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摘要：皮带机是现代散状物料运输系统的主要设备，我国发电厂的煤炭大都采用皮带输送的方式。在实际生产中，为了保证用户用电的可靠性，发电厂多采用皮带机24小时不间断恒速运行的工作模式，导致“大马拉小车”的现象时常发生，不仅造成能源的大量浪费，而且加速了设备的磨损，缩短了使用寿命。在电厂煤炭运输中，皮带输送能耗占整机全部能耗的30%-40%。随着电厂设备自动化程度的提高和国家节能降耗政策的实施，原来的皮带机运行模式已经不能满足现在的社会发展需要，对皮带运输系统进行优化改进，提高运输效率从而降低生产成本显得尤为必要。
关键词：皮带机;开环最优控制;模型预测控制;削峰填谷;节能
引言：文章围绕发电厂输煤皮带机系统能源效率较低的问题，提出了提高皮带机运行效率的优化控制方案。首先分析确立了皮带机功率的数学模型，然后利用基于有限元模型的动态参数分析法获得精确的优化参数，采用开环最优控制削峰填谷策略优化处理。最后根据系统中存在干扰产生控制误差的问题，引入模型预测控制算法（MPC）进行反饋校正和滚动优化。结果表明在分时电价下，模型预测控制策略节能显著，使生产成本大大降低，增加了发电厂的生产效益，具有良好的实际应用价值。
1.皮带机模型的建立
1.1功率数学模型
皮带机功率计算模型有多种，这些模型均来源于公认的准则，如ISO5048，DIN22015等。而这些模型在计算过程中需要详细的参数，并不适合运行效率的优化。
1.2粘弹性动力学模型
基于刚体运动力学的分析方法，皮带机可以被看作是一个刚体，皮带机上的任意一个受力点视作具有相同的速度和加速度。对皮带机受力分析：FFma′=?（5）式中，F为驱动力;F′为阻力;m为移动部分的等效质量;a为加速度。刚体并不能完全的描述皮带机的粘弹特性，因此，根据有限元的思想，将皮带机环形分割成n个小段，每个小段都用能反应输送带粘弹性特性的数学模型来代表。将连续系统的分布质量分段聚集在有限个点上，各点之间用无质量的弹性元件和粘性元件连接起来，连续系统便转化为离散系统。此时，离散系统可以看作连续系统的近似描述，如图1所示。
将皮带机出厂的初始设计数据输入仿真程序中，对连续皮带机满载启动进行仿真，得到按S型启动曲线启动的头中尾速度对比曲线，如图2所示。
由图2知，皮带机头部单元因靠近头部驱动装置而最先运动，中间滚筒单元在13s时开始运动，尾部单元由于静阻力的作用在22s时才开始运动。在25s时，中间驱动滚筒单元开始输出驱动力以驱动其后面的输送单元。32s时整条输送带被完全牵动，而之后带速出现了下降是由于出现了打滑现象，此外，在加速时间结束即125s时，出现了尾部单元速度高于头部单元速度的浪涌现象。仿真结果表明，皮带机在125s时达到稳定，速度极限为2.4m/s。最后，带速达到稳定的额定带速为2.23m/s。
2.皮带机输送系统
某火力发电厂的煤炭输送系统的基本过程如图3所示。
目前该火力发电厂有两台250MW机组，未来会增容两台600MW的机组，煤炭输送系统将针对这4个部分进行设计。火车将原煤运输到发电厂，翻车机摘取煤箱经C1、C2、C3输送至煤场。然后，斗轮机、电磁振动给煤机将煤经C4-C7输送至两个燃烧室的煤仓中。在实际中，每台皮带机均有它的备用皮带机，两台皮带机组成一对。而在传统的操作模式下，一对皮带机仅一条工作，另一条作为故障时的备用，因而选择一条皮带机进行研究是合理的。其中，在C5和C6之间有一个碎煤机，每一个燃烧室都有8台磨煤机，每一个磨煤机都有自己的煤仓。从系统分析的角度，可将16个煤仓作为一个整体考虑。16个煤仓的总容量记为TCB，该火力发电厂的煤仓总容量为5.0×103t。
3.优化控制策略研究
3.1目前的控制策略
该煤炭输送系统中，煤仓内安装有超声波探测器，一个顺序控制系统（SCS）通过超声波探测器计算出煤仓中煤的余量（RCB）。设置煤仓余量的上限（HL）和下限（LL），如果RCB小于LL，SCS使皮带机C4-C7加速给煤至煤仓;反之停止给煤。目前的控制策略没有考虑系统的约束条件[1]。
3.2开环最优控制策略
煤仓在煤炭输送和供给燃烧室的过程中起到缓冲的作用，给皮带机的运行调控带来了便利。根据峰谷分时电价（11），采用削峰填谷策略，以最小能源成本为目标函数，对皮带机运行速度进行优化控制。在电价低谷时期加速皮带机的运输，同时增加燃烧室煤的消耗量，使得煤仓煤炭储量降至最低，提前为高峰期腾空存储空间;在电价高峰期到来时减缓皮带机的运输，同时减少燃烧室的耗煤量，将皮带机运输的煤暂时存储在煤仓中，等到电价低谷时期再进行加快运输。
3.3MPC闭环优化
在电价低谷时期，两种优化控制优化调控，保证皮带机相对高的转速和运载量，煤仓存储量逐渐增加，为电价高峰期燃烧室燃烧发电提供充足的燃料;在电价正常时期，平衡发电需要和系统约束条件，选取运载量和带速的最优值平稳运行。而在电价高峰期，为减少发电成本，同时增加电厂发电效益，皮带机速度、运载量减到最小甚至为0，而燃烧室的耗煤量增加，煤仓的容量降低至下限，为下一个低谷时期清空存储空间[2]。
结论：
简而言之，针对皮带机的初始设计参数在操作条件变化与系统组件损失等情况下会发生偏移的问题，设计了基于有限元分析的皮带机模型动态参数仿真，获得优化参数，便于能源消耗的优化处理。根据采集获得的耗煤量数据，用灰色理论建立耗煤量的模型，预测24小时耗煤量。针对皮带机传统的恒速运行模式，引入最优控制，为弥补外来干扰，提出闭环MPC控制策略。对开环最优控制和闭环MPC控制分别仿真，结果表明两种控制方案使皮带机的运行效率均得到改善。闭环MPC控制能够有效抑制外界干扰，控制精度高，优化前后对比表明电能消耗减少了20.14%，电费成本降低了49.38%，优化效果更显著。
参考文献：
[1]刘继东，韩学山，韩伟吉.分时电价下用户响应行为的模型与算法[J].电网技术，2019，37（10）：2973-2978.
[2]杨华龙，刘金霞，郑斌.灰色预测GM（1，1）模型的改进及应用[J].数学的实践与认识，2018，41（23）：39-46.
关键词：皮带机;开环最优控制;模型预测控制;削峰填谷;节能
引言：文章围绕发电厂输煤皮带机系统能源效率较低的问题，提出了提高皮带机运行效率的优化控制方案。首先分析确立了皮带机功率的数学模型，然后利用基于有限元模型的动态参数分析法获得精确的优化参数，采用开环最优控制削峰填谷策略优化处理。最后根据系统中存在干扰产生控制误差的问题，引入模型预测控制算法（MPC）进行反饋校正和滚动优化。结果表明在分时电价下，模型预测控制策略节能显著，使生产成本大大降低，增加了发电厂的生产效益，具有良好的实际应用价值。
1.皮带机模型的建立
1.1功率数学模型
皮带机功率计算模型有多种，这些模型均来源于公认的准则，如ISO5048，DIN22015等。而这些模型在计算过程中需要详细的参数，并不适合运行效率的优化。
1.2粘弹性动力学模型
基于刚体运动力学的分析方法，皮带机可以被看作是一个刚体，皮带机上的任意一个受力点视作具有相同的速度和加速度。对皮带机受力分析：FFma′=?（5）式中，F为驱动力;F′为阻力;m为移动部分的等效质量;a为加速度。刚体并不能完全的描述皮带机的粘弹特性，因此，根据有限元的思想，将皮带机环形分割成n个小段，每个小段都用能反应输送带粘弹性特性的数学模型来代表。将连续系统的分布质量分段聚集在有限个点上，各点之间用无质量的弹性元件和粘性元件连接起来，连续系统便转化为离散系统。此时，离散系统可以看作连续系统的近似描述，如图1所示。
将皮带机出厂的初始设计数据输入仿真程序中，对连续皮带机满载启动进行仿真，得到按S型启动曲线启动的头中尾速度对比曲线，如图2所示。
由图2知，皮带机头部单元因靠近头部驱动装置而最先运动，中间滚筒单元在13s时开始运动，尾部单元由于静阻力的作用在22s时才开始运动。在25s时，中间驱动滚筒单元开始输出驱动力以驱动其后面的输送单元。32s时整条输送带被完全牵动，而之后带速出现了下降是由于出现了打滑现象，此外，在加速时间结束即125s时，出现了尾部单元速度高于头部单元速度的浪涌现象。仿真结果表明，皮带机在125s时达到稳定，速度极限为2.4m/s。最后，带速达到稳定的额定带速为2.23m/s。
2.皮带机输送系统
某火力发电厂的煤炭输送系统的基本过程如图3所示。
目前该火力发电厂有两台250MW机组，未来会增容两台600MW的机组，煤炭输送系统将针对这4个部分进行设计。火车将原煤运输到发电厂，翻车机摘取煤箱经C1、C2、C3输送至煤场。然后，斗轮机、电磁振动给煤机将煤经C4-C7输送至两个燃烧室的煤仓中。在实际中，每台皮带机均有它的备用皮带机，两台皮带机组成一对。而在传统的操作模式下，一对皮带机仅一条工作，另一条作为故障时的备用，因而选择一条皮带机进行研究是合理的。其中，在C5和C6之间有一个碎煤机，每一个燃烧室都有8台磨煤机，每一个磨煤机都有自己的煤仓。从系统分析的角度，可将16个煤仓作为一个整体考虑。16个煤仓的总容量记为TCB，该火力发电厂的煤仓总容量为5.0×103t。
3.优化控制策略研究
3.1目前的控制策略
该煤炭输送系统中，煤仓内安装有超声波探测器，一个顺序控制系统（SCS）通过超声波探测器计算出煤仓中煤的余量（RCB）。设置煤仓余量的上限（HL）和下限（LL），如果RCB小于LL，SCS使皮带机C4-C7加速给煤至煤仓;反之停止给煤。目前的控制策略没有考虑系统的约束条件[1]。
3.2开环最优控制策略
煤仓在煤炭输送和供给燃烧室的过程中起到缓冲的作用，给皮带机的运行调控带来了便利。根据峰谷分时电价（11），采用削峰填谷策略，以最小能源成本为目标函数，对皮带机运行速度进行优化控制。在电价低谷时期加速皮带机的运输，同时增加燃烧室煤的消耗量，使得煤仓煤炭储量降至最低，提前为高峰期腾空存储空间;在电价高峰期到来时减缓皮带机的运输，同时减少燃烧室的耗煤量，将皮带机运输的煤暂时存储在煤仓中，等到电价低谷时期再进行加快运输。
3.3MPC闭环优化
在电价低谷时期，两种优化控制优化调控，保证皮带机相对高的转速和运载量，煤仓存储量逐渐增加，为电价高峰期燃烧室燃烧发电提供充足的燃料;在电价正常时期，平衡发电需要和系统约束条件，选取运载量和带速的最优值平稳运行。而在电价高峰期，为减少发电成本，同时增加电厂发电效益，皮带机速度、运载量减到最小甚至为0，而燃烧室的耗煤量增加，煤仓的容量降低至下限，为下一个低谷时期清空存储空间[2]。
结论：
简而言之，针对皮带机的初始设计参数在操作条件变化与系统组件损失等情况下会发生偏移的问题，设计了基于有限元分析的皮带机模型动态参数仿真，获得优化参数，便于能源消耗的优化处理。根据采集获得的耗煤量数据，用灰色理论建立耗煤量的模型，预测24小时耗煤量。针对皮带机传统的恒速运行模式，引入最优控制，为弥补外来干扰，提出闭环MPC控制策略。对开环最优控制和闭环MPC控制分别仿真，结果表明两种控制方案使皮带机的运行效率均得到改善。闭环MPC控制能够有效抑制外界干扰，控制精度高，优化前后对比表明电能消耗减少了20.14%，电费成本降低了49.38%，优化效果更显著。
参考文献：
[1]刘继东，韩学山，韩伟吉.分时电价下用户响应行为的模型与算法[J].电网技术，2019，37（10）：2973-2978.
[2]杨华龙，刘金霞，郑斌.灰色预测GM（1，1）模型的改进及应用[J].数学的实践与认识，2018，41（23）：39-46.