基于神經網絡的火電廠脫硫控制系統研究

呂棟騰，雷濤峰

(1.陜西國防工業職業技術學院，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，提高環境與空氣質量，是我國社會經濟可持續發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，保證空氣質量，為民眾的工作和生活創造良好的環境。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，同時也受脫硫系統的穩定性影響[2]。脫硫系統的穩定性由脫硫工藝、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還有很大的發展空間，其軟件、硬件和子系統需要優化改進的地方也很多。

1 脫硫控制系統

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。經過脫硫后的煙氣變為凈煙氣，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生的廢水進行處理，達到標準后進行循環使用。

脫硫裝置中的吸收塔使用較為經典的逆流噴淋空塔技術，該項技術中包含有脈沖懸浮系統及吸收塔漿池分區技術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，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。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 脫硫控制系統的組成

本次設計的煙氣脫硫控制系統主要組成有3部分：電氣系統、熱工系統和煙氣排放監測系統。整個系統采用分布式控制，在現場配置工業要求的就地控制表盤及附屬設備，通過以太網連接，將數據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

電氣系統主要由4部分組成，分別為供電系統、直流電源系統、交流電源系統和停電備用電源系統。為了確保脫硫裝置的安全停運，當主供電系統停電時，設備中的輔助系統需要持續供電，以確保系統不受損傷。除此之外，電氣的UPS電源和DCS系統也要求備有保安電源。通常會在系統備有獨立的保安段電源，如裝備200 MW的柴油發電機組，以確保系統安全[5]。爐后與主廠房直流系統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，給脫硫島內的供電系統供給電源。脫硫系統中的直流系統均使用單母線連接及220 V電壓。

2.2 熱工控制系統

脫硫系統的熱工控制系統包括數據采集及處理系統、模擬量控制系統、順序控制系統和保護報警等部分。數據采集和處理主要是實時采集現場儀表數據并處理返回，以便操作人員實時監測系統運行狀態，及時發現故障，保證系統正常運行。模擬量控制系統由增加風機、漿液pH值等一系列閉環控制回路組成，保證各分系統按照工藝要求穩定運行。順序控制包括子組控制、聯鎖保護及設備自動切換，分為4個功能組，分別為吸收塔、石膏脫水系統、石灰石制備系統和廢水處理系統。當系統中某些部分運行異常，系統進行聯鎖保護，保證系統不會因故障而受損[6]。

2.3 煙氣排放監測系統

煙氣排放監測系統實時監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控制提供了重要數據。煙氣監測系統由煙氣污染物監測子系統、煙塵監測子系統、煙氣排放參數監測子系統、系統控制及數據采集處理系統組成[7]。

3 脫硫系統模擬量控制

本次設計的脫硫控制系統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節機構，保證增加風機入口壓力值維持在設定值。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。

吸收塔內漿液pH值是由石灰石漿液的流量控制調節的，合適的pH值可以達到最高的石灰石利用率、實現最高的二氧化硫脫硫率和提高脫硫系統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，但煤質變化幅度不大，故二氧化硫濃度變化不會太大。根據漿液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成內部回路可以提高調節速度。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。在該控制系統中，二級控制器的輸出疊加到一級控制器中，可以有效地縮短調節時間，提高控制質量。

圖1 漿液pH值串級控制結構

3.2 基于神經網絡自適應的吸收塔漿液pH值控制

為提高吸收塔漿液pH值控制系統的自適應能力，推導了小腦神經網絡自適應控制器，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。本設計提出了基于小腦神經網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神經網絡

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

3.2.2 魯棒自適應PID控制器設計

考慮如下非線性不確定系統：

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；d(t)為未知外部干擾；ai(i=0,1,…,n-1)已知；Δ為系統發生狀態改變時所產生的不確定性。控制目標為在系統存在未知非線性、不確定性以及外部干擾的條件下，使得系統漸近跟蹤期望輸出yd，期望輸出yd及其各階導數光滑有界。

定義跟蹤誤差e=yd-y，由式(1)可得

(2)

(3)

(4)

由式(3)構成的不確定非線性系統的標稱系統為

(5)

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

(6)

結合系統(4)，魯棒自適應控制器設計為

(7)

圖2 魯棒自適應控制結構

針對非線性不確定系統(1)，采用魯棒自適應控制器(7)，并選取魯棒參數η>|ε|時，可確保pH值閉環控制系統趨于穩定，期望輸出軌跡的跟蹤誤差和神經網絡權值誤差收斂趨于0。上述提出的魯棒自適應控制器中，標稱系統反饋控制增益K為n+1維，即系統為全狀態反饋。此時，當系統階數較高時，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，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，對系統的控制產生不利影響。對上述魯棒自適應控制器做適當優化，可以得到魯棒自適應PID控制器，調整誤差的PID項，降低控制系統的噪聲影響。

3.2.3 系統仿真

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

(8)

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

使用MATLAB/Simulink系統仿真工具，設置仿真步長為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。階躍最終穩定在5.0，仿真結果如圖3所示。由圖3可知，本設計提出的魯棒自適應控制器有更好的超調量和調節時間，優于常規和模糊自適應控制。

圖3 控制器階躍響應對比

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

圖4 控制器抗干擾能力對比

4 結束語

自動控制模型的研究和子系統的優化，可以提高系統的穩定性和脫硫劑的使用效率，有效促進企業的安全生產，減少企業的生產成本，具有重要的經濟意義和社會意義。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，設計了基于小腦神經網絡的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定性。