提高除塵效率的最佳溫度控制系統(tǒng)的研究＊

譚寶成，陳 楠

（西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，西安710021）

電除塵器內(nèi)溫度變化對(duì)除塵器的運(yùn)行狀態(tài)的影響是很敏感的，對(duì)電除塵器煙氣溫度進(jìn)行檢測(cè)與控制，對(duì)提高電除塵器的除塵效率有很大的影響．1922年美國(guó)的Minorsky在對(duì)船舶自動(dòng)導(dǎo)航的研究中，提出了基于輸出反饋的比例積分微分控制器的設(shè)計(jì)方法，標(biāo)志了PID控制的誕生．目前高壓靜電除塵器的溫控系統(tǒng)仍采用普通PID控制器，但普通PID串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)滯后較大的溫度控制往往不能滿足高精度、高速度的控制要求；相比之下，變速積分PID算法可以很好地抑制PID的超調(diào)，避免溫度大幅度擺動(dòng)，快速穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)恒溫控制，算法簡(jiǎn)單容易操作，并且誤差較?。?］．而溫度對(duì)電除塵器的影響主要表現(xiàn)在對(duì)粉塵比電阻的影響，從而進(jìn)一步影響粉塵荷電效率．因此有必要進(jìn)一步研究粉塵比電阻受溫度影響的變化規(guī)律，通過(guò)最佳粉塵比得到最適合除塵器工作的溫度范圍．

1 溫度對(duì)除塵效率的影響

1．1 溫度對(duì)粉塵比電阻的影響

最適合電除塵器工作的比電阻值為1×104～5×1010Ω·cm．粉塵比電阻在104Ω·cm以下時(shí)除塵效率隨著比電阻的降低而大幅度降低；比電阻高于5×1010Ω·cm時(shí)，除塵效率隨著比電阻的增高而下降．也就是說(shuō)在1．04×102～5×1010Ω·cm內(nèi)粉塵比電阻值越接近5×1010Ω·cm除塵效率越高［2］．粉塵比電阻的峰值根據(jù)煤灰特性出現(xiàn)在140℃～150℃之間，在150℃以上時(shí)，飛灰的比電阻與溫度成反比，與煙氣成份無(wú)關(guān)；而在低于140℃時(shí)，飛灰比電阻與溫度成正比，并與煙氣的濕度和其他成分有關(guān)．圖1為粉塵比電阻與溫度的關(guān)系，是比較典型的燃煤鍋爐粉塵比電阻隨溫度變化的曲線．

圖1 粉塵比電阻與煙氣溫度的關(guān)系Fig．1 The relationship of the dust resistivity and the gas temperature

由圖1可以看出，粉塵比電阻最高對(duì)應(yīng)的溫度與鍋爐設(shè)計(jì)的排煙溫度比較接近（正常情況下排煙溫度為130℃～150℃），而電除塵器最佳運(yùn)行溫度是140℃～150℃，在超出這個(gè)范圍時(shí)，粉塵比電阻受溫度影響較為明顯，不利于收塵工作進(jìn)行．煙氣溫度對(duì)電除塵器性能的影響還表現(xiàn)在溫度對(duì)氣體粘滯性的影響．氣體的粘滯性是隨著溫度的上升而增加的．氣體的溫度愈高，煙氣的粘滯性愈大，則驅(qū)進(jìn)速度愈低．從溫度影響電除塵器性能來(lái)看，煙氣溫度高于露點(diǎn)溫度后，運(yùn)行溫度較低為好［3］．

1．2 溫度場(chǎng)對(duì)除塵效率的影響

通過(guò)對(duì)靜電室內(nèi)溫度的采集，采用多項(xiàng)式回歸分析法整理出加熱器周?chē)鸁煔獾臏囟确植挤匠?/p>

式中：t為煙氣溫度；r為以熱源中心為原點(diǎn)的半徑．

加熱器周?chē)臏囟确植既鐖D2所示．在加熱器周?chē)嬖谥黠@的溫度場(chǎng)，加熱器表面的溫度與空間煙氣的溫度差接近25℃，由粉塵的熱飄移理論可知［4］，粉塵具有自動(dòng)向溫度降低方向移動(dòng)的特性，溫度梯度的存在有利于粉塵向收塵極板沉降，從而提高除塵效率．

圖2 加熱器周?chē)臏囟确植紙DFig．2 The temperature distribution around the heater

2 系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)的被控對(duì)象為頂部吊掛電加熱器，以PLC-S7-200為核心，利用大功率可控硅控制器控制熱阻絲兩端所加的電壓大小，來(lái)改變流經(jīng)熱阻絲的電流，從而改變除塵器靜電室內(nèi)的溫度；測(cè)溫元件則采用WZP-230Pt100鉑熱電阻，鉑熱電阻信號(hào)送至對(duì)應(yīng)室電加熱控制柜的PLC低壓控制器實(shí)現(xiàn)進(jìn)出口煙氣溫度顯示．

溫度控制模型如圖3所示，采用溫度傳感器將檢測(cè)到的實(shí)際電室溫度進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，再送入計(jì)算機(jī)中與設(shè)定值進(jìn)行比較，得出偏差．對(duì)此偏差按變速積分PID算法進(jìn)行調(diào)整，得出對(duì)應(yīng)的控制量來(lái)控制驅(qū)動(dòng)電路，調(diào)節(jié)電加熱器的功率，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電室溫度的智能控制．

圖3 溫度控制模型Fig．3 The model of temperature control

在溫度控制系統(tǒng)中，一般認(rèn)為溫度被控對(duì)象G（S）為純滯后的一階慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)為

式中：K為對(duì)象增益；T為對(duì)象的時(shí)間常數(shù)；τ為對(duì)象的純滯后時(shí)間．為獲取傳遞函數(shù)的具體數(shù)值，文中給執(zhí)行機(jī)構(gòu)75%的脈沖，使用鉑熱電阻測(cè)量爐內(nèi)的溫度，每隔30s采集一次，最終通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)采集，其測(cè)量結(jié)果如圖4所示．

圖4 溫度測(cè)量圖Fig．4 The figure of measuring temperature

由于有測(cè)量誤差等因素，得到的系統(tǒng)響應(yīng)曲線不是平滑的，通常對(duì)于一階加純滯后系統(tǒng)，其階躍響應(yīng)為

根據(jù)文獻(xiàn)［5］的算法，利用測(cè)量數(shù)據(jù)，在（3）式的基礎(chǔ)上可以求出K，T，τ的參數(shù)區(qū)間（［Kd，Ku］，［Td，Tu］，［τd，τu］），其中求得Kd＝196．987，Ku＝208．348，Td＝67．53，Tu＝72．347，τd＝52．76，τu＝59．34．最終取K＝ （Kd＋Ku）／2，T＝ （Td＋Tu）／2，τ＝ （τd＋τu）／2，則其最終的傳遞函數(shù)為

3 變速積分PID算法

在傳統(tǒng)的PID算法中，因積分系數(shù)ki為常數(shù)，所以在整個(gè)調(diào)節(jié)過(guò)程中，積分增量不變．但系統(tǒng)對(duì)積分項(xiàng)的要求是：偏差大時(shí)，積分作用減弱甚至全無(wú)，否則，會(huì)產(chǎn)生超調(diào)，甚至出現(xiàn)積分飽和；反之，在偏差小時(shí)應(yīng)加強(qiáng)，否則不能滿足準(zhǔn)確性的要求．因此，針對(duì)如何根據(jù)系統(tǒng)偏差大小而改變積分的速度，提高系統(tǒng)品質(zhì)，變速積分PID算法［6］可以很好地抑制PID的超調(diào)，解決這個(gè)問(wèn)題．

變速積分PID的基本思路為：設(shè)法改變積分項(xiàng)的累加速度，使其與偏差大小相對(duì)應(yīng)：偏差越大時(shí)，積分累積速度越慢，積分作用越弱；偏差越小時(shí)，積分累積速度越快，積分作用越強(qiáng)．為此，設(shè)置系數(shù)，他是偏差的函數(shù)，當(dāng)｜en｜增大時(shí)，f（en）減?。环粗畡t增大．每次采樣后，用f（en）乘en，再進(jìn)行累加，其積分項(xiàng)表達(dá)式為

其中：U1n為變速積分的輸出值．

系數(shù)f（en）與偏差當(dāng)前值｜en｜的關(guān)系可以示線性的或非線性的，表示為

將式（7）寫(xiě)成增量式表達(dá)式為

式中：en，en-1，en-2為第n次偏差值；Kp為比例系數(shù)；Ti為積分系數(shù)；Td為微分系數(shù)；T為采樣周期．

4 系統(tǒng)仿真與實(shí)際測(cè)試結(jié)果

圖5 階躍響應(yīng)曲線比較Fig．5 Comparison between the step response curves

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試，將測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比見(jiàn)表1，考慮到實(shí)際操作中的熱能損失，對(duì)比結(jié)果完全在合理誤差范圍內(nèi)，實(shí)際控制精度保持在±0．5℃范圍內(nèi)，達(dá)到預(yù)期效果．

表1 實(shí)際測(cè)量與仿真結(jié)果對(duì)比Tab．1 Comparison between the actual measurements and the simulation results

5 結(jié) 論

系統(tǒng)通過(guò)變速積分PID算法實(shí)現(xiàn)了溫度在140℃～150℃范圍內(nèi)的優(yōu)化控制，實(shí)驗(yàn)證明變速積分PID算法在S7-200溫度控制系統(tǒng)中操作方便，對(duì)于時(shí)間常數(shù)較大的溫度控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)較好，能使系統(tǒng)快速趨于穩(wěn)定，有效的減少超調(diào)量，從而保證高壓靜電除塵器的靜電室內(nèi)溫度穩(wěn)定，大大提高除塵效率．

［1］ 張立，伊翠香，封帥．變速積分PID算法在溫度控制中的應(yīng)用［J］．工程與試驗(yàn)，2011，12（1）：53．ZHANG Li，YI Cui-xiang，F(xiàn)ENG Shuai．Application of Variable-Speed Integral PID Algorithm to Testing Machine Temperature Control［J］．Engineering ＆Test，2011，12（1）：53．（in Chinese）

［2］ 何立波，王顯龍，賈明生．影響靜電除塵器效率的控制因素［J］．中國(guó)電力，2004，37（1）：74．HE Li-bo，WANG Xian-long，JIA Ming-sheng．Control Factors of Influence on Electrostatic Precipitator Efficiency［J］．Electric Power，2004，37（1）：74．（in Chinese）

［3］ 李亞林，王玉川．排煙溫度與靜電除塵器除塵效率的關(guān)系［J］．現(xiàn)代營(yíng)銷(xiāo)：學(xué)苑版，2011（2）：101．LI Ya-lin，WANG Yu-chuan．The Relationship Between Exhaust Temperature and Classic Precipitation Efficiency［J］．Marketing Management Garden，2011（2）：101．（in Chinese）

［4］ 端木琳，馮國(guó)會(huì)，敖永安，等．靜電熱管除塵換熱空間的溫度分布特性［J］．沈陽(yáng)建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2001，17（4）：291．DUAN Mu-lin，F(xiàn)ENG Guo-hui，AO Yong-an，et al．Temperature Distribution of Dust Removal and Heat Exchange in Electrostatic and Heat Tube field［J］．Journal of Shenyang Arch and Civ Univ：Natural Science，2001，17（4）：291．（in Chinese）

［5］ 李超，黃德先，金以慧．利用階躍響應(yīng)求解一階加純滯后系統(tǒng)參數(shù)區(qū)間的魯棒辨識(shí)算法［J］．化工自動(dòng)化及儀表，2003，30（5）：25．LI Chao，HUANG De-xian，JIN Yi-hui．Robust Parameter Identification of First-Order Plus Dead-Time Model from Step Response［J］．Control and Instruments in Chemical Industry，2003，30（5）：25．（in Chinese）

［6］ 譚寶成，黨莉．變速積分增量式PID在氣力除灰控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，30（5）：480．TAN Bao-cheng，DANG Li．The Application of Variable Integral Incremental PID in the Pneumatic Ash Control System［J］．Journal of Xi’an Technological University，2010，30（5）：480．（in Chinese）