（检测技术与自动化装置专业论文）工业电除尘装置的节能优化与控制器设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 电除尘器是一种高效的工业烟气治理设备，在冶金、水泥、电力等行业得到了广泛 应用，但其本身耗电量大，因此在保证除尘效率且满足烟气出口浓度的前提下，优化电 除尘器各电场的工作电压，并且对工业电除尘系统进行优化控制，使得设备总功耗最小 有着重要意义。 电除尘器是通过在电晕线上施加脉动直流负高压，使电晕线和阳极板之间产生电晕 放电，并由阳极板收集电子流吸附的粉尘以达到收尘的目的。本论文在结合国内外相关 资料的基础上研究了工业电除尘器装置的节能优化以及控制器的实现。在电除尘节能优 化方面，采用k 均值聚类算法全监督r b f 神经网络建立了电除尘器出口粉尘浓度供电 电压模型；以最小二乘法辨识电除尘器一次侧电晕功率模型；并在此基础上，以出口粉 尘浓度满足环保要求为限定，以电能消耗最小为目标，采用基本遗传算法对电除尘器的 高压供电参数进行节能优化。在控制器设计方面，研究了工业电除尘控制器的嵌入式软 硬件设计，采用二折线控制方式实现了火花跟踪控制，并在自动模式下利用分区域调速 算法能够根据优化的二次电压设定值实现自动控制，从而使工作电压能稳定工作在最优 工作点，降低电能消耗，达到经济运行的目的。 论文以唐山某钢铁厂的一台一室三电场电除尘设备的现场实际运行数据为依据，仿 真并结合实际验证，结果表明论文初步实现了电除尘器的节能优化控制功能，能够精确 检测火花并进行火花跟踪控制；而且建立的电除尘器出口粉尘浓度供电电压模型能反 映电除尘器工作电压与出口粉尘浓度之间的关系，根据基本遗传算法优化出的电除尘器 最优工作电压，能满足烟气出口浓度，且其功耗要小于现场工作值，起到节能降耗的作 用，为现场设备工作电压提供了参考值。 关键词：电除尘器；全监督r b f 神经网络；遗传算法。9 火花跟踪；优化控制 工业电除尘装置的节能优化与控制器设计 e n e r g y 。s a v i n go p t i m i z a t i o na n dc o n t r o l l e rd e s i g nf o r i n d u s t r i a le l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o re q u i p m e n t a b s t r a c t e l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r ( e s p ) i sa h i g h l ye f f i c i e n ti n d u s t r i a lf l u eg a st r e a t i n ge q u i p m e n t ， w h i c hp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nt h ef i e l do fm e t a l l u r g i c a li n d u s t r y ，c e m e n tm a n u f a c t u r i n g i n d u s t r ya n dp o w e ri n d u s t r y ，a n ds oo n h o w e v e r ，w i t hi t sc o m p a r a t i v e l yl a r g ec o n s u m p t i o n , o p t i m i z i n gt h eo p e r a t i n gv o l t a g eo fe v e r ye l e c t r i cf i e l do fe s pt om i n i m i z et h ep o w e r c o n s u m p t i o na n do p t i m a lc o n t r o lf o re s ps y s t e ma r eb e c o m i n gm o r em e a n i n g f u li nt h eb a s i s o f e n s u r i n gt h ec o l l e c t i o ne f f i c i e n c ya n ds a t i s f yt h eo u t l e tc o n c e n t r a t i o n b ya p p l y i n gp u l s ed cn e g a t i v eh i 曲v o l t a g eo nt h ec o r o n aw i r e si no r d e rt oe n g e n d e r c o r o n ad i s c h a r g i n gb e t w e e nc o r o n aw i r e sa n da n o d ep l a t e s ，e s pc a l lr e a l i z et h ed u s t c o l l e c t i o nb yt h ee l e c t r o nc u r r e n t a b s o r b e dd u s tc o l l e c t e db yt h ea n o d ep l a t e s t m sp a p e r s t u d i e dt h ee n e r g y s a v i n go p t i m i z a t i o na n dc o n t r o l l e r d e s i g nf o ri n d u s t r i a le l e c t r o s t a t i c p r e c i p i t a t o re q u i p m e n t i ne n e r g y s a v i n go p t i m i z a t i o no fe l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r ，a ne s p o u t l e tc o n c e n t r a t i o n - p o w e rs u p p l yv o l t a g em o d e lb a s e du p o ne n t i r e - s u p e r v i s e dr b fn e u r a l n e t w o r ka d o p t i n gk m e a n sc l u s t e ra l g o r i t h mw a se s t a b l i s h e d ；a n dt h ep r i m a r yc o r o n ap o w e r m o d e lw a si d e n t i f i e db ya d o p t i n gt h el e a s t - s q u a r em e t h o d ；t h e n ，t os a t i s f yt h ee n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o ns t a n d a r do no u t l e td u s tc o n c e n t r a t i o na n dm i n i m i z et h ep o w e rc o n s u m p t i o n ，a g e n e t i ca l g o r i t h mw a sp r e s e n t e dt oo p t i m i z et h eh i g hv o l t a g ep o w e rs u p p l yp a r a m e t e r sa n d l o w e rp o w e rc o n s u m p t i o n ；i nt h ec o n t r o l l e rd e s i g n ，r e s e a r c ho nt h ei n d u s t r i a le l e c t r o s t a t i c p r e c i p i t a t o rs y s t e mc o n t r o l l e r ，a n dr e a l i z et h ed e s i g no fe m b e d d e ds o f t w a r ea n dh a r d w a r e t h e c o n t r o l l e ra d o p t e dt w o - s t a g ec o n t r o lm e t h o dt or e a l i z es p a r k st r a c k i n gc o n t r 0 1 a n di tc a n i m p l e m e n ta u t o m a t i o nu s i n gt h ea l g o r i t h mo fs u b - r e g i o n a lg o v e r n o ra c c o r d i n gt ot h eo p t i m a l s e c o n d a r yv o l t a g ei na u t o m a t i cm o d e ，h e n c e ，c o n t r o lt h eo p e r a t i n gv o l t a g ei no p t i m a lw o r k i n g p o i n tc o n s t a n t l y ，r e d u c et h ep o w e rc o n s u m p t i o n ，a n da c h i e v et h ep u r p o s eo fe c o n o m i c o p e r a t i o n a c c o r d i n gt ot h eo p e r a t i n gd a t a so fe l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o rd e v i c e 、析t l lo n er o o ma n d t h r e ee l e c t r i cf i e l d si nas t e e lf a c t o r yi nt a n gs h a na n dv a l i d a t i n gw i t ht h ea c t u a ld a t a s ，t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h i sp a p e ri n i t i a l l ya c h i e v e dt h ee n e r g y s a v i n ga n do p t i m a l c o n t r o lf o re s p ，a n dc a nd e t e c ts p a r ka n dr e a l i z et r a c k i n gc o n t r o l i nh i g ha c c u r a c y t h eo u t l e t c o n c e n t r a t i o n p o w e rs u p p l yv o l t a g em o d e l e s t a b l i s h e di nt h i s p a p e rc a n r e f l e c tt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ew o r k i n gv o l t a g ea n do u t l e td u s tc o n c e n t r a t i o ni nar e l a t i v e l yh i g h i i 大连理工大学硕士学位论文 a c c u r a c y t h eo p t i m a lw o r k i n gv o l t a g eb a s e do nt h eg e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) c a nm e e tt h e r e q u i r e m e n to fo u t l e tc o n c e n t r a t i o n o nt h eo t h e rh a n d ，i t sp o w e rc o n s u m p t i o nw a sl e s st h a n f i e l dw o r k i n gv a l u e ，a n di tc a np r o v i d er e f e r e n c ev a l u e sf o rf i e l dw o r k i n g v o l t a g e k e yw o r d s ：e l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r ；e n t i r e s u p e r v i s e dr b fn e u r a ln e t w o r k ；g e n e t i c a l g o r i t h m ；s p a r k st r a c k i n g ；o p t i m a lc o n t r o l i i i - 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 兰些鱼睑尘整里鱼垒莩丛丝丝5 超剑盎迟茸 作者签名： 途) 耋耷 日期： 幽年j 三月三l 日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 大连理工大学硕士学位论文 引言 随着国民经济高速增长，我国环境污染不断加重，传统的高投入、高能耗经济增长 模式，导致能源巨大消耗，2 0 0 7 年全国电能缺口达到6 9 6 3 万千瓦。目前国家大力倡导 节能减排，工业电除尘器作为防治工业烟气污染的主要设备之一，已广泛应用于电力、 冶金、建材等行业i l j ，环境保护中三废处理，即废气、废水、垃圾处理过程中的自动化 技术称为环境控制自动化，工业电除尘器将电力电子、自动控制技术应用于工业烟气污 染的防治，近年来一直是该领域研究热点。工业电除尘设备示意图如图1 所示，其中包 括回转窑、冷烟室、烟道及电除尘器等构成。烟尘通过风机送入回转窖，经过冷烟室冷 却后由烟道进入电除尘器内进行除尘，再由抽风机将除尘完的烟气抽出，再经烟囱排放 到大气中。 图1 工业除尘设备示意图 f i g 1 t h ep r o c e s ss t r u c t u r eo fi n d u s t r i a ld u s tr e m o v a ls y s t e m 电除尘器是利用高压电场使烟气发生电离，气流中的粉尘荷电并在电场作用下与气 流分离，达到净化空气的目的。但首先目前国内外比较普遍的是采用出口粉尘浓度负反 馈控制，即将出口粉尘浓度信号反馈到电压控制系统中去控制电除尘器供电电压；不过 大多数出口粉尘浓度控制以经验为主，工艺操作大多以过分提高供电电压来达到降低出 口粉尘浓度的目的；而且电除尘本体通常由3 巧个电场级联，每个电场由一台高压柜进 行控制，系统在预先设定的火化频率、供电电压、工作方式下工作，但当烟气负载变化 时，此类系统由于采用固定的供电方式、控制方式不能适应工况的变化，特别是低负荷、 低灰粉工况，这都将造成电能的极大浪费。其次顺应电除尘器的耗电量大以及要满足环 保排放标准要求的形势，越来越多的学者从荷电机理、供电方式等理论方面研究来达到 排放标准、降低能耗的目的，这些研究为电除尘的节能优化控制及其实现奠定了基础， 给出了很好的指导方向，但像国外w h i t e hj i z j 、c o o p e r m a n l 3 j 以及国内沈阳工业大学的 工业电除尘装置的节能优化与控制器设计 赵志斌1 4 l 等人在电除尘除尘效率数学模型上的理论研究，着重于烟尘在电场中电离、荷 电、运动、捕集的过程，到目前为止仍然还没有推导出适用于电除尘控制系统的除尘效 率与供电参数之间关系的数学模型，而且单纯的除尘效率数学模型中存在某些参数的不 可检测性以及没有考虑到电除尘器实际功耗问题，这也对整个电除尘装置的节能优化控 制造成一定难度。 针对上述问题，本文采用全监督r b f 神经网络建立了电除尘器出口粉尘浓度供电 电压模型以及以最小二乘法辨识电除尘器一次侧电晕功率模型，从而将电除尘除尘效率 和功耗联系起来，并采用遗传算法在保证除尘器满足出口浓度要求的前提下，对电除尘 器的高压供电参数进行优化控制，在此基础上设计电除尘控制器，实现二折线火花跟踪 实时控制，降低除尘器电能消耗，实现企业的节能减排1 5 】。 大连理工人学硕十学位论文 1电除尘装置工艺阐述 1 1电除尘器装置 1 。1 1电除尘器基本组成 图1 1 为唐山某钢铁厂一台作用于9 0 m 2 烧结机的一室三电场电除尘器装置工艺示意 图，钢铁厂将炼钢炉出来的烟气经缸降室部分尘降后经水冷罩冷却，大部分通过烟道管 进入电除尘器内1 6 j ，少部分由集尘罩收集；进入电除尘器内的烟气由除尘器三个电场进 行级联除尘，而后靠除尘风机将出口烟气从烟囱排放出。 该电除尘器装置通常由高压供电系统、低压控制系统和电除尘器本体构成，其系统 示意图如图1 2 所示，其中，“，：第f 个电场的一次电压；1 1 ，：第f 个电场的一次电流； 职；：第f 个电场的二次电压；厶。：第f 个电场的二次电流。 电除尘器本体的主要部件包括：烟箱系统、电晕极系统、集尘极系统、槽型板系统、 储灰系统、壳体、管路、壳体保温和梯子平台等。 高压供电系统是电除尘器的重要组成部分之一，它为升压变压器供电，可将工频交 流电变换成脉动直流负高压，并进行火花频率控制。国内通常采用可控硅自动控制高压 硅整流变压器，来调节电除尘器工作电流、电压。高压供电系统包括升压变压器、高压 整流器、控制器与传感器四部分 7 1 。 烟道管 水玲罩 图1 1 电除尘器装置工艺示意图 f i g 1 1 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fe l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o rd e v i c e 工业电除尘装置的节能优化与控制器设计 高压供电系统i l i 图1 2 电除尘系统组成示意图 f i g 1 2e l e c t r i c i t yd u s tr e m o v a ls y s t e mc o m p o s i t i o ns c h e m a t i cd r a w i n g 由可控硅输出的可调交变电压，经升压器将工频3 8 0 v 交流电升到6 0 k v 或更高的 电压，再经桥式整流器整流成为高压直流电。输出的负高压通过阻尼电阻与本体的电晕 极相连，其中阻尼电阻可缓冲瞬时火花放电电流并起到一直高频分量的作用。自动反馈 系统以给定的反馈量为调压依据，自动调节可控硅的导通角，使高压电源输出的电压随 着电场工况的变化而自动调节；同时，自控回路还具备各项保护性能，使电场在短路、 开路、过流、偏励磁、闪络和拉弧等情况时对高压电源进行封锁和保护。 低压控制系统包括振打系统：主要有集尘极( 阳极) 振打电机、电晕极( 阴极) 振 打电机、分布板振打电机、槽板振打电机；加热系统：有大梁电加热器、阴瓷轴电加热 器、灰斗电加热器；排灰系统：灰斗卸灰电机、仓壁振动器、螺旋输灰电机及拉链机等。 低压控制系统性能的优良与否也直接影响除尘效率及电除尘系统的正常运行。 1 1 2 电除尘器的工作原理 电除尘器除尘主要依托的是电晕放叫8 】原理。通常电除尘器电晕线是细长的金属线， 上面布满了芒刺线。当电晕线与阳极板之间加高压直流电时，两极之间将形成不均匀电 场，离电晕线越近，电场强度就越强；当电晕线附近的一个很小区域内( 一般为2 - 3 r a m ) 电场强度大至某一值时，在电晕线附近的少量游离子在电场力的作用下被加速至很高的 速度，并在运动中与中性气体相碰撞，使气体分子电离为正离子和电子。自由电子获得 了足够的能量，它和气体分子碰撞产生正离子和新的电子，而新生的电子立刻又参与到 碰撞电离中去，使得电离过程加强，生成更多的正离子和电子。这样，由于在电子的行 程上新生成电子不断参加碰撞电离，结果气体中的电子像雪崩似的增长，形成电子崩， 迁移率较大的电子集中在“崩”的头部迅速向阳极方向发展，而正离子则留在“崩”尾 向阴极加速并撞击阴极使其释放出达到自持放电所必须的二次电子。因此，在电晕极附 大连理工大学硕士学位论文 近的狭小区域就产生了放电条件，形成电晕，这就是电晕形成的机理。在强电场区以外 ( 电晕外区) ，电子逐渐减慢n d 于碰撞电离所必需的速度( 多次碰撞后动能减少) ， 并附着在气体分子上形成负离子向阳极运动，其运动速度和它们的电荷及电场强度成比 例。这些气体离子构成了电晕外区的电晕电流，这时如含尘的烟气进入电场，其中尘粒 将被负离子碰撞而荷电，形成负粒子，而负粒子在电场力作用下向阳极( 集尘极) 运动， 以达到收尘的目的。当集尘极板上的粉尘达到一定厚度时，再通过振打装置使粉尘落入 下部灰斗，再把灰尘通过输灰装置输送出去，即完成了整个除尘工作。 1 2 国内外电除尘节能优化技术 目前该电除尘装置整个工艺操作只顾及电除尘器的出口粉尘浓度的排放指标，通过 大幅度地提高电除尘器的供电电压来使除尘效率最大化，没有涉及到电除尘器装置整个 工艺过程的电能消耗，而且该电除尘器的控制也采用常规控制，采用固定的火花频率控 制方式以及低压控制，不能随工况变化而改变，对节能优化控制考虑甚少。为此，下面 结合国内外的技术现状介绍了一些节能优化技术，并在此基础上提出了本文研究设计工 作。 1 2 1 脉冲节能供电技术 在理论分析和借鉴国内外先进技术的基础上，有的专家学者进行了脉冲供电波形对 电除尘器能耗和除尘效率影响的研究和试验。根据试验的结论，在电除尘器常规电源 ( 5 0 h z ) 供电控制设备上开发出了具有节能提效功能的脉冲供电方式，大幅度减少了电 除尘器运行过程中无效和反效电能的消耗，在提高或保证除尘效率的基础上实现电除尘 器的节能运行，从而降低电除尘器的运行电耗。 该供电方式的主要实现思路为：电除尘器与硅整流变压器等效为电容与电感，控制 系统通过对每个半波晶闸管导通角的合理控制，充分利用供电电源正弦波的脉冲特性以 及变压器和本体的储能特点使高压电源输出脉冲幅度、宽度及基准电压灵活可变的脉冲 供电波形，达到既提高电晕极与集尘极之间的单位荷电场强，又节省电能的目的。结果 表明，特定脉冲特性的供电电压波形能够降低电除尘器的能耗，提高电除尘器除尘效率 【9 】 o 1 2 2 高频开关电源的节能技术 研究和试验表明，电除尘主要电能消耗是高压电源。而高频电源是一个与输入电源 频率无关的可变脉动电源，给除尘器一个接近纯直流到脉动幅度很大的各种电压波形， 可以提供最合适的电压波形，从而提高除尘效率。与工频5 0 6 0 h z 高压电源相比，高频 工业电除尘装置的节能优化与控制器设计 电源纯直流供电时的输出电压波纹通常小于5 ，远小于工频的3 5 - - 4 5 的纹波百分 比，其闪络电压高，运行电压可达工频电源的1 3 倍，运行电流可达工频电流的2 倍， 在同样的电场里，能输入更多的功率，从而有效提高收尘效率。 采用串并联混合谐振拓扑结构的逆变器，理想情况下功率器件关断损耗为零，同时 有恒流特性，在输出短路时有很好的限流能力，提高了系统可靠性，适合火花冲击、短 路频繁的现场工况条件。采用三相电源平衡输入，对电网无污染，无缺相损耗，属于绿 色电源，效率与功率因数高，效率通常大于9 3 ，功率因数也大于9 3 ，比工频电源保 守估计节能2 0 以上，节电收益相当可观u 。 但高频电源容量目前还很难做大，目前国际上最大容量为1 0 a 7 2 k v ，国内最大容 量为0 8 a 7 2 k v ，在很多大容量场合，还不能满足要求，尤其钢厂烧结机一般都在3 0 0 m 2 以上，近年来国内部分大项目更是达到了5 5 0 m 2 ，而在电力行业，新项目最少都是6 0 m w 机组，高频电源是一种趋势，值得研究，但目前还没有得到大规模应用。 1 2 3 电袋复合式除尘技术 电袋复合除尘器【i l 】将前级电除尘和后级袋除尘有机地串联成一体，烟气先经过前级 电除尘，充分发挥其捕集中高浓度粉尘、除尘效率高( 8 0 以上) 和低阻力的优势，进 入后级袋除尘时，不仅浓度大为降低，且前级的荷电效应又提高了粉尘在滤袋上的过逮 特性，使滤袋的透气性能和清灰性能得到明显改善，使用寿命大大提高。该技术自2 0 世纪7 0 年代在国外开始应用，国内继首次在元宝山电厂试验后，先后在上海浦东和金 山水泥厂应用成功，排放浓度稳定在3 0m g n m 3 。 电袋复合式除尘充分结合了电除尘和袋除尘的优点，针对粉尘比电阻高、细粉尘颗 粒的应用场合，有着较好的收尘效果，但袋除尘由于关键的收尘布袋存在着易破损、维 护量大的特点，布袋使用寿命亟待提高。国内福建龙净环保有限公司和西安西矿环保有 限公司等单位也在开发电袋结合这项技术。要获得突破，必须在串联式电袋复合除尘技 术的基础上，重点解决电极与滤袋嵌入结构布里、电极放电对滤袋的影响和滤袋更换等 问题。 1 2 4 智能动态优化控制 电除尘器在运行过程中，其运行工况始终处于动态变化中，电除尘器的供电参数必 须随运行工况同步变化才能使电除尘器始终运行于最佳状况。 通过理论分析和大量的现场试验发现，电除尘器的运行工况与电气参数之间存在着 规律性的联系。在此基础上，研究智能优化控制，其核心是在电除尘器运行时根据烟气 大连理工大学硕士学位论文 及粉尘性质的变化，对运行电压、电流波形、粉尘出口浓度以及u i 特性进行综合分析 与判断，自动地反复调整工作方式以及导通角，使提供给电除尘器本体的电压、电流始 终处于最佳状态，使之有利于粉尘的荷电与捕集，从而提高除尘效率、降低烟尘排放浓度 并降低电能消耗【1 2 1 。但智能动态优化控制受现场环境变化影响较大，目前多以监控除尘 效率为主，要真正达到节能优化，仍需在理论控制上有进一步研究。 1 2 5 其他先进节能优化技术 除却上述三种比较常见、应用较为广泛的节能优化技术外，目前国内外专家学者还 研究了相当多的先进方法，如泛比电阻电除尘技术、移动电极电除尘技术、等离子体技 术、声波清灰技术等，针对一些特定工况场合，具有较好的收尘效果。 1 3 本论文研究方向与内容 针对电除尘器节能减排的要求，并结合国内外的技术现状，本论文以智能优化控制 为基础，以r b f 全监督神经网络建立电除尘器出口浓度一供电电压模型，并采用遗传算 法，以出口粉尘浓度满足环保要求为限定，以能耗最低为目标，对电除尘器的供电电压 进行优化控制。同时将电场工作电压优化控制方法与火化跟踪控制方式相结合，并适当 选择电压上升率和火化频率，以改善供电特性，提高除尘效率，选择合理的振打方式、 卸灰控制方式和绝缘子加热方式，以实现电除尘器整体的节能控制【l3 1 。论文以唐山某钢 铁厂的电除尘设备现场实际运行数据为依据，进行大量仿真与实际试验，分析比较实验 数据对算法改进优化，并进行电除尘控制器的设计开发。 全文共分五章，其中第二、三、四章是本文研究的重点。主要内容安排如下： 第一章电除尘装置工艺阐述。阐述了唐山某钢铁厂的一台电除尘装置的工艺结构 和电除尘工作原理，介绍了几种节能优化控制技术。 第二章工业电除尘节能优化控制总体设计。介绍了除尘效率理论研究以及节能优 化方案整体设计。 第三章电除尘供电电压节能优化。提出了基于k 一均值聚类算法的全监督r b f 神 经网络模型以及基于最小二乘的一次侧电晕功率模型，采用遗传算法寻优，并进行仿真 试验，对算法进行改进。 第四章电除尘控制器硬件设计。介绍了电除尘控制器硬件电路的设计。 第五章电除尘控制器软件设计。介绍了控制器软件设计以及控制算法的实现。 结论与后续研究工作的展望。 工业电除尘装置的节能优化与控制器设计 2工业电除尘节能优化控制总体设计 本章概述了工业电除尘的优化目标和除尘效率的影响因素以及节能优化控制的实 现方法，从理论研究和实践应用方面确立了工业电除尘节能优化控制的整体设计方案。 2 1优化目标 本论文以唐山某钢铁厂一台作用于9 0 m 2 烧结机的一室三电场电除尘器为研究对象， 将该电除尘器的出口粉尘浓度满足环保要求及电能消耗最小为目标，对其三个电场的二 次电压进行优化，优化的目标函数为 p = u 。，p ：，) i l j ( ，：，( u ：，) ) ( 2 1 ) c o m f 7 0 f 3 0 其中，：电场数，这里取3 ； 尸：电除尘器一次侧电晕功率，单位为k w ； ，：第f 个电场的二次电压，单位为k v ； ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) u ，慨，) ：相应于二次电压的一次电压，单位为v ； ，2 ，( u 2 。) ：相应于二次电压的二次电流，单位为m a ； i i , 0 ：，( 叱，) ) ：相应于二次电流，：j ( u ：，) 的一次电流，单位为a ； e ：电除尘器出1 ：3 粉尘浓度，单位为m g n m 3 ； m ：根据环保要求而定的排放浓度限定值； f ：电除尘器第f 个电场。 2 2 电除尘器除尘效率理论研究 除尘效率是衡量电除尘器除尘性能的重要指标，它直接影响电除尘器的出口粉尘浓 度，出口粉尘浓度的高低能直接反映出除尘效率的高低，而且除尘效率跟电除尘器的供 电参数也存在着密切的关系，故对电除尘器除尘效率的理论模型【1 4 】研究对后续工作有一 定的重要意义。 大连理工大学硕士学位论文 2 2 1 电除尘器出口粉尘浓度数学模型 考虑线一板型静电除尘器( 电场如图2 1 所示) 。假设粒子是球型的，进入除尘器后 在x 方向由气流携带以速度y 向前运动，同时因受电场力作用以驱进速度形向收集板迁 移，并受重力作用以重力沉降速度u 向下沉降。粒子在静电除尘器内的这一运动过程可 以通过以质量守恒定律为基础的质量传递方程( 平流一扩散方程) 并忽略粒子的布朗扩 散作用来描述，即 y 篆+ 形筹一u 篆毯窘+ 巧窘岖窘 c 2 5 ) 融 两a z1 瓠zy 舢z 2 a z z 其中，c 是粒子时均浓度，k 。、k 。和k ：分别为所对应方向的紊流扩散系数。一般 地，由于粒子的重力沉降速度远小于其驱进速度，可以忽略粒子的重力沉降作用和在竖 向的紊流扩散效应，这样方程( 2 5 ) 被简化为 矿篆+ 筹= e 万a 2 c + 髟矿a 2 c ( 2 6 ) 锄却3 苏2 ，加2 、。1 图2 1 电场示意图 f i g 2 1d i a g r a mo fe l e c t r i cf i e l d 集板 因为我们的目的在于寻求静电除尘器所能达到的理论收尘效率，所以必须考虑完 全理想的边界条件： c ( x ，y ) = c o ，x = 0 l i mc ( x ，y ) ：0 x 争 ( 2 7 ) ( 2 。8 ) 工业电除尘装置的节能优化与控制器设计 c ( x ，y ) = o ，y = 0 c ( x ，少) = o ，y = b ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 式( 2 7 ) 的物理意义是静电除尘器有良好的入口条件，使得在人口断面上粒子浓 度均匀分布，且浓度为c o ；式( 2 8 ) 表示只要有足够的长度，静电除尘器的收集效率 可以达到1 0 0 ，式( 2 9 ) 表示一旦粒子离开除尘器入口，便受电场力作用向收集板迁 移，在y = 0 值( x = 0 除外) 处形成一个零浓度面；式( 2 1 0 ) 表示迁移到收集板的 粒子被全部收集，没有返混现象。 利用分离变量法，定解方程组( 2 6 ) 一( 2 1 0 ) 的解为 c = 妻n = i 小x p 芸 一 i 、ji + 旦 s i n f 旦 2 k yj2 k y ，。疗= ：i 等s 台， 1 - l2sn仁r，c2尹z=：，：z， c = 塾e 冲卜等+ 鲁h 等y ) 只= 争 1 + 斟嘲h s c ，：w b 4 k ， s c y2 i w b ) i( 2 1 1 ) 1 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 火连理：r 大学硕士学位论文 互= 争 甓 2 h 眩 研究表明，在紊流传递过程中，一般有k ，= m k y 。其中，朋为正常数。故此，式 ( 2 1 7 ) 可写为 。 v2 s c y e = 2 r o w 卫2 - + 讣蚓卜 ( 2 1 8 ) 由于讣鲫轧施聊化为 = 讣i 他 令o f , o s c y = o ，即当s e y = 2 n 时，得互的极小值e m i n = y ，且有巧= w b 2 x 。 根据w h i t e hj 的电除尘理论和以d e u t s c h 假设粉尘浓度在静电除尘器内横断面上 均匀分布为前提，得到静电除尘器新的理论除尘效率为 刁= 一p ( q 鲁) 汜2 。， 式中，7 7 ：粉尘收集效率：形：粉尘驱进速度；l ：收尘极板长度；v ：气体平均 流速；b ：线板问距。 由式( 2 2 0 ) 可知，当被处理的烟气量和收尘极板的面积不变时，粉尘驱进速度越大 【1 6 1 ，则除尘效率越高。影响粉尘驱进速度的因素很多，当荷电充分时，驱进速度可以表示 为 形钏+ 2 景4 - 2 ，警 汜2 ， sb 死u 式中，s ：粉尘介电常数；a ：粉尘半径；e ：荷电电场强度；乞：收尘电场强 度；：工况混合气体粘度系数。 工业电除尘装置的_ i 怕jd y 匕_ , 优化与控制器没计 一般情况下e 巨e ，从而驱进速度正比于粉尘直径和供电电场强度的平方，同 时在电晕极和集尘极间距固定的情况下，供电电场强度就直接与除尘器的工作电压有关 了。 多电场级联时，电除尘器出口粉尘浓度数学模型可表示为 刁r = k - 一i i = 1 ic ，一刀， c 2 2 2 ) c 。= ( 1 7 77 ) c f ( 2 2 3 ) 式中，7 7 r ：电除尘器总的除尘效率；7 7 ，：第f 级电场除尘效率；n ：电除尘器电 场级联数；k ：考虑电除尘器漏风、自然沉降等因素的修j 下系数；e ：电除尘器出口 烟气浓度；c ：电除尘器入口烟气浓度。 由式( 2 2 3 ) 可知，电除尘出口粉尘浓度与除尘效率有关，在电除尘器入口烟气浓 度一定的情况下，除尘效率越高，电除尘出口粉尘浓度就越低，故出口粉尘浓度能直接 反映出除尘效率，而且除尘效率与除尘器的工作电压有密切关系，在像粉尘颗粒半径等 参数不可测的情况下，建立网络模型体现出其优越性。 2 2 2电除尘器出口粉尘浓度r b f 神经网络模型 ( 1 ) r b f 神经网络 径向基函数( r b f r a d i a lb a s i sf u n c t i o n ) 是多维空问插值的传统技术，由p o w e l l 于1 9 8 5 年提出。1 9 8 8 年b r o o m h a c e d 将径向基函数和多层神经网络【1 7 】进行了对比，揭 示出二者的关系。m o o d y 和d a r k e n 在1 9 8 9 年提出了一种新颖的神经网络一径向基函数 神经网络( r b f n n ) 。同年，j a c k o n 论证了径向基函数网络对非线性连续函数的一致 逼进性能。到目前为止，已经提出了许多种r b f 网络的训练算法。r b f 神经网络的优 良特性，使其越来越广泛地应用于各个领域。 ( 2 ) r b f 神经网络与b p 神经网络的比较 传统的b p 网络的误差曲面是一个很复杂的超曲面，所以虽然己经证明，只要有足 够多的隐层，b p 网络就可以逼近任意的非线性映射关系，但b p 网络仍然存在着很多的 问题。其中，最大的一个问题便是收敛速度慢，容易陷入局部极小，这显然是由于误差 曲面存在着多个局部极小点以及曲面形状过于平缓而造成的；另外的一个问题便是b p 网络结构的确定，没有一定的规则可循，现在我们通常只能根据一些经验公式来大致的 大连理下大学硕士学位论文 确定网络的隐层节点。尽管针对这些问题人们进行了大量的研究，但是，我们看到改进 的效果仍是不理想。 总的来说，这是由于b p 网络是通过一个阈值来模拟神经元的反应门限值以及非线 性的s 函数 1 = = ( 2 2 4 ) l 十p 。 来模拟神经元的非线性输出，而并没有对输入向量空间进行有效的映射。根据对人脑的 研究成果，人类大脑对外界刺激的反应形式是基于感受野的，亦即不同部位的脑细胞对 外界刺激的反应强度是不同的，各个神经元的作用域都是一个局部的范围，只有当输入 在一定的范围内，该神经元才响应，否则不响应或响应很小。这一点在b p 网的神经元 映射函数中并没有得到体现，与神经元的作用原理有一定的出入，致使它的性能不是很 好。 r b f 网络通常以高斯函数作为神经元映射函数，即 一坚丘 厂( x ) = e 2 矿 ( 2 2 5 ) 其中，e 为高斯函数的中心，仃用来表示高斯函数的灵敏度，盯越小，对输入的 变化越敏感。由公式可见，只有当输入与中心相等时，输出达到最大，随着输入与中心 的渐渐偏离，输出也逐渐减小，并很快趋近于零，这与实际神经元基于感受野的这特 点很相似。 显然，r b f 网络1 ： s b p 网络更符合人类大脑对信息的处理方式，而实践也证明，r b f 网络是一种性能良好的前向神经网络，相对于b p 网络，它具有更快的学习速率，且不存 在局部极小值的问题，只要样本充足，无论系统是否为非线性都可以找到恰当的映射。 因此，在许多领域，如函数逼近、数据挖掘、系统预报等方面都得到广泛的应用。 ( 3 )电除尘器出口粉尘浓度r b f 神经网络模型 电除尘器除尘效率受很多因素的影响，如烟气性质、烟气量、烟气浓度； t r ( 高 压硅整流) 供电方式、供电电压电流；阴阳极振打清灰效果；气流分布；漏风状念等。 当其他因素，如烟气量、负荷、烟气性质以及除尘器本体等相对固定后，除尘效率就直接 和电场参数密切相关。在这罩，采用r b f 神经网络【1 7 , 1 8 1 建模，将作用于唐山某钢铁厂 9 0 m 2 烧结机的一台一室三电场电除尘设备三个电场的二次电压作为神经网络的输入 x ，将电除尘器出口粉尘浓度作为神经网络的输出】，能比b p 网络建模更好的反映电 除尘器工作二次电压与出口粉尘浓度之间的关系。电除尘器出口粉尘浓度r b f 网络模 型如图2 2 所示。 工业电除尘装置的： 7 能优化与控制器设计 输入层 隐含层 输出层 浓度c d 图2 2 电除尘器出口粉尘浓度r b f 网络模烈 f i g 2 2 t h er b fn e t w o r km o d e lo fo u t l e td u s tc o n c e n t r a t i o nf o re l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r 2 3 工业电除尘节能优化控制总体设计 由式( 2 2 0 ) 、( 2 2 1 ) 可知，除尘效率随粉尘驱进速度的增加按负指数曲线上升， 而粉尘驱进速度直接与除尘器的工作电压有关，当工作电压增加到某一值后，除尘效率 就上升得很慢了，所以过分增加工作电压是不经济的；同时考虑到数学模型中如式 ( 2 1 8 ) 、( 2 2 1 ) 等像，、口之类的参数不可检测性，以及对特定电除尘器设备诸如 烟气量，集尘极板的面积，长度等物理参数相对固定以及电除尘器运行工况的变化，兼 顾电除尘器除尘效率和电能消耗，本文提出了工业电除尘节能优化控制总体设计方案， 原理图如图2 3 所示。 大连理工大学硕士学位论文 图2 3电除尘节能优化控制设计原理图 f i g 2 3 t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo fe n e r g ys a v i n ga n do p t i m a lc o n t r o ld e s i g nf o re l e c t r o s t a t i cp r e c i p i t a t o r 电除尘节能优化控制设计原理是以电除尘器的出口粉尘浓度作为判定除尘效率的 依据，以除尘器的一次侧输入功率为判定除尘器能耗的依据，用全监督r b f 神经网络 建立电除尘器出口浓度供电电压模型，采用遗传算法g a 寻找最佳工作二次电压的设定 值，控制系统将实际电压信号与优化得到的最佳工作电压信号比较后，随之采用电除尘 控制器的控制算法改变主回路调节晶闸管的导通角，从而通过高压硅整流变压器使电场 二次电压得到调节，作用于电除尘器本体，同时结合合理的振打、温度、卸灰控制等低 压控制方式，使其输出出口粉尘浓度不超过环保要求的限定值以及降低电除尘器的电能 消耗。 同时将由于现场工况变化测量得到的电除尘器二次电压和出口粉尘浓度输入到 r b f 网络中，修正网络参数，进而对工作电压进行实时的优化控制，实现工业电除尘的 整体节能减排。 工业电除尘装置的节能优化与控制器设计 3电除尘供电电压节能优化 本章以唐山某钢铁厂一台作用于9 0 m 2 烧结机的一室三电场电除尘器的现场实际运 行数据为基础，根据第二章图2 3 的设计原理，先采用全监督r b f 神经网络建立电除尘 器出口浓度供电电压模型，再根据最d - 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