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第 43 卷第 8 期 中南大学学报(自然科学版) Vol.43 No.8
2012年8月 Journalof Central SouthUniversity (Science andTechnology) Aug.2012
烧结烟气脱硫塔顶温度前馈-反馈模糊控制策略
王春生,徐艳阳,曹卫华,吴敏
(中南大学 信息科学与工程学院,中南大学先进控制与智能自动化湖南工程实验室,湖南 长沙,410083)
摘要:针对烧结烟气脱硫过程存在入口烟气温度波动问题,提出一种前馈-反馈模糊控制策略。根据能量守恒原
理建立多元线性回归喷水量前馈计算模型,获得喷水量的设定值;采用模糊控制算法,根据实时工况对喷水量进
行补偿。研究结果表明:喷水量前馈计算模型能有效抑制入口烟气波动影响,模糊控制器实现对塔顶温度的稳定
跟踪控制。应用前后的工业效果表明:该控制策略能有效改善塔顶温度的控制效果。
关键词:烧结烟气脱硫;塔顶温度;前馈计算模型;模糊控制
中图分类号:TP273 文献标志码:A 文章编号:1672−7207(2012)08−3039−07
A fuzzycontrols trategywithfeedf orwardfeedbackfortowertop
tempera tureinsinteringgasdesulphurizationprocess
WANGChunsheng, XUYanyang,CAOWeihua,WUMin
(HunanEngineeringLaboratoryforofAdvancedControlandIntelligentAutomation,
SchoolofInformationScienceandEngineering,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China)
Abstract: Tofindasolutiontotheissue offluegastemperaturefluctuationsexisting inthesinteringgasdesulphurization
process,afuzzycontrolstrategywithfeedforwardfeedbackfortowertoptemperaturewasproposed.Asettingvalueof
spraywatervolumewascalculatedbyamultiplelinearregressionfeedforwardcalculationmodel,whichwasestablished
basedontheenergyconservationlaw.Accordingtotheworkingconditions,thefuzzy controlalgorithmwasappliedto
compensatethespray water.Theresultsshowthatthefeedforwardmodelcaninhibittheinfluencecausedbydisturbance
of flue gases change, and the fuzzy controller can stabilize the control of tower top temperature. According to the
comparisonofindustrialapplication resultsbeforeandafter,thecontrolstrategy designed caneffectively improve the
controleffectonthetowertoptemperature.
Keywords: sinteringgasdesulphurization;towertoptemperature;feedforwardcalculationmodel;fuzzycontrol
全球大气污染加剧,污染物的排放控制问题逐渐
引起重视,控制SO
2
的排放对改善全球环境和减少大
气污染有着至关重要的作用。钢铁工业是我国国民经
济的支柱产业,也是能源、资源消耗和环境污染大
户
[1]
。 作为钢铁冶炼的重要环节, 烧结烟气产生的 SO
2
占钢铁企业排放总量的 70%以上,个别企业达到 90%
左右(不含燃煤自备电厂产生的 SO
2
), 其节能减排在钢
铁行业节能减排中占有重要地位
[2−3]
。因此,烧结烟气
脱硫对实现钢铁行业污染物达标排放有着重要的意
义。随着烧结生产工艺技术的进步,烧结机实现大型
化,烧结矿的产量大幅度增加,伴随着单机废气量和
SO
2
排放量增大。在烧结过程的 SO
2
排放控制方面,
我国与国际先进水平相比存在明显差距,具有很大的
减排提升空间
[4]
。目前,脱硫工艺主要有湿法、半干
法和干法3 种类型。半干法循环流化床烟气脱硫工艺
占地面积小,建造成本较低,在国内烧结厂应用较普
遍。该工艺中合适的塔内温度环境对脱硫化学反应有
重要的作用,在很大程度上影响脱硫效率。在烧结烟
收稿日期:2011−08−13;修回日期:2011−10−03
基金项目:国家“863”计划项目(2009AA04Z157)
通信作者: 吴敏(1963−), 男, 广东化州人, 教授, 博士生导师, 从事过程控制、 鲁棒控制与智能系统研究; 电话:073188836091;Email:min@csu.edu.cn
中南大学学报(自然科学版) 第43卷
3040
气脱硫过程中,实现塔顶温度的稳定化控制是提高脱
硫效率确保SO
2
达标排放的关键。目前,国内研究大
部分是针对电厂循环流化床锅炉的。蒋晓肖等
[5]
利用
采集到的输入输出数据建立给煤量与床温的模糊神经
模型。仿真结果表明:与传统的 PID 控制算法相比,
该模型的 RBF 控制算法具有较短的动态响应时间和
到达稳态时间。潘笑等
[6]
在研究过热汽温变化系统动
态特性的基础上, 设计增益可调的内模自适应控制器,
并建立控制系统的 SIMULINK 仿真模型。 上述研究均
通过智能建模方法建立以温度为对象的模型。然而,
烧结烟气与电厂锅炉产生的烟气有很大区别,烧结烟
气的温度和烟气量波动很大,不考虑烟气温度和流量
的波动难以建立准确的符合实际工况的模型。在温度
的控制算法方面, 王子杰等
[7]
将自抗扰控制引入循环
流化床锅炉汽温控制系统,提出基于混沌变异算子的
小生境量子遗传算法, 用于自抗扰控制器的参数优化。
仿真结果表明:优化后的自抗扰控制系统具有良好的
控制效果,且在对象特性发生变化的情况下,仍能够
获得较好的控制效果。付萍等
[8]
提出一种针对电厂锅
炉燃烧过程的控制策略,通过1次风的控制设计1 个
双回路的控制器,给出在该控制器下实际动态品质及
参数优化结果,证明该控制器在现场的可行性。李少
安等
[9]
针对超临界直流锅炉主汽温对象的调节特点,
将中间点温度信号作为前馈引入主汽温调节系统,利
用神经网络进行系统辨识,运用单纯形法寻优 PID 控
制参数,达到最优控制效果。在以上研究方法中,绝
大多数控制器是基于一种假定的一阶滞后对象设计
的,这种对象很难满足现场需求,实际的系统中负荷
变化大、烧结烟气温度波动大,传统的控制方法难以
取得良好的实际控制效果
[10]
。本文针对塔顶温度控制
问题,提出一种前馈-反馈模糊控制策略。在对喷水
减温过程各种能量流向关系进行分析的基础上,建立
热平衡方程,应用多元线性回归的方法建立喷水量作
为前馈计算模型,抑制入口烟气波动给系统控制带来
的影响,通过设计模糊控制器实现塔顶温度的稳定跟
踪控制。
1 工 艺 机 理 分 析 与 塔 顶 温 度 控 制
策略
1.1 工艺机理分析
本文研究的工艺对象是某钢铁企业烧结机烟气脱
硫过程,脱硫工艺采用的是循环流化床结构,如图 1
所示。 在该循环流化床脱硫工艺中, 烧结机产生的 SO
2
高温烟气通过烟道进入脱硫塔主体部分,经过脱硫塔
的文丘里管段(①)加速后,进入脱硫塔上部圆柱形管
段,烟气中的SO
2
在此与加入的脱硫剂和水进行化学
反应,通过化学反应将烟气中的SO
2
吸收,降低SO
2
浓度。然后,烟气从塔顶出来到达两侧的旋风分离器
(②),经过气固分离之后,固体物再次循环进入脱硫
塔参与脱硫,气体向上溢出经过布袋除尘器(③)和风
机(④)排入烟囱。整个系统由风机产生负压为烟气流
动提供动力。
在脱硫过程中脱硫塔内的温度环境对脱硫效率的
影响作用十分关键。一方面,因为脱硫反应是一个放
热过程,塔顶温度过高,脱硫反应将受到阻碍作用;
另一方面, 烟气温度过高使进入塔内的液体迅速蒸发,
脱硫剂颗粒表面无法形成水膜状, 不利于 SO
2
的吸收;
但是,当塔顶温度过低,则表明塔内喷水过多,烟气
中的湿度将过大,会导致设备有受到酸性液体腐蚀的
可能、尾部布袋除尘器因脱硫产物黏结而堵塞等一系
列问题。因此,对塔顶温度的控制将直接影响到系统
的脱硫效率和设备的正常运行情况
[11]
,通过机理分析
和经验总结,一般将塔顶温度控制在 80 ℃。
塔顶温度通过调节脱硫塔内喷水量来进行控制。
本系统中喷水装置位于文丘里段,如图1所示。水首
先与压缩空气混合,然后通过布置于塔内的喷嘴,以
雾化的形式进入塔内。喷水的作用一方面是控制塔内
温度,使塔内达到一个有利于脱硫反应进行的温度环
境;另一方面,可以使脱硫剂颗粒的表层形成脱硫剂
溶液,为充分有效地吸收 SO
2
提供必要的条件
[12]
。
在实际系统中, 塔顶温度的调节手段为喷水减温。
但喷水量的控制主要存在下面 2 个问题:
(1) 由于烧结过程产生的烟气性质特殊,若烧结
矿本身的含硫量变化较大时,则会造成烧结入口烟气
温度及烟气量的波动范围较大,进入脱硫塔烟气的温
度一般为 130~250 ℃,从而导致脱硫过程中存在多种
不确定性、扰动量大的问题。
(2) 由于脱硫塔体是一种大体积罐体,喷水减温
过程具有一定惯性,这种控制的惯性问题很容易造成
超调问题。
1.2 塔顶温度智能控制策略
针对以上问题,提出基于前馈−反馈模糊控制策
略,建立塔顶温度控制系统,其结构图如图 2所示,
D={入口烟气温度,入口烟气量,脱硫浆液量,塔顶
温度}。
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