基于神經(jīng)元PID的煙氣脫硝溫控系統(tǒng)研究

趙海濤,于海洋

(1. 西安航天動力研究所,陜西 西安 710100;2. 西安航天源動力工程有限公司,陜西 西安 710100)

氮氧化物是大氣中常見的主要污染物,主要由火電廠、燃煤鍋爐等的排放煙氣以及硝酸、氮肥、火藥等工業(yè)生產(chǎn)過程中排放或泄漏造成。氮氧化物是由氮、氧兩種元素組成,包括多種化合物,在燃燒過程中生成的氮氧化物幾乎都是NO和NO2,通常把這兩種氮的氧化物稱為NOx。其生成量和排放量與燃燒方式、特別是燃燒溫度和空氣過剩系數(shù)等密切相關(guān)。

NOx生成途徑主要有燃料型、熱力型和快速型三種方式。在鍋爐煙氣中,氮氧化物產(chǎn)生的原因,主要有兩個方面: 一是空氣中的氮氣和氧氣,它們在高溫發(fā)生反應(yīng),從而產(chǎn)生氮氧化物;二是燃料中含有氮元素,在燃燒過程中與氧發(fā)生反應(yīng),從而生成氮氧化物。氮氣與氧氣在高溫條件下發(fā)生反應(yīng),主要取決于燃燒的溫度和氮氧的濃度。溫度越高,產(chǎn)生的濃度也就越大,產(chǎn)生的氮氧化物就越多。

因此,煙氣脫硝的關(guān)鍵技術(shù)之一是穩(wěn)定控制介質(zhì)溫度與燃燒溫度,以保證燃燒工藝系統(tǒng)的技術(shù)要求。煙氣脫硝溫控系統(tǒng)的優(yōu)劣直接影響著煙氣脫硝系統(tǒng)的性能,如何穩(wěn)定、快速、準確地控制煙氣脫硝系統(tǒng)運行,本文提出了智能溫控算法并研究了該算法在煙氣脫硝系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 煙氣脫硝溫控系統(tǒng)

1.1 煙氣脫硝系統(tǒng)

工業(yè)燃燒系統(tǒng)主要由燃燒系統(tǒng)、余熱回收系統(tǒng)、煙氣脫硝系統(tǒng)、除塵排煙系統(tǒng)四部分構(gòu)成,典型煙氣脫硝系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

該系統(tǒng)采用立式燃燒爐加熱水鍋爐的方式實現(xiàn)廢液的燃燒和余熱回收,對于含氮的廢液設(shè)計了SCR脫硝系統(tǒng)進行脫硝,滿足大氣排放要求;對于含無機物的廢液由于燃燒過程會產(chǎn)生無機鹽或灰塵,設(shè)計了布袋除塵環(huán)節(jié)進行收塵。該系統(tǒng)能夠滿足常見大多數(shù)有機廢液的燃燒處理和余熱回收,并滿足排放要求。

溫度是煙氣脫硝系統(tǒng)的一項重要控制參數(shù),溫度控制的性能直接影響該系統(tǒng)的性能。首先,該系統(tǒng)運行前要將燃燒爐按照烘爐曲線進行升溫,當烘爐完成并達到要求溫度時投入待燒廢液,根據(jù)廢液熱力計算,一般有機廢液的燃燒溫度在1 000～1 600 ℃,脫硝溫度在350 ℃左右,除塵溫度在180 ℃左右。因工業(yè)廢液具有成分多變、流量多變等特點,因此燃燒溫度和煙氣量會經(jīng)常發(fā)生變化。當負荷變化時,實時調(diào)整熱水鍋爐的換熱量,可使系統(tǒng)關(guān)鍵溫度點始終滿足工藝參數(shù)要求,使系統(tǒng)運行在最佳狀態(tài)。由于系統(tǒng)具備實時調(diào)節(jié)的跟蹤性能,因此運行人員無需根據(jù)工況負荷變化進行相應(yīng)設(shè)置或手動調(diào)節(jié)就可正常工作,該方式為智能溫度控制,通過智能溫度控制,既可以防止負荷波動引起的系統(tǒng)溫度波動,又可合理節(jié)能達到節(jié)能增效的目的。

1.2 智能溫控系統(tǒng)

本文采用基于神經(jīng)元PID的溫控算法,既采用傳統(tǒng)PID的成熟控制技術(shù),又結(jié)合智能控制領(lǐng)域的新技術(shù),使得溫控系統(tǒng)根據(jù)煙氣脫硝系統(tǒng)的負荷變化具有更好的穩(wěn)定性和自適應(yīng)的功能。傳統(tǒng)PID參數(shù)的整定是通過靜態(tài)仿真或在靜態(tài)工況下人為設(shè)定實現(xiàn)的,隨著工況變化自適應(yīng)能力較差,本文設(shè)計的智能神經(jīng)元PID參數(shù)的整定是通過相應(yīng)的智能學(xué)習(xí)算法實現(xiàn)的,可以實現(xiàn)不同工況的自適應(yīng)調(diào)節(jié),具有更好的穩(wěn)定性或魯棒性,能夠更好地適應(yīng)煙氣脫硝系統(tǒng)的要求。

因此,煙氣脫硝系統(tǒng)智能溫度控制的基本原理是根據(jù)煙氣脫硝系統(tǒng)運行溫度曲線,設(shè)定換熱鍋爐換熱量。通過判斷實際溫差的大小是否滿足設(shè)定要求,來調(diào)節(jié)鍋爐換熱量及PID控制參數(shù),使換熱系統(tǒng)的吸收功率與燃燒系統(tǒng)的輸出功率相匹配。

2 神經(jīng)元PID控制算法

2.1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

煙氣脫硝溫控系統(tǒng)是基于換熱量與溫差控制策略的,根據(jù)以上分析設(shè)計的神經(jīng)元PID控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

根據(jù)圖2可知,煙氣脫硝系統(tǒng)的溫度控制過程是: 根據(jù)當前工藝曲線及實測溫度判斷各點溫度是否滿足工藝要求;如果EV(T)>D(T),則根據(jù)相應(yīng)的控制策略調(diào)節(jié)熱水鍋爐的流量,改變換熱量使得目標溫度回到目標范圍,實現(xiàn)換熱過程與溫度的匹配。

2.2 神經(jīng)元PID控制器設(shè)計

傳統(tǒng)位置式定參數(shù)PID的控制算法如式(1)所示:

(1)

式中:e(k)——第k次采樣的煙氣脫硝溫差;KP,KI,KD——PID整定參數(shù)。

傳統(tǒng)PID控制因為算法簡單、穩(wěn)定性好、可靠性高等優(yōu)點在工業(yè)中應(yīng)用廣泛,其控制性能的好壞關(guān)鍵在于PID參數(shù)的整定。由于煙氣脫硝系統(tǒng)存在滯后性、時變性等非線性因素,很難建立精確的數(shù)學(xué)模型,傳統(tǒng)定參數(shù)PID控制算法難以取得預(yù)想效果。因此,系統(tǒng)運行中實現(xiàn)控制參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)從而改善控制系統(tǒng)的動態(tài)性能就顯得尤為重要。在PID控制中,應(yīng)考慮建立PID參數(shù)的整定不依賴于對象的數(shù)學(xué)模型,而且應(yīng)能使PID參數(shù)在線調(diào)整,以滿足實時控制的要求。

鑒于此,該控制策略引入了具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù),結(jié)合傳統(tǒng)的PID控制理論,構(gòu)成了神經(jīng)元自適應(yīng)PID智能控制器[1]。該控制器不但結(jié)構(gòu)簡單,易于實現(xiàn),而且能適應(yīng)環(huán)境的變化,有較強的魯棒性。該次設(shè)計用單神經(jīng)元實現(xiàn)的自適應(yīng)PID控制器的結(jié)構(gòu)如圖3所示,其中,取神經(jīng)元的輸入分量為3個,PV為系統(tǒng)當前溫度;SV為系統(tǒng)設(shè)定溫度;Wi(i=1, 2, 3)為網(wǎng)絡(luò)權(quán)值;α為神經(jīng)元的閾值;p為泵的出口壓力;qV為泵的當前排量。

因此,本文利用單神經(jīng)元模擬傳統(tǒng)PID控制,在一定程度上解決了不易在線實時整定參數(shù),以及當過程復(fù)雜或系統(tǒng)參數(shù)變化慢時對系數(shù)有效控制不足的缺陷。圖3中,轉(zhuǎn)換器的輸入反映了被控過程及控制設(shè)定的狀態(tài),經(jīng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成3個變量X1,X2,X3;控制量u(i)控制電流的大小,則神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法如式(2)所示:

u(k)=Ku[W1X1(k)+W2X2(k)+W3X3(k)]

(2)

其中,Wi按有監(jiān)督的Delta學(xué)習(xí)規(guī)則進行修正如式(3)所示:

(3)

式中:ηi,ηu——學(xué)習(xí)系數(shù)。

式(2)和式(1)具有相同的形式,但式(2)中的Wi和Ku可以通過神經(jīng)元的自學(xué)習(xí)能力進行自適應(yīng)調(diào)整。神經(jīng)元PID的學(xué)習(xí)方式和學(xué)習(xí)能力,決定了Wi和Ku的調(diào)整特性,對整個控制系統(tǒng)的抗干擾能力和自適應(yīng)性有很大影響。

3 Matlab仿真試驗及結(jié)果分析

以西安航天動力研究所開發(fā)的某民用廢液焚燒項目為研究對象,采用了圖1所示的工藝系統(tǒng)。其中,換熱鍋爐給水泵采用變頻控制的方式,可以按程序控制無級泵的排量,設(shè)定系統(tǒng)目標溫度為1 600 ℃,根據(jù)系統(tǒng)的基本數(shù)學(xué)模型,網(wǎng)絡(luò)初始權(quán)值設(shè)為W=[1.046 9 0.235 4 1.163 7],學(xué)習(xí)系數(shù)ηi設(shè)為[0.2 0.002 0.1],ηu設(shè)為0.25,系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線示意

由圖4可以看出,神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性較好,響應(yīng)時間為835 ms。超調(diào)量小,最大超調(diào)量不超過9.65%,穩(wěn)定性能好,無穩(wěn)態(tài)誤差。

4 結(jié)束語

本文在分析煙氣脫硝系統(tǒng)的工藝要求及溫控要求的基礎(chǔ)上,設(shè)計了基于神經(jīng)元PID的自適應(yīng)控制方法。通過Matlab仿真表明該系統(tǒng)具有以下特點:

1)在負荷波動情況下,維持系統(tǒng)目標溫度在允許的范圍內(nèi),能有效防止系統(tǒng)偏離設(shè)計工況運行,抗干擾性能強,安全性好。

2)系統(tǒng)整體功耗較小,自適應(yīng)調(diào)節(jié)使系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠,無靜差,具有一定的節(jié)能增效功能[3]。

3)與傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)相比,神經(jīng)元的自學(xué)習(xí)特性,使得它自身的控制精度隨著投入時間的增長不斷提高,效果更好,對環(huán)境的適應(yīng)性更強。

此外,由于其結(jié)構(gòu)簡單,易于實現(xiàn)的特點,使得它很容易結(jié)合煙氣脫硝系統(tǒng),通過優(yōu)化神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)權(quán)值W和自適應(yīng)系數(shù)Ku,實現(xiàn)對煙氣脫硝系統(tǒng)的穩(wěn)定、快速、準確控制,同時工業(yè)溫控系統(tǒng)具有相似性,因此該控制策略對其他應(yīng)用中的同類控制器的設(shè)計也具有一定的借鑒意義。