負(fù)荷實(shí)時(shí)跟蹤精細(xì)化氨法脫硫智能控制系統(tǒng)

郭玲妹，馬立新2，梁克順

(1.上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093; 2.上海理工大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，上海 200093)

0 引言

自新中國(guó)成立以來，我國(guó)為了更好地發(fā)展經(jīng)濟(jì)，制定了許多致力于轉(zhuǎn)變我國(guó)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的曲折和發(fā)展我國(guó)的第二產(chǎn)業(yè)得到了迅猛的發(fā)展，中國(guó)的電力產(chǎn)業(yè)取得了比較大的成就。截止到2017年底，我國(guó)的年發(fā)電量已經(jīng)超過了美國(guó)，成為發(fā)電量最多的國(guó)家，而且煤炭一直都是我國(guó)的主要能源資源，煤的直接燃燒產(chǎn)生了大量的硫化物、氮氧化合物等，給我國(guó)的環(huán)境造成了嚴(yán)重的壓力。燃煤所造成的環(huán)境污染并不是局域性或者某個(gè)國(guó)家出現(xiàn)的環(huán)境問題，這個(gè)問題關(guān)系整個(gè)人類的發(fā)展，所以加大對(duì)煙氣中硫化物的控制是我國(guó)乃至全球的一項(xiàng)極為重要的環(huán)保任務(wù)。

目前，對(duì)煙氣進(jìn)行脫硫脫硝的技術(shù)已有幾十種，主要有電子束氨法、微生物降解法、活性炭纖維法(Activated Carbon Fiber Process，簡(jiǎn)稱ACFP)等等。氨法脫硫的工藝是通過NH3與SO2和水反應(yīng)成脫硫產(chǎn)物，區(qū)別于常見的拋棄型的鈣法脫硫，氨法脫硫的工藝是回收型的，主要是變廢為寶二次利用，實(shí)現(xiàn)資源的最大化利用。由于我國(guó)氨的儲(chǔ)備量較高，所以不存在氨供應(yīng)的問題，另外氨法脫硫的操作簡(jiǎn)單且不存在二次污染的問題。鍋爐在燃燒的過程中產(chǎn)生煙氣，煙氣溫度較高流動(dòng)速度較快，這樣就造成了煙道的震動(dòng)，因此無法在煙道內(nèi)安裝檢測(cè)氮氧化合物和硫化物的精密儀器，但是為了采集氮氧化合物，發(fā)電廠就在煙道上連接了一個(gè)幾十米長(zhǎng)的管道通到地上，這樣可以有效的削弱管道的震動(dòng)，將精密儀器安裝到地面的管道上；雖然這樣做便于精密儀器的檢測(cè)和維護(hù)，但是這幾十米的管道，造成了檢測(cè)的延遲，構(gòu)成了典型的大延遲系統(tǒng)。

由于這段較長(zhǎng)的延遲時(shí)間，所以傳統(tǒng)的PID控制無法實(shí)現(xiàn)NH3的精確投放，這樣勢(shì)必會(huì)造成氨投放過多或過少[1]，過多會(huì)導(dǎo)致氨的浪費(fèi)，過少則會(huì)導(dǎo)致煙氣排放不達(dá)標(biāo)。針對(duì)大延遲系統(tǒng)，我們通常是通過添加補(bǔ)償環(huán)節(jié)構(gòu)成Smith預(yù)估裝置，來抵消傳遞函數(shù)中的純滯后環(huán)節(jié)，從而改進(jìn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。該方法能夠有效的解決大延遲系統(tǒng)的滯后性問題，但是其中的PID整定仍然使用的試湊法進(jìn)行調(diào)節(jié)，無法的到最佳的參數(shù)組合，而且試湊法需要有一定的經(jīng)驗(yàn)，試湊時(shí)間長(zhǎng)效率不加。因此我們提出了通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)訓(xùn)練，得到最佳的比例、微分和積分的參數(shù)組合，從而實(shí)現(xiàn)控制的而最佳效果[2]。另外，本文提出了一種可以的負(fù)荷進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤的脫硫控制提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)跟蹤性；不采用傳統(tǒng)的階躍信號(hào)作為輸入，通過輸入3 600 s的實(shí)時(shí)負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行模型仿真，仿真結(jié)果體現(xiàn)了良好的實(shí)時(shí)跟蹤性和穩(wěn)定性。

1 煙氣脫硫控制系統(tǒng)

1.1 傳統(tǒng)的氨法脫硫控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)的脫硫控制系統(tǒng)是提前計(jì)算出氮氧化合物的總量，然后將其作為前饋并在前饋在注入氨，氨水吸收SO2生成亞硫酸銨((NH4)2SO3)，隨后亞硫酸銨與氮氧化合物發(fā)生反應(yīng)，將NOx還原成氮?dú)馔瑫r(shí)生成硫酸銨((NH4)2SO4)，硫酸銨為氮肥的主要成分，由此實(shí)現(xiàn)了資源的二次利用。但是一旦負(fù)荷出現(xiàn)較大的波動(dòng)，NOx的計(jì)算量無法實(shí)時(shí)變化，在檢測(cè)儀的延遲時(shí)間內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)氨過量或者不足的情況，導(dǎo)致煙氣排放不達(dá)標(biāo)，造成環(huán)境污染。工業(yè)上采用傳統(tǒng)的氨法脫硫控制系統(tǒng)時(shí)，主要是依賴于有經(jīng)驗(yàn)的工作人員，有經(jīng)驗(yàn)的工作人員經(jīng)過長(zhǎng)期的訓(xùn)練能夠知道投放多少的氨水即可使得排放的煙氣達(dá)到國(guó)家制定的標(biāo)準(zhǔn)；但是一旦這樣的工作人員缺失，重新培養(yǎng)則需要大量的時(shí)間，所以目前急需尋求新的脫硫控制系統(tǒng)，不過分依賴工作者。

1.2 Smith預(yù)估器下的氨法脫硫控制系統(tǒng)

傳統(tǒng)的脫硫控制已經(jīng)取得了很好的控制效果，但是對(duì)于滯后的問題沒有有效的解決，針對(duì)這個(gè)問題提出新的脫硫裝置就在脫硫裝置中加入補(bǔ)償環(huán)節(jié)，同時(shí)在傳統(tǒng)的脫硫控制的NOx信號(hào)線中加入NOx估算機(jī)構(gòu)，NOx的估算是通過燃料、空氣、氨以及脫硫過程中的中間產(chǎn)物SNOx來進(jìn)行計(jì)算的。Smith預(yù)估補(bǔ)償裝置就是用來補(bǔ)償脫硫環(huán)節(jié)中出現(xiàn)的滯后問題，其工作原理就是在系統(tǒng)的反饋回路中加入補(bǔ)償裝置，用來消除被控系統(tǒng)中的純滯后環(huán)節(jié)，實(shí)際上就是在控制器的兩端并聯(lián)一個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié)，這個(gè)補(bǔ)償環(huán)節(jié)就被稱為預(yù)估器。

Smith預(yù)估模型的氨法脫硫控制系統(tǒng)方框圖如圖1所示，圖1中的脫硫裝置的原理如圖2所示。圖2中Gp(s)為被控對(duì)象去除純滯后環(huán)節(jié)后的傳遞函數(shù)，τ為純滯后時(shí)間，W(s)是Smith預(yù)估補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)。

W(s)=Gp(s)(1-e-τs)

(1)

圖1 Smith預(yù)估模型的氨法脫硫控制系統(tǒng)方框圖

圖2 Smith預(yù)估器控制原理圖

對(duì)于脫硫控制這樣大滯后的非線性控制系統(tǒng)而言，傳統(tǒng)的Smith預(yù)估控制從理論上足以解決系統(tǒng)的時(shí)滯問題[3]，但是Smith預(yù)估控制會(huì)使得整個(gè)系統(tǒng)的魯棒性能變差，整個(gè)系統(tǒng)的性能將會(huì)過分的依賴模型的準(zhǔn)確性[4]。在本文中Smith預(yù)估器控制中的控制器是一個(gè)PID控制器，即圖2中的D(s)是PID控制器的傳遞函數(shù)[5]，PID控制是基于被控對(duì)象的精確模型的設(shè)計(jì)，所以PID控制對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的模型要求比較高，對(duì)大時(shí)滯系統(tǒng)過程控制的模型要求更高，否則無法的得到較好的控制性能；此外，合理的PID參數(shù)往往會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間，當(dāng)控制對(duì)象有較大的時(shí)變和非線性性能時(shí)，通傳統(tǒng)方法整定的PID參數(shù)往往不能滿足性能的需求。雖然該方發(fā)有效的解決了延遲的問題，但是仍然依賴工作人員的經(jīng)驗(yàn)值，由依賴工作人員的投放量的經(jīng)驗(yàn)變成了依賴工作人員調(diào)整PID參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)，因此PID參數(shù)的整定成為新的待解決問題。

2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的Smith預(yù)估PID控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

針對(duì)上述PID參數(shù)整定的問題，提出了BP(back propagation)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID參數(shù)整定的方法，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以任意精度的逼近非線性函數(shù)[6]，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自身的學(xué)習(xí)可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)得到最佳的比例、微分、積分系數(shù)的最佳組合，從而實(shí)現(xiàn)BP_PID的最佳控制效果。圖3為基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的Smith預(yù)估PID控制框圖，即為圖1中加入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)后的脫硫裝置，就是在圖1的基礎(chǔ)上加入了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過原有的反饋計(jì)算得到誤差E，再通過E的設(shè)定去訓(xùn)練BP網(wǎng)絡(luò)，通過修改BP網(wǎng)絡(luò)中的權(quán)值和閾值，以達(dá)到設(shè)定的誤差值，由此的到最佳參數(shù)組合。

圖3 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的Smith預(yù)估PID控制框圖

本文中采用4-5-3結(jié)構(gòu)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，其網(wǎng)絡(luò)的輸入向量為：

(2)

網(wǎng)絡(luò)隱含層的輸入、輸出為：

(3)

式中，m為輸入層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，n為隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)，Vij為輸入層到隱含層的權(quán)值系數(shù)[7]，上角標(biāo)識(shí)的(1)和(2)分別對(duì)應(yīng)輸入層和隱含層，隱含層神經(jīng)元的激活函數(shù)取雙曲正切函數(shù)f(x)=tanh(x)。

網(wǎng)絡(luò)的輸出層的輸入和輸出為:

(4)

(5)

采用梯度下降法對(duì)網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值系數(shù)進(jìn)行修正，并加入一個(gè)使得搜索快速收斂全局極小值的慣性項(xiàng)，則:

(6)

η為學(xué)習(xí)率，α為動(dòng)量系數(shù)，其中:

(7)

(8)

根據(jù)增量數(shù)字PID的控制算法可得PID控制器的輸出u(k)：

u(k)=u(k-1)+Kp(error(k)-error(k-1))+

Kierror(k)+Kd(error(k)-2error(k-1)+

error(k-2))

(9)

取性能指標(biāo)函數(shù)為:

(10)

通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練學(xué)習(xí)在線整定PID參數(shù)，達(dá)到最佳的非線性組合[9]，使得脫硫裝置達(dá)到最佳的控制效果，從而使得整個(gè)氨法脫硫控制系統(tǒng)達(dá)到性能的的最優(yōu)。

3 脫硫控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

3.1 脫硫控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

兩種脫硫裝置下的脫硫控制系統(tǒng)的效果如圖4所示。

圖4 兩種脫硫裝置下的脫硫控制系統(tǒng)的效果圖

從圖4中可以看出，預(yù)估器模型下的脫硫控制系統(tǒng)的控制效果不是很理想，從(b)圖中不難看出系統(tǒng)前250 s波動(dòng)幅度比較大且長(zhǎng)時(shí)間超出了預(yù)警值，在200 s到580 s這段時(shí)間內(nèi)，波動(dòng)幅度明顯變小，但在之后的20 s 內(nèi)SNOx的濃度都再一次超出預(yù)警值，600 s后系統(tǒng)才趨于穩(wěn)定且SNOx的濃度在預(yù)設(shè)值上下波動(dòng)，波動(dòng)范圍保持在1 ppm內(nèi)。除此之外，前600 s系統(tǒng)的各方面性能不是很好，當(dāng)負(fù)荷發(fā)生波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)需要很長(zhǎng)的時(shí)間去調(diào)節(jié)，實(shí)時(shí)跟蹤控制效果不理想。

反觀(c)圖，前600 s雖然波動(dòng)頻繁，但是波動(dòng)幅度較小最大也只有0.03 ppm，且一直在預(yù)設(shè)值上下波動(dòng)沒有超出預(yù)警值。當(dāng)負(fù)荷出現(xiàn)急劇波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間十分短，幾乎達(dá)到了人無法感知的時(shí)間；在這些負(fù)荷驟變的點(diǎn)，均有不同幅度的短時(shí)的尖峰，放大后實(shí)則是頻率較小的振蕩，說明基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的Smith預(yù)估PID控制系統(tǒng)的反應(yīng)迅速，系統(tǒng)的性能好，實(shí)時(shí)跟蹤控制效果好。

3.2 控制效果的比較與分析

兩種脫硫控制系統(tǒng)的控制結(jié)果如圖5所示。由圖5可以看出，Smith預(yù)估器控制的脫硫系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，明顯比通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的Smith預(yù)估PID控制的脫硫系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間要長(zhǎng)很多，這說明后者的響應(yīng)速度快，系統(tǒng)的靈敏度好。另外后者的調(diào)節(jié)時(shí)間十分的短，穩(wěn)定性也明顯比前者好很多，前者在前600 s內(nèi)整個(gè)系統(tǒng)都處于振蕩的狀態(tài)，實(shí)時(shí)跟蹤性差。

圖5 兩種控制系統(tǒng)測(cè)得的NOx濃度

控制方法上升時(shí)間tr/s調(diào)節(jié)時(shí)間ts/s峰值時(shí)間ts/s超調(diào)量σ/%Smith預(yù)估器控制120s358.3s148.8s0.353Smith預(yù)估器BP_PID控制0.27s1.56s0.31s0.089

根據(jù)表1可知，Smith預(yù)估器控制的脫硫系統(tǒng)的超調(diào)量為0.353%，而通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的Smith預(yù)估PID控制的脫硫系統(tǒng)的超調(diào)量為0.089%，超調(diào)量是指當(dāng)系統(tǒng)超過穩(wěn)態(tài)值時(shí)，輸出的第一個(gè)極大值減去穩(wěn)態(tài)值的差除以穩(wěn)態(tài)值得到的最大偏差百分比，超調(diào)量越小說明系統(tǒng)的平穩(wěn)性越好，所以后者的平穩(wěn)性好，偏離穩(wěn)態(tài)值(系統(tǒng)正常工作狀態(tài))的幅度小，有利于系統(tǒng)的正常工作。

圖6為兩種脫硫控制系統(tǒng)的誤差曲線圖，從圖中可以看出，Smith預(yù)估器控制的脫硫系統(tǒng)的誤差，明顯比通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的Smith預(yù)估PID控制的脫硫系統(tǒng)的誤差大的多，前者在前600 s的誤差十分大，說明系統(tǒng)此時(shí)還沒有穩(wěn)定，而后者始終將誤差控制在0.000 2內(nèi)，且系統(tǒng)的響應(yīng)速度很快。在負(fù)荷出現(xiàn)較大的波動(dòng)時(shí)，后者能夠在極短的時(shí)間內(nèi)讓系統(tǒng)重新處于穩(wěn)定狀態(tài)，處理擾動(dòng)的能力十分強(qiáng)，這說明系統(tǒng)的魯棒性好。

圖6 兩種控制系統(tǒng)的誤差曲線圖

4 結(jié)論

在傳統(tǒng)的氨法脫硫技術(shù)中，由于精密儀器的安裝問題，導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)較長(zhǎng)的時(shí)間延遲；另外，傳統(tǒng)的氨法脫硫無法精確地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)負(fù)荷跟蹤，一般都是通過有經(jīng)驗(yàn)的工人進(jìn)行氨的投放，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)SO2排放的控制。但是一旦經(jīng)驗(yàn)人員缺少或經(jīng)驗(yàn)人員判斷失誤，勢(shì)必會(huì)造成資源的浪費(fèi)和煙氣排放不達(dá)標(biāo)，資源的浪費(fèi)使得火電廠的成本提高，煙氣的排放不達(dá)標(biāo)則會(huì)導(dǎo)致該地區(qū)的環(huán)境問題，形成酸雨和空氣質(zhì)量下降等等一系列環(huán)境污染。

本文介紹了預(yù)估器模型的脫硫控制系統(tǒng)，有效的解決了脫硫系統(tǒng)延遲的問題，但是在實(shí)時(shí)跟蹤負(fù)荷上還沒有達(dá)到理想的狀態(tài)，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定狀態(tài)的時(shí)間過長(zhǎng)，在前期調(diào)節(jié)時(shí)間內(nèi)，無法做到氨的精確投放，除此之外，在PID參數(shù)的調(diào)節(jié)上主要是通過經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)節(jié)，十分耗時(shí)且因人而異沒有明確的判斷標(biāo)準(zhǔn)。因此，本文創(chuàng)新性地在預(yù)估器模型的脫硫控制系統(tǒng)上，加入BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)整定PID參數(shù)，新系統(tǒng)不僅更有效的補(bǔ)償了延遲時(shí)間，在實(shí)時(shí)負(fù)荷跟蹤上也達(dá)到了期望要求，控制性能也得到了更近一步的改善。通過對(duì)兩種控制方法的性能指標(biāo)的計(jì)算，基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)估器模型的脫硫控制系統(tǒng)更為穩(wěn)定和準(zhǔn)確，誤差也大大減小，對(duì)于負(fù)荷的波動(dòng)反應(yīng)更為迅速。由于輸入的是3 600 s的實(shí)時(shí)負(fù)荷數(shù)據(jù)，相比于傳統(tǒng)的使用階躍信號(hào)作為輸入，該系統(tǒng)可運(yùn)用到實(shí)際，在工程上，非常值得研究和推廣。