CN108043163B - 一种脱除细颗粒物的控制系统及其智能控制方法 - Google Patents

一种脱除细颗粒物的控制系统及其智能控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于节能环保领域，并公开了一种脱除细颗粒物的控制系统及智能控制方法。该控制系统包括聚并器、激光颗粒计数器和PID控制器。聚并器用于使细颗粒物团聚长大，便于下游除尘设备对颗粒物脱除，聚并器内部分布多个与来流平行的隔板，每个隔板上间隔布置有多排扰流叶片，扰流叶片通过连接轴固定在隔板上，连接轴转动使得扰流叶片角度改变；激光颗粒计数器用于检测聚并器的气流入口、出口的粉尘浓度与粒径分布；PID控制器与聚并器的连接轴和激光颗粒计数器连接，用于控制扰流片的角度。本发明还公开了该控制系统的智能控制方法。通过本发明，实现对扰流片角度的智能控制，快速高效的满足国家对细颗粒物的减排标准，减少人为操作的误差。

Description

一种脱除细颗粒物的控制系统及其智能控制方法
技术领域
本发明属于节能环保领域，更具体地，涉及一种脱除细颗粒物的控制系统及其智能控制方法。
背景技术
目前燃煤火电机组为实现超低排放，采用的最为先进的技术布置为：SCR(脱硝)+ESP/FF(电或袋除尘)+WFGD(湿法脱硫)+WESP(湿式电除尘)。但是，湿式电除尘设备复杂，投资和能耗大，对材料的耐腐蚀性能要求很高，耗水量大且污水需要处理。从机组运行经济性和安全性考虑，需要更高效低成本的除尘装置以满足超低排放需要。
随着颗粒粒径和颗粒间距离的变小，促进颗粒接触的范德华力的作用会变强并起主导作用，引起颗粒的团聚。在烟尘所处的气固两相流烟气环境中引入扰流片，通过调节扰流片产生的涡流的强度、大小、回流强弱等来控制烟气中颗粒物的流动，加强大颗粒和小颗粒的相互接触和作用，加强壁面扰流和回流，使细颗粒物聚并在大颗粒或固体壁面表面附近实现颗粒长大，可促进进入除尘器后细颗粒物的脱除率。以此为原理设计的聚并器布置在现有电除尘器之前的烟道，不需改变燃煤机组或工业炉原有污染物控制设备的运行程序，且安装与运行成本相比目前主流的WESP降低约2/3，有着很大的市场前景。但目前涉及颗粒团聚的聚并器技术(专利ZL 201510278522.2)采用固定叶片，无法调节扰流片角度，因而既不能保证来流浓度变化时仍然达到满足减排要求的除尘效果，也无法实现灵活快速的最优智能控制以达到超低排放标准。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种脱除细颗粒物的控制系统及其智能控制方法，一方面通过对聚并器的设计，其目的在于使其扰流片与烟尘来流角度可自由变化，同时，吹灰口的设计可定期吹净扰流片前后堆积的颗粒物，另一方面，通过对控制系统采用模糊专家PID控制，其目的在于提供一种快速准确执行团聚效果佳和流动阻力小的最优决策的智能控制方法，由此解决在复杂煤种和运行工况下，扰流程度和细颗粒物聚并效果最优的灵活控制的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种脱除细颗粒物的控制系统，其特征在于，该控制系统包括聚并器、激光颗粒计数器和PID控制器，
所述聚并器用于使烟尘来流中的细颗粒物团聚长大，使得下游除尘设备实现对细颗粒物的脱除，该聚并器呈两端敞口的壳体，该壳体的两端敞口分别是气流入口和气流出口，所述壳体内部均匀分布多个与烟尘来流平行的隔板，每隔隔板上间隔布置有多排扰流叶片，其中，所述扰流叶片通过连接轴固定在所述隔板上，通过调节所述连接轴的转动从而调节所述扰流叶片与烟尘来流的夹角；
所述激光颗粒计数器设置在所述聚并器的气流入口和气流出口端处，用于检测所述聚并器的气流入口的和出口的粉尘浓度与粒径分布；
所述PID控制器与所述聚并器的连接轴和激光颗粒计数器连接，将通过所述下游除尘设备后的粉尘浓度与预设标准对比，根据对比的结果采用模糊专家PID控制算法调节所述连接轴转动，从而改变扰流叶片与烟尘来流夹角，直至脱除细颗粒物后的粉尘浓度达到预设标准。
进一步优选地，所述扰流片与烟尘来流的夹角调节范围为-90°～90°。
进一步优选地，所述聚并器壳体的气流入口端底部设置有吹灰口，通过在该吹灰口中插入吹灰器，同时调整所述扰流片与烟尘来流的夹角为-90或90°，实现吹扫堆积在扰流片上的颗粒物。
进一步优选地，在同一个所述隔板上，所述扰流片交错排布在该隔板的上方和下方。
进一步优选地，所述聚并器后面还依次连接有除尘器和末端烟气排放连续监测器(CEMS)，该CEMS用于监测经所述聚并器和除尘器处理后气流中的粉尘浓度，所述除尘器出口和末端CEMS均与PID控制器连接。
按照本发明的另一方面，提供了一种上述所述的控制系统的模糊专家控制方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(a)采集聚并器入口粉尘浓度，然后通过调节扰流片的角度以改变脱除细颗粒物后的粉尘浓度，并获得当脱除细颗粒物后的粉尘浓度达到预设的减排粉尘浓度要求时对应的扰流片角度，该扰流片角度为该入口粉尘浓度下对应的最佳扰流片角度，同时，也获得该最佳扰流片角度对应的脱除细颗粒物后的粉尘浓度；
(b)调节聚并器入口粉尘浓度，重复步骤(a),由此获得不同的入口粉尘浓度下各自对应的最佳扰流片角度和脱除细颗粒物后的粉尘浓度，实现专家知识库的初始构建，其中，所述脱除细颗粒物后的粉尘浓度为聚并器出口、除尘器出口或末端CEMS的粉尘浓度；
(c)在聚并器中通入待处理的烟尘来流时，采集聚并器当前入口粉尘浓度，输入所述专家知识库中匹配，获得该当前入口粉尘浓度对应的当前最佳扰流片角度和对应的当前脱除细颗粒物后的粉尘浓度；
(d)根据步骤(c)中获得的当前脱除细颗粒物后的粉尘浓度，与预设浓度标准的对比，采用PID智能控制算法调节扰流片角度，实现在当前状态下扰流片与烟尘来流夹角的调节，使所述当前脱除细颗粒物后的粉尘浓度降至所述预设浓度标准以下。
进一步优选地，在步骤(d)中，所述PID智能控制算法为模糊专家PID控制算法，包括下列步骤：
(d1)采集当前状态和上一个状态脱除细颗粒物后的粉尘浓度，计算当前状态t时刻相比于上一个状态t-1时刻的脱除细颗粒物后的粉尘浓度的偏差et、偏差的绝对值|et|和偏差变化率Δet；
(d2)预设误差最大阈值emax、中间阈值emid和最小阈值emin，
当emid≤|et|<emax、emin≤|et|<emid或|et|<emin时，选用模糊PID控制算法；
当|et|≥emax或emid≤|et|<emax时，选用专家PID控制算法。
进一步优选地，所述当前脱除细颗粒物后的粉尘浓度降至所述预设浓度标准以下后，将实时扰流片的角度和实时脱除细颗粒物后的粉尘浓度反馈给所述专家知识库，实现专家知识库的学习。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
1、本发明通过在聚并器中设置连接轴，转动连接轴可调整整排扰流片与烟尘来流的角度，该连接轴与PID控制器连接，实现了转动轴的智能控制，根据烟尘来流粉尘浓度的变化灵活快速调整扰流片的角度，提高除尘效率；
2、本发明通过采用在聚并器的入口端设置吹灰口，可定期对扰流片上堆积的颗粒物进行清理，进一步提高除尘效率，延长聚并器的使用寿命，降低成本；
3、本发明通过采用模糊专家PID智能控制，根据颗粒物浓度偏差e和浓度偏差变化率Δe来选择模糊PID控制或专家PID控制，该控制方法相比其他控制方法可更加快速和高效地实现进入稳态的控制；
4、本发明通过PID智能控制，当排放浓度持续低于国家标准，或因煤种和运行工况改变聚并器入口烟尘浓度明显降低时，连接轴调小扰流片与烟尘来流角度，从而减小烟道内阻力，增加电厂经济性，同时，控制目标是实时达到减排目标和电厂经济性的最优化，实现动态快速灵活反应，避免人为经验引起的控制误差。
附图说明
图1是按照本发明的优选实施例所构建的控制系统的示意图；
图2是按照本发明的优选实施例所构建的聚并器隔板结构示意图；
图3是按照本发明的优选实施例所构建的控制方法流程图；
图4是按照本发明的优选实施例所构建的模糊专家PID控制算法示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-隔板 2-扰流片 3-连接轴 4-吹灰口 5-激光颗粒计数仪 6-PID控制器
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
为了实现上述目的，本发明提供的一种脱除细颗粒物的控制系统，该控制系统包括聚并器、激光颗粒计数器、和PID控制器，PID控制器同时采集聚并器下游的除尘器出口和末端CEMS的粉尘浓度数据。
在燃煤机组或工业炉的除尘器前烟道上安装可实现对烟尘中细颗粒物聚并长大的聚并器，如图1和2所示，聚并器宽度和高度与烟道一致，长度依机组容量而变化，一般在3～5米。该聚并器包括隔板1、扰流片2及其连接轴3、吹灰口4、激光颗粒计数仪5、PID控制器6。
聚并器安装3～5排隔板铺满聚并器截面积，每排隔板间均匀布置扰流片。扰流片的排列兼顾空间利用率、产涡的耦合作用和烟道流动阻力，扰流片沿烟道宽度、长度方向分布距离在0.15～0.2米。
如图2所示聚并器的扰流片连接轴布置在隔板内部，并沿烟道宽度方向布置，每个连接轴的作用是连接一排扰流片，转动连接轴即可调整整排扰流片与烟尘来流的角度，角度较大时颗粒扰动和聚并效果普遍会增强，但也会增大烟道流动阻力，因而需要合理控制寻求平衡，扰流片与烟尘来流的角度可在-90℃和90℃之间变化，隔板上方、下方扰流片设置角度可不同，连接轴的转动由PID控制器控制。
聚并器入口下端设有一个吹灰口，可插入吹灰器，当定期吹灰时，连接轴控制扰流片先全部倒向出口方向(90℃)，吹掉扰流片前端堆积的颗粒物，再全部倒向烟尘来流方向(-90℃)，吹扫扰流片后端回流区堆积的颗粒。
激光颗粒计数仪设置在聚并器前后端各开口处，用于测试聚并器入、出口的粉尘浓度和粒径分布，数据输入传感器。
除尘器连接在聚并器后面，末端CEMS设置在除尘器后面。聚并器扰流片连接轴、激光颗粒计数器、除尘器、和末端CEMS均与PID控制器连接。
一种脱除细颗粒物的控制系统的智能控制方法，其采用模糊专家PID控制方法的智能控制策略，快速稳定的满足细颗粒物的超低排放要求。
该控制方法是当燃煤电厂或工业炉连接环保局的CEMS实时监测的粉尘浓度超过超低排放标准时，指示聚并器隔板内连接轴调大扰流片与烟尘来流角度，通过更大的扰流捕获更多细颗粒物，以使下游除尘器的除尘效率提高，除尘器出口浓度达到减排标准；当出口排放浓度持续低于标准，以及因煤种或运行工况改变导致聚并器入口烟尘浓度明显降低时，指示连接轴调小扰流片与烟尘来流角度，减小烟道阻力以增加电厂经济性，控制目标是实时达到减排目标和电厂经济性的最优化，实现动态快速灵活反应，避免人为经验引起的控制误差。
PID控制器的输入变量为粉尘浓度，测点包括聚并器入口、出口，除尘器出口，以及末端CEMS，控制实施时粉尘浓度可以选择为聚并器出口处的粉尘浓度、除尘器出口粉尘浓度或末端CEMS监测器的粉尘浓度中任一种，以实施效果最佳为准，控制变量是隔板上、下侧连接轴上的扰流片与烟尘来流角度，为合理控制烟道阻力，隔板上、下侧连接轴上的扰流片与烟尘来流角度通常只在0-50℃内选择。
PID控制器是在基于模糊专家控制的PID智能控制，根据颗粒物入口浓度、除尘器出口浓度、CEMS监测浓度、烟道阻力、及扰流片角度等参数的关联自动匹配调用专家知识库，判断相应的控制规则，且专家知识库可以根据实际控制情况在线修改并保存，并通过离线学习使知识库不断修正。
PID控制器采用的模糊专家PID控制器的输入变量为颗粒物浓度偏差e和浓度偏差变化率Δe，将偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制变量，对控制对象进行控制，当误差的绝对值较大时，需要实施较强的控制作用，自动选择采用进入稳定状态快的专家PID控制器；当误差绝对值较小，实施较弱的控制作用，则自动采用精度高、鲁棒性好的模糊PID控制器。
图3是按照本发明的优选实施例所构建的控制方法流程图，如图3所示，控制系统的智能控制方法包括的步骤如下：
(1)采集聚并器入口粉尘的浓度，调节扰流片的角度以改变脱除细颗粒物后的粉尘浓度，获得在聚并器该入口粉尘浓度下，通过除尘后的排放粉尘浓度稳定达到减排要求时对应的最佳扰流片角度，由此获得在聚并器多个不同的入口粉尘浓度下各自对应的最佳扰流片角度，实现专家知识库的初始构建，其中，所述脱除细颗粒物后的粉尘浓度为聚并器出口、除尘器出口或末端CEMS的粉尘浓度；
(2)在聚并器中通入待处理的烟尘来流时，采集聚并器入口的粉尘浓度，输入所述专家知识库中匹配后调节至近似粉尘浓度对应的最佳扰流片角度；
(3)根据步骤(2)中获得的当前最佳扰流片角度对应的脱除细颗粒物后的粉尘浓度，通过和预设浓度标准的对比，采用模糊专家PID智能控制算法调节扰流片角度，实现在当前状态下扰流片与烟尘来流夹角的调节，使脱除细颗粒物后的粉尘浓度降至排放标准以下；
(4)调节后的当前状态下入口粉尘浓度和扰流片角度反馈给所述专家知识库，实现专家数据库的不断学习，使得烟尘来流工况改变时PID控制器做到对扰流片与烟尘来流角度的提前响应、反馈控制，实现颗粒物排放浓度稳定低于超低排放标准，并实现当出口排放浓度持续低于标准时适当调节扰流片角度，减小烟道阻力以兼顾电厂经济性。
图4是按照本发明的优选实施例所构建的模糊专家PID控制算法示意图，模糊专家PID控制器是通过对除尘器出口颗粒物浓度测定值和设定值之间的比较，对扰流片与烟尘来流角度进行控制，以保持出口浓度稳定达到超低排放标准。如图4所示，模糊专家PID控制器的输入变量为颗粒物浓度偏差e和浓度偏差变化率Δe，实施例的输入变量选择为除尘器出口粉尘浓度，将偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制变量，对控制对象：扰流片角度进行控制。根据当前浓度、烟气阻力等参数自动从专家知识库中提取信息，判断相应地控制规则，当误差的绝对值较大时，需要实施较强的控制作用，自动选择采用进入稳定状态快的专家PID控制算法；当误差绝对值较小，由控制器实施较弱的控制作用，则自动采用精度高、鲁棒性好的模糊PID控制算法。
模糊专家控制器的输入变量颗粒物浓度偏差e和浓度偏差变化率Δe，输出变量u为ΔKP、ΔKI和ΔKD，是一个双输入三输出的控制器。根据t时刻的|et|及et·Δet的值，预先分别设置误差最大阈值emax、中间阈值emid和最小阈值emin构成不同的模糊状态。
如果|et|≥emax，表明误差的绝对值很大，这样不论误差有怎么样的变化趋势，PID控制器应最大输出以迅速调整误差，使误差绝对值最快减小，采用进入稳定状态快的专家PID控制器；
如果emid≤|et|<emax，当et·Δet>0、et·Δet+1>0，说明误差还在继续增大，也需要选择专家PID控制器施加较强的控制作用；
如果emid≤|et|<emax，当et·Δet<0、et·Δet+1<0，说明误差正在缩小，选择精度高、鲁棒性好的模糊PID控制器即可；
如果emin≤|et|<emid，误差并没有很大，选择模糊PID控制器实施一般控制作用，或扭转误差正在变大的趋势；
如果|et|<emin，表明误差的绝对值很小，仅仅需要减少稳态误差，采用模糊PID控制器。
实施例所试验聚并器入口颗粒物浓度为1281mg/Nm3时，通过模糊专家PID控制器调节后除尘器出口颗粒物浓度为9.7mg/Nm3，上、下端扰流片与烟尘来流的夹角均为42℃，烟道阻力为327Pa；所试验聚并器入口颗粒物浓度为876mg/Nm3时，通过模糊专家PID控制器调节后除尘器出口颗粒物浓度为9.5mg/Nm3，上、下端扰流片与烟尘来流的夹角均为27℃，烟道阻力为306Pa。通过模糊专家PID控制器调节后除尘器出口颗粒物浓度稳定在9.5mg/Nm3左右，波动范围在10％以内。系统可实现动态快速灵活反应，节省人力，避免人为经验引起的控制误差，平稳高精度的满足10mg/Nm3的超低排放标准。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种脱除细颗粒物的控制系统，其特征在于，该控制系统包括聚并器、激光颗粒计数器和PID控制器，所述聚并器用于使烟尘来流中的细颗粒物团聚长大，使得下游除尘设备实现对细颗粒物的脱除，该聚并器呈两端敞口的壳体，该壳体的两端敞口分别是气流入口和气流出口，所述壳体内部均匀分布多个与烟尘来流平行的隔板，每隔隔板上间隔布置有多排扰流叶片，其特征在于，
所述扰流叶片通过连接轴固定在所述隔板上，通过调节所述连接轴的转动从而调节所述扰流叶片与烟尘来流的夹角；
所述激光颗粒计数器设置在所述聚并器的气流入口和气流出口端处，用于检测所述聚并器的气流入口的和出口的粉尘浓度与粒径分布；
所述PID控制器与所述聚并器的连接轴和激光颗粒计数器连接，将通过所述下游除尘设备后的粉尘浓度与预设标准对比，根据对比的结果采用模糊专家PID控制算法调节所述连接轴转动，从而改变扰流叶片与烟尘来流夹角，直至脱除细颗粒物后的粉尘浓度达到预设标准。
2.如权利要求1所述的一种脱除细颗粒物的控制系统，其特征在于，所述扰流片与烟尘来流的夹角调节范围为-90°～90°。
3.如权利要求1所述的一种脱除细颗粒物的控制系统，其特征在于，所述聚并器壳体的气流入口端底部设置有吹灰口，通过在该吹灰口中插入吹灰器，同时调整所述扰流片与烟尘来流的夹角为-90或90°，实现吹扫堆积在扰流片上的颗粒物。
4.如权利要求1所述的一种脱除细颗粒物的控制系统，其特征在于，在同一个所述隔板上，所述扰流片交错排布在该隔板的上方和下方。
5.如权利要求1所述的一种脱除细颗粒物的控制系统，其特征在于，所述聚并器后面还依次连接有除尘器和末端烟气排放连续监测器，该末端烟气排放连续监测器用于监测经所述聚并器和除尘器处理后气流中的粉尘浓度，所述除尘器出口和末端烟气排放连续监测器均与PID控制器连接。
6.一种如权利要求5所述的控制系统的模糊专家智能控制方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(a)采集聚并器入口粉尘浓度，然后通过调节扰流片的角度以改变脱除细颗粒物后的粉尘浓度，并获得当脱除细颗粒物后的粉尘浓度达到预设的减排粉尘浓度要求时对应的扰流片角度，该扰流片角度为该入口粉尘浓度下对应的最佳扰流片角度，同时，也获得该最佳扰流片角度对应的脱除细颗粒物后的粉尘浓度；
(b)调节聚并器入口粉尘浓度，重复步骤(a)，由此获得不同的入口粉尘浓度下各自对应的最佳扰流片角度和脱除细颗粒物后的粉尘浓度，实现专家知识库的初始构建，其中，所述脱除细颗粒物后的粉尘浓度为聚并器出口、除尘器出口或末端烟气排放连续监测器的粉尘浓度；
(c)在聚并器中通入待处理的烟尘来流时，采集聚并器当前入口粉尘浓度，输入所述专家知识库中匹配，获得该当前入口粉尘浓度对应的当前最佳扰流片角度和对应的当前脱除细颗粒物后的粉尘浓度；
(d)根据步骤(c)中获得的当前脱除细颗粒物后的粉尘浓度，与预设浓度标准的对比，采用PID智能控制算法调节扰流片角度，实现在当前状态下扰流片与烟尘来流夹角的调节，使所述当前脱除细颗粒物后的粉尘浓度降至所述预设浓度标准以下。
7.如权利要求6所述的智能控制方法，其特征在于，在步骤(d)中，所述PID智能控制算法为模糊专家PID控制算法，包括下列步骤：
(d1)采集当前状态和上一个状态脱除细颗粒物后的粉尘浓度，计算当前状态t时刻相比于上一个状态t-1时刻的脱除细颗粒物后的粉尘浓度的偏差et、偏差的绝对值|et|和偏差变化率Δet；
(d2)预设误差最大阈值emax、中间阈值emid和最小阈值emin，
当emid≤|et|<emax、emin≤|et|<emid或|et|<emin时，选用模糊PID控制算法；
当|et|≥emax或emid≤|et|<emax时，选用专家PID控制算法。
8.如权利要求6所述的智能控制方法，其特征在于，所述当前脱除细颗粒物后的粉尘浓度降至所述预设浓度标准以下后，将实时扰流片的角度和实时脱除细颗粒物后的粉尘浓度反馈给所述专家知识库，实现专家知识库的学习。
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