破碎机自适应除尘系统设计与仿真分析

陈 洪

(1.中煤科工集团唐山研究院有限公司；2.河北省煤炭洗选工程技术研究中心，河北 唐山 063012)

原煤的分级破碎是选煤工艺中必不可少的环节[1]，同时，原煤的破碎又是选煤厂粉尘污染的主要来源之一，因此对破碎机工作过程中的除尘降尘十分必要[2-4]。喷雾除尘方式在破碎机的除尘应用较多，常见安装方式是将破碎机的入料溜槽开小圆孔，把雾化喷头固定在圆孔上，喷嘴对破碎腔内部进行喷雾除尘，喷雾除尘具有结构简洁、经济实用等优势。然而，现场实际使用缺乏对喷雾除尘系统的针对性设计，通常存在由于除尘水压不稳定、水压不足影响雾化效果，除尘水以水滴形式从破碎机出料口流出，没有起到除尘的作用；除尘喷雾水量不可灵活自动调节，破碎腔内粉尘量上下起伏时，喷雾量不能与之合理匹配，存在除尘水浪费、下料口工作面积水或除尘能力不足的情况。针对这些问题，本文就基于模糊控制理论进行破碎机喷雾除尘系统的设计进行论述。

1 整体结构设计

本喷雾除尘系统主要组成部分包括控制单元、压缩机、单向阀、储存罐、压力传感器、电液比例阀、雾化喷头、粉尘浓度传感器以及线路管路等(图1)。

压缩机经单向阀对储存罐进行加压，储存罐内高压水经电液比例阀由雾化喷头喷出，对破碎腔内进行除尘。储存罐装有压力传感器对水压P进行实时监测，并将压力信号传送给控制单元，控制单元可通过外部人机界面设定写入标准压力值Pi和压力回差值δp，当P<(Pi-δp)时控制压缩器启动，当P>(Pi-δp)时控制压缩器停止。

除尘水压可稳定保持在标准压力值Pi左右，设定压力回差值δp可以防止压缩机频繁启动。

破碎腔内部安装粉尘浓度传感器，将粉尘浓度传送至控制单元，控制单元根据粉尘浓度控制电液比例阀的开度，喷出与粉尘量匹配的水雾进行除尘，形成了闭环控制系统。上述压力传感器和粉尘浓度传感器传送给控制单元的信号及控制单元控制电液比例阀的输出信号均采用4～20 ma标准模拟量信号形式。

2 模糊控制器设计

破碎机自适应除尘系统基于模糊控制进行设计。其本质是模拟人工的思维和决策，在破碎腔粉尘浓度较小或粉尘浓度下降时适当减小除尘喷雾量，在粉尘浓度较大或粉尘浓度增大时适当增加除尘喷雾量。将实际粉尘浓度与粉尘浓度常量的差值e及其变化率ec设为模糊控制的输入参考量，输出参考量u为电液比例阀开度的调整量。

2.1 模糊参数设定

以SSC70200破碎机为例进行设计，在入料满负荷250 t/h、入料末煤占比10%工况下，破碎腔内粉尘浓度可达到500 mg/m3，将与之对应的电液比例阀开度设定为50%，破碎腔体积约5.4 m3，需沿破碎腔边缘均布8个雾化喷头，目的是在粉尘浓度更大时，系统有增大喷雾量的余量。

标定破碎腔内粉尘浓度常量为500 mg/m3，随入料总量和入料末煤含量的波动，粉尘浓度也将随之变化，设定粉尘浓度范围为0～1 000 mg/m3，则e的物理论域Xe=[-500，500]，浓度变化率范围设定为ec=[-5，5]，电液比例阀的开度调节量u=[-0.5，0.5]，即阀的开度可在0～100%范围内调节，为了将输入量统一成相同数量级，将e的量化因子Ke定为0.01，则e=Ke·Xe=[-5，5]。

2.2 模糊规则设计

对输入和输出的模糊集合用5个语言值来描述：NB(负大)、NS(负小)、 ZO(零)、PS(正小)、PB(正大)。

e={ NB，NS，ZO，PS，PB }

ec={ NB，NS，ZO，PS，PB }

u={ NB，NS，ZO，PS，PB }

模糊规则用“IfeisAandecisBthenuisC”的语言形式来表示：

Ifeis PB andecis PB thenuis PB

Ifeis ZO andecis NS thenuis NS

……

Ifeis NB andecis NB thenuis NB

表1为全部模糊控制规则的详细对照情况，共25条。

表1 模糊控制规则

由表1可见，粉尘e浓度大、变化速率ec大时，电液比例阀开度增大，反之减小，呈现正相关的关系，模糊规则曲面如图2。

图2 模糊规则曲面

3 仿真分析

将上述模糊控制器集成模糊控制模块，并建立系统整体数学仿真模型(图3)，以一段振幅为500的正弦波形(图4)模拟粉尘量的变化情况，作为输入信号对控制系统进行仿真。

图3 系统仿真模型

图4 粉尘浓度输入模拟信号

系统仿真输出比例阀的开度调节量如图5所示。结合图4可见，在粉尘浓度为500 mg/m3时，比例阀开度调整量接近0，即保持基础开度50%进行除尘，粉尘浓度升高为1 000 mg/m3时，比例阀开度调整量达到最大，总开度接近100%，加大了喷雾量，粉尘浓度为0时，比例阀开度降为最低，接近关闭状态。

图5 比例阀开度调节量

4 结 语

针对破碎机喷雾除尘系统水压不稳定和喷雾水量不可灵活自动调节的问题，以SSC70200破碎机为例设计了基于模糊控制的自适应喷雾除尘系统。通过仿真分析，得到比例阀开度的调节曲线，曲线的变化趋势和幅度均与设计思路一致，达到了预期的效果。