基于TSSA算法的吸收塔漿液pH值控制技術(shù)要點(diǎn)探究

摘 要：為了提高火電廠煙氣脫硫系統(tǒng)吸收塔漿液pH值的調(diào)控效果，研究過(guò)程以常用的串級(jí)-前饋控制模式為基礎(chǔ)，建立了石灰石漿液閥和漿液池的調(diào)控模型。引入改進(jìn)麻雀搜索算法（Tent-based Sparrow Search Algorithm，TSSA），對(duì)該控制模式的比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)求解，從而提高響應(yīng)速度和調(diào)控精度。通過(guò)仿真測(cè)試檢測(cè)TSSA-串級(jí)-前饋控制模式的性能，結(jié)果顯示，其調(diào)節(jié)pH的耗時(shí)、最大動(dòng)態(tài)偏差、超調(diào)比均取得了良好的效果。在傳統(tǒng)串級(jí)-前饋控制模式中引入TSSA算法，能夠顯著改善pH值控制精度，同時(shí)避免調(diào)節(jié)滯后。

關(guān)鍵詞：TSSA算法；吸收塔漿液；pH值控制技術(shù)

中圖分類號(hào)：X 773；TP 273" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

火電廠排出的煙氣中存在SO2氣體，經(jīng)脫硫處理后，方可達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。吸收塔是脫硫處理的主要設(shè)備，通過(guò)石灰石漿液吸收煙氣中的SO2，可達(dá)到脫硫目的。在這一過(guò)程中，根據(jù)漿液的pH值判斷SO2與石灰石漿液配比是否合理。國(guó)內(nèi)技術(shù)人員對(duì)吸收塔pH值調(diào)控進(jìn)行了廣泛研究。李建強(qiáng)等[1]分析了改進(jìn)即時(shí)學(xué)習(xí)算法在吸收塔pH值測(cè)量中的應(yīng)用方法。談智玲等[2]探究了濕法煙氣脫硫中影響pH值調(diào)控的因素。馬葉紅[3]在分析吸收塔漿液pH值影響因素的基礎(chǔ)上，提出了針對(duì)性的pH值控制措施。

此次研究的目標(biāo)為改善傳統(tǒng)串級(jí)-前饋控制模式在吸收塔漿液pH值調(diào)控中存在的不足，具體包括調(diào)節(jié)量偏差大、響應(yīng)速度慢、信號(hào)滯后等。優(yōu)化方法為引入改進(jìn)麻雀算法，對(duì)串級(jí)控制的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)求解。

1 基于TSSA算法的吸收塔漿液pH值控制技術(shù)要點(diǎn)

1.1 建立控制框圖

吸收塔屬于火電廠煙氣脫硫工藝的重要設(shè)備，在煙氣脫硫控制中，當(dāng)前主要采取串級(jí)-前饋復(fù)合控制技術(shù)。運(yùn)用該控制方法調(diào)控吸收塔漿液的pH值時(shí)，為了進(jìn)一步提高調(diào)控精度，避免pH值超調(diào)或者調(diào)控滯后，可在串級(jí)-前饋控制的基礎(chǔ)上引入改進(jìn)麻雀算法，利用該算法對(duì)串級(jí)-前饋控制的3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)，即比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki、微分系數(shù)Kd。pH給定值代表調(diào)控目標(biāo)，pH測(cè)量值代表調(diào)控結(jié)果?；痣姀S煙氣中的SO2氣體是造成吸收塔漿液呈酸性的主要原因，SO2的排放標(biāo)準(zhǔn)為不超過(guò)35mg/m3，對(duì)應(yīng)的pH給定值為5.5。

1.2 吸收塔pH值控制系統(tǒng)模型構(gòu)建

在如圖1所示的控制框圖中，石灰石漿液閥和漿液池均屬于影響pH值調(diào)控的重要因素，其控制模型如下。

1.2.1 石灰石漿液閥控制模型構(gòu)建

在石灰石-石膏濕法脫硫中，通過(guò)石灰石漿液閥控制漿液的流量。石灰石的主要成分為CaCO3，將火電廠的煙氣和石灰石漿液送入吸收塔，SO2和CaCO3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，如公式（1）所示。CaSO4為固體，可以吸收SO2，降低pH值[4]。

（1）

石灰石漿液閥的控制模型由輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)組成，輸入?yún)?shù)為泵的轉(zhuǎn)速，輸出參數(shù)為漿液閥的流量。在此次研究中，根據(jù)某火電廠的實(shí)際情況，將石灰石漿液泵額定功率、額定轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為30kW、1400r/min，石灰石漿液向吸收塔的泵入流量設(shè)置為60m3/h。此時(shí)，可建立石灰石漿液閥的傳遞函數(shù)G1（s）=2.57/（3s+1）。其中，s為調(diào)控的信號(hào)量，即泵的轉(zhuǎn)速；G1（s）為輸出值，即漿液的流量。

1.2.2 吸收塔漿液池控制模型構(gòu)建

在串級(jí)控制系統(tǒng)中，石灰石漿液閥的輸出參數(shù)作為下一級(jí)控制單元的輸入?yún)?shù)，形成一個(gè)閉環(huán)反饋調(diào)節(jié)的過(guò)程。具體來(lái)說(shuō)，石灰石漿液閥控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)石灰石漿液的流量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)吸收塔漿液池的影響，從而確保吸收塔內(nèi)部的化學(xué)反應(yīng)環(huán)境穩(wěn)定。而吸收塔漿液池的控制單元?jiǎng)t根據(jù)石灰石漿液的流量調(diào)節(jié)吸收塔的pH值，以保持吸收塔中氣體吸收過(guò)程的最佳效率。石灰石漿液閥的主要任務(wù)是通過(guò)調(diào)節(jié)石灰石漿液的流量來(lái)影響吸收塔中的化學(xué)反應(yīng)。這個(gè)過(guò)程需要根據(jù)上一層控制單元的指令來(lái)調(diào)節(jié)流量，確保石灰石漿液的濃度、流量和pH值的穩(wěn)定性。由于石灰石漿液用于吸收塔內(nèi)氣體中的二氧化硫，在該串級(jí)控制系統(tǒng)中，當(dāng)吸收塔漿液池的pH值發(fā)生波動(dòng)時(shí)，反饋信號(hào)會(huì)通過(guò)控制系統(tǒng)傳遞給石灰石漿液閥，從而調(diào)整漿液流量。為了確保反應(yīng)過(guò)程的平穩(wěn)性，控制系統(tǒng)引入精確的控制算法，使控制系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)時(shí)變化的過(guò)程參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。吸收塔漿液池采用如圖2所示的階躍響應(yīng)曲線，y（t）表示時(shí)間為t時(shí)的階躍響應(yīng)，y（t）表示時(shí)間為無(wú)窮大時(shí)的階躍響應(yīng)，y*（t）表示時(shí)間軸上截去滯后因子τ之后的階躍響應(yīng)，并且有y*（t1）=0.4，y*（t2）=0.8。該階躍響應(yīng)曲線的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)如公式（2）所示。

（2）

式中：G2（s1）為漿液池的階躍響應(yīng)值，即最終輸出的pH值；T1和T2為函數(shù)中2個(gè)不同的時(shí)間常數(shù)；τ為滯后因子，計(jì)算取值為6.0；k為增益，計(jì)算取值為1.1；s1為輸入?yún)?shù)，即石灰石漿液的流量。

y*（t）=1-（T1e-t/T1-T2e-t/T2）/（T1-T2），將y*（t1）=0.4，y*（t2）=0.8代入y*（t）的數(shù)學(xué)表達(dá)式，可得出公式（3）。

（3）

對(duì)公式（3）進(jìn)行擬合求解，得出時(shí)間參數(shù)T1=21.85，時(shí)間參數(shù)T2=8.71。因此，公式（2）轉(zhuǎn)化為公式（4）。

（4）

1.3 基于TSSA算法的串級(jí)前饋控制優(yōu)化步驟

步驟一：初始化麻雀種群，包括種群數(shù)量、種群位置邊界、預(yù)警值、安全值等。

步驟二：對(duì)種群中的個(gè)體進(jìn)行更新，計(jì)算全局范圍內(nèi)的最優(yōu)個(gè)體位置，同時(shí)確定該最優(yōu)個(gè)體與目標(biāo)之間的距離[5]。

步驟三：將時(shí)間與絕對(duì)偏差乘積作為算法的適應(yīng)度函數(shù)，計(jì)算適應(yīng)度函數(shù)值，進(jìn)而評(píng)價(jià)麻雀搜索行為的效果。

步驟四：生成一個(gè)隨機(jī)數(shù)，記為r。比較隨機(jī)數(shù)r和動(dòng)態(tài)選擇概率p。當(dāng)rgt;p時(shí)，進(jìn)行t分布更新。當(dāng)r≤p時(shí)，不需要執(zhí)行t分布[6]，避免不必要的計(jì)算開(kāi)銷。

步驟五：當(dāng)TSSA算法達(dá)到設(shè)定的最大迭代次數(shù)時(shí)，結(jié)束TSSA尋優(yōu)過(guò)程，輸出尋優(yōu)結(jié)果。

2 基于TSSA算法的吸收塔漿液pH值控制方法仿真

2.1 設(shè)置仿真條件

2.1.1 設(shè)置對(duì)照組

為了凸顯TSSA算法在吸收塔漿液pH值控制中的應(yīng)用效果，研究過(guò)程將串級(jí)-前饋控制、SSA-串級(jí)-前饋控制作為T(mén)SSA-串級(jí)-前饋控制的對(duì)照組。其中，SSA代表麻雀搜索算法。

2.1.2 仿真模型設(shè)置

根據(jù)1.2小節(jié)的分析，在仿真過(guò)程中，將石灰石漿液閥控制模型的階躍響應(yīng)函數(shù)設(shè)置為G1（s）=2.57/（3s+1），將吸收塔漿液池控制模型的階躍響應(yīng)函數(shù)設(shè)置為公式（4）。另外，TSSA種群內(nèi)的麻雀數(shù)量設(shè)置為10個(gè)，算法最大迭代次數(shù)設(shè)置為30次。

2.2 無(wú)干擾情況仿真

2.2.1 串級(jí)-前饋控制關(guān)鍵參數(shù)尋優(yōu)結(jié)果

串級(jí)-前饋控制的關(guān)鍵參數(shù)為比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki、微分系數(shù)Kd，能夠影響階躍響應(yīng)函數(shù)的輸入信號(hào)[7]。SSA算法和TSSA算法用于關(guān)鍵參數(shù)尋優(yōu)，表1對(duì)比了串級(jí)-前饋控制、SSA-串級(jí)-前饋控制、TSSA-串級(jí)-前饋控制三種模式下的Kp、Ki、Kd。從數(shù)據(jù)可知，經(jīng)過(guò)不同算法優(yōu)化后，3個(gè)參數(shù)的取值均存在較大的差異。

2.2.2 無(wú)干擾情況下pH值調(diào)控效果

將Kp、Ki、Kd參數(shù)代入串級(jí)-前饋控制模型，并且根據(jù)G1（s）=2.57/（3s+1）調(diào)控漿液流量，基于公式（4）調(diào)控pH值，吸收塔漿液pH值調(diào)控結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，當(dāng)采用串級(jí)-前饋控制模式時(shí)，pH值超調(diào)量較大，石灰石漿液閥轉(zhuǎn)速為200r/min時(shí)pH值達(dá)到穩(wěn)定。當(dāng)采用SSA-串級(jí)-前饋控制模式時(shí)，pH值超調(diào)量低于串級(jí)-前饋控制模式，pH值達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的漿液閥轉(zhuǎn)速為150r/min。當(dāng)采用TSSA-串級(jí)-前饋控制時(shí)，pH值超調(diào)量最小，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的漿液閥轉(zhuǎn)速為100r/min。

2.2.3 控制模型性能指標(biāo)對(duì)比

對(duì)比3種調(diào)控模式的準(zhǔn)確性和快速性，其中準(zhǔn)確性可進(jìn)一步劃分為最大動(dòng)態(tài)偏差、超調(diào)量、靜差。根據(jù)圖3可求得各個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)，結(jié)果見(jiàn)表2。TSSA-串級(jí)-前饋控制模型對(duì)pH值的調(diào)控效果最佳，明顯優(yōu)于2個(gè)對(duì)照組。

2.3 有干擾情況仿真

2.3.1 干擾條件設(shè)置

有干擾情況下的仿真條件整體上與2.1小節(jié)相同，當(dāng)pH調(diào)控達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)（pH值為5.5）時(shí)，在特定時(shí)刻施加時(shí)長(zhǎng)為400s的煙氣流量擾動(dòng)干擾。當(dāng)煙氣流量發(fā)生變化時(shí)，SO2濃度和pH隨之改變。

2.3.2 有干擾情況下pH值調(diào)控效果

根據(jù)表2設(shè)置串級(jí)-前饋控制的關(guān)鍵參數(shù)，根據(jù)G1（s）=2.57/（3s+1）調(diào)控漿液流量，pH值響應(yīng)曲線的控制模型為公式（4），3種控制模式對(duì)應(yīng)的吸收塔漿液pH值調(diào)控結(jié)果如圖4所示。在0s～300s，pH值調(diào)控結(jié)果與圖3相同。當(dāng)t=400s時(shí)，干擾因素出現(xiàn)，3種調(diào)控模式對(duì)應(yīng)的pH值均出現(xiàn)了波動(dòng)。此時(shí)，TSSA-串級(jí)-前饋控制模式最早恢復(fù)穩(wěn)定，并且pH值偏移量最小。SSA-串級(jí)-前饋控制模式的pH值偏移量較小，先于串級(jí)-前饋模式恢復(fù)穩(wěn)定。串級(jí)-前饋控制模式的pH值偏移量最大，恢復(fù)穩(wěn)定消耗的時(shí)間最長(zhǎng)?？梢?jiàn)，TSSA-串級(jí)-前饋模式對(duì)pH值的調(diào)控效果最佳。

2.3.3 控制模型性能指標(biāo)對(duì)比

在有干擾條件下，3種控制模式的調(diào)節(jié)時(shí)長(zhǎng)、pH值最大動(dòng)態(tài)偏差、超調(diào)量和pH值靜差的模擬結(jié)果見(jiàn)表3。TSSA-串級(jí)-前饋控制模式耗時(shí)最短，pH值與目標(biāo)值5.5的動(dòng)態(tài)偏差僅為0.43，超調(diào)量?jī)H為-7.81%?？梢?jiàn)，TSSA-串級(jí)-前饋控制模式對(duì)吸收塔漿液池pH值的調(diào)控精度最高，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

3 結(jié)語(yǔ)

吸收塔漿液pH值精確調(diào)控是提高火電廠煙氣脫硫效果的重要技術(shù)措施，常規(guī)的串級(jí)-前饋控制模式在實(shí)際應(yīng)用中存在較多的不足，主要問(wèn)題為超調(diào)量偏高、調(diào)節(jié)響應(yīng)速度慢。為了提高pH值調(diào)控精度，引入TSSA算法，構(gòu)建了TSSA-串級(jí)-前饋控制模式。根據(jù)研究?jī)?nèi)容，可得出以下結(jié)論。1）在串級(jí)-前饋控制模式中引入TSSA算法后，可根據(jù)煙氣數(shù)據(jù)確定比例系數(shù)、積分系數(shù)、微分系數(shù)的合理取值，從而優(yōu)化石灰石漿液閥和漿液池的輸入?yún)?shù)。2）通過(guò)仿真檢測(cè)TSSA-串級(jí)-前饋控制模式的應(yīng)用效果，將串級(jí)-前饋控制模式和SSA-串級(jí)-前饋控制模式作為對(duì)照組。設(shè)置有干擾和無(wú)干擾2種情況，其他仿真條件保持一致，模擬3種控制模式調(diào)節(jié)pH值的耗時(shí)、調(diào)節(jié)結(jié)果與控制目標(biāo)的最大動(dòng)態(tài)偏差以及超調(diào)量。結(jié)果顯示，TSSA-串級(jí)-前饋控制模式耗時(shí)最短，超調(diào)量和pH值最大動(dòng)態(tài)偏差均最小。因此，引入TSSA算法后，串級(jí)-前饋控制模式的pH值調(diào)節(jié)速度明顯提高，超調(diào)量顯著下降，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

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