（控制理论与控制工程专业论文）基于ts模糊模型的循环流化床烟气脱硫系统建模的研究.pdf

j at h e s i si nc o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g r e s e a r c ho nc f b - - f g ds y s t e mm o d e l i n gb a s e d o nt - sf u z z ym o d e l b yz h a n gw e n ji n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o r l ih o n g r u n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 l - i o一i !_，1 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 ，的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 盘 0 l 一屡o j 学位论文作者签名：涨丈嘏 日期：2 0 0 8 7 7 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 厶。 ，l 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：张爻嫱 签字日期：2 0 0 8 7 7 导师签名： 签字日期 渺驽 71抛s 1 一 f j 东北大学硕士学位论文 摘要 基于t - s 模糊模型的循环流化床烟气脱硫系统建模的研究 摘要 循环流化床烟气脱硫( c f b f g d ) 技术是一项新型半干法烟气脱硫工艺，能在较低 的钙硫比情况下接近或达到湿法工艺的脱硫效率，具有脱硫产物易于处理、设备占地面 积小、运行可靠、操作维护方便、投资费用低等优点，是最适合我国国情的脱硫技术。 c f b f g d 系统是一个复杂系统，建立c f b f g d 的数学模型一直是核心问题之一。 本文以国家“十五 重点攻关课题“c f b f g d 设备自动控制技术的研究与开发 为基 础，为了更好地实现各回路的实际控制，对c f b f g d 系统进行了建模研究。 首先系统地介绍烟气脱硫技术的发展概况，然后分析循环流化床烟气脱硫技术的机 理及工艺过程。在此基础上，根据c f b f g d 操作过程的主要控制参数，深入研究了系 统的三个主要控制回路：烟气出口温度控制回路、二氧化硫排放浓度控制回路和脱硫塔 压差控制回路。进而，对各控制回路建立了t - s 模糊模型，建立了喷水量与烟气出口温 度、脱硫剂给料量和循环灰给料量与二氧化硫排放浓度，以及循环灰给料量与脱硫塔压 差之间的t - s 模糊模型。 采用鲁棒竞争算法对所建立的t - s 模型进行辨识，并采用正交最小二乘法对所得到 的模糊规则进行简化。鲁棒竞争算法的优点在于不需要对系统模糊规则的主要参数进行 预先确定，只根据被辨识系统的输入输出测试数据就可以直接辨识出系统的模糊规则及 模型参数。正交最d x - 乘算法可以有效地减少了模糊聚类过程中产生的冗余或不重要的 模糊规则，获取包含系统重要特征的模糊规则，由此获得的t - s 模糊模型具有较高的建 模精度和泛化能力。 仿真实验结果验证了c f b f g d 系统各回路模型的动态响应关系，所建模型能够很 好地逼近实际系统。 关键词：循环流化床烟气脱硫( c f b f g d ) ；模糊建模；t - s 模型；鲁棒竞争聚类算法； 正交最小二乘法 ， 够， 。1 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t - - _ - _ - _ _ _ _ - _ 。_ _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ - - - _ l _ _ _ - - i _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ i - - - _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ - _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ l _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ _ _ - - 。- - _ 。_ - _ _ _ r e s e a r c ho nc f b f g ds y s t e mm o d e l i n gb a s e do nt - sf u z z y m o d e l a b s t r a c t c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e df o rf l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o n ( c f b f g d ) i san o v e lt e c h n o l o g y t h a ts h o w ss i g n i f i c a n ta d v a n t a g e si nc o m p a r i s o n 、析t l lo t h e rs e m i d r yf g dt e c h n o l o g i e s i t c a na l s ob ec o m p e t i t i v ew i t ht h ew i d e l y - u s e dw e tf g dt e c h n o l o g yi nd e s u l f u r i z a t i o n e f f i c i e n c y 、析t hl o wc a l c i u ms u l f u rr a t i o t h ea d v a n t a g e so fc f bo v e ro t h e rt e c h n o l o g i e s i n c l u d e ：t h ep r o d u c t i o no fad r yw a s t eb y p r o d u c tn o tr e q u e s t i n gs l u d g eh a n d l i n ge q u i p m e n t ； n os c a l i n ga n dc o r r o s i o np r o b l e m se n a b l i n gt h eu s eo fc h e a p e rm a t e r i a l s ；s m a l l e rs p a c e n e e d e da n dp o s s i b i l i t yo fe a s i l yr e t r o f i t t i n ge x i s t i n gp l a n t s ；n or e q u i r e m e n to ff l u eg a s r e h e a t i n g ；f l e x i b i l i t yi no p e r a t i o nw i t hr e g a r dt ov a r y i n gb o i l e rl o a d ；l o we n e r g yc o n s u m p t i o n ； r e d u c e di n s t a l l a t i o na n do p e r a t i n gc o s t s ，a n ds oo n ，w h i c hm a k e si tb e c o m et h em o s t a p p r o p r i a t ef g dt e c h n o l o g yi nc h i n a c f b f g di sac o m p l e xs y s t e ma n de s t a b l i s h i n gi t sm a t h e m a t i c a lm o d e li sa l w a y so n eo f t h ec o r ep r o b l e m s b a s e do n “r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h ec f b f g da u t o m a t i o nc o n t r o l t e c h n o l o g y ”，w h i c hi s o n eo ft h ek e ys u b j e c t si n “t e n t hf i v e - y e a rp l a n ”，m o d e l i n gf o r c f b f g ds y s t e mi ss t u d i e di nt h i sp a p e r ，i no r d e rt of u r t h e rs t u d yp r a c t i c a lc o n t r o ll o o p s f i r s t l y , t h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o no ff g dt e c h n o l o g yi si n t r o d u c e ds y s t e m a t i c a l l y t h e n t h em e c h a n i s m sa n dt e c h n o l o g i c a lp r o c e s s e so ft h ec f b - f g dt e c h n o l o g ya r ea n a l y z e d o n t h i sb a s i s ，t h r e em a i nc o n t r o ll o o p so ft h es y s t e ma r ed e e p l yr e s e a r c h e da c c o r d i n gt om a j o r c o n t r o lp a r a m e t e r si nt h eo p e r a t i n gp r o c e s so fc f b - f g d ，w h i c ha r eo u t l e tt e m p e r a t u r eo f f u m ec o n t r o ll o o p ，t h ee m i s s i o nc o n c e n t r a t i o no fs u l f u rd i o x i d ec o n t r o ll o o pa n dt h ep r e s s u r e d i f f e r e n c eo fd e s u l f u r i z i n gt o w e rc o n t r o ll o o p f u r t h e r m o r e ，t - sf u z z ym o d e l sf o re a c h c o n t r o ll o o pa r ee s t a b l i s h e d ，i n c l u d i n gt h em o d e l so fr e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h ew a t e rs p r a y q u a n t i t ya n do u t l e tt e m p e r a t u r eo ff u m e ，b e t w e e nd e s u l f u r i z e rf e e d i n gc o a l ，c i r c u l a t i o na s h e s f e e d i n gc o a l a n dt h ee m i s s i o nc o n c e n t r a t i o no fs u l f u rd i o x i d e ，b e t w e e nc i r c u l a t i o na s h e s f e e d i n gc o a la n dt h ep r e s s u r ed i f f e r e n c eo fd e s u l f u r i z i n gt o w e r r o b u s tc o m p e t i t i v ec l u s t e ra l g o r i t h ma n do r t h o g o n a lj e a s ts q u a r e s ( o l s ) m e t h o d a l g o r i t h m a r eu s e dt o i d e n t i f y t h ee s t a b l i s h e dt - sm o d e l s t h ea d v a n t a g eo fr o b u s t i i i 一 东北大学硕士学位论文 a b s 仃a c t c o m p e t i t i v ec l u s t e ra l g o r i t h mi st h a tt h ef u z z yr u l e sa n di n i t i a lv a l u eo fr e l a t i v ep a r a m e t e r s n e e dn o tt ob ep r e s e ta n dt h e yc a nb ei d e n t i f i e do n l yb a s e do nt h ei n p u ta n do u t p u tt e s td a t ao f t h ei d e n t i f i e ds y s t e m a tt h es a m et i m e ，o r t h o g o n a ll e a s ts q u a r e s ( o l s ) m e t h o da l g o r i t h mi s p r o p o s e dt or e m o v er e d u n d a n to rl e s si m p o r t a n tc l u s t e r sd u r i n gt h ec l u s t e r i n gp r o c e s si no r d e r t oe x t r a c tf u z z yr u l e st h a tc a p t u r et h ei m p o r t a n tf e a t u r e so ft h es y s t e m s t h i sk i n do fm o d e l o f f e r sah i g hs e m a n t i cl e v e l ，ag o o dg e n e r a l i z a t i o nc a p a b i l i t ya n dh i g hp r e c i s i o n t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e ni n p u t sa n do u t p u t so fe a c hl o o pa r ev e r i f i e db yt h es i m u l a t i o n e x p e r i m e n tr e s u l t s a n dt h et - sm o d e l sa r ev e r yc l o s ea p p r o x i m a t i o nt ot h er e a ls y s t e m k e y w o r d s ：c i r c u l a t i n gf l u i d i z e db e d ( c f b ) ；f l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o n ( f g d ) ；f u z z ym o d e l i n g ； t - sm o d e l ；r o b u s tc o m p e t i t i v ec l u s t e ra l g o r i t h m ；o r t h o g o n a ll e a s ts q u a r e s ( o l s ) 一一 分 7 耩 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a o t i i i 第1 章绪论1 1 1 烟气脱硫技术的现状1 1 1 1 烟气脱硫技术分类1 1 1 2 常见半干法烟气脱硫技术简介2 1 1 3 国内外半干法烟气脱硫技术发展现状4 1 2 模糊建模7 1 2 1 模糊建模的提出7 1 2 2 模糊模型的基本类型7 1 2 3 模糊模型辨识8 1 3 课题背景与本文的主要工作9 1 3 1 课题背景9 1 3 2 本文的主要工作lo 第2 章循环流化床烟气脱硫技术1 1 2 1 循环流态化1 l 2 1 1 流态化技术1 1 2 1 2 循环流态化12 2 2c f b f g d 基本原理及系统设备1 3 2 2 1c f b f g d 基本原理1 3 2 2 2c f b f g d 系统设备15 2 3c f b f g d 工艺及系统回路15 2 3 1c f b f g d 工艺1 6 2 3 2c f b f g d 系统回路1 9 2 4 本章小结2 l v 一 东北大学硕士学位论文目录 第3 章基于鲁棒竞争聚类算法和0 l s 辨识算法的t - s 模糊建模2 3 3 1t - s 模糊模型基础理论2 4 3 1 1t - s 模糊模型介绍2 4 3 1 2t s 模糊模型结构形式2 4 3 2t - s 模糊模型的一般辨识算法2 5 3 2 1 模糊c 均值聚类辨识算法2 6 3 2 2o k 聚类辨识算法2 7 3 3 基于鲁棒竞争聚类和o l s 算法的t - s 模型辨识方法2 8 3 3 1 定义鲁棒竞争聚类算法目标函数2 9 3 3 2 加权函数的选择3 0 3 3 3 聚类参数的选择31 3 3 4 基于鲁棒竞争聚类的t - s 模型辨识3 3 3 3 5 基于o l s 算法的t - s 模型简化3 5 3 4 仿真研究3 9 3 5 本章小结4 2 第4 章0 f b - f g d 系统的t - s 模糊建模4 3 4 1c f b f g d 系统烟气温度控制回路的t - s 模糊建模4 4 4 1 1 控制回路分析4 4 4 1 2 温度控制回路的t - s 模糊建模4 5 4 2c f b f g d 系统s 0 2 排放浓度控制回路的t - s 模糊建模4 9 4 2 1 控制回路分析4 9 4 2 2s 0 2 排放浓度控制回路的t - s 模糊建模5 0 4 3c f b f g d 系统脱硫塔压差控制回路的t - s 模糊建模5 4 4 3 1 控制回路分析5 4 4 3 2 脱硫塔压差控制回路的t - s 模糊建模：5 5 4 4 本章小结5 9 第5 章结论与展望6 1 5 1 主要结论6 1 5 2 前景展望6 2 一v i 东北大学硕士学位论文 目录 参考文献6 3 致谢6 7 一v i i 一 1 l 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 烟气脱硫技术的现状 二氧化硫是当今人类面临的主要大气污染物之一，属于低浓度、长期的污染，它的 存在对自然生态环境、人类健康、工农业生产、建筑物及材料等方面都造成了一定程度 的危害。二氧化硫控制技术的研究，从二十世纪初至今己有9 0 多年历史。自6 0 年代起， 一些工业化国家相继制定了严格的法规和标准，限制煤炭燃烧过程中s 0 2 等污染物的排 放，这些措施极大地促进了二氧化硫控制技术的发展。进入7 0 年代以后，二氧化硫控 制技术逐渐由实验室阶段转向应用性阶段。据美国环保署( e p a ) 的统计，世界各国开 发、研制、使用的s 0 2 控制技术己达1 8 4 种i l 】。 目前，控制燃煤s 0 2 污染技术可分为四类：煤燃烧前脱硫、燃烧中脱硫、燃烧后烟 气脱硫以及煤转化过程中脱硫。这四类脱硫技术中，燃烧后烟气脱硫被认为是控制s 0 2 污染最行之有效的途径，也是目前世界上唯一大规模商业化应用的脱硫技术。 1 1 1 烟气脱硫技术分类 烟气脱硫技术主要是利用吸收剂或吸附剂去除烟气中的s o z ，并使其转化为稳定的 硫化合物或硫【2 3 】。目前各国烟气脱硫的方法很多，按脱硫过程是否加水和脱硫产物的 干湿形态，可以分为以下三类： ( 1 ) 湿法烟气脱硫技术( w f g d ) 湿法烟气脱硫技术指液体或浆状吸收剂在湿状态下脱硫和处理脱硫产物。其特 点是整个脱硫系统位于烟道的末端，除尘系统之后，脱硫过程在溶液中进行，脱硫剂和 脱硫生成物均为湿态，其脱硫过程的反应温度低于露点，所以脱硫以后的烟气一般需经 再加热才能从烟囱排出。湿法烟气脱硫过程是气液反应，反应速度快，脱硫效率高，钙 利用率高等优点，但脱硫后烟气温度低，从烟囱排出时扩散不好，气团仍会在附近地面 降落，大大增加局部地区的污染，同时腐蚀严重，有废液排放，硫资源不能回收，具有 二次污染的潜在危险。 ( 2 ) 干法烟气脱硫技术( d f g d ) 干法烟气脱硫技术指粉状或粒状吸附剂、吸收剂或催化剂在干态下与燃煤产生 的s 0 2 反应进行脱硫。由于反应为无液相介入的干燥条件下进行的气固反应，最后生成 仍为干态的脱硫产物，因此不产生废水、腐蚀等。其优点是大大减少二次污染的危害， 烟气扩散好，但也存在脱硫率较低，设备庞大，投资大及操作技术要求高等缺点，特别 一】一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 是固体吸附剂磨损粉化，会使固体吸附剂再生的活性下降。 ( 3 ) 半干法烟气脱硫技术( s d f g d ) 半干法烟气脱硫技术兼有湿法和干法的一些特点，是脱硫剂在干燥状态下脱 硫、在湿状态下再生( 如水洗活性炭再生流程) 或者在湿状态下脱硫、在干态下处理脱 硫产物( 如喷雾干燥法) 的烟气脱硫技术。特别是在湿状态下脱硫、在干态下处理脱硫 产物的半干法，以其既具有湿法反应速度快、脱硫效率高的优点，又具有干法无污水和 废酸排出、脱硫后产物易于处理的优点而受到人们广泛的关注。 1 1 2 常见半干法烟气脱硫技术简介 1 1 2 1 旋转喷雾干燥法( s d a ) 旋转喷雾干燥法由美国j o y 公司和丹麦n i r o 公司联合开发，自1 9 7 8 年在北美安 装第一套工业装置以来发展迅速，目前其世界脱硫市场占有率达到1 0 。大多用于中低 硫煤的中小容量机组上。该技术是利用转速为1 0 0 0 0 r p m 左右的高速离一t l , 喷雾机，将吸 收剂喷射成极其细小而均匀的云雾，其雾粒直径可小于1 0 0 微米，这些具有很大面积的 雾状微粒与含有二氧化硫的热烟气接触，便发生强烈的热量交换和化学反应。吸收剂一 方面吸收烟气中的二氧化硫，另一方面，迅速蒸发而形成含水量很少的固体灰渣，由此 达到净化烟气中二氧化硫的目的l 引。 旋转喷雾干燥法烟气脱硫试验装置的工艺流程如图1 1 所示，可分为五个步骤：( 1 ) 吸收剂制备；( 2 ) 吸收剂浆液雾化；( 3 ) 雾滴与烟气接触混合：( 4 ) 蒸发和二氧化 硫吸收；( 5 ) 废渣排除。 图1 1 旋转喷雾干燥法脱硫工艺流程图 f i g 1 1t e c h n i c sf l o wc h a r to fs d a 1 石灰料仓，2 石灰预消化器，3 球磨机，4 石灰料浆槽，5 锅炉烟气， 6 石灰浆高位料箱，7 喷雾干燥吸收塔，8 电除尘器，9 烟囱 ( 2 ) 、( 3 ) 、( 4 ) 三个步骤均在喷雾干燥吸收塔内进行。其流程如下：石灰经 过二级消化，湿式球磨，配制成一定幅度的石灰浆吸收剂，并加入适量添加剂，用泵进 至高位料箱：流入高速离心雾化机，经雾化后在吸收塔内与来自锅炉的含二氧 一2 一 东北大学硕士学位论文 气接触混合，石灰浆雾滴中的水分被烟气中的热量 吸收。生成的干灰渣，一部分沉落于喷雾干燥吸收 尘器被除去，净化后的烟气从烟囱排出。 1 1 2 2 增湿灰循环脱硫技术( n i d ) 该技术有瑞典a b b 公司研发，其工艺流程如图1 2 所示。 晷 图1 2 增湿灰循环脱硫工艺流程图 f i g - 1 2t e c h n i c sf l o wc h a r to fn i d - f g d 脱硫剂从高位计量仓下部由螺杆输送和皮带称计量送入消化器。消化器是由一个双 搅拌制成的反应器。石灰在消化器中加水消化成c a ( o h ) 2 后，与从除尘器下来的大量循 环灰相混合并进入加湿器中进一步加水增湿，使混合灰的水分含量达到5 ，然后进入 直烟道反应器。大量的脱硫循环灰进入反应道后，由于有极大的蒸发表面，水分蒸发很 快，在极短的时间内使烟道温度由1 3 8 0 c 冷却到7 1 0 c ，烟气相对湿度则很快增加到 4 0 5 0 ，脱硫灰的含水量由5 降到3 。电除尘除下来的脱硫灰由流态化槽输送到增 湿器，与机械预除尘器除下来的灰一起去流态化底仓，实现循环。部分则溢流入仓泵外 送。再循环物料中9 5 以上为固态，所以再循环量可以达到3 0 5 0 倍，甚至更高，从而 保证了高效地利用石灰。由于脱硫剂是不断循环的，脱硫剂的有效利用率高达9 5 以上。 1 1 2 3 烟气循环流化床脱硫技术( c f b - f g i ) ) 该技术是上世纪8 0 年代后期由德国l u r g i 公司研究开发的，由吸收塔、除尘器、吸 收剂制备系统、物料输送系统、喷水系统、脱硫灰输送及存储系统电气控制系统等构成。 其特点是：固体吸收剂粒子停留时间长，与s 0 2 间的传热传质交换强烈；脱硫效率高， 对高硫煤( 含硫3 以上) 也能达到9 0 以上的脱硫效率；由于床料循环利用，从而提 高了吸收剂的利用率，在相同的脱硫效率下，与传统的半干法比较，吸收剂可节省3 0 ： 锅炉负荷在3 0 1 0 0 范围波动，脱硫效果仍能满足达标要求；操作简单，运行可靠， 一3 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 反应温度可降至烟气零点附近；结构紧凑，循环流化床反应器不需要很大的空间；可实 现大型化；脱硫产物以固态排放；无制浆系统；对改造工程的电除尘器无需改造。 c f b f g d 适用于在中小型火力发电厂及相关产业的燃煤系统上安装使用。是一种适合 我国国情的烟气脱硫技术，不仅适用于大型燃煤锅炉，而且对于中小型工业锅炉的s 0 2 治理也是一种理想的方法p j 。其工艺流程见图1 3 ： c f b 吸收塔 菇净划气 消 原 图1 3 烟气循环流化床脱硫工艺流程图 f i g 1 3t e c h n i c sf l o wc h a r to fc f b f g d 1 1 3 国内外半干法烟气脱硫技术发展现状 半干法烟气脱硫工艺中二氧化硫的吸收过程牵扯到气、液、固三相在内的传热、传 质和化学反应等众多因素，分析起来相当复杂。国内外许多研究者曾对半干法脱硫进行 了相关的试验及机理研究。目前为止，已经取得了相当的成果，为进一步的实际应用提 供了依据与基础。 1 1 3 1 国外半干法烟气脱硫技术现状 ( 1 ) 国外半干法烟气脱硫机理研究 由于脱硫塔内流动和化学反应的复杂性，为了揭示干法、半干法的脱硫机理，国外 专家学者进行了大量的机理试验研究，对于二氧化硫吸收过程提出了不同的理论模型【6 】。 主要有双膜理论、扩散边界层理论、溶质渗透理论以及表面更新理论等。 r a m a c h a n d r a n 和s h a r m a ( 1 9 6 9 ) 最早从理论上讨论了固体粒子微溶的浆液吸收气体 问题，他们以膜模型为基础，提出了粒子在液膜中溶解是否重要的判据。 r o c h e l l e 和k i n g ( 1 9 7 7 ) ，将c a ( o h ) 2 c a c 0 3 浆液吸收s 0 2 看成气液两相传质反 应系统，研究了可溶性添加剂对该体系传质的影响。用渗透模型进行理论分析，微观与 宏观相结合，提出溶解碱( d i s s o l v e da l k a l i n i t y ) 、s 0 2 的有效溶解度等概念。 j o z e w i c z 和r o c h e l l e ( 1 9 8 4 ) 在他们所建立的模型中假设c a ( o h ) 2 溶解没有阻力。 k i n z e y 和n e w t o n 给出了考虑气相和液相传质阻力的喷雾干燥烟气脱硫模型。他们认为 一4 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 脱硫反应仅仅发生在吸收剂液滴湿润阶段。d a m l e 和m a r b o d i 等则建立了考虑包括气相 传质阻力、液相传质阻力以及c “o h ) 2 的溶解阻力在内的数学模型。 ( 2 ) 国外半干法烟气脱硫技术应用 随着试验和理论研究的不断推进，烟气脱硫工艺的实际应用也越来越广泛。目前， 应用烟气脱硫技术最多的国家是美国、德国和日本【7 8 】。 到1 9 9 0 年，世界上运行中的f g d ，以容量计，一半以上在美国( 7 2 0 0 0 m w 以上) ， 占燃煤电厂总容量的2 0 以上。到1 9 9 5 年，美国共有3 6 6 套f g d 装置在容量为1 2 5 g w e 的机组上运行。 德国的f g d 装置容量占第二位，德国最初是依靠引进日本的脱硫技术，以后又结 合本国的情况对这些技术进行了发展。到1 9 8 8 年底为止，德国燃煤电站中有9 5 的容 量装备了f g d 装置，到1 9 9 0 年则达到了1 0 0 。德国多燃用低硫煤( s y 1 ) ，但环保 标准要求十分严格。为了避免二次污染，德国的f g d 工艺多采用回收商品石膏的石灰 石灰石石膏法。 日本是目前烟气脱硫技术使用最多的国家之一。到1 9 9 0 年为止，脱硫设备处理烟 气能力达1 7 1 0 8 n m 3 h 。在这些装置中，除城市垃圾焚烧炉烟气脱硫采用干法和半干 法外，其他场合主要是采用石灰石石灰湿法洗涤装置，回收的石膏基本上被建筑业、水 泥制造业应用。 国外其它脱硫装置则分布在澳大利亚、荷兰、丹麦、挪威、英国、意大利及亚洲的 泰国、印度、韩国等。 1 1 3 2 国内半千法烟气脱硫的发展 ( 1 ) 国内烟气脱硫工艺研究 我国对于治理s 0 2 污染的技术研究始于2 0 世纪5 0 年代，当时的重点是解决硫酸生 产过程排放s 0 2 导致的污染问题。但总体上，与发达国家相比，我国的烟气脱硫技术研 究进展缓慢。大部分技术尚停留在小试或中试阶段，有的技术虽已有工业性试验装置， 但由于各方面的原因未能大规模推广应用。为了促进我国f g d 技术的开发研究， “七 五”以来，火电厂f g d 工作受到有关部门的重视，国家科技攻关项目将燃煤s 0 2 污染 控制列为重点研究课题，重点是燃烧后脱硫，即烟气脱硫( f g d ) 【9 - 1 0 。并随着我国二氧 化硫污染和酸雨问题的日益严重，先后引进了一批国外先进的f g d 技术和装置。下表 是为我国引进的半干法烟气脱硫技术的应用情况【1 1 1 。 ( 2 ) 我国半干法脱硫技术的研发 所引进的示范工程涉及各种成熟工艺，它们虽然设备先进，运行稳定，自动控制程 一5 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 度高，但其投资和运行费用昂贵，无法大规模推广应用。为了降低投资，必须研究和开 发投资少、运行费用低、实用可靠、适合于我国国情的脱硫技术，使脱硫技术和设备逐 步国产化。因此在引进国外脱硫工艺的同时，国内各科研单位和高等院校也积极研究与 探索，开发高效、低投资的符合我国国情的半干法脱硫工艺，详细情况见表1 2 【l2 | 。 表1 1 我国半干法烟气脱硫应用现状 t a b l e1 1t h ea p p l i c a t i o no fs e m i - d r yf l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o ne q u i p m e n ti nc h i n a 烟气脱硫技术用户生产商 处理烟气量脱硫效率 投产日期 、r 3 n )( w o n x ，( n m h 表1 2 我国半干法烟气脱硫技术研究发展现状 里迪! 曼! ：呈卫堡垒星! 璺! q 巳里里坐q 墨旦鱼旦! 笪竖旦! q g yi 望竺皇i 望垦 脱硫方法脱硫剂烟气量脱硫率目前情况 旋转喷雾干燥法 c a ( o h ) 2 工业锅炉烟气旋转喷 雾干燥法 c a ( o h ) 2 炉内喷甓! 活化法 石灰石 脱硫 。 7 0 0 0 0 8 5 完成中试，未工业化应用 完成中试及工业示范，未 2 0 0 08 0 推广 5 0 0 0 07 5 完成工业性试验 烟气循环流化床石灰 2 0 t h8 0 8 5 正在推广 在上述方法中，循环流化床烟气脱硫( c f b f g d ) 技术具有满足我国需要的各种条 件，是最适合我国国情的脱硫技术。 在c f b f g d 技术的研究、开发方面，国内一些大专院校和科研院所进行了一些机 理试验研究工作。清华大学、哈尔滨工业大学、浙江大学、山东大学等单位在半干式 c f b f g d 技术方面做了大量的工作，并开发出具有自主知识产权的c f b f g d 装置。另 外，国家电站燃烧工程技术研究中心对c f b f g d 技术已经进行了数年的研究与开发工 作，提出了带有外置分离器的c f b f g d 技术和带炉内锻烧的c f b f g d 技术两种脱硫 技术，并正在实现其产业化。整个研究工作，对于过程机理的试验研究己经结束，但在 一6 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 示范工程中，对控制系统的研究还处于初级阶段，亟待设计一种性能好、可用率高的控 制系统，为c f b f g d 技术的国产化提供保证。 1 2 模糊建模 1 2 1 模糊建模的提出 自从6 0 年代后期，由l a z a d e h 创立模糊理论以来，模糊理论在许多领域取得了 应用，在控制领域也开辟了一个新的天地。模糊控制理论的发展从某种意义上说是围绕 着模糊控制规则的获取而展开的。当被控过程复杂时，任何操作人员都不能够很好地控 制它。在这种情况下，通过建立被控过程的模型，进而由理论推导出一组控制规则是一 种可行的方法，显然，这种方法必须以系统模型辨识为基础。因此，模糊辨识对模糊控 制来说也是非常重要的。 模糊辨识是模糊集合理论目前发展的一个重要分支。模糊建模已经被证明在非线性 动力系统建模、基于规则的学习控制和模式识别中起到了很大作用。因此，无论从模糊 控制理论研究方面来看，还是从仿真技术发展来看，以及模糊逻辑相关理论的发展来看， 模糊辨识建模理论和方法都具有重要的理论和实际意义，它不仅极大丰富了辨识理论方 法，推动了辨识理论的发展，而且有力地推动了模糊控制理论和仿真技术的发展。 1 2 2 模糊模型的基本类型 模糊模型在形式上表现为一系列的“i f t h e n 的模糊规则的组合。按照规则 后件不同的结构，可以将模糊模型分为三种类型【1 3 1 ： ( 1 ) 语言模糊模型 在语言模糊模型( m a m a d a n i 模型) 中，前件和后件都是模糊命题。语言模糊i f t h e n 规则的一般形式为： r i ：i fx l i s a t l a n d x 2 i s a i 2 a n dx ，i sa , p t h e ny s e ，b l ，2 ，k 其中，x 表示输入到模糊系统的前提变量，y 表示模糊系统输出的结论变量。a i 和 b i 分别通过多变量隶属函数心( x ) ：x 一 o ，1 】和抱( ) ，) ：y _ o ，1 】定义的语言项( 模 糊集合) 。k 为模型的规则数。 ( 2 ) 模糊关系模型 同m a m a d a n i 模型一样，模糊关系模型的前件和后件也采用模糊命题的形式，但与 m a m a d a n i 模型不同，模糊关系模型的前件变量与后件变量之间的关系通过模糊关系矩 阵来实现，任一前件变量与后件变量存在关系，并通过具体数值进行描述。模糊关系模 一7 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 型是通过应用模糊关系在输入输出区间定义的语言项的合成。关系中的单个元素表示模 糊集合之间的相关程度。 ( 3 ) t a k a g i s u g e n o 模型 t a k a g i - s u g e n o ( t - s ) 模糊系统是由日本的t a k a g i 和s u g e n o 在1 9 8 5 年提出的，t - s 模型的规则前件是模糊变量，而后件是输入输出线性函数 1 4 】： r ，：i f xi s 4t h e ny f = z ( x ) ，f - 1 ，2 ，k 其中，x r p 是输入( 前件) 变量，y ，er 是输出( 后件) 变量。r 表示第i 条规 则，k 是规则库中的规则数。a 是第i 条规则的前件模糊集合，通过( 多变量) 隶属函 数来定义： 儿，( x ) ：尺p 一 o ，1 类似语言模型，其前件命题“xi s 么，”通常表示成对于x 单独成分定义的不变模糊集 合简单命题的逻辑组合，通常为下面的组合形式： r ：i fx l i s 4 1 a n d x 2 i s 4 2 a n dx pi s 如 t h e n 咒= ，( x ) ，f = l ，2 ，k 结论函数厂，通常选择参数化函数，在所有规则中结构保持一致，只有参数是变化的。 与前两种模糊模型相比，t - s 模型具有很多优点：由于它以局部线性化为基础，通 过模糊建模实现了全局的非线性，能克服以往模糊模型的高维问题，且易于分析理解， 后来的研究表明，很多控制问题可以归为t - s 模糊系统。 1 2 3 模糊模型辨识 模糊模型的辨识由结构辨识和参数辨识两部分组成。其中结构辨识又划分为系统输 入变量的选择和输入空间的模糊划分【15 1 。 1 2 3 1 结构辨识 结构辨识包括模型类型、输入( 出) 变量的选择、输入出空间模糊划分、定义变量 对应的模糊集及隶属函数、确定模糊模型规划数目等。合适的模糊系统结构可以在模型 的精度和泛化能力之间得到良好的折中，使随后的参数辨识得到简化，避免了参数学习 时间过长和陷入局部极值点，所以结构辨识是模糊系统辨识中的核心问题。 ( 1 ) 系统输入变量的选择 输入变量的选择就是通过系统的输入输出数据，在所有可能的输入变量组合中挑选 最优者，以建立最优的系统模型