（系统分析与集成专业论文）污泥高温处理炉温度智能控制系统研究.pdf

y 7 2 2 8 7 1 浙江人学坝d 究生毕业论义 中文摘要 污水污泥有效无污染处理及剩余物综合利用为各国所重视，论文在简单综述 了国内外污泥的处理现状及发展的趋势的基础上，分析了污泥焚烧处理控制存在 的问题。文章以污泥高温处理炉自动控制系统为对象，深入探讨了适合污泥高温 处理炉炉温控制的各种控制策略。 论文首先通过污泥高温处理炉运行工况分析，运用参数辨识方法建立了污泥 高温处理炉炉温的数学模型，研究了炉温控制的模糊智能控制策略，并设计了三 类模糊控制器：基本模糊控制器，多因子自调整模糊控制器，模糊一p i 复合控 制器，分别用于污泥高温处理炉的炉温模糊控制系统，通过理论仿真论汪；构成 污泥高温处理炉模拟控制实验系统，按照运行工况要求做了不同控制器控制性能 的比较研究，针对复杂污泥高温处理炉炉温控制系统中模糊控制器模糊规则难以 有效建立情况，提出了基于遗传算法的模糊规则自动生成及寻优机制，经模拟控 制实验验证有较好效果。高温处理炉炉温能够稳定在目标温度，实现污泥高温处 理炉的安全稳定节能运行。通过模拟仿真实验系统运行比较，深入探讨验证了计 算机实时采样控制系统a d ，d a 采样周期、时间的确定和控制性能相关。试验 结果表明该污泥高温处理炉炉温控制系统的模糊控制策略及其多因子调节模糊 控制器有良好的应用参考价值。 关键词：污泥处理、污泥焚烧、模糊控制、遗传算法、智能控制、温控模型 a b s t r a c t 0 nt h eb a s eo fs u m m a r i z i n gt h e s l u d g e i n c i n e r a t i o n t e c h n o l o g y , t h i s t h e s i s c o m p r e h e n s i v e l yr e s e a r c ht b e1 u n n i n gp r o b l e mo fs l u d g ei n c i n m a t i o nf u m a c e a n i n t e l l i g e n c ec o n t r o ls t r a t e g yf o rt h es l u d g ei n c i n e r a t i o nc y b e r n a t i o ns y s t e mi s p u t f o r w a r d t h i sp a p e ri n t r o d u c et h es o u r c eo f s l u d g ea n dt h es u r v e yo f t h ep r o c e s so f s l u d g e w i t ha r g u m e n t a t i o n ，i ti sc o n c l u d e dt h a tt h es l u a g ei n c i n e r a t i o ni st h et r e n do ft h e d e v e l o p m e n to fs l u d g ep r o c e s s i n gd o m a i n a n db e d t e m p e r a t u r e i sa n i m p o l r a n t p a r a m e t e ro fs l u d g ei n c i n e r a t i o nf u r n a c ec o n t r o ls y s t e m f r o me x p e r i m e n t a ld a t a ，t h e b e dt e m p e r a t u r ec y b e r n e t i cm o d e li se s t a b l i s h e di nt h i st h e s i st h r e e t y p e sf u z z y c o n t r o l l e r sa r e d e s i g n e d ：t h e b a s i c f u z z yc o n t r o l l e r , t h es e l f - a d j u s t i n gw e i g h t e d c o e f f i c i e n t f u z z yc o n t r o l l e r , t h ef u z z y p ic o m p o s i t ec o n t r o l l e r t h em z z y c o n t r o l s y s t e mi ss i m u l a t e do nt h eb e dt e m p e r a t u r eo f t h es l u d g ei n c i n e r a t i o nf u r n a c e a n di n o r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo fb u i l d i n gf u z z yc o n t r o lr u l e s d i f f i c u l t l y f o rs o m e c o m p l e xs l u d g ei n c i n e r a t i o nf u m a c eb e dt e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m ，a nm e c h a n i s m o fa u t o m a t i c a l l yc r e a t i n gf u z z yc o n t r o lr o l e sb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t l m ai sp r e s e n t e d t h i si n t e l l i g e n c ef u z z yc o n t r o ls t r a t e g yh a sb e e np r o v e dt oh a v eg o o da p p l i c a t i o na n d r e f e r e n c e dw i t hs i m u l a t i n gc a l c u l a t i o n c o m b i n i n go ft h em e t h o dp r o p o s e di nt h i s a r t i c l e a p p l y i n g f o rt h e s l u d g e i n c i n e r a t i o nf u m a c ei sm o r ea d v a n c e dt h a nt h e t r a d i t i o n a lm e t h o dw i t hp i da l g o r i t h m b e d t e m p e r a t u r e c a n k e e p a i m e db e d t e m p e r a t u r e ，i tc o u l da c h i e v et h ei d e a lc o n t r o lg o a lo fs a f e t y ，s t e a d ya n de c o n o m y m r m i n g k e y w o r d ：s l u d g ep r o c e s s ，s l u d g ei n c i n e r a t i o n ，f u z z yc o n t r o l ，g e n e t i c a l g o r i t h m ， i n t e l l i g e n c ec o n t r o l ，b e dt e m p e r a t u r ec y b e r n e t i cm o d e l 浙江人学顺i 硎究卜毕业论文 第一章综述 1 1 污泥处理概况 污泥是污水处理厂处理污水过程产生的副产物。一般是指介于液体和固体之 间的浓稠物，可以用泵输送，但难以用沉降进行固液分离。城市污水处理厂、化 ： 、造纸等单位在污水处理过程中产生的污泥，其数量约占总处理水量的05 o 7 ( 含水率以9 5 计) 。特点是有机物含量高( 6 0 8 0 ) ，颗粒细( o 0 2 0 2 m m ) ， 密度小( 1 0 0 2 1 0 0 6 9 c m 3 ) 成胶体结构，属亲水性物质，容易管道运输，但脱 水难，其体积约占总处理水量的o3 一0 5 。随着污水处理技术的发展和广泛应 用，污泥的堆积量逐年增加；由于其主要成分为易腐化的有机物，还可能含有多 种有毒有害物质，所以，污泥处理的目的就是要对污泥进行深度无害化处理，彻 底解决污泥对环境的污染及对人类的危害，通常有以下任务：减少污泥体积， 通过污泥处理系统提高污泥的含固率；污泥性质稳定化，去除污泥中易腐化变 质的有机物；污泥无害化，去除污泥中列人体或自然界有危害的病毒、细菌、 原生动物和重金属元素等；污泥资源化利用。利用污泥中大量有机物储藏的热 量进行焚烧，回收热能，回收污泥脱水后的物质、制砖等。 污泥中含有大量的水分使污泥的体积庞大。以一座日处理污水2 0 万吨的污 水处理厂为例，每天产生的污泥可以达到1 0 0 0 m 3 ，如果对污水进行深度处理， 污泥的量还会增加0 5 1 0 倍。如果不加处理，大量的污泥不仅会占削大量良h l 也会增加污泥的运输成本。同时，污泥中含有大量的有害物质，例如寄生虫卵、 病原微生物、细菌、合成有机物及重金属元素等，这些成分将对周围的环境产生 不良的影响甚至还会引起传染性疾病。因此无论从环境技术的角度还是从投资的 角度，污泥的处理在废水处理中占有十分重要的作用。 污泥的处理过程是每个污水处理厂中必不可少的一环。污泥经过了定的减 容和稳定化的处理，此时的特性已经较未处理的污泥改善了许多。这些经过处理 的污泥的最终处置途径多种多样，一般应该根据污泥的处理方式和最终的目的来 决定。目前最常用的污泥处嚣方法有：作为肥料用于农业；堆放；填埋；填海和 热处理。 1 ) 污泥填埋 填埋具有工艺简单、成本低和适用于多种类型污泥的优点。目前在发达围家 第一誊综述 污泥填埋也是污泥处置的主要方法。但是填埋这种方法有如下缺陷：第一，填埋 需要占据大量的土地，这对于土地资源少的地区并不适用；第二，污泥中的有机 物会在厌氧情况下降解，释放出废气。这些气体具有恶臭、对人体有害、部分气 体具有可燃性，在一定条件下甚至可发生燃烧爆炸；第三，有二次污染问题。简 易的填埋场，不能阻止污泥中分解物渗滤。有些病原菌和重金属离子的渗滤液会 ，6 重威胁地下水资源。同时，由于土地资源的萎缩，用于污泥填埋的土地使用费 用会越来越贵，这也将直接导致填埋费用的上升。为了避免地表水或地下水由于 污泥中的有机物质的分解而造成的污染，欧盟要求在2 0 0 5 年填埋的污泥中的有 机物要控制在5 之内。采用干燥或焚烧等特殊的手段处理污泥己提到议事同程。 2 ) 污泥填海 污泥的填海是利用水体自净和水的稀释作用进行的一种污泥处置方法。这种 方法简便、易行，被沿海国家所利用。1 9 9 6 年前，欧盟范围内有三个国家采用 污泥填海的方式：爱尔兰3 5 ，英国3 0 ，西班牙1 0 。但是，越来越多的证 据表明，污泥的填海会破坏海洋脆弱的生态环境。美国纽约市每年约有1 2 0 万立 方米的污泥投海，4 0 多年以来，海底的重金属浓度提高了1 0 0 - 2 0 0 倍，使5 1 8 平方公里的海洋变成了“死海”，造成污泥厌气分解，污染海区的环境卫生和海 洋生态。 3 ) 污泥高温处理 污泥高温处理技术是一种常用的污泥处理方法，属于高温化学处理法。污泥 高温处理( 热分解) 是指在高温( 5 0 0 1 0 0 0 v ) 下，将污泥圆形物在无氧或者低 氧气氛中分解成气体、焦油以及灰渣等部分。高温处理法具有减容、减重、处理 速度快、无害化较彻底、余热可用于发电或供热等优点。目前，污泥高温处理处 理是最好的处理方法之一。首先，高温处理可以大量较小污泥的体积，相对于机 械脱水的污泥来说，最终产物体积明显减少。第二，污泥经高温处理可以杀死病 原体和细菌，在燃烧残渣内几乎没有病原体存在。而有机物在燃烧过程中会最大 程度地被分解。第三，经过脱水后的污泥的热值相当于褐煤的水平，在一定条件 下污泥可以自燃，而不需要添加额外的辅助燃料。一定程度上减轻了污泥高温处 理的费用。近年来，污泥高温处理法采用了预处理工艺可满足越来越严格的环境 要求。 塑望查兰坐! 塑! ! 壅生兰些笙茎 1 2 污泥高温处理工艺在国内外的应用状况 污泥高温处理是最彻底的污泥处理工艺，它可将15 3 5 的脱水污泥投入 污泥高温处理炉中，直接把有机物燃烧成c 0 2 、n o 和无机物等。高温处理最终 废弃物为含固率9 9 以上的无机物质。污泥高温处理的初期研究是由美国的诺 亚克( n o a c k ) ( 于1 9 5 9 年) 、施莱辛格( s c h l e s i n g e r ) 等人( 于1 9 6 0 年) 在彼 得堡能源中心开始的，其共同的特点是以回收能源为目的。世界上第一台焚烧污 泥的流化床锅炉在1 9 6 2 年建于美国l y n n w o r dw a s h i n g t o n ，至今仍在运行。在欧 洲，许多国家诸如德国、丹麦、瑞典、瑞士等国以及r 本从2 0 世纪9 0 年代起开 始以高温处理工艺作为处理市政污泥的主要方法。德国有近4 0 个污水处理厂已 经拥有多年的污泥高温处理工艺实际运行经验。在德国污泥高温处理炉首先始于 多段竖炉，而后流化床炉逐渐取代了多段竖炉。目前，流化床炉的市场占有率超 过了9 0 。丹麦每年约有2 5 的污泥高温处理。瑞士从2 0 0 3 年1 月1 同起禁止 污水厂的污泥用于农业，所有污水厂的污泥都要进行高温处理。污泥高温处理法 在f 本应用的最广，如1 9 8 4 年处理量占7 2 。1 9 9 2 年，日本采用1 8 9 2 座焚烧 炉处理7 5 的市政污泥，现在同本规模较大的污水处理厂都采用高温处理污泥 法。韩国正在k w a n 鲥o n g l i 污水处理厂试运行污泥高温处理新工艺。泰国 s a m m t p m k a r n 正在建设东南亚规模最大的污水处理厂，其污泥处理单元也将采 用高温处理工艺。 我国在污泥高温处理研究方面，目前有浙江大学、中国科学院、清华大学和 华中理工大学对污泥的高温处理原理进行不少的研究。在实际工程应用方面也有 运营多年、处理效果良好的工程实例，如深圳特区污水处理厂的污泥经由高温处 理。浙江大学热能所在用异重流化床燃用洗煤泥的基础上，从1 9 9 2 年起在国内 首先丌展了污泥流化床焚烧技术的系统研究，并已经取得很大成功。 1 3 污泥高温处理炉工艺特性 污泥高温处理过程中的核心设备是高温处理炉。高温处理炉的选用主要取决 于污泥的处理量及其特性。目前，流化床焚烧炉是污泥高温处理及焚烧城市生活 垃圾和有害固体废弃物处理广泛使用的。 1 ) 污泥高温处理过程工艺流程 第一章综述 污泥处理工艺流程见图i - 1 。其基本流程为：一 浓缩一 脱水一 干燥一 高温处理一 烟气净化。 由图1 - 1 知，源于消化污泥及二沉池产生的剩余污泥经重力浓缩池，污泥体积 降为原体积的半左右。经机械脱水后，污泥含水率降至7 5 。污泥经过干燥机 于燥处理后，进一步脱水合固率达到5 0 5 5 ，干燥后的污泥送到高温处理炉 内高温处理。最后对高温处理炉排出的废气体进行气体无污染处理即烟气净化。 t 盹- 【| 特种 垃圾 刹- i 化污混 堪+ l 一望+ 翟一骢i 紧一一1 i 聪i ；磊_ 一，：矗i 蕊 一 囱+ _洗涤皴置一i 缘生器1 14 哪“1 一艨。“他船掣 - 一一一弋1 一 厂 一i 悉一 馨 军 ，。 一1 一 一 1 端污耗卜艘气冲摧措斗离心脱水机脱水f 5 泥 r 燥帆十燥污惋矾栅物质 一l i * ：躲i 一 图1 1 高温处理过程工艺流程图 离丌高温处理炉出口的烟气和飞灰具有9 0 0 。c 以上的温度，在余热锅炉中其 温度降至2 0 04 c ，余热可用作系统污泥的预热或其它应用。静电除尘器中进行脱 尘。经过准干燥烟气洗涤装置净化后的烟气通过烟囱排放，灰尘被贮存在狄尘贮 房，待清运利用；经高温处理炉处理的污泥残尉无机物可以用作制砖材料。其中 各个阶段工艺要求如表1 1 处理阶段作用 处理后污泥的含周率处理后污泥主要成分 干燥浓缩 减小污泥体积 3 8 与原污泥同 机械脱水减小污泥体积 15 3 5 与原污泥同 预热干燥 减小污泥体积、稳定污泥性 4 0 9 3 少量有机物和无机灰 质、无害化 高温处理减小污泥体积、稳定污泥性 9 9 无机灰 质、无害化及热能同州 1 4 高温处理炉的智能控制系统研究状况 随着控制理论和控制技术的发展，高温处理炉的智能控制系统的控制算法研 一塑竖查竺塑旦丛! ! 竺! 些堡兰 究与应用经历了几个阶段 1 ) 模拟p i d 控制方案 早期人们是通过仪器仪表对炉温进行控制，粟用这种方案，高温处理炉要用 p i d 仪表构成闭环控制，并且这种仪表调节不方便，升温过程缓慢，且难以保证 温度控制精度，控制效果不太理想。目前国内的炉温控制有些仍沿用此方法。 2 ) 数字p i d 控制方案 使用p i d 算法，具有算法简单、参数调整方便，并有一定的控制精度的特点， 是当前最为普遍采用的控制算法。这种方法也有其局限性：该算法只有在系统模 型参数为非时变的情况下才能达到较理想的控制效果。针对上述p i d 算法在参 数时变或非线性系统中应用出现的问题，有学者提出采用直接数字化控制，非线 。t o _ p i d 等控制算法。该算法在实际炉温控制系统中获得了部分应用取得了些 成效。 3 ) 最优控制和自适应控制方案 高温处理炉本身具有非线性特性，因此建模时常在其工作点附近线性展丌逼 近实际系统，最优化控制和自适应控制就是以此为基础来设计控制器的，而对此 类系统进行非线性控制。 4 ) 智能控制方案 以模糊控制、神经网络、专家系统控制等为代表的智能控制技术被广泛应用 于工业控制领域，并取得了良好的效果。其技术特点是把人工智能的方法引入控 制系统，利用专家的实践经验、逻辑推理和自学习能力，对高温处理炉这类结构 复杂、非线性而难以用精确数学模型来描述的被控对象给出了灵活的控制策略。 因此，人们将它用来解决炉温的控制问题。 目前炉温智能控制系统应用结构大致采用以下四种方式： 1 ) 计+ 算机采集和处理系统( d a s ) 计算机采集和处理系统是以计算机为核心对生产过程进行智能化、全工况闭 环监视的系统。其主要功能包括：信息输入、信息处理、报警处理、人机联系与 信息输出等。计算机系统对高温处理炉工作过程的温度参数进行采集，并对信号 进行转换，定期计算和处理。 2 ) 直接数字控制系统( d d c ) 第一章综述 直接数字控制系统由微机直接对生产过程进行控制，微机及微电子集成电路 取代模拟调节器作为生产过程控制装置，控制规律进行数值计算，经过输出通道 直接控制生产过程。直接数字控制系统实质上是单回路或多回路的数字调节装 置，以工控机为核心，加上过程输入输出通道，与被控对象一起构成闭环控制系 统。同时，它还具有巡回检测的全部功能，显示参数值、打印报表、故障检测、 故障分析诊断、和故障组态输出、越限报警等功能。 3 ) 计算机监督控制系统( s c c ) 由计算机根据生产过程工艺参数和数学模型，计算出最佳设定值和相应的控 制指令，送给模拟调节器或d d c 微机，由模拟调节器或d d c 计算机控制生产 过程，时期处于最优工况。s c c 系统按结构分为两种，一种是s c c + 模拟调节器， 另一种是s c c + d c c 控制系统。 4 ) 集散控制 集散控制即分散控制，信息集中管理的分布控制系统。它是计算机技术，控 制技术，通信技术和c r t 技术相结合的产物。集散控制以微处理机为核心，把 微型计算机，工业计算机，数据通讯系统，显示操作装置，过程通道，模拟仪表 等有机的结合起来，采用组合组装式组成控制系统。为每个被控对象配备一套下 微机控制设备，置于现场，用于对每个被控对象的数据采集和控制；总体配备一 台工控机作为上位机，对现场每个被控对象进行命令下达，组织和处理数据信息， 之中管理整个系统。该种控制方案具有较高的可靠性，提高了系统的功能和效率， 另外它的软、硬件采用模块化积木式结构，使用维护方便、易开发a 以上四种炉温控制方式以集散控制方式应用晟为广泛，当然实际使用中针对 不同规模的高温处理炉可以采用不同科t 类的智能控制系统，选择合适的控制方 式。 1 5 本文研究的问题 污泥高温处理工艺流程中，高温处理炉运行时的炉温会影响处理后的污泥含 固率的大小，并影响节能效果以及炉体安全运行等。同时，也为污泥的重新增值 利用奠定基础。高温处理炉属于大惯性、大滞后控制对象，难以建立精确的数学 模型；同时，在实际生产中常规p i d 控制器参数难以准确整定，对运行工况的 适应性很差，所以使用经典控制理论中的p i d 控制算法难以达到理想的控制效 浙江大学坝l 一研究生毕业论文 果。n 止t 要z - - 步探讨高温处理炉的数学表述和研究相关的控制策略及实现方 法。 本课题在仔细分析污泥高温处理工艺过程妁基刮址：，探讨高温处理炉的数学 表述模型，提出了相关系统控制方法，设计了智能控制器，组成控制系统，依据 高温处理工艺要求进行系统仿真研究及系统模拟运行实验。实验结果证明，该系 统具有较好的控制稳定特性、鲁棒性好、抗干扰性能力强，适合如高温处理炉这 类滞后系统控制应用。 高温处理炉具体温度控制运行过程见图1 2 。( 即三段焚烧工艺) i 幽i 一2 焚烧炉二段焚烧温度1 艺 污泥经过初步预处理，进入炉尾进行预加热，热源来自余热炉排出的热气， 利用该余热提升污泥温度节省费用：将预热的污泥注入高温处理炉，并加热升温。 为防止污泥由于温度骤然升高而表面干结，实际处理上，由a 点缓慢加温至b 点温度( 初定6 0 0 。c ) ，保持一段时阳j 至c 时刻，使污泥内部水分有充足时问溢 出，达到均匀烘干脱水，再升至最终目标温度d ( 设1 0 0 0 。c ) 。在温度加热控制 过程中，同时实时检测炉内湿度，智能适时控制启动通风设备，热风驱除水汽， 消除过高湿度不利污泥脱水干燥进程。 本文的主要工作可以大致分为三个部分：首先探i , t t 高温处理炉工作1 二艺 过程和炉温控制数学模型的建立；其次分析研究了三类不同的模糊控制器的功能 及设计方法，探讨基于遗传算法的模糊规则自动生成方法；在理论仿真的基础上， 构成实验系统进行模拟运行实验研究。比较论证了常规控制与模糊控制在实际过 程中的优劣。论文具体章节内容安排如下： 第二章：详细分析了高温处理炉工作过程以及影响高温处理炉炉温的主要因 素，在此基础之上研究建立了高温处理炉炉温的数学控制模型，并对污泥高温处 理炉炉温自动控制系统的组成和功能进行了描述，以及提出了相关控制策略。 第四章：详细研究了高温处理炉温过程模糊控制系统的模糊控制的设计，包 括模糊控制变量的选择及模糊化、模糊控制规则的建立、模糊推理、和模糊查询 标的建立。同时在基本模糊控制器基础上研究了各类模糊控制器的性能，结合了 其它控制算法分析了多模念控制器，以及详细讨论了基于遗传算法的模糊规则自 动生成方法通过实验证明陔方法是正确有效的。给出了污泥高温处理炉模糊控制 系统仿真结果。 第五章：结合课题实际搭建了模拟实验系统，并相应地开发了一套炉温控制 软件。采用理论仿真所得的模糊控制策略控制，给出了模拟实验运行的结果，结 论表明有应用参考价值。最后对全文进行总结并对下一步的工作进行了展望。 一一塑坚查兰塑1 ：坐堑兰兰些堡塞 第二章 污泥高温处理炉原理及炉温控制系统 2 1 污泥高温处理炉工作原理及燃烧系统 21 1 污泥高温处理炉工作原理 该污水处理厂设计使用的高温处理炉是一一种燃气，燃烧污泥废物的燃烧技 术。陶2 - 1 给出了该种污泥回转高温处理炉结构。 j j _ i | 转南温处删炉 封z r 荇泥丽转高韫溯唾鳓罐黼蛳膏删 污泥高温处理炉可以分为三部分。第一部分为污泥预加热段、污泥排出口通 道及燃料供给设备等外围设备，主要作用在于对即将高温处理的污泥进行预加 热，排除一些水分提高污泥本身的温度 ( 使燃料充分燃烧并放出热能的设备) 、 以利于后续的燃烧：第二部分则有炉膛 外置热交换器( 即燃烧炉热量循环利用 通道) 等组成；第三部分是尾部气体排除通道，一般有尾部烟道，过热器，除尘 器等。回转炉炉体为一卧式回转筒与水平成一定的倾角，污泥由高端投入回转筒 内( 炉膛) ，随着回转筒的旋转，污泥被提升、塌落等进行空间翻动，空气中的 氧与污泥表面接触加大，并不断刷新烘干面，因此烘干效率高，烘干时温度可高 达9 0 0 。c 以上。以下主要就高温处理炉的第二部分以及污泥高温烘干流程进行介 绍。 燃烧的基本条件是要有燃料和空气，通过燃烧器将燃料和空气充分混合是燃 料完全燃烧的关键。一定量的经过初步干燥的污泥在预加热段加热后，就投入高 温处理炉的炉膛开始燃烧处理。炉膛燃烧所需要的空气由炉的上端送入，同时通 过煤气管道将燃料一起注入炉膛进行燃烧，污泥由螺旋给料机供入，随着转炉的 转动，依次经过低温段、中温段和高温段，进行干燥脱水，有机成分充分燃烧、 笫一章污泥高滥处理由原理发炉温控制系统 碳酸钙分解等过程。最后，污泥在进行空问烘干的同时不断地往炉下端运动直至 污泥成千渣排出炉体。污泥有机物在燃烧过程中产生的大量烟气，在引风机作用 下经过二次燃烧、换热、降温除尘等设施的处理，最后排入大气中。燃烧过程进 行的完善与否，是高温处理炉正常工作的基本要求。为了节能和环保，不论燃烧 处于哪一阶段，都必须将空气流量和燃料流量控制在正常的范围内。根据污泥的 含水特性，在燃烧的初始阶段，需要缓慢燃烧，维持高温处理炉炉温在一个比较 低的温度值，防止污泥表面因为水分急剧下降而出现硬化结团现象，以给污泥内 部的水分足够的蒸发时间；升温第二阶段可以增加燃料的流量，使炉内温度迅速 升至预定的温度值( 如9 0 0 ) ，同时送入二次回风使炉内污泥进行充分烘干。 在污泥烘干过程中，随着烘干的进行污泥所带有的水分不断蒸发，这将会引 起高温处理炉炉内湿度变大。如果不及时排出这些水蒸气，那么将会影响整个高 温处理过程污泥的脱水质量。所以在炉的底部安装了个鼓风机，根据高温处理 炉当前的燃烧状态及炉内湿度的变化适时向高温处理炉炉膛鼓风，以尽快排出炉 内多余啻r 水分，维持炉内柿穗在菜一酋嘲奠酹舒围内。 这里需要提及的是：当鼓风机向炉膛鼓风降低炉膛内湿度的同时，排出的水 蒸气带走了一部分热量：这将导致炉内热量的损失，干扰炉温引起波动，因此湿 度的调节会影响到温度控制。 污泥高温处理系统控制的目标是使成分极为复杂的污泥充分焚烧脱水，要提 高污泥高温处理炉的运转效率、自身安全运行以及从环保节能工程方面看，高温 处理炉燃烧系统的稳定控制是关键。从污泥高温处理炉的工艺特性看，污泥高温 处理系统是一个多参数，非线性，时变并且多变量耦合的控制系统，一般由多个 子系统构成如：燃烧器火焰控制、炉温控制、停留时间控制、燃烧空气及系统负 压的控制以及外排烟气控制等等。 2 1 2 污泥高温处理系统控制组成简介 污泥高温处理系统控制部分分为：高温处理炉温度控制、停留时问控制、燃 烧空气及系统负压的控制。 1 ) 炉温度控制 高温处理温度指污泥有效脱水，有害成分在高温下氧化、分解直至破坏所需 达到的温度。提高污泥处理温度有利于污泥中有机毒物的分解和破坏，并可抑制 黑烟的产生。但是过高的处理温度不仅增加了燃料的消耗，而且会增加废物中氧 化氮的含量，引起大气二次污染。炉温还会影u 向处理后的污泥含固率的大小，影 响处理后污泥的重新增值。所以高温处理炉的运行温度必须有适时稳定控制。 每批次高温处理的污泥量、污泥成分以及炉膛系统负压是影响高温处理炉炉 温的主要因素。污泥量越大，污泥含水率越高，就相当于焚烧的负荷越大，焚烧 所需要的热量就更多；系统负压增加，烟汽带走的热量也会增大。基于以上原因， 充分把握机械脱水、污泥预热处理及根据污泥的具体组成，调整每批次的污泥量 对炉温控制是十分重要的。 2 ) 污泥搅拌混合程度控制 要使污泥有效脱水，减少污染物形成，高温处理时必须使污泥与炉膛内空气 充分接触混合。因此在污泥投入高温处理炉之前必须经过一定的预处理，如将大 块状污泥粉碎。在回转炉运行时，污泥沿着炉壁翻滚烘干，随着运行的进行，搅 拌混合程度变差。投入污泥量越大，炉膛内污泥积累越厚。如果污泥的粘度大在 炉趟内一滚商7 硎 ，船大的球体内角 粥谚谁暗哺时押弃置_ 帮毵婀炭残余物。彤 显 偏高。因此投入高温处理炉的污泥要求含水率要低，这也是污泥需要进行预先加 热处理的原因之一，同时要破碎大块污泥的存在，以及控制每批次投入的污泥总 量。 2 ) 停留时间控制 污泥中有害成分在高温处理炉内高温条件下，发生氧化、脱水使有害物质变 为无害物质所需要的时间即为烘干停留时间。影响污泥在高温处理炉内的停留时 间是由诸多因素决定的，如进入炉内前污泥的量、状态颗粒大小等a 污泥在炉内 的停留时间是决定污泥高温处理脱水效果和无害化的重要因素之一。具体对回转 炉而言，由于其炉体长度定，控制污泥在高温处理炉内的烘干停留时间的长短 主要取决于回转炉的转速。污泥的停留时问大小与回转炉转速成反比，转速变大 则污泥的停留时间减少；转速变小则污泥的停留时间增大。停留时间偏小，污泥 烘干就不彻底脱水效果差；停留时间偏长，会引起污泥在炉壁上的厚度增加，搅 拌不匀，也将导致污泥后续烘干不彻底，并且易结块，造成后续设备的堵塞。关 于回转炉的转速控制部分不是本文探讨的重点。 3 ) 燃烧空气及系统负压的控制 第二章污泥高温处理炉原理发炉温拄制系统 实际污泥高温处理过程中，若仅按量供给空气，燃烧空气与口_ 燃物质是无法 完全达到理想混合及反应的程度，为使可燃物质燃烧更加完全，必须对燃烧空气 进行有效控制。空气量供应合理程度，将直接影响高温处理的完全度。过低的过 剩空气，则系统负压增加，热量损失少，但污泥水分挥发量减少，有害物质也不 能完全氧化分解造成冒黑烟现象；过高的过剩空气，系统排气量和热量损失增加， 高温处理炉温度降低，也影响污泥脱水效率，燃气消耗量将显著增加。因此要把 好空气预热关。 综合以上方面，可以看出在污泥高温处理系统中，炉温温度、停留时问和过 剩空气是污泥高温处理控制系统设计的三个要点。常规的污泥高温处理控制系统 就是由以上所述的3 个相对独立控制系统组合而成。其中炉温控制性能是污泥高 温处理炉的重要指标，直接影响到高温处理炉内污泥处理效果。 2 2 污泥高温处理炉的温度控制模型 高温处理炉这类对象属于大滞后、大惯性对象，其等效特征传递函数为二阶 或二阶以上。在实际运行系统中，基于高温处理炉大滞后特点，要将炉膛温度准 确控制在某一温度是十分困难的，加上各种扰动因素的存在，甚至是不可能的。 通常的做法是将炉温控制在某一摄佳温度范围。 依据相关燃烧炉测试数据以及本课题模拟试验所用的处理炉，其炉温控制模 型可咀归结为以下形式： g b ) = 二卫p 1 2 一i ( z j + i ) ( t 2 s + 1 ) g s 十1 ) 由式2 一l 知炉温过程控制模型有两部分组成：n 阶惯性环节与纯时滞环节。对 于污泥高温处理炉这类实际对象，准确推出其数学表述式有相当难度。使用高阶 次数学模型，不但系统参数确定困难，控制过程计算工作量也明显增加，影响实 时控制效果；采用简单控制模型，由于模型本身误差大，对控制器要求较高，常 用的p i d 调节控制算法几乎不适用。本文针对模拟实验系统中的处理炉推建炉 温控制的数学模型。依据综合模型准确度和控制过程计算量结合模糊控制算法考 虑，模拟系统模型拟用一阶惯性环节加纯时滞环节构成炉温模糊控制系统。炉温 控制数学模型中的参数，通过实验所测得的数据做离线辨识得出( 实际系统炉子 相应模型参数也可以此法求取) ；具体实验模拟系统模型参数求取过程如下： 浙江火学f ! ) ij 1 i j 究生毕业论文 图2 2 为具体实验模拟系统实验处理炉加热3 分钟后，自然冷却的炉温温度 响应益线。图2 2 ( a ) 模拟实际系统相应燃气调节阀全开( 换算成控制电压i o v 为满值信号) ，并使炉子运行18 0 秒后燃气调节阀关闭。圈2 - 2 ( b ) 是燃气调节 阀玎、闭运行过程相应的实际实验炉温温度变化曲线。 匕 _ 二 二 - 一一_ 0 0 0 1 t l p f ； f i 、h 。 h 、一 ( b ) 幽2 - 2 炉温温度响应曲线 从图2 - 2 中可以看出，炉温起始温度为2 4 * ( 2 ，燃气调节阀全开运行初始段， 温度没有发生明显变化，说明该系统存在纯时滞时间，可以测得时滞列问值为 8 0 s 。燃气调节阀关闭( 对应控制电压0 伏) 炉温由最高温度点开始自然冷却至 室温共需要2 1 0 0 s 即3 5 分钟，具有大惯性特性。根据实测数据，用受控自回归 强 卯 艏 四 坼 那 葛 如 帮一章污泥高温处理炉原理及炉温拎制系统 积分滑动平均模型( a r m a x ) 离线辨识得到炉温控制模型的具体参数 ) = 意e - 8 0 1 9l 2 2 1 8 0 s + 18 0 s + 1 2 - - 2 式即为模拟实验炉的辨识模型，用该模型进行仿真，阶跃信号作用下，炉 温阶跃响应曲线结果如图2 3 ( a ) 所示；图2 3 ( b ) 为炉温脉冲响应曲线。 & e p r ， ， 1 【 ， i ， t l m f s e c ( a ) f 1 k 7 f 、 、。、 ： ( b ) 图2 - 3 温控模型的阶跃响应和脉冲h 自应曲线 比较图2 3 控制模型的仿真结果与图2 2 实际情况的定性观察结论相一 _ 0 8 d鼍霍盂 浙江人学埘j 叫究生毕业论文 毁。 实际污泥高温处理炉炉温系统，控制是通过电动调节阀的丌度来控制燃气 供应量的，所以温度控制模型还要考虑执行器传递函数。 依据2 - - 2 式模拟实验炉的辨识模型作仿真对比试验，p i d 参数是通过遗传 寻优算法得出，p i d 控制算法的炉温控制系统阶跃响应曲线如图2 - 4 所示；从图 中可以看出控制过程的响应缓慢，控制过程调节时问长，超调量大，系统性能不 理想。可以看出，常规p i d 控制方法对大时滞和大惯性系统性能指标难以保证。 遗传算法寻优确定p i d 参数过程如下，选取最优目标函数： j = j c 0 ( 川l e ( f ) l + w 2 “2 ( t ) ) d t + w 3 吒2 3 式中p ( f ) 为系统误差 “( f ) 为控制器输出 为上升时涮 w t ，w 2 ，吧为调节权值 同时，为了避免系统超调，最优目标函数选用了惩罚因子，即一旦系统产生超调， 寻优算法会自动将超调量作为最优且标函数申的一项，即： i fe ( t ) 0 j = f ( l e ( t ) l 十w 2 “2 ( f ) + w 4 ie ( t ) i ) d t + w ，屯 式中m ；4 。上例遗传算法中使用的样本个数为3 0 ，交叉概率和变异概率分别 为：只= 0 9 ，p 。= 0 0 3 3 。参数k ，的取值范围为 0 ，2 5 ，置，k ，的取值范围为 o ，1 ，取w ，= 0 9 9 9 ，w 2 = 0 0 0 1 ，比= 2 0 ，w 4 = 1 0 0 。算法采用二进制编码方 式。目标函数，的优化过程如图2 - 5 。 堡兰至塑塑塑塑竺些生坚型丝生塑芝型墨竺 18 l6 14 12 葛 i 呈 i 0 8 06 04 0 2 0 1 4 0 0 孽1 2 0 0 c o 8 0 0 6 0 0 p 一- 一- ， 2 、lj ，弋 一： j 、一 v ( 01 0 02 0 03 0 0 4 0 05 0 06 0 0 t i m e ( s ) 剧2 - 4 温控模型p i d 阶跃响应曲线 0口2 03 04 05 06 07 08 0 9 01 0 0 t i m e s 图2 - 5 目标函数优化曲线 2 3 污泥高温处理炉的炉温控制系统组成 高温处理炉炉温控制系统中控制器以工业控制计算机为核心，控制信号通过 6 浙江人学坝i 研究生毕业论立 a d d a 转换及外围接口通道实现污泥高温处理炉的闭环控制。污泥高温处理炉 炉温控制系统的硬件框图如图2 - 6 。 c 孵lc r t 2 然 控；“唾，。，二 加湿1 - n # 10 1 ! 电磁开关阀工业 r s 2 3 2 ( _ ： 用工 再一 拥霉电；端爷阀 。a 一- 控制 卜 业控 卜裟 yj 韫湿度黼 计算 制计 ， 蝴i 三二：- 式- - 学i 些- ，石。一机 算机 ， 。 一，卜a d。一 。开m i一 i 。r 。矗愀i = 一一f 矗珊哥圃l 堑 一一j送器? 一卜指示仪 幽2 - 6 炉温控制系统的硬件框幽 该系统由前、后机组成分级分布式闭环控制。前机s t d 负责对过程通道的 数据采集( a d 和d a 转换) 及各类数据的实时处理，负责执行机构实旌自动 控制及对当前重要数据显示等任务，是整个控制系统的核心。后机p c 负责向耵 机发送相关命令，接受前机的相关数据并进行实时处理，显示图形、打印输出各 类报表任务等，它是系统的数据处理中心。| i 、后机采用用串口通信方式。 实际系统a d d a 板卡选用p c l 8 1 2 p g 数据采集卡实现数据采集。 p c l 8 1 2 p g 是一种高精度、高速多功能数据采集卡。主要功能配罱为：1 ) 1 6 路 1 2 位a d 模拟输入通道；2 ) 2 路1 2 位d a 模拟输出通道；3 ) 1 6 位数据输入输 出口：4 ) 一个可编程计数器。p c l 一8 1 2 p g 数据采集卡采用1 2 位h a d c 5 7 4 作为a d 转换主芯片。输入电压范围可以由软件设定。系统设定的输入范围是o i o v ，同 时需要2 路模拟输入通道，分别作为温、湿度信号输入通道。 炉温控制系统控温过程：污泥高温处理炉所需燃气经由输气管调节阀送入炉 膛，炉膛温度信号用热电偶检测，经变送器转化成标准电压信号0 1 0 v ，经1 2 位的a d 转换器转变成对应数字量。该温度反馈数字量经软件均值数字滤波后 第二章污泥高温处j 坐炉原理发炉温挖制系统 作为当前采样值，作为温度控制算法计算依据，最后计算结果作相关控制信号， 经d a 输出通道转换成模拟量送入燃气电动调节阀的丌度控制输入端调节阀门 的开度，进而调节燃气流量，达到控制高温处理炉炉温的目的。同时由湿度传感 器采集炉膛内湿度值，通过工控机给出i o 控制信号控制相应电磁开关实现鼓风 机的启、停操作。系统声光报警装置在监测到输气管燃气压力不足时会给出报警 信号。 2 4 小结 本章分析了污泥高温处理炉的工作原理，详细探讨并给出了污泥高温处理炉 的数学模型及参数：污泥高温处理炉炉温控制调节过程分析了影响高温处理炉炉 温的若干因素。并给出了模型的阶跃响应曲线，从中可以得出该模型与实际炉温 变化基本符合。并据此阐述了污泥高温处理炉的炉温控制系统硬件结构，实际控 制系统运行方案。 浙江大学俩：i ：i 0 1 究生毕业论文 第三章污泥高温处理炉炉温模糊控制器的设计 模糊控制系统是以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑的规则推 理为理论基础的自动控制系统。它的组成核心是具有智能性的模糊控制器，因此， 具有智能性的模糊控制器控制的污泥高温处理炉炉温模糊控制系统是一种智能 炉温控制系统。 3 1 基本污泥炉温模糊控制器的设计 模糊控制系统最简单形式如图3 1 所示。由图可见，模糊控制器主要包括模 糊化接口、知识库( 数据库、规则库) 、推理机和解模糊接口4 个部分。 ，vlv ，i 竺竺些回横磊。匪司囊盏叫竺竺塑塑 | 过程输出量 或状态变量 实际控制信号u 。 ( 精虢量) 图3 - 1 模糊控制器的基本组成 1 ) 模糊化接口 模糊控制器的输入量必须通过模糊化才能用于模糊控制输出量的求解，因此 模糊化接口的主要作用是将真实的确定量输入转换成一个模糊矢量。通常把系统 输出反馈量与给定量之差e 和误差变化率e 作为模糊控制器输入语言变化量e 和c e ，其语言值实际上是一个模糊子集，是通过隶属函数来描述的。 2 ) 知识库 知识库由数据库和规则库构成。数据库数据所存放的是所有输入、输出变量 的全部模糊子集的隶属度矢量值( 即经过论语登记的离散化以后对应值的集合) ， 若论域为连续域，则为隶属度函数；规则库规则是基于专家知识或受冻操作熟练 人员长期积累的经验，它是按人的直觉推理的一种语言形式表达。模糊规则通常 有一系列的关键词连接而成，如i f t h e n 、e l s e 、a l s o 、e n d 、o r 等。关键词必须 经过“翻译”，爿能将模糊规则数值化，最常用的有i f - - t h e n a 3 ) 推理机 第兰市污泥高温处理炉炉温模糊控制揣的改计 一个模糊控制系统包含一组模糊控制规则，推理机将这一组规则关联起来， 协同工作。它具有模拟人的思维决策过程，运用知识库中数据库内的模糊语言概 念与舰则库储存的模糊控制规则，根据模糊逻辑运算推导出模糊控制输出。它通 常是在模糊控制器设计过程中选定的推理算法软件，但是随着现代微电子和集成 技术的发展，具有该类功能的硬件芯片已经逐步被应用。 4 ) 解模糊接口 模糊控制器的输出必须通过解模糊化才能用于被控对象的控制。它的主要作 用是将模糊矢量转换成精确的输出控制量。 设计模糊控制器的主要过程可阻分为以下5 个步骤： 1 ) 模糊控