S2  时，  Wsp=Wpv +△W2  且  Fsp=Fpv +△F2；

当 S=S3  时，  Wsp=Wpv +△W3  且  Fsp=Fpv +△F3；

当 S=S4  时，  Wsp=Wpv +△W4  且  Fsp=Fpv +△F4；

当 S=S5  时，  Wsp=Wpv +△W5  且  Fsp=Fpv +△F5；

当 T>=Tmax  时，  Wsp=Wpv  且  Fsp=Fpv ；

其中：S为中速磨负荷值； 中速磨出口温度T上限报警值为Tmax；Wsp为中速磨给煤量设定值，Wpv为中速磨给煤量测量值；Fsp为中速磨碾压力设定值，Fpv为中速磨碾压力测量值；△W1～△W5为给煤量补偿值，可根据实际工况适当调整， 且△W1>0, △W2>0, △W3>0, △W4<0, △W5<0；△F1～△F5为碾压力补偿值，可根据实际工况适当调整；且△F1>0, △F2>0, △F3>0, △F4<0, △F5<0；S1～S6分别为“欠负荷状态”、“低负荷状态”、“高负荷状态”、“满负荷状态”、“负荷极高”、“过负荷状态”。

按上述技术方案，中速磨生产过程中，实时检测中速磨出口温度，当中速磨出口温度达到上限报警值时，即使中速磨处于“负荷极高”或“过负荷状态”，也不减少给煤量，而停机以防生产事故。

按上述技术方案，（3）中所述温度调节案例具体为：

当 60<=T<70  时，  U1sp= U1pv+α1△K1  且  U1sp= U1pv-β1△K1；

当 70<=T<75  时，  U1sp= U1pv+α2△K2   且  U1sp= U1pv-β2△K2；

当 75<=T<80  时，  U1sp= U1pv+α3△K3   且  U1sp= U1pv-β3△K3；

当 80<=T<85  时，  U1sp= U1pv+α4△K4   且  U1sp= U1pv-β4△K4；

当 85<=T<90  时，  U1sp= U1pv+α1△K5   且  U1sp= U1pv-β1△K5；

当 90<=T<95  时，  U1sp= U1pv   且  U2sp= U2pv；

当 95<=T<100 时，  U1sp= U1pv-α6△K6   且  U1sp= U1pv+β6△K6；

当 95<=T<105 时，  U1sp= U1pv-α7△K7  且  U1sp= U1pv+β7△K7；

其中：T为中速磨出口温度，取值范围单位为摄氏度；U1sp为热风阀开度设定值，U1pv为热风阀开度测量值；U2sp为冷风阀开度设定值，U2pv为冷风阀开度测量值；△K1～△K7为阀门开度补偿值，可根据实际工况适当调整；α1～α7为热风阀开度补偿系数，可根据实际工况适当调整；β1～β6为冷风阀开度补偿系数，可根据实际工况适当调整。

按上述技术方案，（2）中的负压状态为-1kPa～-0.5kPa。

本发明的高炉喷煤制粉系统中速磨控制方法，根据中速磨运行专家以及优秀操作工的现场经验，采用基于规则推理的仿人工智能控制技术与PID控制器相结合的方法实现了对中速磨生产过程的控制，根据不同的工况产生的控制规则库以实现对中速磨给煤量的最优控制，克服了难以保证中速磨的最佳工作状态以及出口温度在工艺要求的最佳范围内。

附图说明

图1为本发明的方法所应用的高炉喷煤制粉系统工艺流程图。

图中：1为原煤仓；2为皮带给煤机；3为干燥气发生器；4为中速磨；5布袋收粉器；6排风机； 7煤粉仓；8冷风阀；9热风阀； 

图2为本发明的高炉喷煤制粉系统中速磨控制方法的原理框图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。

如图2所示，制粉系统中速磨生产过程的中速磨控制方法主要包括：中速磨出口温度控制，中速磨负荷控制、中速磨前负压控制；对中速磨的控制回路可分为中速磨负荷控制回路、中速磨入口负压控制回路和中速磨出口温度控制回路。其中，中速磨入口负压和出口温度设定值由工艺工程师根据生产工况人工设定，中速磨给煤量设定值由中速磨负荷工况识别模型设定。

1）中速磨负荷控制回路的构建，第一步：中速磨负荷值的准确判断是其负荷控制的前提，但是中速磨的负荷难以直接在线检测。根据现场工程师的人工经验，我们发现在一定通风量的情况下，中速磨由空载到满负荷的过程中，中速磨负荷越大中速磨进出口压差越大，中速磨电机电流越大；反之亦然。但达到满负荷后，随着负荷的增加，电机电流反而会减小。据此，我们采用中速磨进出口压差及中速磨电机电流为基本参数，利用规则库建立中速磨负荷工况识别模型来表征其负荷工况，其规则库表达式如下：

我们根据现场实验数据，设定中速磨满负荷电机电流的最大值为Cmax, 中速磨空负荷电机电流的最大值为Cmin.

当  C< Cmin  或 (Cmin <C< Cmax  且  dP1<= dP < dP 2)   时，  S=S1；

当  Cmin <C< Cmax  且  dP2<= dP <dP3   时，  S=S2；

当  Cmin <C< Cmax  且  dP3< =dP < dP4   时，  S=S3；

当  Cmin <C< Cmax  且  dP4< =dP < dP5   时，  S=S4；

当  Cmin <C< Cmax  且  dP5< =dP  时，  S=S5；

当  C >Cmax   时，  S=S6；

上述规则库中：C为中速磨电机电流，dP为中速磨进出口压差，S为中速磨负荷值。dP1～dP5为常数，可根据实际工况适当调整。

S1～S6分别为“欠负荷状态”、“低负荷状态”、“高负荷状态”、“满负荷状态”、“负荷极高”、“过负荷状态”.

  第二步：在制粉生产过程中，我们除了要使中速磨达到最佳运行状态外，还要保证中速磨的产品质量，即煤粉粒度。当中速磨负荷不变时，随着碾压力的提高，煤粉变细；当碾磨压力不变时，中速磨负荷增大，煤粉变粗。可见，碾压力变化对煤粉粒度的影响随中速磨负荷的加大而愈加显著。因此，当中速磨处于低负荷状态时，可适当降低中速磨碾压力；反之亦然。这样既有利于减少中速磨的振动，又可避免负荷变化对煤粉粒度的影响。此外，中速磨出口温度是防止煤粉爆燃的重要参数，其温度值不能超过安全限度。给煤量也是影响中速磨出口温度的重要因素之一，在中速磨入口温度一定的条件下，减少给煤量会引起出口温度升高；增加给煤量会引起出口温度下降；为了保证安全，当中速磨出口温度达到上限报警值时，即使中速磨处于“负荷极高”或“过负荷状态”，也不要减少给煤量，可以考虑停机以防生产事故。

于是，我们根据上述现场工程师的人工经验，基于中速磨负荷工况识别模型判断出的磨机负荷，利用仿人工智能规则控制在一定的采样周期内对给煤量及中速磨碾压力进行自动调节。

其语言规则库如下所示：

我们设定中速磨出口温度T上限报警值为Tmax,

当 S=S1   时，  Wsp=Wpv+△W1   且  Fsp=Fpv+△F1；

当 S=S2   时，  Wsp=Wpv +△W2  且  Fsp=Fpv +△F2；

当 S=S3   时，  Wsp=Wpv +△W3  且  Fsp=Fpv +△F3；

当 S=S4   时，  Wsp=Wpv +△W4  且  Fsp=Fpv +△F4；

当 S=S5   时，  Wsp=Wpv +△W5  且  Fsp=Fpv +△F5；

当 T>=Tmax   时，  Wsp=Wpv  且  Fsp=Fpv ；

上述规则库中：S为中速磨负荷值；

Wsp为中速磨给煤量设定值，Wpv为中速磨给煤量测量值；

Fsp为中速磨碾压力设定值，Fpv为中速磨碾压力测量值；

△W1～△W5（△W1>0, △W2>0, △W3>0, △W4<0, △W5<0）为给煤量补偿值，可根据实际工况适当调整;

△F1～△F5（△F1>0, △F2>0, △F3>0, △F4<0, △F5<0）为碾压力补偿值，可根据实际工况适当调整;

S1～S6分别为“欠负荷状态”、“低负荷状态”、“高负荷状态”、“满负荷状态”、“负荷极高”、“过负荷状态”. 

 采用负荷工况识别模型和中速磨负荷规则控制器构成的中速磨负荷控制回路对给煤量及碾压力的调节，可保证中速磨工作在最佳工况状态，避免中速磨出现大幅振动，大大减少了中速磨的“饱磨”甚至“堵磨”的故障率，同时提高了产品的质量，保证了工艺对关键产品参数煤粉粒度的要求。

中速磨负荷控制回路是整个制粉系统的核心部分，负荷自动控制就是在保证喷吹要求的前提下，使中速磨在最经济的工况下运行。

2）中速磨入口负压控制回路的构建。　在使用中速磨制粉时，由于煤粉的细度与通风量之间是比例关系，因此保持中速磨的风量不变，则煤粉的细度不变。保持中速磨入口负压的稳定，便能达到风量稳定的目的。实际上负压控制就是煤粉细度的控制，同时也能防止煤粉外泄。中速磨前负压控制按PID控制回路设计，以风量作为调节变量。

在制粉生产过程中，控制中速磨入口负压的意义在于使整个中速磨处于负压状态，防止煤粉外喷以及漏风，前者要求负压不能太小，后者要求负压不能太大，一般控制在-1kPa～-0.5kPa,入口负压调节主要通过调节排风机的转速来实现，正常情况下，排风机的转速越快，入口负压越大；排风机的转速越慢，入口负压越小；据此，对中速磨入口负压的控制采用PID回路控制方式，同时对排风机转速进行最小转速限幅控制，以防当负压检测出现故障时，导致排风机转速过低甚至停转从而造成更大的生产事故。

3）中速磨出口温度控制回路的构建。

为了提高整个制粉系统的防爆能力，工艺将热风炉废气引入作为煤粉干燥气体及煤粉输送气体。由于热风炉废气温度变化较大，因此用加热炉产生高温烟气与热风炉废气混合，为中速磨提供一定的干燥和温度稳定的气体。中速磨入口温度可通过比值调节实现，即调节加热炉产生高温烟气与热风炉废气的混合比值来控制入口温度。 　　在制粉系统中中速磨出口风粉温度要比入口温度重要，由于受中速磨负荷及原煤干湿程度的影响，中速磨出口风粉温度较难控制，因此可如图2所示，将中速磨入口温度控制也即入口处冷风阀和热风阀的各自控制作为副环，出口风粉温度作为主环构成串级，这样，副环作为“粗调”，主环作为“细调”，减少了滞后，提高了抗干扰能力。由于采用改变入口温度作为控制手段，因此，加热炉产生的烟气只占整个干燥气的5%～10%，对风量影响不大，对中速磨负荷控制也有好处。

中速磨出口温度是指中速磨出口风粉混合物温度，它是反映中速磨干燥出力、防止煤粉爆燃的重要参数，提高其出口温度还可以可以改善磨煤条件，使磨机出力提高，其越高对煤粉的干燥越有利，但温度值不能超过安全限度。若出口温度过高，会使煤中挥发分提前逸出，增大可燃的机率。若出口温度过低，会使原煤得不到充分的干燥，贴附在中速磨内部和煤粉管中，引起煤粉管堵塞。中速磨设计出口温度一般取为7O～95℃，最低应维持60℃以上，最高应维持105℃以下。影响中速磨出口温度的主要因素是中速磨入口温度和给煤量，给煤量在中速磨负荷控制回路中已予以考虑，在此仅考虑中速磨入口温度，在给煤量恒定的条件下，提高中速磨入口温度，其出口温度相应增加，反之亦然，但是同时中速磨入口温度的变化对出口温度的影响存在一定的滞后特性。当单独通过调节中速磨入口热风阀或冷风阀而调节中速磨入口温度时，无法保证其恒定的通风量，而中速磨的最佳运行工况是稳定恒定的通风量，尽量保证其最大出力，可见需要同时调节热风阀和冷风阀。出口温度、通风量与热风阀开度、冷风阀开度存在一定的耦合性。因此考虑到其滞后性以及耦合性，我们采用仿人工智能规则控制来调整中速磨出口温度，对热风阀和冷风阀采用反向比例控制，考虑到热风阀和冷风阀开度只能在工艺允许的一定范围内，因此我们采用了开度限幅控制。其语言规则库如下所示：

当 60<=T<70  时，  U1sp= U1pv+α1△K1  且  U1sp= U1pv-β1△K1；

当 70<=T<75  时，  U1sp= U1pv+α2△K2   且  U1sp= U1pv-β2△K2；

当 75<=T<80  时，  U1sp= U1pv+α3△K3   且  U1sp= U1pv-β3△K3；

当 80<=T<85  时，  U1sp= U1pv+α4△K4   且  U1sp= U1pv-β4△K4；

当 85<=T<90  时，  U1sp= U1pv+α1△K5   且  U1sp= U1pv-β1△K5；

当 90<=T<95  时，  U1sp= U1pv   且  U2sp= U2pv；

当 95<=T<100  时，  U1sp= U1pv-α6△K6   且  U1sp= U1pv+β6△K6；

当 95<=T<105  时，  U1sp= U1pv-α7△K7  且  U1sp= U1pv+β7△K7；

上述规则库中：T为中速磨出口温度；

U1sp为热风阀开度设定值，U1pv为热风阀开度测量值；

U2sp为冷风阀开度设定值，U2pv为冷风阀开度测量值；

△K1～△K7为阀门开度补偿值，可根据实际工况适当调整；

α1～α7为热风阀开度补偿系数，可根据实际工况适当调整；

β1～β6为冷风阀开度补偿系数，可根据实际工况适当调整；

通过以上所述的控制方法是针对高炉喷煤制粉系统中速磨生产过程具有耦合性、滞后性的特点以及难以用精确的数学模型表示的难点所提出的，该控制方法可保证中速磨工作在最佳负荷状态，稳定关键产品参数煤粉粒度，显著的降低中速磨因负荷过大引起的故障率，避免中速磨因负荷较小而浪费能源，同时可保证中速磨出口温度及入口负压的稳定，将中速磨出力控制在最大范围内。可见，其对于提高制粉系统的生产效率和节能降耗以及保证高炉的稳定生产具有重要意义。