基于神經(jīng)網(wǎng)絡的火電廠脫硫控制系統(tǒng)研究

呂棟騰，雷濤峰

(1.陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，陜西 西安 710300；2.大唐西安第二熱電廠，陜西 西安 710065)

0 引言

減少并控制SO2的排放與污染，提高環(huán)境與空氣質(zhì)量，是我國社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展和公民健康的基本保證[1]。對煤燃燒后的煙氣進行脫硫，可以有效地降低SO2的排放，減少酸雨形成，保證空氣質(zhì)量，為民眾的工作和生活創(chuàng)造良好的環(huán)境。煙氣脫硫的效率受許多因素影響，其中包括煙氣流量流速、SO2濃度、液氣比、漿液pH和煙氣溫度，同時也受脫硫系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響[2]。脫硫系統(tǒng)的穩(wěn)定性由脫硫工藝、檢測手段及自動控制模塊決定。石灰石-石膏濕法脫硫在我國也只有不到20年的歷史。脫硫工藝和控制技術(shù)還有很大的發(fā)展空間，其軟件、硬件和子系統(tǒng)需要優(yōu)化改進的地方也很多。

1 脫硫控制系統(tǒng)

某火電廠1#、2#機組(2×300 MW)煙氣采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝。通過增壓風機提高煙氣壓力，并將煙氣通入煙氣換熱器降溫，之后煙氣會被送入吸收塔進行脫硫。經(jīng)過脫硫后的煙氣變?yōu)閮魺煔?，將其送入煙氣換熱器升溫后再排入大氣。同時會對脫硫過程中產(chǎn)生的廢水進行處理，達到標準后進行循環(huán)使用。

脫硫裝置中的吸收塔使用較為經(jīng)典的逆流噴淋空塔技術(shù)，該項技術(shù)中包含有脈沖懸浮系統(tǒng)及吸收塔漿池分區(qū)技術(shù)2項工藝[3]。吸收塔中的吸收池分為上、下2部分，上部分為氧化區(qū)，為化學反應提供氧化劑；吸收池的下部分加入新的漿液吸收劑，并對漿液循環(huán)利用。濕式球磨機將石灰石研磨成漿液，研磨好的石灰石漿液通過泵輸入到吸收塔內(nèi)。石灰石與二氧化硫反應后形成的石膏可通過泵從吸收塔輸出，經(jīng)過旋流站和真空皮帶脫水機二級脫水后，使用濾餅將石膏中的氯化物等雜物去除。

2 脫硫控制系統(tǒng)的組成

本次設(shè)計的煙氣脫硫控制系統(tǒng)主要組成有3部分：電氣系統(tǒng)、熱工系統(tǒng)和煙氣排放監(jiān)測系統(tǒng)。整個系統(tǒng)采用分布式控制，在現(xiàn)場配置工業(yè)要求的就地控制表盤及附屬設(shè)備，通過以太網(wǎng)連接，將數(shù)據(jù)輸送到操作員間和工程師間，以便集中管理[4]。

2.1 電氣系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)主要由4部分組成，分別為供電系統(tǒng)、直流電源系統(tǒng)、交流電源系統(tǒng)和停電備用電源系統(tǒng)。為了確保脫硫裝置的安全停運，當主供電系統(tǒng)停電時，設(shè)備中的輔助系統(tǒng)需要持續(xù)供電，以確保系統(tǒng)不受損傷。除此之外，電氣的UPS電源和DCS系統(tǒng)也要求備有保安電源。通常會在系統(tǒng)備有獨立的保安段電源，如裝備200 MW的柴油發(fā)電機組，以確保系統(tǒng)安全[5]。爐后與主廠房直流系統(tǒng)的較遠地方會配備有脫硫島，一般會給2爐的脫硫島配備1套直流系統(tǒng)，給脫硫島內(nèi)的供電系統(tǒng)供給電源。脫硫系統(tǒng)中的直流系統(tǒng)均使用單母線連接及220 V電壓。

2.2 熱工控制系統(tǒng)

脫硫系統(tǒng)的熱工控制系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)、模擬量控制系統(tǒng)、順序控制系統(tǒng)和保護報警等部分。數(shù)據(jù)采集和處理主要是實時采集現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)并處理返回，以便操作人員實時監(jiān)測系統(tǒng)運行狀態(tài)，及時發(fā)現(xiàn)故障，保證系統(tǒng)正常運行。模擬量控制系統(tǒng)由增加風機、漿液pH值等一系列閉環(huán)控制回路組成，保證各分系統(tǒng)按照工藝要求穩(wěn)定運行。順序控制包括子組控制、聯(lián)鎖保護及設(shè)備自動切換，分為4個功能組，分別為吸收塔、石膏脫水系統(tǒng)、石灰石制備系統(tǒng)和廢水處理系統(tǒng)。當系統(tǒng)中某些部分運行異常，系統(tǒng)進行聯(lián)鎖保護，保證系統(tǒng)不會因故障而受損[6]。

2.3 煙氣排放監(jiān)測系統(tǒng)

煙氣排放監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測煙氣中二氧化硫的濃度、煙氣的濕度和溫度、煙氣壓力等，為計算二氧化硫濃度和閉環(huán)控制提供了重要數(shù)據(jù)。煙氣監(jiān)測系統(tǒng)由煙氣污染物監(jiān)測子系統(tǒng)、煙塵監(jiān)測子系統(tǒng)、煙氣排放參數(shù)監(jiān)測子系統(tǒng)、系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)組成[7]。

3 脫硫系統(tǒng)模擬量控制

本次設(shè)計的脫硫控制系統(tǒng)模擬量控制主要包括增壓風機模擬量控制、石灰石漿液濃度控制和吸收塔漿液pH值控制。對于增加風機補償進入脫硫系統(tǒng)前的煙氣壓力損失，采用復合控制方式進行控制。將鍋爐負荷作為前饋控制信號，反饋信號為增加風機入口煙氣壓力值時通過比較器得到的差值信號。加上前饋信號得到控制量，來控制風機的葉片調(diào)節(jié)機構(gòu)，保證增加風機入口壓力值維持在設(shè)定值。石灰石制漿過程中，濕式球磨機的進水量是固定的，通過控制石灰石的給料量來控制石灰石漿液濃度。

吸收塔內(nèi)漿液pH值是由石灰石漿液的流量控制調(diào)節(jié)的，合適的pH值可以達到最高的石灰石利用率、實現(xiàn)最高的二氧化硫脫硫率和提高脫硫系統(tǒng)適應鍋爐負荷變化的能力。吸收塔中石灰石漿液輸入量增大，pH值減小，脫硫率降低，而減小石灰石漿液輸入量后，pH值增大，脫硫率提高。同時，脫硫裝置中的煙氣量和二氧化硫濃度也會影響pH值的變化。當石灰石漿液的供給量不變，煙氣量的增加會減小pH值，反之會增大pH值；二氧化硫濃度主要緣于煤含硫量的不同，但煤質(zhì)變化幅度不大，故二氧化硫濃度變化不會太大。根據(jù)漿液pH值的影響因素，選定漿液pH值為反饋值，石灰石漿液流量為被控對象，鍋爐負荷變化、煙氣量和二氧化硫濃度為前饋控制量。儀器檢測的漿液pH值與給定值比較得到差值信號，疊加上前饋信號后形成復合控制量控制石灰石漿液流量，達到實測漿液pH值滿足給定值的要求。

3.1 吸收塔中漿液pH值的控制改進

由于漿液中pH值的變化要經(jīng)過化學反應，以其作為反饋值會有一定的遲滯性，通過引入石灰石漿液流量構(gòu)成內(nèi)部回路可以提高調(diào)節(jié)速度。改進后的控制回路如圖1所示， 二級回路引入石灰石漿液流量可以預防pH值的過調(diào)。在該控制系統(tǒng)中，二級控制器的輸出疊加到一級控制器中，可以有效地縮短調(diào)節(jié)時間，提高控制質(zhì)量。

圖1 漿液pH值串級控制結(jié)構(gòu)

3.2 基于神經(jīng)網(wǎng)絡自適應的吸收塔漿液pH值控制

為提高吸收塔漿液pH值控制系統(tǒng)的自適應能力，推導了小腦神經(jīng)網(wǎng)絡自適應控制器，考慮到高階微分對噪聲的敏感性，控制器中只保留比例、積分和微分項，該魯棒控制器兼有PID控制性能。本設(shè)計提出了基于小腦神經(jīng)網(wǎng)絡的魯棒自適應控制方法，使PID控制的缺陷得到有效解決。

3.2.1 CMAC神經(jīng)網(wǎng)絡

CMAC(小腦神經(jīng)網(wǎng)絡)可以用來表示復雜非線性函數(shù)，同時它具有表格查詢功能，該表格可根據(jù)學習算法來更改內(nèi)容，并可進行分類儲存信息[8]。在CMAC網(wǎng)絡中，將每個狀態(tài)變量進行量化，同時將狀態(tài)空間進行離散化。輸入量被量化并離散化后，會有相應的地址配合，從而激活聯(lián)想強度，以此來恢復輸入的狀態(tài)量。

3.2.2 魯棒自適應PID控制器設(shè)計

考慮如下非線性不確定系統(tǒng)：

bu+f(y,…,y(n-1)+d(t)+Δ

(1)

f(y,…,y(n-1))為未知光滑非線性函數(shù)；d(t)為未知外部干擾；ai(i=0,1,…,n-1)已知；Δ為系統(tǒng)發(fā)生狀態(tài)改變時所產(chǎn)生的不確定性?？刂颇繕藶樵谙到y(tǒng)存在未知非線性、不確定性以及外部干擾的條件下，使得系統(tǒng)漸近跟蹤期望輸出yd，期望輸出yd及其各階導數(shù)光滑有界。

定義跟蹤誤差e=yd-y，由式(1)可得

(2)

(3)

(4)

由式(3)構(gòu)成的不確定非線性系統(tǒng)的標稱系統(tǒng)為

(5)

在分析該標稱系統(tǒng)的時候，本設(shè)計采用極點配置理論、特征結(jié)構(gòu)配置理論、最優(yōu)控制理論等方法設(shè)計反饋控制器，有效提升了標稱系統(tǒng)的控制性能。同時，為了避免系統(tǒng)的非線性和不確定項對傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)的干擾，以及提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，本設(shè)計使用了基于魯棒性的自適應控制器。

(6)

結(jié)合系統(tǒng)(4)，魯棒自適應控制器設(shè)計為

(7)

圖2 魯棒自適應控制結(jié)構(gòu)

針對非線性不確定系統(tǒng)(1)，采用魯棒自適應控制器(7)，并選取魯棒參數(shù)η>|ε|時，可確保pH值閉環(huán)控制系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，期望輸出軌跡的跟蹤誤差和神經(jīng)網(wǎng)絡權(quán)值誤差收斂趨于0。上述提出的魯棒自適應控制器中，標稱系統(tǒng)反饋控制增益K為n+1維，即系統(tǒng)為全狀態(tài)反饋。此時，當系統(tǒng)階數(shù)較高時，需要對期望輸出軌跡yd及實際輸出y之間的誤差求n-1階導數(shù)，而測量實際輸出必然存在噪聲，此噪聲在高階求導運算中易被放大，對系統(tǒng)的控制產(chǎn)生不利影響。對上述魯棒自適應控制器做適當優(yōu)化，可以得到魯棒自適應PID控制器，調(diào)整誤差的PID項，降低控制系統(tǒng)的噪聲影響。

3.2.3 系統(tǒng)仿真

為了與模糊自適應控制器和傳統(tǒng)PID控制器進行對比，并驗證本設(shè)計提出的魯棒自適應控制器的性能，進行系統(tǒng)仿真[9]。結(jié)合系統(tǒng)實際運行情況，被控模擬量(吸收塔漿液pH值)可由一階滯后慣性環(huán)節(jié)近似表示，即

(8)

通過仿真，不斷調(diào)整比例、微分、積分的系數(shù)，最終得到理想的控制參數(shù)為KP=0.099,KI=0.01,KD=0.000 5。

使用MATLAB/Simulink系統(tǒng)仿真工具，設(shè)置仿真步長為0.001 1 s，仿真算法采用Runge-Kutta methods(龍格-庫塔法)算法進行推導[10]。

a.階躍響應。脫硫效果最理想的吸收塔漿液pH值在5.2～5.3之間。階躍最終穩(wěn)定在5.0，仿真結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，本設(shè)計提出的魯棒自適應控制器有更好的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間，優(yōu)于常規(guī)和模糊自適應控制。

圖3 控制器階躍響應對比

b.抗擾性能。為防止脫硫系統(tǒng)在運行時產(chǎn)生振蕩，降低外界干擾，系統(tǒng)需要具備較強的抗干擾能力。本設(shè)計中在t=40 s時，對比常規(guī)、模糊自適應和魯棒自適應控制器的抗干擾能力，仿真結(jié)果如圖4所示。魯棒自適應控制器趨于穩(wěn)定耗時最短，各項指標明顯優(yōu)于其他2種控制器。

圖4 控制器抗干擾能力對比

4 結(jié)束語

自動控制模型的研究和子系統(tǒng)的優(yōu)化，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和脫硫劑的使用效率，有效促進企業(yè)的安全生產(chǎn)，減少企業(yè)的生產(chǎn)成本，具有重要的經(jīng)濟意義和社會意義。石灰石-石膏法工藝成熟，適合各種煤型，成本低廉，系統(tǒng)運行可靠性高。吸收塔中漿液的pH值直接決定著脫硫效率，針對漿液pH值控制過程中的遲滯性、非線性特性，設(shè)計了基于小腦神經(jīng)網(wǎng)絡的PID控制器。通過仿真分析可知，該控制器能夠有效地提高漿液pH值控制的準確性與穩(wěn)定性。