雙塔雙循環(huán)燃煤電站脫硫系統(tǒng)效率模糊控制

范昊鵬，夏鳳毅，包軍宇，楊佳晨

(1. 中國(guó)計(jì)量大學(xué)質(zhì)量與安全工程學(xué)院，浙江 杭州 310016；2. 中國(guó)計(jì)量大學(xué)環(huán)境科學(xué)研究所，浙江 杭州 310016)

1 引言

雙循環(huán)硫化床燃燒技術(shù)適應(yīng)性強(qiáng)、具有靈活的調(diào)節(jié)能力與灰渣綜合利用能力。由于我國(guó)煤炭種類(lèi)較多，煤矸石產(chǎn)量龐大，利用該技術(shù)不僅可以解決煤矸石堆放造成環(huán)境污染現(xiàn)象，還能對(duì)煤矸石合理利用，因此具有很大應(yīng)用前景?，F(xiàn)階段，工業(yè)飛速發(fā)展，煤燃燒量持續(xù)增加，雙循環(huán)硫化床的正常運(yùn)行效率已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)前的脫硫要求，燃煤電站脫硫系統(tǒng)運(yùn)行的效率，決定二氧化硫的排放量以及燃煤電站對(duì)環(huán)境造成污染的程度。因此有效控制二氧化硫排放量，提高脫硫效率，確保雙塔雙循環(huán)燃煤電站脫硫系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，已經(jīng)成為燃煤電站急需解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

為解決該問(wèn)題，已有相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜业玫搅艘恍┹^好研究成果。文獻(xiàn)[1]利用廣義預(yù)測(cè)控制器取代傳統(tǒng)PID控制器，利用算法簡(jiǎn)化和函數(shù)擬合方式研究出一種組態(tài)化控制方法；在該算法基礎(chǔ)上設(shè)置集散控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)脫硫效率的控制，但組態(tài)化控制存在應(yīng)用局限性大、復(fù)雜性高問(wèn)題。文獻(xiàn)[2]結(jié)合脫硫過(guò)程特點(diǎn)，提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的熱電廠脫硫系統(tǒng)建模和控制方法。由于pH值對(duì)脫硫效率會(huì)產(chǎn)生較大影響，因此研究構(gòu)建脫硫效率模型與漿液pH值控制模型；在脫硫過(guò)程中，將T-S神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型引入到軟測(cè)量模型構(gòu)建中，從而建立脫硫效率模型；將模糊理論與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合以達(dá)到最佳控制效果。但是該方法僅停留在理論分析階段，實(shí)際應(yīng)用效果還無(wú)法得以驗(yàn)證。

為解決以上傳統(tǒng)方法存在的問(wèn)題，利用模糊方法控制[3]雙塔雙循環(huán)燃煤電站脫硫系統(tǒng)效率。模糊控制屬于智能控制理論，具有不依賴顯示模式、適應(yīng)性強(qiáng)、魯棒性好、算法簡(jiǎn)單以及參數(shù)控制方便等一些優(yōu)勢(shì)。通過(guò)脫硫效率影響因素的分析，利用模糊理論研究控制器基本組成結(jié)構(gòu)，選擇加權(quán)因子，確定控制參數(shù)并生成模糊控制表，達(dá)到脫硫效率精準(zhǔn)控制目的。

2 脫硫效率影響因素分析

燃煤電站脫硫系統(tǒng)效率與煙氣參數(shù)、系統(tǒng)運(yùn)行方式等因素存在直接關(guān)聯(lián)[4]，其中很多因素屬于共同作用的，如表1所示。在實(shí)際脫硫過(guò)程中，因?yàn)槊悍N類(lèi)不同，脫硫率相對(duì)不穩(wěn)定，在原煙氣二氧化硫含量升高時(shí)，脫硫效率下降。此時(shí)，若有效控制系統(tǒng)運(yùn)行方式，則可以得到較高脫硫率。

表1 脫硫參數(shù)和脫硫性能關(guān)系表

表1中，“↑”代表增加，“↓”代表下降，“↑↑”為明顯增加，“-”則表示影響不明顯。

1)液氣比

液氣比為與吸收塔煙氣量對(duì)應(yīng)的漿液噴淋量，該因素會(huì)影響脫硫設(shè)備穩(wěn)定性與脫硫費(fèi)用，決定了酸性氣體在吸收作用時(shí)所需吸收表面大小。當(dāng)其它參數(shù)固定時(shí)，增大液氣比等同于增大吸收塔中的噴淋密度[5]，擴(kuò)大液氣接觸面積，進(jìn)而提高脫硫效率?，F(xiàn)階段噴淋塔中持液量較小，在確保高脫硫率前提下，需要形成足夠大的液氣比，因此確定液氣比最優(yōu)范圍為13～16。

2)鈣硫比

是指注入的吸收劑量和二氧化硫量的摩爾比，是單位時(shí)間內(nèi)吸收劑供給量指標(biāo)，一般將漿液中吸收劑的濃度當(dāng)做衡量標(biāo)準(zhǔn)。在確保漿液總量不發(fā)生改變狀況下，鈣硫比擴(kuò)大，表明吸收塔中吸收劑量的提高，因此使pH值上升，提高中和反應(yīng)效率，從而改善脫硫效率。但是若吸收劑溶解度較低，在增加供給量時(shí)會(huì)提高漿液濃度，此時(shí)會(huì)導(dǎo)致過(guò)度飽和與凝聚現(xiàn)象，減少反應(yīng)表面積，影響最后脫硫效果。經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)踐證明，吸收塔漿液濃度通常選擇在20%～30%范圍內(nèi)[6]，鈣硫比在1.02～1.05之間。

3)煙氣和脫硫劑接觸時(shí)間

煙氣進(jìn)入到吸收塔之后，從下至上流動(dòng)和石灰石漿液接觸發(fā)生反應(yīng)，接觸時(shí)間決定反應(yīng)程度。任意一層噴淋盤(pán)均對(duì)應(yīng)一個(gè)循環(huán)泵，其排列序號(hào)分別為A、B、C、D。其中，B號(hào)循環(huán)泵對(duì)應(yīng)的位置最高，因此和煙氣接觸時(shí)間最長(zhǎng)。

4)漿液停留時(shí)間

漿液在池中存留時(shí)間越長(zhǎng)，石灰石顆粒與二氧化硫反應(yīng)越完全，并且能生成亞硫酸鈣。該物質(zhì)與其它物質(zhì)相結(jié)合會(huì)形成粒度均勻且純度高的脫硫石膏。

5)泵液循環(huán)量

石灰石漿液噴淋與煙氣接觸后，二氧化硫等氣體和石灰石不能完全反應(yīng)，設(shè)置三臺(tái)循環(huán)泵工況明顯好于兩臺(tái)。因?yàn)樘岣邼{液循環(huán)量，也就增強(qiáng)了三氧化鈣與二氧化硫接觸的機(jī)會(huì)，延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間。

6)吸收塔漿液pH值

漿液池中pH值是脫硫的關(guān)鍵參數(shù)之一，pH值影響二氧化硫吸收過(guò)程，pH值越高，傳遞系數(shù)同時(shí)增加，二氧化硫的吸收速度就會(huì)提高。但是會(huì)導(dǎo)致設(shè)備結(jié)垢嚴(yán)重；pH值降低，吸收速度減慢，在pH值為4時(shí)，二氧化硫基本不被吸收。所以恰當(dāng)?shù)膒H是保證脫硫設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵因素。通常情況下漿液的pH值范圍是5.2～5.6之間。

7)氧量

氧氣參與脫硫的化學(xué)過(guò)程，隨著氧氣含量增加，脫硫效率也會(huì)提升，因此，盡量多的投運(yùn)氧化風(fēng)機(jī)能夠改善脫硫效率。

8)吸收劑原料

石灰石作為脫硫吸收劑的主要原料，要求其三氧化鈣含量越高越好，可以提高吸收劑利用率，去除雜質(zhì)。石灰石是需要磨制為漿液注入到吸收塔的。通常來(lái)說(shuō)石灰石顆粒粒度越小，與漿液的基礎(chǔ)面積就會(huì)越大，因此反應(yīng)更加充分。一般要求吸收劑純度在90%之上，粒度大多控制在300～400目。

3 燃煤電站脫硫系統(tǒng)效率模糊控制

3.1 模糊數(shù)學(xué)理論

假設(shè)論域X上存在一個(gè)模糊集合A，它代表針對(duì)全部x∈X均能夠確定一個(gè)數(shù)值μA(X)，其滿足0≤μA(X)≤1的條件，它代表X對(duì)A的隸屬度。映像μA：X→[0，1]稱作隸屬度。

(1)

假設(shè)模糊集合A定義在離散型元素X1，X2…，Xi上，此時(shí)其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

A=μ1/x1+μ2/x2+…+μi/xi+…

(2)

也可以表示為

A={(x1，μ1)，(x2，μ2)，…，(xi，μi)，…}

(3)

若模糊集合A定域在連續(xù)實(shí)數(shù)，此時(shí)，所有元素的隸屬度構(gòu)成隸屬函數(shù)，數(shù)學(xué)表達(dá)式如下

(4)

需要考慮的是，上述公式中符號(hào)并不屬于數(shù)學(xué)意義上的符號(hào)[7]，而屬于模糊集合的表達(dá)形式。

3.2 模糊控制器基本結(jié)構(gòu)與控制原理

模糊控制系統(tǒng)和傳統(tǒng)反饋數(shù)字控制系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)較為相似，如圖1所示。

圖1 模糊控制基本結(jié)構(gòu)

模糊思想屬于控制理論中最基本思想，針對(duì)控制模式的研究，控制精準(zhǔn)度是最根本目的，也是判斷控制效果的主要指標(biāo)。

模糊控制器主要由四部分組成分別為：模糊化接口、知識(shí)庫(kù)、模糊推理機(jī)以及解模糊接口。

控制器控制原理為輸入量經(jīng)過(guò)模糊化接口變?yōu)槟：?，再結(jié)合模糊控制原則通過(guò)一系列模糊推理之后，獲得控制量的模糊取值，最后由清晰化接口進(jìn)行轉(zhuǎn)化，達(dá)到精準(zhǔn)控制作用。原理如圖2所示：

圖2 模糊控制器原理圖

若將模糊控制器和PI控制器以并聯(lián)方式接入到控制系統(tǒng)中時(shí)，在閾值|E|≥1時(shí)，模糊控制器會(huì)關(guān)閉，兩個(gè)控制器共同輸出當(dāng)做被控目標(biāo)的輸入；在|E|=0時(shí)，模糊控制器輸出斷開(kāi)，這時(shí)只有PI控制器控制目標(biāo)。

圖3 模糊控制器與PI控制器并聯(lián)示意圖

3.3 模糊控制實(shí)現(xiàn)

煤電站脫硫系統(tǒng)效率變化過(guò)程復(fù)雜多變，現(xiàn)有控制方法難以實(shí)現(xiàn)高效控制。因此對(duì)控制參數(shù)做自行定義，從而改善模糊控制器性能，使其具有更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力[8]，且穩(wěn)定性能好，調(diào)節(jié)時(shí)間較短。

3.3.1 模糊化接口設(shè)計(jì)

對(duì)于模糊控制器來(lái)說(shuō)，其輸入需要經(jīng)過(guò)模糊化處理后才可以用在控制輸出的計(jì)算，模糊化的目的是將實(shí)際確定的輸入量變?yōu)槟：俊?/p>

1)明確輸入與輸出變量

輸入量主要包括液氣比NB、鈣硫比NM、煙氣NS和脫硫劑接觸時(shí)間Z、漿液停留時(shí)間PS、泵液循環(huán)量PM、吸收塔漿液pH值PB、氧量PN，對(duì)其誤差(E)與偏差變化率(EC)的模糊子集根據(jù)下述公式進(jìn)行劃分

E={NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB，PN}

(5)

EC={NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB，PN}

(6)

輸出量包括調(diào)節(jié)閥與變頻泵電流，它的模糊子集表示為

I={NB，NM，NS，Z，PS，PM，PB，PN}

(7)

2)量化

結(jié)合雙塔雙循環(huán)燃煤電站特點(diǎn)確定pH值為5.4，論域在4.0～7.5之間；煙氣流量值設(shè)為3.9，論域是3～5.5；利用下述表達(dá)式將E與EC的變化區(qū)間變?yōu)閇-6，+6]

(8)

式(12)中，a、b表示E與EC變化區(qū)間的上、下限；x代表實(shí)際測(cè)量誤差，y是經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的值[9]。

為實(shí)現(xiàn)輸入變量從基本論域引入到對(duì)應(yīng)的模糊集論域中，必須處理輸入變量，將其乘以一定的比例因子，利用Ke表示誤差比例因子，Kce則為誤差變化率的比例因子。若Ke越大，系統(tǒng)超調(diào)越高，因此需較長(zhǎng)過(guò)渡時(shí)間；反之，系統(tǒng)變化越慢，會(huì)降低穩(wěn)態(tài)精準(zhǔn)度。若Kce越大，表示系統(tǒng)輸出變慢，反之，系統(tǒng)反應(yīng)靈活，但超調(diào)量升高。對(duì)Ke與Kce進(jìn)行調(diào)節(jié)等同于對(duì)模糊規(guī)則的修正因子做修正處理。

3.3.2 模糊控制規(guī)則

在模糊控制系統(tǒng)中，若誤差較大，此時(shí)系統(tǒng)首要目的是去除誤差，應(yīng)適當(dāng)增大誤差加權(quán)系數(shù)；在誤差較小時(shí)，系統(tǒng)保持平穩(wěn)狀態(tài)，因此需要降低超調(diào)量，對(duì)應(yīng)的增大誤差變化率加權(quán)系數(shù)[10-12]。

經(jīng)過(guò)對(duì)多個(gè)因子的修正能夠獲得優(yōu)化模糊控制，然而這些因子需要結(jié)合實(shí)際情況或多次調(diào)試后才能確定，因此會(huì)造成盲目性，對(duì)于最佳參數(shù)的確定較為麻煩。為方便尋找多個(gè)最優(yōu)加權(quán)因子，利用ITAE積分性能指標(biāo)，其目標(biāo)函數(shù)表示為

(9)

確定初始控制規(guī)則的表達(dá)式如下所示

(10)

全部加權(quán)因子可以表示為：?0=0.2，?1=0.3，?2=0.4，?3=0.5，?4=0.6，?5=0.7，?6=0.8。

經(jīng)過(guò)模糊推理獲得的結(jié)果屬于模糊量，不可以直接用作控制量，因此需要乘以比例因子Ku，并將其變換成被控制目標(biāo)可以接受的基本論域中存在的量。設(shè)置輸出控制量的比例因子值為

(11)

通過(guò)以上步驟，即可實(shí)現(xiàn)雙塔雙循環(huán)燃煤電站脫硫系統(tǒng)效率控制。

4 仿真與分析

為驗(yàn)證所提方法對(duì)脫硫系統(tǒng)效率控制的有效性，設(shè)計(jì)以下仿真。對(duì)比所提方法與文獻(xiàn)[1]提出的基于廣義預(yù)測(cè)控制器的燃煤電站脫硫系統(tǒng)效率控制方法及文獻(xiàn)[2]提出的基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的燃煤電站脫硫系統(tǒng)效率控制方法的控制效果。

首先對(duì)參數(shù)做如下設(shè)置：

1)當(dāng)脫硫系統(tǒng)閉環(huán)時(shí)，忽略積分與微分影響，在純比例條件下形成等幅震蕩。

2)通過(guò)臨界增益Kc與震蕩周期Tc共同控制參數(shù)。

表2 仿真參數(shù)表

脫硫控制系統(tǒng)仿真結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 控制系統(tǒng)仿真框圖

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，吸收塔的pH值屬于具有滯后現(xiàn)象的被控制目標(biāo)，可通過(guò)一階慣性環(huán)節(jié)對(duì)其表示，其傳遞函數(shù)表達(dá)式為

(12)

迭代50次仿真，在相同實(shí)驗(yàn)情況下下，選擇運(yùn)行耗時(shí)作為指標(biāo)，利用所提方法對(duì)比現(xiàn)有方法并記錄，運(yùn)行過(guò)程耗時(shí)越少說(shuō)明該方法運(yùn)行效率越高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示：

表3 不同方法控制時(shí)間對(duì)比表

從表3中可以看出，所提方法在對(duì)脫硫系統(tǒng)效率控制時(shí)，運(yùn)行耗時(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于現(xiàn)有方法，說(shuō)明所提方法運(yùn)行效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于現(xiàn)有方法，具有較好的實(shí)用性。

在相同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，選擇控制精準(zhǔn)度作為指標(biāo)，對(duì)比所提方法與文獻(xiàn)[1]方法、文獻(xiàn)[2]方法，并記錄實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果，控制精準(zhǔn)度越高說(shuō)明該方法精度越高，若該指標(biāo)波動(dòng)幅度較小說(shuō)明該方法控制性能穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 控制精度對(duì)比圖

分析圖5可知，與傳統(tǒng)方法相比所提方法控制精準(zhǔn)度較高，且始終保持平穩(wěn)狀態(tài)，說(shuō)明該方法控制精度較好，并具有較好的穩(wěn)定性。而現(xiàn)有方法對(duì)效率控制的精準(zhǔn)度波動(dòng)幅度較大，這是由于在控制過(guò)程中存在較大滯后性，導(dǎo)致控制效果不理想。

5 結(jié)論

為提高傳統(tǒng)雙塔雙循環(huán)燃煤電站脫硫系統(tǒng)效率控制的精準(zhǔn)度，在模糊理論基礎(chǔ)上對(duì)燃煤系統(tǒng)脫硫效率進(jìn)行優(yōu)化研究。確定影響脫硫效率的主要因素，研究模糊控制器結(jié)構(gòu)與控制機(jī)理，經(jīng)過(guò)多參數(shù)結(jié)合該表實(shí)現(xiàn)對(duì)脫硫系統(tǒng)效率的控制。仿真結(jié)果證明，所提方法在較少時(shí)間內(nèi)可實(shí)現(xiàn)對(duì)脫硫效率的準(zhǔn)確控制，有效減少二氧化硫的排放，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，具有較好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。