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无线传感器网络及赤泥控制燃煤脱硫的系统.pdf

  • 上传人:111****112
  • 文档编号:4185446
  • 上传时间:2018-09-04
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  • 页数:14
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  • 摘要
    申请专利号:

    CN201610392161.9

    申请日:

    2016.05.26

    公开号:

    CN106390703A

    公开日:

    2017.02.15

    当前法律状态:

    公开

    有效性:

    审中

    法律详情:

    公开

    IPC分类号:

    B01D53/50; B01D53/81; G06N5/04

    主分类号:

    B01D53/50

    申请人:

    河北工程大学

    发明人:

    张龙; 白春红; 卓凡

    地址:

    056001 河北省邯郸市光明南大街199号

    优先权:

    专利代理机构:

    代理人:

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    内容摘要

    本发明公开了无线传感器网络及赤泥控制燃煤脱硫的系统,涉及环境工程烟气脱硫智能控制技术领域。该系统包括燃煤锅炉系统、SO2无线连续监测系统、数据采集与处理系统、赤泥粉输送智能管控系统。本发明达到的有益效果为:构建了一套低成本、自组织、低功耗的基于无线传感器网络的SO2无线连续监测系统以及数据采集与处理系统;构建了一种稳定可靠、配置灵活的赤泥粉输送智能管控系统。在此基础上,实现了燃煤锅炉的炉内干法脱硫。本发明适用于电力、冶金、有色、化工等行业的燃煤锅炉炉内干法脱硫,既减少了赤泥堆积带来的问题,又有效降低了燃煤锅炉烟气中SO2气体的排放量,减轻酸雨及大气污染,达到了“以废治废,变废为宝”的目的。

    权利要求书

    1.无线传感器网络及赤泥控制燃煤脱硫的系统,其特征在于:包括燃煤锅炉系统、SO2
    无线连续监测系统、数据采集与处理系统、赤泥粉输送智能管控系统,所述的
    (1)燃煤锅炉系统:
    包括煤粉炉或循环流化床锅炉连接除尘器(21),除尘器(21)通过烟道(22)连接
    引风机(23),引风机(23)连接烟囱;燃烧温度为+850℃~+980℃;
    (2)SO2无线连续监测系统:
    由无线传感器网络作为核心组网构架,所述的无线传感器网络包括SO2采样传感器节
    点、sink节点,通过网关及无线收发模块与数据采集与处理系统相连接;
    (3)数据采集与处理系统:
    a、获取和处理来自SO2无线连续监测系统传输来的数据,对数据存储、处理、识别无
    效数据;
    b、控制SO2无线连续监测系统的日常运行,提供认证测试和检查所需资料,打印出测
    量的SO2烟气流量值、排放浓度值及排放量数据,与企业环保行政主管部门远程监测系统
    连接、PLC系统通信;
    (4)赤泥粉输送智能管控系统:
    采用PLC系统实现对赤泥粉给料电机转速的智能控制,采用模糊PID控制实现赤泥粉
    给料量与SO2排放浓度值间的动态平衡,所述模糊PID控制包括模糊PID系统、PID控制
    器、A/D转换模块,并与赤泥粉输送系统有线连接。
    2.根据权利要求1所述的无线传感器网络及赤泥控制燃煤脱硫的系统,其特征在于:
    所述SO2采样传感器节点包括采样探头、SO2烟气预处理模块、SO2烟气分析模块、A/D转
    换模块、处理器模块、存储器模块、无线通信模块、智能电源模块:所述SO2采样传感器
    节点安装在燃煤锅炉系统中除尘器(21)出口的烟道(22)垂直管段上,监测位置处烟道
    不漏风,所述SO2采样传感器节点的采样方法为直接抽取法,采样流量为3L/min,流量误
    差小于±0.1L/min,环境温度为+5℃~+45℃,测量烟气排放浓度值范围为0mg/Nm3~
    5000mg/Nm3,对SO2烟气测定分析方法为非分散红外吸收法。
    3.根据权利要求2所述的无线传感器网络及赤泥控制燃煤脱硫的系统,其特征在于:
    所述采样探头为电加热不锈钢探头,探头内置有对SO2烟气中的颗粒物进行过滤的表面过
    滤器和对SO2加热的拌热管。
    4.根据权利要求2所述的无线传感器网络及赤泥控制燃煤脱硫的系统,其特征在于:
    所述SO2烟气分析模块采用压差法测定SO2烟气流量值、排放浓度值及SO2烟气排放量;
    差压法的处理单元包括皮托管单元和差压变送器单元,皮托管有两个测压孔,为总压测量
    孔和静压测量孔,总压测量孔对准气体流动方向,测量的是总压,总压测量孔与流动方向
    垂直,测量的是静压,差压变送器测量两值的差,即动压,流速与动压的平方根成正比;
    所述的SO2烟气排放量按以下公式进行计算:
    Gh=c·Qm×10-6
    <mrow> <msub> <mi>G</mi> <mi>d</mi> </msub> <mo>=</mo> <munderover> <mi>&Sigma;</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mn>24</mn> </munderover> <msub> <mi>G</mi> <msub> <mi>h</mi> <mi>i</mi> </msub> </msub> <mo>&times;</mo> <msup> <mn>10</mn> <mrow> <mo>-</mo> <mn>3</mn> </mrow> </msup> </mrow>
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    其中,Gh为SO2烟气小时排放量(kg/h),c为标准状态下SO2烟气连续监测小时平
    均浓度(mg/m3),Qm为标准状态下干SO2烟气小时平均流量(m3/h),Gd为SO2烟气日
    排放量(t/d),为该天中第i小时SO2烟气排放量(kg/h),Gm为SO2烟气月排放量(t/m),
    Gy为SO2烟气年排放量(t/y)。
    5.根据权利要求1所述的无线传感器网络及赤泥控制燃煤脱硫的系统,其特征在于:
    所述sink节点包括传感器模块、可扩展接口、处理器模块、存储器模块、无线通信模块,
    采用有线供电模式。
    6.根据权利要求1所述的无线传感器网络及赤泥控制燃煤脱硫的系统,其特征在于:
    所述赤泥粉输送系统连接燃煤锅炉系统,赤泥粉输送系统包括赤泥粉粉仓(1),赤泥粉粉
    仓(1)下方设有给料仓,给料仓与赤泥粉粉仓(1)之间设有去进料密封电磁阀(3),所
    述给料仓入口设有进料阀(4)和位料计(5),赤泥粉粉仓(1)上方与给料仓上方连接有
    线缆,线缆上设有平衡阀(6)和密封压力开关(7),给料仓下端设有喷吹系统,连接接
    燃煤锅炉系统的管道(10)上设有排堵阀(8)和入炉快关阀(9),管道(10)另一端连
    接空压机,之间设有进气阀(11)和进气管压力开关(12)。
    7.根据权利要求6所述的无线传感器网络及赤泥控制燃煤脱硫的系统,其特征在于:
    所述喷吹系统包括罗茨风机、管路、弯头、喷射器、混合器、叶轮式旋转给料阀、插板门、
    旋转给料阀控制柜,叶轮式旋转给料阀与罗茨风机采用联锁控制。
    8.根据权利要求6所述的无线传感器网络及赤泥控制燃煤脱硫的系统,其特征在于:
    所述赤泥粉粉仓(1)布置在零米层,下部设有止赤泥粉结块的流化装置防,顶部设有除尘
    器及压力真空释放阀。
    9.根据权利要求6所述的无线传感器网络及赤泥控制燃煤脱硫的系统,其特征在于:
    所述的给料仓采用两级给料仓,由上给料仓(2a)和下给料仓(2b)组成。
    10.根据权利要求1所述的无线传感器网络及赤泥控制燃煤脱硫的系统,其特征在于:
    所述的模糊PID系统采用两输入三输出的结构,输入变量为系统SO2设定值与实际监测值
    之间的偏差e和偏差变化率ec,经模糊化后输入变量e变为E,偏差变化率ec变为EC,输
    出量为PID参数Kp、Ki、Kd,根据不同的偏差和偏差变化率对PID参数进行在线调整。

    说明书

    无线传感器网络及赤泥控制燃煤脱硫的系统

    技术领域

    本发明涉及环境工程烟气脱硫智能控制技术领域,具体涉及无线传感器网络及赤泥控
    制燃煤脱硫的系统。

    背景技术

    我国是以燃煤为主的能源结构的国家,是世界上最大的煤炭生产国和消费国,煤炭资
    源探明可采储量为1842亿吨,蕴藏量位居世界第3位,年产量达12亿吨以上,约占世界
    煤炭产量的25%。目前,我国一次能源以煤炭为主,约占一次能源消费量的2/3,预计2020
    年约占3/5,2050年也占1/2左右。

    然而,煤炭的大量使用也对我国的大气环境带来了很大的压力,燃煤造成的大气污染
    主要有烟尘、SO2、NOX、CO2等,随着我国燃煤量的不断增加,燃煤排放的SO2也在不断
    增加,连续多年超过2000万吨,已居世界首位,其中,2008年SO2排放量为2321.2万吨。
    由于SO2的大量排放,致使我国出现大面积的酸雨,它不仅危及人体健康,还对生态环境
    和工农业生产造成极大的危害。在2007年国家监控的500个市(县)中,出现酸雨的有281
    个,占56.2%,降水平均pH值小于5.6的城市有196个,占39.2%。中国环境科学研究院、
    清华大学等单位的研究结果表明,由SO2等导致的酸雨污染给我国造成的损失每年超过
    1100亿元,即每排放1吨SO2将造成超过5000元的损失,大气污染所造成的损失每年约占
    我国GDP的2%~3%。因此,对SO2的污染控制已成为我国亟待解决的环境问题。

    洁净煤技术(Clean Coal Technology,CCT)是当前世界各国解决环境问题的主导技术
    之一,也是高技术国际竞争的重要领域,洁净煤技术涉及到煤炭加工、燃烧、转化、污染
    控制等领域,其核心技术是煤炭高效洁净燃烧技术。目前,控制燃煤SO2污染的主要技术
    可分为4类:燃烧前脱硫,如物理洗选煤法、化学洗选煤法等;燃烧中脱硫,如炉内喷钙、
    型煤固硫、循环流化床燃烧等;燃烧后脱硫,如烟气脱硫(FGD);煤转化过程中脱硫,
    如煤炭气化、煤气联合循环发电等。目前,国外控制燃煤SO2污染的最有效手段是煤炭洗
    选和FGD,但其基建投资及运行费用较高。根据我国国情,采用成本低廉、工艺简便的燃
    烧中脱硫技术是控制污染的有效手段之一。石灰石因其资源丰富,廉价易得,被广泛用作
    燃烧中脱硫的脱硫剂。石灰石在850℃~950℃时具有较高的脱硫效率,但从目前实际运行
    结果看,石灰石在循环流化床内的脱硫效率较低,钙转化率不高,在其他燃烧方式下,效
    率更低,一般不超过40%。部分学者研究了单一组分化学物质对石灰石燃烧脱硫的效
    果,但因其价格昂贵且脱硫效果并不理想,难以产业化。

    文献《赤泥的固硫特性及其机理研究》(赵改菊、路春美、田园等,《燃料化学学报》
    2008年第36卷第3期)指出,工业生产中目前有大量废弃物堆积,这些废弃物既占据一定
    可用地,又造成严重污染,给环境治理带来极大不便。部分废弃物如碱厂废渣、高锰酸钾
    厂废渣、煤渣、铝矿渣(赤泥)、铁矿渣、盐厂废渣等,内部有些成分(CaO、MgO、K2O、
    Na2O、NaOH、Na2CO3)可与SO2直接发生反应生成硫酸盐或复盐;有些成分(Fe、Ba与
    Mn的化合物及NaCl)对CaO的硫化反应过程可起强化/催化作用,使钙的硫化反应速度加
    快、钙利用率提高。若能用其代替石灰石进行燃烧固硫,可以使两种对环境十分有害的废
    弃物得以中和,达到“以废治废”的目的。

    我国从1954年开始用烧结法生产氧化铝,赤泥是氧化铝生产过程中产生的最大废弃物,
    也是氧化铝厂最大的污染源,赤泥为一般性固体废物,不属于放射性废渣,属于强碱废渣,
    是一种严重的碱性污染源,其附液的PH值大于12.5。由于生产方法、技术水平以及铝土矿
    品位的不同,每生产1吨氧化铝同时产出1.0吨~1.8吨赤泥。2000年国内氧化铝产量为700
    万吨,排出赤泥约700万吨以上;2005年国内氧化铝产量为850万吨,排出赤泥约850万
    吨以上;预计2010年国内氧化铝产量为3000万吨,排出赤泥约4500万吨以上。目前,我
    国赤泥主要采用湿法露天筑坝堆存处理,大量的赤泥由于未得到充分的利用和处理,不仅
    占用土地资源,耗费大量堆场建设和维护费用(每堆存1吨赤泥的管理费为50元~100元),
    大大增加了氧化铝的生产成本。此外,强碱性、高盐基度的赤泥废液造成水体、土壤碱化,
    污染地下水源,导致环保压力剧增。赤泥问题严重制约着氧化铝工业的可持续发展及三废
    治理的重点和难点,如何限制赤泥的环境危害以及多渠道的综合利用赤泥,已成为氧化铝
    工业亟待解决的课题。

    赤泥可分为烧结法、拜耳法和联合法赤泥,主要成分是SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3等。
    中国铝业山东分公司产生的赤泥主要是烧结法、拜耳法赤泥,主要成分为CaO及水合物,
    含水量约为70%~80%,其PH值约为12.5~13,与SO2、SO3等酸性气体反应具有很强的
    活性,且含有较多的CaO、SiO2以及2CaO·Si2O3·CaCO3·3CaO·Al2O3存在,利用其CaO·MgO
    的含量特性以及少量的TiO2·MnO对赤泥进行综合利用,作为脱硫剂用于燃煤锅炉炉内干法
    脱硫,具有节能、节水、减少石灰石资源消耗等多种现实意义,从而达到“以废治废、变废
    为宝”的目的。

    中国专利ZL200810246590.0公开了利用赤泥进行燃煤固硫的方法,属于燃煤锅炉炉内
    干法脱硫范畴;中国专利ZL200610098706.1、ZL200610098705.7和ZL200610200499.6均

    公开了采用赤泥作为脱硫剂处理或吸收燃煤烟气中的SO2的方法,但仅属于FGD范畴,
    其运行、维护成本高,工艺过程较为复杂,且易造成二次污染。上述中国专利仅公开了赤
    泥作为脱硫剂进行炉内或炉外脱硫的工艺,但在燃煤锅炉脱硫系统构建方面未见报道。

    无线传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和通信技
    术,目前已广泛应用于数据传输量小、通信距离短、传输时延及功耗低的实时监测、感知
    和采集各种环境或监测对象信息中,是信息感知与采集的一场革命。因此,结合无线传感
    器网络在实时数据采集及监测方面的技术优势,采用赤泥作为脱硫剂,对现有的燃煤锅炉
    脱硫系统进行优化改造,对进一步推进我国节能减排、建设资源节约型、环境友好型社会
    具有十分重要的意义。

    发明内容

    本发明所要解决的技术问题是提供一种无线传感器网络及赤泥控制燃煤脱硫的系统,
    构建一套低成本、自组织、低功耗的基于无线传感器网络的SO2无线连续监测系统以及数
    据采集与处理系统,避免传统有线方式系统成本高、安装维护难度大的缺点,在此基础上,
    采用赤泥作为脱硫剂,构建一种稳定可靠、配置灵活的赤泥粉输送智能管控系统,从而实
    现燃煤锅炉炉内干法脱硫。

    为解决上述技术问题,本发明所采取的技术方案为:

    无线传感器网络及赤泥控制燃煤脱硫的系统,其特征在于:包括燃煤锅炉系统、SO2
    无线连续监测系统、数据采集与处理系统、赤泥粉输送智能管控系统,所述的

    (1)燃煤锅炉系统:

    包括煤粉炉或循环流化床锅炉连接除尘器,除尘器通过烟道连接引风机,引风机连接
    烟囱;燃烧温度为+850℃~+980℃;

    (2)SO2无线连续监测系统:

    由无线传感器网络作为核心组网构架,所述的无线传感器网络包括SO2采样传感器节
    点、sink节点,通过网关及无线收发模块与数据采集与处理系统相连接;

    (3)数据采集与处理系统;

    a、获取和处理来自SO2无线连续监测系统传输来的数据,对数据存储、处理、识别无
    效数据;

    b、控制SO2无线连续监测系统的日常运行,提供认证测试和检查所需资料,打印出测
    量的SO2烟气流量值、排放浓度值及排放量数据,与企业环保行政主管部门远程监测系统
    连接、PLC系统通信;

    (4)赤泥粉输送智能管控系统;

    采用PLC系统实现对赤泥粉给料电机转速的智能控制,采用模糊PID控制实现赤泥粉
    给料量与SO2排放浓度值间的动态平衡,所述模糊PID控制包括模糊PID系统、PID控制
    器、A/D转换模块,并与赤泥粉输送系统有线连接。

    进一步的技术方案在于:所述SO2采样传感器节点包括采样探头、SO2烟气预处理模块、
    SO2烟气分析模块、A/D转换模块、处理器模块、存储器模块、无线通信模块、智能电源模
    块:所述SO2采样传感器节点安装在燃煤锅炉系统中除尘器(21)出口的烟道(22)垂直
    管段上,监测位置处烟道不漏风,所述SO2采样传感器节点的采样方法为直接抽取法,采
    样流量为3L/min,流量误差小于±0.1L/min,环境温度为+5℃~+45℃,测量烟气排放浓度
    值范围为0mg/Nm3~5000mg/Nm3,对SO2烟气测定分析方法为非分散红外吸收法。

    进一步的技术方案在于:所述采样探头为电加热不锈钢探头,探头内置有对SO2烟气
    中的颗粒物进行过滤的表面过滤器和对SO2加热的拌热管。

    进一步的技术方案在于:所述SO2烟气分析模块采用压差法测定SO2烟气流量值、排
    放浓度值及SO2烟气排放量;差压法的处理单元包括皮托管单元和差压变送器单元,皮托
    管有两个测压孔,为总压测量孔和静压测量孔,总压测量孔对准气体流动方向,测量的是
    总压,总压测量孔与流动方向垂直,测量的是静压,差压变送器测量两值的差,即动压,
    流速与动压的平方根成正比;

    所述的SO2烟气排放量按以下公式进行计算:





    其中,Gh为SO2烟气小时排放量(kg/h),c为标准状态下SO2烟气连续监测小时平
    均浓度(mg/m3),Qm为标准状态下干SO2烟气小时平均流量(m3/h),Gd为SO2烟气日
    排放量(t/d),为该天中第i小时SO2烟气排放量(kg/h),Gm为SO2烟气月排放量(t/m),
    Gy为SO2烟气年排放量(t/y)。

    进一步的技术方案在于:所述sink节点包括传感器模块、可扩展接口、处理器模块、
    存储器模块、无线通信模块,采用有线供电模式。

    进一步的技术方案在于:所述赤泥粉输送系统连接燃煤锅炉系统,赤泥粉输送系统包
    括赤泥粉粉仓,赤泥粉粉仓下方设有给料仓,给料仓与赤泥粉粉仓之间设有去进料密封电
    磁阀,所述给料仓入口设有进料阀和位料计,赤泥粉粉仓上方与给料仓上方连接有线缆,
    线缆上设有平衡阀和密封压力开关,给料仓下端设有喷吹系统,连接接燃煤锅炉系统的管
    道上设有喷吹系统排堵阀和入炉快关阀,管道另一端连接空压机,之间设有进气阀和进气
    管压力开关。

    进一步的技术方案在于:所述喷吹系统包括罗茨风机、管路、弯头、喷射器、混合器、
    叶轮式旋转给料阀、插板门、旋转给料阀控制柜,叶轮式旋转给料阀与罗茨风机采用联锁
    控制。

    进一步的技术方案在于:所述赤泥粉粉仓布置在零米层,下部设有止赤泥粉结块的流
    化装置防,顶部设有除尘器及压力真空释放阀。

    进一步的技术方案在于:所述的给料仓采用两级给料仓,由上给料仓和下给料仓组成。

    进一步的技术方案在于:所述的模糊PID系统采用两输入三输出的结构,输入变量为
    系统SO2设定值与实际监测值之间的偏差e和偏差变化率ec,经模糊化后输入变量e变为
    E,偏差变化率ec变为EC,输出量为PID参数Kp、Ki、Kd,根据不同的偏差和偏差变化
    率对PID参数进行在线调整。

    采用上述技术方案所产生的有益效果在于:

    借助无线传感器网络进行SO2无线连续监测,首先呈现出自组织、自治、自适应等无
    线传感器网络的特色,同时,具有成本低廉、功耗低、稳定可靠、配置简单灵活、实施便
    捷等特点。本发明适用于电力、冶金、有色、化工等行业的燃煤锅炉炉内干法脱硫,既减
    少了赤泥堆积带来的问题,实现了资源的重复利用,又有效降低了燃煤锅炉烟气中SO2气
    体的排放量,减轻酸雨及大气污染,达到了“以废治废,变废为宝”的目的。

    附图说明

    下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

    图1是本发明的结构示意图;

    图2是本发明的SO2无线连续监测系统结构示意图;

    图3是本发明的SO2无线连续监测系统采样传感器节点硬件结构示意图;

    图4是本发明的SO2无线连续监测系统sink节点硬件结构示意图;

    图5是本发明的燃煤锅炉脱硫工艺的结构示意图;

    图6是本发明的赤泥粉输送智能管控系统功能结构示意图。

    其中:1-赤泥粉粉仓,2a-上给料仓,2b-下给料仓,3-去进料密封电磁阀,4-进料阀,
    5-位料计,6-平衡阀,7-密封压力开关,8-排堵阀,9-入炉快关阀,10-管道,11-进气阀,12-
    进气管压力开关,21-除尘器,22-烟道,23-引风机。

    具体实施方式

    下面结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描
    述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本
    发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实
    施例,都属于本发明保护的范围。

    在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是本发明还可以采用
    其他不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况
    下做类似推广,因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

    如图1所示,本发明包括燃煤锅炉系统、SO2无线连续监测系统、数据采集与处理系统、
    赤泥粉输送智能管控系统4个功能结构。

    如图2所示,燃煤锅炉系统包括煤粉炉或循环流化床锅炉连接除尘器21,除尘器21通
    过烟道22连接引风机23,引风机23连接烟囱;燃烧温度为+850℃~+980℃。

    SO2无线连续监测系统,由无线传感器网络作为核心组网构架,所述的无线传感器网络
    包括SO2采样传感器节点、sink节点,通过网关及无线收发模块与数据采集与处理系统相
    连接。

    数据采集与处理系统:a、获取和处理来自SO2无线连续监测系统传输来的数据,对数
    据存储、处理、识别无效数据;b、控制SO2无线连续监测系统的日常运行,提供认证测试
    和检查所需资料,打印出测量的SO2烟气流量值、排放浓度值及排放量数据,与企业环保
    行政主管部门远程监测系统连接、PLC系统通信。

    如图3所示,本发明的SO2无线连续监测系统采样传感器节点硬件结构由采样探头、
    SO2烟气预处理模块、SO2烟气分析模块、A/D转换模块、处理器模块、存储器模块、无线
    通信模块、智能电源模块组成。

    采样探头为电加热不锈钢探头,探头内置大表面过滤器,对SO2烟气中的颗粒物进行
    有效过滤,SO2进入探头后即被加热。传输SO2的拌热管具有温度调节作用,使得SO2在整
    个传输过程中均保持一定高温,从而消除了任何SO2因可能的溶解而带来的测量误差。

    SO2烟气预处理模块对采样得到的SO2进行冷却脱水、过滤处理、气液分离、流量调节
    操作。SO2烟气分析模块采用压差法测定SO2烟气流量值、排放浓度值及排放量。差压法的
    主要处理单元由皮托管单元和差压变送器单元2部分组成。皮托管有2个测压孔,一个孔
    对准气体流动方向,测量的是总压,另一孔与流动方向垂直,测量的是静压。差压变送器
    测量它们的差,即动压。流速与动压的平方根成正比。因此,其测量精度在量程上半部较
    高,在量程下半部较低。所述的SO2烟气排放量按以下公式进行计算:





    其中,Gh为SO2烟气小时排放量(kg/h),c为标准状态下SO2烟气连续监测小时平
    均浓度(mg/m3),Qm为标准状态下干SO2烟气小时平均流量(m3/h),Gd为SO2烟气日
    排放量(t/d),为该天中第i小时SO2烟气排放量(kg/h),Gm为SO2烟气月排放量(t/m),
    Gy为SO2烟气年排放量(t/y)。

    处理器模块采用美国Microchip公司的PIC18F4620单片机,具有功耗低、集成度高、
    体积小和成本低的特点,PIC18F4620具有丰富的资源:片内64KB Flash程序存储器,4KB
    的数据SRAM,1024Byte的EEPROM及丰富的I/O端口:10bit 13通道模数转换模块,支
    持自动采集功能,且在睡眠状态可进行转换;1个8bit和3个16bit硬件定时/计数器;2个
    CCP模块,可编程看门狗定时器和片上模拟比较器,片上电压基准电路;10种可选晶体振
    荡模式;此外,还有主同步串行口(MSSP)模块和增强型可寻址USART模块,MSSP模
    块支持3线SPI和I2C主/从模式,USART模块支持RS-485、RS-232和LIN 1.2。

    无线通信模块采用挪威Chipcon公司的CC2420射频芯片,其工作频率为2.4GHz,具
    有完整的Zigbee协议栈(IEEE802.15.4标准)。CC2420射频收发器包含了物理层(PHY)
    层与媒体访问控制(MAC)层,可组建一个具备65000个节点的无线网络,并可随时扩充。
    CC2420芯片传输速率为250kb/s,具有低功耗、较低的快速唤醒时间(小于30ms)、CSMA/CA
    信道状态侦测等特性。CC2420可以通过4线SPI总线设置芯片的工作模式,实现读/写缓存
    数据及读/写状态寄存器等;通过控制FIFO和FIFOP管脚接口的状态可设置发射/接收缓存
    器;通过CCA管脚状态的设置可以控制清除信道估计:通过SFD管脚状态的设置可以控
    制时钟/定时信息的输入。

    智能电源模块由单节锂电池(容量1200mA·h)、智能电池检测器件(DS2438)、电池
    保护电路(R54210)、充电芯片(MAX1551)、电源处理电路及外围接口电路组成,为节
    点提供智能充电和电路短路保护等功能。

    如图4所示,本发明的SO2无线连续监测系统sink节点硬件结构由传感器模块、可扩
    展接口、处理器模块、存储器模块、无线通信模块组成,采用有线供电模式,各功能模块
    与SO2无线连续监测系统采样传感器节点硬件结构相同。

    如图2,图5,图6所示,本发明的燃煤锅炉脱硫工艺由赤泥粉输送系统和燃煤锅炉系
    统2部分组成。赤泥粉输送智能管控系统,采用PLC系统实现对赤泥粉给料电机转速的智
    能控制,从而实时调整赤泥粉给料量的输送,采用模糊PID控制实现赤泥粉给料量与SO2
    排放浓度值间的动态平衡,以达到赤泥粉给料量输送的最优值,包括模糊PID系统、PID
    控制器、A/D转换模块,并与赤泥粉输送系统有线连接。

    所述赤泥粉输送系统连接燃煤锅炉系统,赤泥粉输送系统包括赤泥粉粉仓1,赤泥粉粉
    仓1下方设有给料仓,给料仓与赤泥粉粉仓1之间设有去进料密封电磁阀3,所述给料仓入
    口设有进料阀4和位料计5,赤泥粉粉仓1上方与给料仓上方连接有线缆,线缆上设有平衡
    阀6和密封压力开关7,给料仓下端设有喷吹系统,连接接燃煤锅炉系统的管道10上设有
    排堵阀8和入炉快关阀9,管道10另一端连接空压机,之间设有进气阀11)和进气管压力
    开关12。

    所述喷吹系统包括罗茨风机、管路、弯头、喷射器、混合器、叶轮式旋转给料阀、插
    板门、旋转给料阀控制柜,叶轮式旋转给料阀与罗茨风机采用联锁控制。

    所述赤泥粉粉仓1布置在零米层,下部设有止赤泥粉结块的流化装置防,顶部设有除
    尘器及压力真空释放阀。

    所述的给料仓采用两级给料仓,由上给料仓2a和下给料仓2b组成。

    赤泥粉输送系统正常循环流程为:系统内所有阀门处于关闭状态,按下“启动按钮”,
    延时5s,判断上给料仓的上进料阀是否关到位,若关不到位,停系统报警;若是,打开上
    给料仓密封阀(密封圈冲压,压力开关设定0.45MPa)。延时5s,判断密封压力到否,若
    没到,停系统报警;若到了,判断下给料仓的下进料阀是否关到位,若关不到位,停系统
    报警;若是,打开下给料仓密封阀(密封圈冲压,压力开关设定0.45MPa)。延时5s,判
    断密封压力到否,若没到,停系统报警;若到了,开入炉快关阀,延时5s,判断入炉快关
    阀是否开到位,若开不到位,停系统报警;若开到位,开进气阀,延时10s,判断管道输送
    压力开关是否高报警(压力开关设定0.07MPa),若报警,证明管道已堵管,应停系统进
    行手动吹堵。若不报警,开旋转给料机,延时10s,判断旋转给料机是否有运行指示,若没
    有,停系统报警;若有,延时4s,判断下给料仓是否有低料位报警,若有,下给料仓不进
    料执行上给料仓进料循环直到上给料仓高料位,若无料位报警,则下给料仓密封圈泄压,
    延时5s,判断下给料仓密封圈压力是否已泄完,若还有密封压力,停系统等待,若没有密
    封压力,打开下给料仓的下进料阀及下平衡阀,延时ns或下给料仓低料位到并延时30s,
    关闭下给料仓的下进料阀及下平衡阀,下给料仓的下进料阀关到位后延时4s,下给料仓密
    封阀冲压。当下给料仓密封阀冲压压力到达设定值后,判断上给料仓是否有高料位?若有,
    循环下给料仓进料循环;若无高料位,上给料仓密封圈泄压,延时5s,判断上给料仓密封
    圈压力是否已泄完,若还有密封压力,停系统等待,若没有密封压力,打开上给料仓的上
    进料阀及上平衡阀,延时ns或上给料仓高料位到,关上给料仓的上进料阀及上平衡阀,延
    时5s,上给料仓的上进料阀关到位后延时4s,上给料仓的上进料阀密封圈冲压。系统在上
    给料仓和下给料仓进行上下进料循环。赤泥粉输送系统停止循环流程为:关闭上给料仓的
    上进料阀及上平衡阀,延时5s,上给料仓的上进料阀关到位后进料密封阀进行密封,延时
    20s,上给料仓的上进料阀密封压力到后,关闭下给料仓的下进料阀及下平衡阀,延时5s,
    下给料仓的下进料阀关到位后进料密封阀进行密封,延时35s,停旋转给料机,旋转给料机
    停止后延时25s,停进气阀,延时10s,停入炉快关阀,延时3s,上给料仓及下给料仓的进
    料密封阀泄压。

    本发明的赤泥粉输送智能管控系统功能结构采用模糊PID控制实现赤泥粉给料量与
    SO2排放浓度值间的动态平衡,以达到赤泥粉给料量输送的最优值。模糊PID控制系统采
    用两输入三输出的结构,输入变量为系统SO2设定值与实际监测值之间的偏差e和偏差变化
    率ec,经模糊化后输入变量e变为E,偏差变化率ec变为EC,输出量为PID参数Kp、Ki、
    Kd。根据不同的偏差和偏差变化率对PID参数进行在线调整,以满足不同时刻对控制参数
    的不同要求,从而使被控对象有良好的动、静态性能。

    假设监测的SO2排放浓度值为v,赤泥粉给料量为u,给定的SO2排放浓度值标准值为
    x(即SO2排放浓度设定值),则根据模糊控制原理,利用常用的数学软件建立输出量v与
    输入量u和x的数学模型v=Φ(u,x)。经SO2无线连续监测系统和数据采集与处理系统得到
    的SO2排放浓度值的数字量,然后与SO2浓度设定值进行比较,按照模糊PID控制算法对
    误差值进行计算,将运算结果(数字量)送给模拟量输出模块,经D/A转换后变为电流信
    号,由此通过PLC智能调节旋转给料阀电机转速,进而控制旋转给料机的给料量,实现赤
    泥粉给料量的自动控制功能。PID参数Kp、Ki、Kd是表征PID控制器在控制过程中的比
    例、积分和微分作用程度的参数,运用模糊规则集推理进行PID参数自校正的模糊算法步
    骤为:

    步骤1:将E、EC以及Kp、Ki、Kd变量模糊化,确定各自的模糊子集的隶属度。

    步骤2:用Kp、Ki、Kd得到模糊校正模型来表达参数的校正过程。

    步骤2:应用模糊合成推理计算出Kp、Ki和Kd的模糊校正矩阵表。

    由E、EC以及Kp、Ki、Kd的模糊子集的隶属度,在根据各模糊子集的隶属度赋值表
    和各参数的模糊调整规则模型,运用模糊合成推理设计出的PID参数模糊调整矩阵表,这
    是整定系统模糊控制算法的核心,并且将其存入程序存储器中供查询。定义Kp、Ki、Kd参
    数调整算式为:

    Kp=K′p+{E,EC}Kp=K′p+ΔKp

    Ki=K′i+{E,EC}Ki=K′i+ΔKi

    Kd=K′d+{E,EC}Kd=K′d+ΔKd

    其中,Kp、Ki、Kd参数是PID控制器的参数,K′p、K′i、K′d是Kp、Ki、Kd的初
    始参数,可通过常规方法得到,在线运行过程中,通过SO2无线连续监测系统不断地监测
    SO2浓度的输出响应值,并实时计算偏差和偏差变化率,然后将其模糊化得到E、EC,通
    过查询模糊调整矩阵即可得到Kp、Ki、Kd三个参数的调整量,完成对控制器参数的调整。

    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、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

    关 键  词:
    无线 传感器 网络 控制 燃煤 脱硫 系统
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