基于TSSA算法的吸收塔漿液pH值控制技術要點探究

摘 要：為了提高火電廠煙氣脫硫系統吸收塔漿液pH值的調控效果，研究過程以常用的串級-前饋控制模式為基礎，建立了石灰石漿液閥和漿液池的調控模型。引入改進麻雀搜索算法（Tent-based Sparrow Search Algorithm，TSSA），對該控制模式的比例系數、積分系數、微分系數進行尋優求解，從而提高響應速度和調控精度。通過仿真測試檢測TSSA-串級-前饋控制模式的性能，結果顯示，其調節pH的耗時、最大動態偏差、超調比均取得了良好的效果。在傳統串級-前饋控制模式中引入TSSA算法，能夠顯著改善pH值控制精度，同時避免調節滯后。

關鍵詞：TSSA算法；吸收塔漿液；pH值控制技術

中圖分類號：X 773；TP 273" " 文獻標志碼：A

火電廠排出的煙氣中存在SO2氣體，經脫硫處理后，方可達到環保標準。吸收塔是脫硫處理的主要設備，通過石灰石漿液吸收煙氣中的SO2，可達到脫硫目的。在這一過程中，根據漿液的pH值判斷SO2與石灰石漿液配比是否合理。國內技術人員對吸收塔pH值調控進行了廣泛研究。李建強等[1]分析了改進即時學習算法在吸收塔pH值測量中的應用方法。談智玲等[2]探究了濕法煙氣脫硫中影響pH值調控的因素。馬葉紅[3]在分析吸收塔漿液pH值影響因素的基礎上，提出了針對性的pH值控制措施。

此次研究的目標為改善傳統串級-前饋控制模式在吸收塔漿液pH值調控中存在的不足，具體包括調節量偏差大、響應速度慢、信號滯后等。優化方法為引入改進麻雀算法，對串級控制的關鍵參數進行尋優求解。

1 基于TSSA算法的吸收塔漿液pH值控制技術要點

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備，在煙氣脫硫控制中，當前主要采取串級-前饋復合控制技術。運用該控制方法調控吸收塔漿液的pH值時，為了進一步提高調控精度，避免pH值超調或者調控滯后，可在串級-前饋控制的基礎上引入改進麻雀算法，利用該算法對串級-前饋控制的3個關鍵參數進行尋優，即比例系數Kp、積分系數Ki、微分系數Kd。pH給定值代表調控目標，pH測量值代表調控結果。火電廠煙氣中的SO2氣體是造成吸收塔漿液呈酸性的主要原因，SO2的排放標準為不超過35mg/m3，對應的pH給定值為5.5。

1.2 吸收塔pH值控制系統模型構建

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建

在石灰石-石膏濕法脫硫中，通過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發生化學反應，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參數和輸出參數組成，輸入參數為泵的轉速，輸出參數為漿液閥的流量。在此次研究中，根據某火電廠的實際情況，將石灰石漿液泵額定功率、額定轉速分別設置為30kW、1400r/min，石灰石漿液向吸收塔的泵入流量設置為60m3/h。此時，可建立石灰石漿液閥的傳遞函數G1（s）=2.57/（3s+1）。其中，s為調控的信號量，即泵的轉速；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建

在串級控制系統中，石灰石漿液閥的輸出參數作為下一級控制單元的輸入參數，形成一個閉環反饋調節的過程。具體來說，石灰石漿液閥控制系統通過調節石灰石漿液的流量來實現對吸收塔漿液池的影響，從而確保吸收塔內部的化學反應環境穩定。而吸收塔漿液池的控制單元則根據石灰石漿液的流量調節吸收塔的pH值，以保持吸收塔中氣體吸收過程的最佳效率。石灰石漿液閥的主要任務是通過調節石灰石漿液的流量來影響吸收塔中的化學反應。這個過程需要根據上一層控制單元的指令來調節流量，確保石灰石漿液的濃度、流量和pH值的穩定性。由于石灰石漿液用于吸收塔內氣體中的二氧化硫，在該串級控制系統中，當吸收塔漿液池的pH值發生波動時，反饋信號會通過控制系統傳遞給石灰石漿液閥，從而調整漿液流量。為了確保反應過程的平穩性，控制系統引入精確的控制算法，使控制系統可以根據實時變化的過程參數進行調整。吸收塔漿液池采用如圖2所示的階躍響應曲線，y（t）表示時間為t時的階躍響應，y（t）表示時間為無窮大時的階躍響應，y*（t）表示時間軸上截去滯后因子τ之后的階躍響應，并且有y*（t1）=0.4，y*（t2）=0.8。該階躍響應曲線的標準函數如公式（2）所示。

（2）

式中：G2（s1）為漿液池的階躍響應值，即最終輸出的pH值；T1和T2為函數中2個不同的時間常數；τ為滯后因子，計算取值為6.0；k為增益，計算取值為1.1；s1為輸入參數，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）的數學表達式，可得出公式（3）。

（3）

對公式（3）進行擬合求解，得出時間參數T1=21.85，時間參數T2=8.71。因此，公式（2）轉化為公式（4）。

（4）

1.3 基于TSSA算法的串級前饋控制優化步驟

步驟一：初始化麻雀種群，包括種群數量、種群位置邊界、預警值、安全值等。

步驟二：對種群中的個體進行更新，計算全局范圍內的最優個體位置，同時確定該最優個體與目標之間的距離[5]。

步驟三：將時間與絕對偏差乘積作為算法的適應度函數，計算適應度函數值，進而評價麻雀搜索行為的效果。

步驟四：生成一個隨機數，記為r。比較隨機數r和動態選擇概率p。當rgt;p時，進行t分布更新。當r≤p時，不需要執行t分布[6]，避免不必要的計算開銷。

步驟五：當TSSA算法達到設定的最大迭代次數時，結束TSSA尋優過程，輸出尋優結果。

2 基于TSSA算法的吸收塔漿液pH值控制方法仿真

2.1 設置仿真條件

2.1.1 設置對照組

為了凸顯TSSA算法在吸收塔漿液pH值控制中的應用效果，研究過程將串級-前饋控制、SSA-串級-前饋控制作為TSSA-串級-前饋控制的對照組。其中，SSA代表麻雀搜索算法。

2.1.2 仿真模型設置

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

2.2 無干擾情況仿真

2.2.1 串級-前饋控制關鍵參數尋優結果

串級-前饋控制的關鍵參數為比例系數Kp、積分系數Ki、微分系數Kd，能夠影響階躍響應函數的輸入信號[7]。SSA算法和TSSA算法用于關鍵參數尋優，表1對比了串級-前饋控制、SSA-串級-前饋控制、TSSA-串級-前饋控制三種模式下的Kp、Ki、Kd。從數據可知，經過不同算法優化后，3個參數的取值均存在較大的差異。

2.2.2 無干擾情況下pH值調控效果

將Kp、Ki、Kd參數代入串級-前饋控制模型，并且根據G1（s）=2.57/（3s+1）調控漿液流量，基于公式（4）調控pH值，吸收塔漿液pH值調控結果如圖3所示。由圖3可知，當采用串級-前饋控制模式時，pH值超調量較大，石灰石漿液閥轉速為200r/min時pH值達到穩定。當采用SSA-串級-前饋控制模式時，pH值超調量低于串級-前饋控制模式，pH值達到穩定狀態的漿液閥轉速為150r/min。當采用TSSA-串級-前饋控制時，pH值超調量最小，達到穩定狀態的漿液閥轉速為100r/min。

2.2.3 控制模型性能指標對比

對比3種調控模式的準確性和快速性，其中準確性可進一步劃分為最大動態偏差、超調量、靜差。根據圖3可求得各個評價指標，結果見表2。TSSA-串級-前饋控制模型對pH值的調控效果最佳，明顯優于2個對照組。

2.3 有干擾情況仿真

2.3.1 干擾條件設置

有干擾情況下的仿真條件整體上與2.1小節相同，當pH調控達到穩定狀態（pH值為5.5）時，在特定時刻施加時長為400s的煙氣流量擾動干擾。當煙氣流量發生變化時，SO2濃度和pH隨之改變。

2.3.2 有干擾情況下pH值調控效果

根據表2設置串級-前饋控制的關鍵參數，根據G1（s）=2.57/（3s+1）調控漿液流量，pH值響應曲線的控制模型為公式（4），3種控制模式對應的吸收塔漿液pH值調控結果如圖4所示。在0s～300s，pH值調控結果與圖3相同。當t=400s時，干擾因素出現，3種調控模式對應的pH值均出現了波動。此時，TSSA-串級-前饋控制模式最早恢復穩定，并且pH值偏移量最小。SSA-串級-前饋控制模式的pH值偏移量較小，先于串級-前饋模式恢復穩定。串級-前饋控制模式的pH值偏移量最大，恢復穩定消耗的時間最長。可見，TSSA-串級-前饋模式對pH值的調控效果最佳。

2.3.3 控制模型性能指標對比

在有干擾條件下，3種控制模式的調節時長、pH值最大動態偏差、超調量和pH值靜差的模擬結果見表3。TSSA-串級-前饋控制模式耗時最短，pH值與目標值5.5的動態偏差僅為0.43，超調量僅為-7.81%。可見，TSSA-串級-前饋控制模式對吸收塔漿液池pH值的調控精度最高，達到了預期的設計目標。

3 結語

吸收塔漿液pH值精確調控是提高火電廠煙氣脫硫效果的重要技術措施，常規的串級-前饋控制模式在實際應用中存在較多的不足，主要問題為超調量偏高、調節響應速度慢。為了提高pH值調控精度，引入TSSA算法，構建了TSSA-串級-前饋控制模式。根據研究內容，可得出以下結論。1）在串級-前饋控制模式中引入TSSA算法后，可根據煙氣數據確定比例系數、積分系數、微分系數的合理取值，從而優化石灰石漿液閥和漿液池的輸入參數。2）通過仿真檢測TSSA-串級-前饋控制模式的應用效果，將串級-前饋控制模式和SSA-串級-前饋控制模式作為對照組。設置有干擾和無干擾2種情況，其他仿真條件保持一致，模擬3種控制模式調節pH值的耗時、調節結果與控制目標的最大動態偏差以及超調量。結果顯示，TSSA-串級-前饋控制模式耗時最短，超調量和pH值最大動態偏差均最小。因此，引入TSSA算法后，串級-前饋控制模式的pH值調節速度明顯提高，超調量顯著下降，達到了預期的設計目標。

參考文獻

[1]李建強，楊紅，牛成林.基于改進即時學習算法的吸收塔pH值軟測量技術研究[J].電力科學與工程，2021，37（8）：60-66.

[2]談智玲，王瑞民，詹靜，等.燃煤電廠濕法煙氣脫硫pH值的影響與脫硫效果淺析[J].機電信息，2021（25）：55-57.

[3]馬葉紅.吸收塔漿液pH值的影響因素及控制研究[J].清洗世界，2021，37（2）：40-41.

[4]楊龍.濕式鈣法煙氣脫硫系統吸收塔內漿液pH值檢測裝置優化[J].價值工程，2020，39（12）：162-163.

[5]陳長和，陳朝曄，姜志偉，等.基于模型預測控制算法的脫硫控制系統優化[J].浙江電力，2023，42（7）：94-101.

[6]彭歌亮，宮建，孫耀，等.基于極限學習機的濕法脫硫效率預測方法研究[J].工業控制計算機，2021，34（11）：127-129.

[7]劉安業，曹程凱，郅建敏，等.淺談鋁電解石灰石—石膏濕法脫硫漿液鎂離子含量對系統的影響[J].世界有色金屬，2022（18）：8-11.