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)。
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