用於自動提供向工廠供應煤粉的多個磨煤機的控制參數的基於計算機的方法及裝置的製作方法

2023-12-09 23:04:51

專利名稱：：用於自動提供向工廠供應煤粉的多個磨煤機的控制參數的基於計算機的方法及裝置的製作方法
技術領域：
：本發明涉及用於自動提供向工廠諸如電廠或水泥生產廠供應煤粉的多個磨煤機的控制參數的基於計算機的方法。此外，本發明涉及控制這種工廠的方法、適合於執行發明方法的計算裝置、包括這種計算裝置的工廠、適合於執行發明方法的電腦程式產品和其上存儲有相應電腦程式產品的計算機可讀介質。
背景技術：
：現代燃煤電廠或水泥廠一般都燒粉碎形式的煤。煤在磨煤機中被研磨成細粉。然後，通過運輸機或初級空氣將粉以流化形式送到爐子。在爐子中，煤粉被燃燒，並且生成的熱能例如可用在蒸汽生產中以便產生電力或用在水泥生產中。通常，煤研磨機上的氣壓降可指示在磨機內流化的粉量。磨機中的流化粉量和壓降傾向於隨不斷增大的煤研磨載荷而增大。當煤研磨機上的壓降超過某一閾限時，粉碎的煤可不再由初級氣流有效地運輸出磨煤機。這種情形可導致在磨機內部累積劇增的煤粉，並因此可造成重大操作風險。在燃煤電站中的常規實踐是監視向電站供應粉碎煤的所有多個磨煤機中的壓降讀數，但在整個正常操作過程中不採取控制措施。一旦特定磨煤機的壓降讀數超過預定義閾值，到那個特定磨機的煤饋送就經由替代方案人工或自動運行回到其最小容許界限。在這種情況下，可能有必要向所有其它磨機重新分配這個特定磨機的縮減煤載荷，以便保持爐子內到燃燒過程的總粉碎燃料流。然而，這基於如下假設:其餘磨煤機的容量可承擔附加煤載荷。這可導致其餘操作磨煤機迅速斜升，其通常增大所有其餘磨機中的壓降。另一磨機中的壓降違背其閾值並非不常見。那麼，這可導致發電能力的大大下降。所描述的情形可以是常規電廠控制方案的嚴重限制。為了避免發電能力的下降，許多常規電站被設計成具有備用磨煤機以有可能當需要維護磨煤機時填充能力間隙。但是再者，大多數電站都保持備用磨機操作，連同所有其它磨機，並將磨機操作在它們的設計能力以下，以便具有快速承擔跳閘磨機的操作載荷的緩衝能力。這個實踐從能量效率角度來看可能是浪費的，因為磨煤機以它們的完全設計能力最有效地研磨和乾燥煤饋送，並且還因為存在與運行額外磨煤機相關聯的恆定機械和熱損耗。此外，在常規磨煤機控制方案中，可限制多個磨煤機斜升或斜降的速率。因為磨煤機的煤研磨能力可限制電廠的能量生成，所以磨機的研磨能力的這種受限斜變可導致電廠的受限斜變速率。
發明內容本發明的目的可以是提供用於提供向工廠供應煤粉的多個磨煤機的控制參數的方法和裝置，其中由於這種方法或裝置，例如可以克服上面提到的常規控制方案的缺點，並且具體地說，煤研磨載荷可最優地分配給多個磨煤機中的每個單獨磨煤機。具體地說，優選應該改進磨煤機布置的效率以及斜變速率。此外，應該改進電廠對載荷改變的總體動態響應。最後，還應該改進粉碎煤的質量，由此有可能增大電廠效率。這種目的由獨立權利要求的主題解決。在從屬權利要求中描述了本發明實施例。根據本發明的一個方面，提出了用於自動提供向工廠供應煤粉的多個磨煤機的控制參數的基於計算機的方法。該方法包括優選按如下順序的如下步驟:a)通過測量指示磨煤機操作的實際參數獲取對於每一個磨煤機指示單獨磨煤機載荷的多個操作變量；b)從工廠獲取指示煤需求的需求變量；c)將獲取的多個操作變量和需求變量供應給計算系統；d)使用多變量計算算法，基於所述多個操作變量和所述需求變量計算所述控制參數；e)提供計算的控制參數以便單獨控制每個磨煤機的操作；f)重複步驟(a)-(e)。其中所述多變量計算算法可將有關每一個所述磨煤機的操作狀況的信息考慮進去。有關操作狀況的這種信息例如可以是指示相應磨機磨損的因子，諸如例如磨機自從其最後維護或服務以來的操作小時數。備選地，有關操作狀況的信息可以是由於相應磨機內的煤粉分布不規則性(例如由於煤粉中的溼度過大)引起的氣流的暫時堵塞、進來的初級氣壓的波動、進來的初級氣溫的波動以及在單獨磨機處的分類機設置。其中，氣流堵塞最常見是由於煤粉因為進來的煤饋送中的高溼度含量而黏在一起形成大塊。分類機是磨機的位於磨機出口處的一部分，其自旋並且通過離心作用分開大塊顆粒。葉片或者這個零件的旋轉率可對產出顆粒大小有大的影響。用於計算控制參數的多變量計算算法可基於物理或統計模型，並且這種技術可用於執行多個維度上的計算，同時將所有變量對所關注響應的影響考慮進去。優選可用在所提出方法內的一種類型的多變量算法可以是模型預測算法或模型預測控制(MPC)，將在下面對此進行更詳細描述。為了獲取在計算控制參數中所獲取和使用的多個操作變量而測量的指示磨煤機操作的參數可包括:(I)粉碎機差壓參數，也稱為初級氣壓降參數，其可指示磨煤機的入口與出口之間的壓差；(2)粉碎燃料出口溫度參數，其可指示在磨煤機出口處的粉碎煤的溫度；(3)粉碎機電機電流參數，其可指示到磨煤機驅動電機的電流；以及(4)初級氣流率參數，其可指示供應給磨煤機的初級空氣流率。在所提出的基於計算機的方法中，可以設想與人類操作員的交互作用。例如，在操作的「顧問模式」中，可向操作員顯示計算的控制參數，使得操作員然後可在將所提供的參數考慮進去的情況下人工控制每一個磨煤機。作為備選，可例如以在線或以閉環操作模式提供全自動操作，其中計算的控制參數直接用於自動控制每一個磨煤機。可給予操作員在模式之間切換的可能性。此外，可通過實現多個操作變量、需求變量和操作狀況信息中至少一項的操作員輸入提供操作員交互作用。換句話說，例如使用輸入裝置(諸如鍵盤或觸控螢幕)，人類操作員可輸入或更新在計算控制參數時使用的一個、一些或所有變量或操作狀況信息。備選地，可進行預配置(provision)使得所有至少一些或所有這些變量或信息都被自動獲取並提供給用於計算控制參數的計算系統。由此，可以實現全自動操作。獲取多個操作變量和需求變量、然後向計算系統供應獲取的變量、然後在此基礎上計算控制參數並且最後提供計算的控制參數的步驟可周期性地重複，並以某種方式實時提供控制參數。換句話說，可連續獲取期望變量，例如每20秒，並且可立即計算控制參數並提供給人類操作員或自動控制系統以便單獨控制每一個磨煤機。根據本發明的另外方面，提出了控制向工廠的煤粉供應的方法、計算裝置、工廠、電腦程式產品和計算機可讀介質，它們全都使用如上面所說明的本發明或其實施例的示教和原理。構成本發明基礎的基本思想是改進用於通過將指示每個單獨磨煤機的實際載荷並指示來自工廠的煤需求的多個變量中的幾個或所有考慮進去以便根據其計算用於單獨控制每個磨煤機操作的控制參數來控制從多個磨煤機到工廠的煤粉供應的總體控制方案。雖然在常規磨煤機控制方案中，一般控制多個磨煤機中的每個磨煤機以在正常條件下以同一載荷操作，並且這個載荷在緊急情況下才被修改，即當超過沿著磨煤機的氣壓降的閾限(其指示磨煤機爆炸的可能風險)時，其中然後這個特定磨煤機的失去的磨煤機能力被均等地分配給其餘磨煤機，本發明的思想是以更智能的方式控制多個磨煤機中的每個磨煤機。為了該目的，多變量計算算法(諸如例如模型預測算法)使用所有磨煤機的操作變量連同工廠的需求變量，以便分別計算每一個磨煤機的控制參數。在這種計算中，另外的信息優選被考慮進去，這個信息例如指示每個單獨磨煤機的可能載荷能力，該載荷能力例如可取決於這個磨煤機自從其最後維護以來的工作小時。基於這種方法，磨煤機載荷可最優地分配給每個單獨磨煤機，由此改進控制方案的效率，以及用其控制的工廠的效率。單獨控制到每個磨煤機的煤加載同時保持到工廠爐子的總燃料饋送的可能性可能僅是使用所提出方法的優點之一。使用內部模型預測磨機動態特性的行為可以帶來電廠的啟動、斜升和斜降期間的主要優點，因為控制系統現在可具有預期磨機操作的未來狀態的能力。基於這種能力，所提出的方法和裝置相比常規控制系統可允許將燃煤電廠的總體動態響應的數十個百分點。最後，在多變量計算算法中包含煤研磨過程的數學模型可進一步允許根據粉碎燃料細度的測量的可用性在某種程度上估計並控制粉碎燃料細度。如果這種測量不存在，則多變量計算算法仍可推動磨煤機的致動器，從而影響燃料細度，諸如將動態分類機旋轉到它們的界限，以便優化燃料細度，同時保持操作目標，諸如主要是粉碎的燃料流。要注意，本文參考不同主題描述本發明的方面和實施例。具體地說，參考方法類型權利要求描述一些實施例，而參考設備類型權利要求描述其它實施例。然而，本領域技術人員將從上面和下面的描述中推斷，除非其它通知，否則除了屬於一種類型主題的特徵的任何組合之外，有關不同主題的特徵之間的任何組合(具體地說是設備類型權利要求的特徵與方法類型權利要求的特徵之間的任何組合)也被視為用本申請公開了。圖1示意性示出了具有根據本發明實施例的基於計算機的方法操作的控制的電廠的組件。具體實施例方式本發明的實施例涉及用於向工廠供應煤粉的煤研磨機的控制。煤研磨過程一般涉及多個煤研磨機以滿足來自下遊過程和裝置、諸如電站中的鍋爐或水泥廠中的迴轉窯的粉碎燃料要求。圖1示出了工廠I的組件，包括充當用於控制電廠組件的控制器的計算裝置3、用於將煤研磨成粉碎燃料的多個磨煤機5a、5b、5c和用於燒粉碎燃料以便生成用於電廠I的熱能的爐子7。主控制器(圖1中未示出)可確定工廠I所需的粉碎燃料量。計算裝置3將多變量計算算法用於計算用於單獨地控制每一個磨煤機5a、5b、5c的控制參數。由此，來自工廠I的主控制器的總煤需求的分配可被適當地分配給單獨的磨煤機。為了這麼做，通過測量實際參數對於每一個磨煤機獲取指示各個磨煤機5a、5b、5c的操作狀態的操作變量，並經由輸入信道9a、9b、9c將操作變量提供給計算裝置3。例如，測量的實際參數可以是每一個磨煤機5a、5b、5c中的初級氣壓降ΛF1、ΛF2、ΛF3。備選地，可以測量其它參數並將其它參數提供給計算裝置3，諸如粉碎機差壓、粉碎燃料出口溫度、粉碎機電機電流和/或初級氣流率。此外，獲取來自工廠或其主控制器的指示煤需求的需求變量並經由通信信道11將需求變量供應給計算裝置3。為了生成在使用多變量計算算法計算控制參數時使用的適當控制模型，有關每一個磨煤機操作狀況的信息還經由供應信道13供應給計算裝置3。該操作狀況信息例如可包含指示每一個磨機5a、5b、5c的磨損的因子，這些因子可取決於相應磨機自從其最後維護以來的操作小時數。備選地，該信息可包括由於磨機內煤粉分布的不規則而引起的氣流暫時堵塞、進來的初級氣壓的波動、進來的初級氣溫的波動和/或動態分類機設置。將在下面更詳細描述，計算裝置3可在將多個操作變量和需求變量優選還有有關磨機的操作狀況(也稱為操作適合度)的信息考慮進去的情況下使用多變量計算算法計算用於單獨控制每一個磨煤機5a、5b、5c的操作的控制參數。計算的控制參數可包括磨機饋煤器速度設置點，其可經由供應信道17a、b、c提供給相應饋煤器速度控制器15a、b、c，相應饋煤器速度控制器然後可控制包含在相應磨煤機5a.5b.5c中的饋送器速度致動器。此外，控制參數可包括經由供應信道21a、b、c提供給相應初級氣流控制器19a、b、c以便最終控制包含在磨煤機5a、5b、5c中相應初級氣流致動器的相應初級氣流設置點。饋煤器速度控制器15a、b、c以及初級氣流控制器19a、b、c都可通過分別測量饋煤器速度和初級氣流得到進一步調節，其中可附加地對於溫度變化校正初級氣流。圖1中未示出的其它計算的控制參數可包含熱和冷初級空氣阻尼器位置或風扇電機速度、煤研磨臺(millgrindingtable)電機速度、動態分類機旋轉速度或控制這些參數的對應設置點。作為這種控制方案的結果，可單獨在適當載荷條件下操作磨煤機5a、5b、5c。每一個磨煤機5a、5b、5c研磨煤並經由相應供應線路23a、b、c向爐子7供應粉碎燃料以便滿足煤需求並使鍋爐主機(boilermaster)能夠根據實際能量生成要求來操作。可用在計算裝置3中用於計算控制參數的其中一個可能多變量計算算法是模型預測控制(MPC)。基於MPC的磨煤機控制方案可使用實時調整的操作變量、即優化標準，以確定每個單獨磨機的煤需求，而不是只在多個磨煤機上均勻劃分總煤需求，在現有技術控制方法中是這樣做的。這優選在自動模式操作下進行。用多變量控制算法處理煤需求分配的不那麼明顯的優點是它可創建磨煤機中壓降控制的新自由度的事實。今天使用的常規控制方案一般不能在正常操作期間控制磨機壓降，這是因為它們沒有充當操控變量的額外自由度。磨機壓降主要根據到那個具體磨煤機的煤載荷，其已經作為控制到電廠的熱輸入的操控變量在使用。另一方面，基於MPC的磨煤機控制可自動單獨調整所有磨機的相對加載，同時保持到爐子的總恆定煤燃料，由此創建將磨機壓降保持在可接受界限內的可能性。控制的額外自由度背後的主要原因是，即使磨煤機設計得一樣，單獨的研磨和煤運輸性能也可能由於各種因素而不同。這些因素之一可能是由於正常操作引起的磨機磨損。自從磨機最後維護和服務以來的磨機操作小時數可能是那個磨機有效研磨能力的良好指示。其它因素包含磨機內部煤粉分布的不規則性引起的氣流暫時堵塞、進來的初級氣壓和溫度的波動以及分類機設置。簡言之，基於MPC的控制方案可實現自動通過最優量將煤載荷從具有高壓降的磨機移到具有較低壓降的另一磨機，這超出常規磨機控制系統的能力。·在下文，提供了使用多變量計算算法(具體地說是模型預測算法)計算控制參數的示範計算方案的細節。該方案也稱為模型預測磨煤機控制器。根據本發明的一實施例，模型預測磨煤機控制器由計算裝置中形成為控制應用選擇的實時計算平臺的軟體例程的集合構成。這種實時計算平臺的可能示例是具有到電廠分布式控制系統的網絡接入的個人計算機。軟體例程的集合包含:(i)數據收集和分發應用；狀態估計器；(iii)被參數化並對於電廠中若干磨煤機複製的磨煤機模型；以及(iv)優化器。周期性地運行軟體例程，優選每20s—次。這些軟體例程的運行序列執行如下。步驟1.(數據收集)經由到電廠分布式控制系統的網絡接入收集來自電廠中磨煤機的可用參數測量結果和期望操作條件。測量結果包含但不限於壓降、研磨臺電機功耗、操作小時、初級空氣入口和/或出口溫度、初級氣流率。設置點形式的期望操作條件包含但不限於來自磨煤機的總煤需求以及初級空氣出口溫度。步驟2.(狀態估計)在多變量計算算法中使用的磨煤機數學模型以其最簡單的形式是將磨煤機輸出的時間相關行為與磨煤機輸入或操控變量相關的一組等式。例如，當原始煤輸入增加某一百分比時，粉碎的煤輸出將增加多少以及多快。等式可具有但不限於如下形式:x(k-1)-.f|s(kkuCk))等式Iy(k)=-h|x(k)|等式2其中:X表示磨煤機的內部狀態或狀況信息、諸如粉碎煤容納量(pulverizedcoalholdup)；u表示磨煤機的輸入或操控變量、諸如初級氣流率；以及y表示來自磨煤機的可測量輸出、諸如粉碎燃料溫度。f和h是線性或非線性函數，並且k表示時間點。在等式I中所示出的磨煤機在時間k+Ι的將來狀態與在時間k的當前狀態的相關性使數學模型能夠進行關於磨煤機的將來行為的預測，或當k+Ι表示當前時間並且k表示過去時，基於過去的測量結果估計磨煤機的當前狀態。狀態估計器是能夠求解優化問題的軟體例程，其可向等式I和等式2添加誤差項，並且可將過去的測量結果I放到這些等式中，以通過最小化誤差項找到當前狀態X。為了合併在過去多於一個時間步長採樣的測量結果，通過用k-1、k-2、..、k-n代替k，將等式I和等式2遞歸地擴展到過去。重要的是，注意，當f和h是線性函數並且通過將等式擴展一個時間步長到過去來執行估計時，估計將相當於卡爾曼濾波器。狀態估計步驟的目的是獲得關於磨煤機的不可測量屬性的信息、諸如煤容納量，其方式是通過數學模型將它們與可測量屬性、諸如壓降和電機功耗相關。必須對於操作中的每個磨煤機單獨執行上面描述的狀態估計步驟。因此，在等式I和等式2中描述的函數f和h需要對於每個磨煤機是先驗可用的。重要的是，注意，函數f和h對於每個磨機將是不同的，指示它們的操作的具體細節，主要是研磨麵的耗損狀態，因此還有研磨效率。每個磨機的函數f和h可被參數化，並且可實時調整這些參數以跟蹤磨煤機行為的改變。步驟3.(優化)在優化步驟中，確定輸入或操控變量的軌線，它們充當用於控制磨煤機的判定變量(例如饋煤器設置點)。為了這個目的，依據磨煤機輸入(U)、磨煤機輸出(y)和磨煤機內部狀態(X)規定優化目標。可能的目標可以是最大化粉碎燃料輸出，最大化對電廠載荷改變的響應速度,或最大化粉碎燃料質量或細度。還有可能將目標創建為所有這些目標的加權組合。優化任務的最終構成是規定可行的最優解要滿足的約束，其在這種情況下是等式I和等式2中給出的磨煤機模型、對輸入或操控變量(U)的操作約束(諸如最小初級氣流和最大初級氣流)、對輸出(y)的操作約束(諸如最小粉碎燃料溫度和最大粉碎燃料溫度)以及對內部狀態的操作約束(諸如最小煤容納量和最大煤容納量)。可能要指出，相比狀態估計步驟,在優化步驟中，通過用k+l、k+2、...、k+p代替k來將等式I和等式2遞歸地擴展到將來，其可允許利用磨煤機模型的預測功能性。優化問題的可能表示可給出如下:權利要求1.一種用於自動提供供應工廠(I)中煤粉的多個磨煤機(5a，5b,5c)的控制參數的基於計算機的方法，所述方法包括:a)通過測量指示磨煤機操作的實際參數獲取(9a,9b,9c)對於每一個所述磨煤機指示單獨磨煤機的載荷的多個操作變量；b)從所述工廠獲取(11)指示煤需求的需求變量；c)將獲取的多個操作變量和所述需求變量供應給計算系統(3)；d)使用多變量計算算法，基於所述多個操作變量和所述需求變量計算所述控制參數；e)提供(17a，17b,17c,21a,21b,21c)計算的控制參數以便單獨控制每個磨煤機的操作；f)重複步驟(a)到(e)。2.按權利要求1所述的方法，其中所述多變量計算算法將有關每一個所述磨煤機的操作狀況的信息(13)考慮進去。3.按權利要求2所述的方法，其中有關操作狀況的所述信息包含如下至少一項:指示磨機的磨損的因子；磨機自從其最後維護以來的操作小時數；指示磨機堵塞的因子；進來的初級氣壓的波動；進來的初級氣溫的波動；以及分類機設置。4.按權利要求1至3中任一項所述的方法，其中所述多變量計算算法包括模型預測算法。5.按權利要求1至4中任一項所述的方法，其中指示磨煤機操作的所述參數包括如下至少一項:粉碎機差壓；粉碎燃料出口溫度；粉碎機電機電流；以及初級空氣流率。6.按權利要求1至5中任一項所述的方法，其中所述控制參數包括如下至少一項:磨機饋煤器速度設置點；初級氣流設置點；熱和冷初級空氣阻尼器位置設置點；風扇電機速度設置點；磨機研磨臺電機速度設置點；以及動態分類機旋轉速度設置點。7.按權利要求1至6中任一項所述的方法，其中由如下至少一項提供操作員交互作用:實現所述多個操作變量、所述需求變量和所述操作狀況信息中至少一項的操作員輸入；以及向操作員顯示計算的控制參數。8.按權利要求1至7中任一項所述的方法，其中周期性地重複步驟(a)到(e)以實時提供所述控制參數。9.一種控制工廠(I)中煤粉供應的方法，包括:使用如權利要求1至8中任一項所述的方法提供控制參數；基於提供的參數自動控制多個磨煤機中每個磨煤機的操作。10.一種計算裝置，適合於執行如權利要求1至9中任一項所述的方法。11.一種工廠，包括:爐子(7)；多個磨煤機(5a,5b,5c)；以及如權利要求10所述的計算裝置(3)。12.一種電腦程式產品，當在計算裝置上運行時允許執行如權利要求1至9中任一項所述的方法。13.一種計算機可讀介質，其上存儲有如權利要求12所述的電腦程式產品。全文摘要提出了用於自動提供例如向電廠的爐子(7)供應煤粉的多個磨煤機(5a,5b,5c)的控制參數的基於計算機的方法和計算裝置(3)。該方法包括(a)通過測量指示磨煤機操作的實際參數獲取對於每一個磨煤機指示單獨磨煤機的載荷的多個操作變量；(b)從工廠獲取指示煤需求的需求變量；(c)將獲取的多個操作變量和需求變量供應給計算系統；(d)使用多變量計算算法，具體地說是模型預測算法，基於多個操作變量和需求變量計算控制參數；(e)提供計算的控制參數以便單獨控制每個磨煤機的操作；以及(f)重複步驟(a)-(e)。由於將多變量計算算法用於計算控制參數將多個實際操作變量和來自電廠組件的需求變量考慮進去了，所以煤研磨載荷可最優地分配給每個單獨磨煤機，由此實現工廠操作的高效率以及高速率斜升或斜降。文檔編號G05B17/02GK103097969SQ201180015455公開日2013年5月8日申請日期2011年3月3日優先權日2010年3月24日發明者M.默坎戈茨,T.馬圖爾,T.馮霍夫申請人:Abb研究有限公司