提高除尘效率的最佳温度控制系统的研究＊

谭宝成，陈 楠

（西安工业大学 电子信息工程学院，西安710021）

电除尘器内温度变化对除尘器的运行状态的影响是很敏感的，对电除尘器烟气温度进行检测与控制，对提高电除尘器的除尘效率有很大的影响．1922年美国的Minorsky在对船舶自动导航的研究中，提出了基于输出反馈的比例积分微分控制器的设计方法，标志了PID控制的诞生．目前高压静电除尘器的温控系统仍采用普通PID控制器，但普通PID串级控制系统对滞后较大的温度控制往往不能满足高精度、高速度的控制要求；相比之下，变速积分PID算法可以很好地抑制PID的超调，避免温度大幅度摆动，快速稳定的实现恒温控制，算法简单容易操作，并且误差较小［1］．而温度对电除尘器的影响主要表现在对粉尘比电阻的影响，从而进一步影响粉尘荷电效率．因此有必要进一步研究粉尘比电阻受温度影响的变化规律，通过最佳粉尘比得到最适合除尘器工作的温度范围．

1 温度对除尘效率的影响

1．1 温度对粉尘比电阻的影响

最适合电除尘器工作的比电阻值为1×104～5×1010Ω·cm．粉尘比电阻在104Ω·cm以下时除尘效率随着比电阻的降低而大幅度降低；比电阻高于5×1010Ω·cm时，除尘效率随着比电阻的增高而下降．也就是说在1．04×102～5×1010Ω·cm内粉尘比电阻值越接近5×1010Ω·cm除尘效率越高［2］．粉尘比电阻的峰值根据煤灰特性出现在140℃～150℃之间，在150℃以上时，飞灰的比电阻与温度成反比，与烟气成份无关；而在低于140℃时，飞灰比电阻与温度成正比，并与烟气的湿度和其他成分有关．图1为粉尘比电阻与温度的关系，是比较典型的燃煤锅炉粉尘比电阻随温度变化的曲线．

图1 粉尘比电阻与烟气温度的关系Fig．1 The relationship of the dust resistivity and the gas temperature

由图1可以看出，粉尘比电阻最高对应的温度与锅炉设计的排烟温度比较接近（正常情况下排烟温度为130℃～150℃），而电除尘器最佳运行温度是140℃～150℃，在超出这个范围时，粉尘比电阻受温度影响较为明显，不利于收尘工作进行．烟气温度对电除尘器性能的影响还表现在温度对气体粘滞性的影响．气体的粘滞性是随着温度的上升而增加的．气体的温度愈高，烟气的粘滞性愈大，则驱进速度愈低．从温度影响电除尘器性能来看，烟气温度高于露点温度后，运行温度较低为好［3］．

1．2 温度场对除尘效率的影响

通过对静电室内温度的采集，采用多项式回归分析法整理出加热器周围烟气的温度分布方程

式中：t为烟气温度；r为以热源中心为原点的半径．

加热器周围的温度分布如图2所示．在加热器周围存在着明显的温度场，加热器表面的温度与空间烟气的温度差接近25℃，由粉尘的热飘移理论可知［4］，粉尘具有自动向温度降低方向移动的特性，温度梯度的存在有利于粉尘向收尘极板沉降，从而提高除尘效率．

图2 加热器周围的温度分布图Fig．2 The temperature distribution around the heater

2 系统方案

本系统的被控对象为顶部吊挂电加热器，以PLC-S7-200为核心，利用大功率可控硅控制器控制热阻丝两端所加的电压大小，来改变流经热阻丝的电流，从而改变除尘器静电室内的温度；测温元件则采用WZP-230Pt100铂热电阻，铂热电阻信号送至对应室电加热控制柜的PLC低压控制器实现进出口烟气温度显示．

温度控制模型如图3所示，采用温度传感器将检测到的实际电室温度进行A／D转换，再送入计算机中与设定值进行比较，得出偏差．对此偏差按变速积分PID算法进行调整，得出对应的控制量来控制驱动电路，调节电加热器的功率，从而实现对电室温度的智能控制．

图3 温度控制模型Fig．3 The model of temperature control

在温度控制系统中，一般认为温度被控对象G（S）为纯滞后的一阶惯性环节，其传递函数为

式中：K为对象增益；T为对象的时间常数；τ为对象的纯滞后时间．为获取传递函数的具体数值，文中给执行机构75%的脉冲，使用铂热电阻测量炉内的温度，每隔30s采集一次，最终通过现场采集，其测量结果如图4所示．

图4 温度测量图Fig．4 The figure of measuring temperature

由于有测量误差等因素，得到的系统响应曲线不是平滑的，通常对于一阶加纯滞后系统，其阶跃响应为

根据文献［5］的算法，利用测量数据，在（3）式的基础上可以求出K，T，τ的参数区间（［Kd，Ku］，［Td，Tu］，［τd，τu］），其中求得Kd＝196．987，Ku＝208．348，Td＝67．53，Tu＝72．347，τd＝52．76，τu＝59．34．最终取K＝ （Kd＋Ku）／2，T＝ （Td＋Tu）／2，τ＝ （τd＋τu）／2，则其最终的传递函数为

3 变速积分PID算法

在传统的PID算法中，因积分系数ki为常数，所以在整个调节过程中，积分增量不变．但系统对积分项的要求是：偏差大时，积分作用减弱甚至全无，否则，会产生超调，甚至出现积分饱和；反之，在偏差小时应加强，否则不能满足准确性的要求．因此，针对如何根据系统偏差大小而改变积分的速度，提高系统品质，变速积分PID算法［6］可以很好地抑制PID的超调，解决这个问题．

变速积分PID的基本思路为：设法改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相对应：偏差越大时，积分累积速度越慢，积分作用越弱；偏差越小时，积分累积速度越快，积分作用越强．为此，设置系数，他是偏差的函数，当｜en｜增大时，f（en）减小；反之则增大．每次采样后，用f（en）乘en，再进行累加，其积分项表达式为

其中：U1n为变速积分的输出值．

系数f（en）与偏差当前值｜en｜的关系可以示线性的或非线性的，表示为

将式（7）写成增量式表达式为

式中：en，en-1，en-2为第n次偏差值；Kp为比例系数；Ti为积分系数；Td为微分系数；T为采样周期．

4 系统仿真与实际测试结果

图5 阶跃响应曲线比较Fig．5 Comparison between the step response curves

经过现场实际测试，将测试结果与仿真结果进行对比见表1，考虑到实际操作中的热能损失，对比结果完全在合理误差范围内，实际控制精度保持在±0．5℃范围内，达到预期效果．

表1 实际测量与仿真结果对比Tab．1 Comparison between the actual measurements and the simulation results

5 结 论

系统通过变速积分PID算法实现了温度在140℃～150℃范围内的优化控制，实验证明变速积分PID算法在S7-200温度控制系统中操作方便，对于时间常数较大的温度控制系统，系统的动态性能指标较好，能使系统快速趋于稳定，有效的减少超调量，从而保证高压静电除尘器的静电室内温度稳定，大大提高除尘效率．

［1］ 张立，伊翠香，封帅．变速积分PID算法在温度控制中的应用［J］．工程与试验，2011，12（1）：53．ZHANG Li，YI Cui-xiang，FENG Shuai．Application of Variable-Speed Integral PID Algorithm to Testing Machine Temperature Control［J］．Engineering ＆Test，2011，12（1）：53．（in Chinese）

［2］ 何立波，王显龙，贾明生．影响静电除尘器效率的控制因素［J］．中国电力，2004，37（1）：74．HE Li-bo，WANG Xian-long，JIA Ming-sheng．Control Factors of Influence on Electrostatic Precipitator Efficiency［J］．Electric Power，2004，37（1）：74．（in Chinese）

［3］ 李亚林，王玉川．排烟温度与静电除尘器除尘效率的关系［J］．现代营销：学苑版，2011（2）：101．LI Ya-lin，WANG Yu-chuan．The Relationship Between Exhaust Temperature and Classic Precipitation Efficiency［J］．Marketing Management Garden，2011（2）：101．（in Chinese）

［4］ 端木琳，冯国会，敖永安，等．静电热管除尘换热空间的温度分布特性［J］．沈阳建筑工程学院学报：自然科学版，2001，17（4）：291．DUAN Mu-lin，FENG Guo-hui，AO Yong-an，et al．Temperature Distribution of Dust Removal and Heat Exchange in Electrostatic and Heat Tube field［J］．Journal of Shenyang Arch and Civ Univ：Natural Science，2001，17（4）：291．（in Chinese）

［5］ 李超，黄德先，金以慧．利用阶跃响应求解一阶加纯滞后系统参数区间的鲁棒辨识算法［J］．化工自动化及仪表，2003，30（5）：25．LI Chao，HUANG De-xian，JIN Yi-hui．Robust Parameter Identification of First-Order Plus Dead-Time Model from Step Response［J］．Control and Instruments in Chemical Industry，2003，30（5）：25．（in Chinese）

［6］ 谭宝成，党莉．变速积分增量式PID在气力除灰控制系统中的应用［J］．西安工业大学学报，2010，30（5）：480．TAN Bao-cheng，DANG Li．The Application of Variable Integral Incremental PID in the Pneumatic Ash Control System［J］．Journal of Xi’an Technological University，2010，30（5）：480．（in Chinese）