Neuronowy regulator spalania węgla w kotle OP-650

Neuronowy regulator spalania węgla w kotle OP-650

Janusz Lichota 2005

Plan wystąpienia

• Wstęp • Cel pracy• Budowa kotła OP-650 • Mechanizm tworzenia tlenków azotu NOx

• Struktury układów regulacji kotła

• Identyfikacja obiektu• Neuronowy regulator spalania• Podsumowanie

Wstęp

Wstęp

Ostrołęka (około 1995), Transit TechnologiesOstrołęka (około 1995), Transit Technologies ABB, 2001, Dolna OdraABB, 2001, Dolna Odra IASE, P.Mróz, CzechnicaIASE, P.Mróz, Czechnica Turów ?Turów ?

Emisja tlenków azotu - wyniki testów działania regulatora neuronowego w Elektrowni Ostrołęka

Cel pracy

Celem pracy jest autorska konstrukcja regulatora spalania węgla w kotle opartego o sztuczne sieci neuronowe.

Budowa kotła

Kocioł OP-650

Widok kotła OP-650, 57 m wysokości, 36 m szerokości

Palniki w kotle

Walczak i górne powierzchnie ogrzewalne

5 poziomów palników, palniki umieszczone w narożach

Palniki RAFAKO

Powietrze rdzeniowe

Powietrze pierwotne +

pył węglowy

Palnik pyłowy wirowy niskoemisyjny (4AFW-LN36) BWE przy czym w skład jednego naroża palnikowego wchodzą trzy palniki pyłowe (Rys. 5) i dwa palniki pyłowo-olejowe (Rys. 6).

Powietrze rdzeniowe

Powietrze pierwotne +

pył węglowy

Palnik pyłowo-olejowy wirowy niskoemisyjny (4AFW-LN36/22) BWE

1293

2220

ŚCIANA LEWA

ŚCIANA PRAWA

ŚC

IAN

A T

YL

NA

ŚC

IAN

A C

ZO

ŁO

WA

4 3

1

1205

5

10815

2

Położenie wirowych palników niskoemisyjnych BWE w komorze paleniskowej kotła OP-650

Zdjęcie zaszlakowanej dyszy palnika (kocioł nr 5) przed zamontowaniem parowych zdmuchiwaczy sadzy

ŚCIANA PRAWA

ŚCIANA LEWA

ŚC

IAN

A T

YL

NA

ŚC

IAN

A P

RZ

ED

NIA

1950

1950

2025

2025

Rozmieszczenie wlotów recyrkulowanych spalin pod pasmem palnikowym

5 młynów, po jednym na każdy poziom palników

Elektrofiltry Wentylatory

ciągu

Kocioł

Widok z prawej strony kotła

Wentylator promieniowy

Widok z góry kotła

Komin

Schemat instalacji recyrkulacji spalin wykonany w ramach wdrożenia niskoemisyjnych palników wirowych

Schemat recyrkulacji spalin wykonany w ramach zmniejszenia asymetrii wymiany ciepła w górnej części komory paleniskowej

Schemat zmian w instalacji recyrkulacji spalin kotła

Mechanizm tworzenia tlenków azotu NOx

Na tlenki azotu NOx powstałe w czasie procesu spalania składają się w większości tlenek azotu NO i w niewielkim stopniu dwutlenek azotu NO2. Tlenek azotu NO w procesie spalania ma trzy główne mechanizmy powstawania:

1) Zeldowicza (termiczny) – tlenek azotu NO powstaje z azotu i tlenu atmosferycznego w wysokiej temperaturze. Jeśli zaistnieje sytuacja w której zawartość tlenu w mieszaninie gazów ma wartość zbliżoną do stechiometrycznej, wtedy reakcja powstawania NO ma największą wydajność. Termiczny mechanizm powstawania NO wyznaczają trzy reakcje:

HNOOHN

ONOON

NNONO

2

2

2) Fenimore’a (szybkiego NO) – tlenek azotu NO powstaje w wyniku reakcji łańcuchowej która zostaje zapoczątkowana przez szybką reakcję rodników węglowodorowych CH, utworzonych w reakcjach pośrednich z azotem N2, dzięki czemu otrzymuje się cyjanowodór HNC. Ważniejszymi reakcjami powstawania tlenku azotu NO z cyjanowodoru są:

Z rodnika NCO może powstać NO w następujących reakcjach:

HNCOOHCN

OHCNOHHCN

HNCOOHCN

2

HCONOOHNCO

CONOONCO

CONOONCO

22

Z azotu zawartego w paliwie – azot w nieznacznej ilości występuje w węglu kamiennym (nie przekracza 2%) oraz w paliwach roślinnych. Znaczący wpływ na powstawanie NO z azotu MW paliwie mają następujące związki HCN, CN i NHi (gdzie i=1, 2, 3 – amoniak).

Dwutlenek azotu NO2 zazwyczaj towarzyszy tlenkowi azotu NO i jeśli złożymy, że jest z nim w równowadze chemicznej osiąga niewielkie stężenie w stosunku do NO. Główna reakcja powstawania dwutlenku wegla NO2 ma postać:

a główna reakcja redukcji z NO2 na NO przebiega według schematu:

OHNOHONO 22

OHNOHNO 2

HCOOHCO 2

Przeszkodami w osiągnięciu znacznego obniżenia niniejszego zanieczyszczenia są: rosnąca strata niedopału i zwiększająca się emisja CO. W miarę zwiększenia się nadmiaru powietrza zwiększa się udział NOx, ale maleje udział CO i odwrotnie.

Powstawanie tlenku węgla CO wynika z szybkiej procesów spalania paliwa który zawiera węgiel, po czym jest utleniany do CO2. W przypadku niedoboru powietrza tlenek węgla CO pozostaje w spalinach. Reakcja powstawania tlenku węgla ma postać:

Sieć neuronowa w strukturze układów

regulacji kotła

Regulator PID

Sygnał sterujący u

Sygnały pomiarowe y

Wartośćzadana

Obiekt

Sieci neuronowe

-

Identyfikacja obiektu

Sygnał identyfikacyjny

czasSygnał pozwala na identyfikację obiektu liniowego

przez sieć neuronową

Identyfikacja obiektu

432 sygnały mierzone na bloku (w zbiorze *.xls)432 sygnały mierzone na bloku (w zbiorze *.xls) 51 sygnałów wejściowych do sieci neuronowej,51 sygnałów wejściowych do sieci neuronowej, Dane mierzone co 10 minutDane mierzone co 10 minut 3 zbiory danych z 3 dni, 3 zbiory danych z 3 dni, Eksperymenty 24 IX 2001, 26 IX 2001, 01 X 2001Eksperymenty 24 IX 2001, 26 IX 2001, 01 X 2001 13:36 - 23:56, 7:16 - 22:06, 7:36 - 21:1613:36 - 23:56, 7:16 - 22:06, 7:36 - 21:16 Liczba pomiarów jednego sygnału 62+89+74 Liczba pomiarów jednego sygnału 62+89+74

Sztuczna sieć

neuronowa

Strumienie powietrza

Strumienie spalin

Strumienie węgla

Strumienie wody

Strumienie pary

Temperatura powietrzai spalin

Moc generatora

NOx(t-1), CO(t-1)

NOx(t)

CO(t)

Położenie zasuw WSCiśnienie spalin

Zbiór testowyEksperyment 1

24 IX 2001

Istota eksperymentu

0

100

200

300

400

500

600

700

800

12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

NO

x, m

g/m

3u

Sygnały wejściowe: emisja NOx oraz CO

0

20

40

60

80

100

120

140

160

12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

CO

, mg

/m3

u

Załączenie i wyłączenie palników na poziomie 1

Załączenie i wyłączenie palników na poziomie 5

0

50

100

150

200

250

12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

mo

c g

ener

ato

ra, M

WSygnały wejściowe: moc generatora

Zbiór testowyEksperyment 1

24 IX 2001

Pozostałe dane

Sygnały wejściowe: strumień powietrza do kotła

0

100

200

300

400

500

600

700

12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

całk

ow

ity

stru

mie

ń p

ow

ietr

za

do

ko

tła,

m3

u/h

Sygnały wejściowe: strumień powietrza do młynów

0

5

10

15

20

25

30

35

12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

stru

mie

nie

po

wie

trza

do

mły

nó

w,

m3

u/h

młyn nr 4 młyn nr 5

0

5

10

15

20

25

30

35

12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

stru

mie

nie

po

wie

trza

do

mły

nó

w,

m3

u/h

młyn nr 1 młyn nr 2 młyn nr 3

0

5

10

15

20

25

12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

strum

ienie

powi

etrza

do pa

lnikó

w po

ziom

pierw

szy,

m3

u/h

palnik UG11 palnik UG12 palnik UG13 palnik UG14

Sygnały wejściowe: strumień powietrza do palników

0

5

10

15

20

25

12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, hstr

umien

ie po

wietr

za do

palni

ków

pozio

m dru

gi, m

3u

/h


0

5

10

15

20

25

12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

strum

ienie

powi

etrza

do pa

lnikó

w po

ziom

trzec

i, m3

u/h


0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

strum

ienie

powi

etrza

do pa

lnikó

w po

ziom

czwa

rty, m

3u

/h


0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

strum

ienie p

owietr

za do

palnik

ów

pozio

m pią

ty, m

3u

/h


1 poziom 2 poziom

3 poziom 4 poziom 5 poziom

0

10

20

30

40

50

60

12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

stru

mie

ń s

pal

in z

a w

enty

lato

rem

WR

1,

m3

u/h

Sygnały wejściowe: strumień spalin za wentylatorem WR1, strumień powietrza do dysz OFA

0

5

10

15

20

25

30

35

40

12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

stru

mie

nie

po

wie

trza

do

dys

z O

FA

, m

3u/h

z przodu z tyłu praw a strona lew a strona

0

1

2

3

4

5

6

12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

zaw

arto

ść t

len

u w

sp

alin

ach

za

EC

O,

%

praw a strona lew a strona

Sygnały wejściowe: zawartość tlenu w spalinach za ECO

Sygnały wejściowe: całkowita ilość węgla do kotła

0

50

100

150

200

250

300

350

12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

całk

ow

ita

ilość

węg

la d

o k

otł

a, t

on

/h

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

prę

dko

ści p

od

ajn

ikó

w w

ęgla

, %

LW01 LW02 LW03

0

10

20

30

40

50

60

70

80

12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

prę

dko

ści p

od

ajn

ikó

w w

ęgla

, %

LW04 LW05

Sygnały wejściowe: prędkości podajników węgla

Sygnały wejściowe: strumień wody zasilającej kocioł

0

50

100

150

200

250

300

12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

stru

mie

ń w

od

y za

sila

jące

j do

ko

tła,

to

n/h

0

100

200

300

400

500

600

700

12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

stru

mie

ń p

ary

świe

żej,

ton

/h

Sygnały wejściowe: strumień pary świeżej, temperatura spalin za ECO

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

tem

per

atu

ra s

pal

in z

a E

CO

, oC


0

5

10

15

20

25

30

35

12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

tem

per

atu

ra p

ow

ietr

za p

rzed

p

od

grz

ewac

zam

i po

wie

trza

, oC

LP1 LP2

Sygnały wejściowe: temperatura powietrza przed podgrzewaczami powietrza i na wlocie do kotła

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

60

12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

tem

per

atu

ra p

ow

ietr

za n

a w

ejśc

iu d

o

kotł

a, o

C

0

10

20

30

40

50

60

12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

po

łoże

nie

zas

ów

- ID

w

enty

lato

rów

, %

WS1 WS2

Sygnały wejściowe: położenie zasuw wentylatorów spalin i jej różnica

0

1

2

3

4

5

6

7

8

12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

różn

ica

w p

oło

żen

iu z

asó

w -

ID

wen

tyla

toró

w, %

-0,15

-0,10

-0,05

0,00

0,05

0,10

0,15

12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

cisn

ien

ie s

pal

in r

ecyr

kula

cyjn

ych

za

wen

tyla

tore

m W

R1,

MP

a

Sygnały wejściowe: ciśnienie spalin recyrkulacyjnych za wentylatorem WR1

Zbiór uczący Eksperyment 2

26 IX 2001

Istota eksperymentu cd.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

NO

x, m

g/m

3u

0

5

10

15

20

25

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

CO

, mg

/m3

u


0

50

100

150

200

250

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

mo

c g

ener

ato

ra, M


Zbiór uczący

Eksperyment 2

26 IX 2001Pozostałe dane


0

100

200

300

400

500

600

700

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

całk

ow

ity

stru

mie

ń p

ow

ietr

za

do

ko

tła,

m3

u/h


0

5

10

15

20

25

30

35

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

stru

mie

nie

po

wie

trza

do

mły

nó

w,

m3

u/h


0

5

10

15

20

25

30

35

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

stru

mie

nie

po

wie

trza

do

mły

nó

w,

m3

u/h


0

5

10

15

20

25

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

strum

ienie p

owietr

za do

palnik

ów

pozio

m piąty

, m3

u/h


0

5

10

15

20

25

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

strum

ienie

powi

etrza

do pa

lnikó

w po

ziom

czwa

rty, m

3u

/h


0

5

10

15

20

25

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

strum

ienie

powi

etrza

do pa

lnikó

w po

ziom

trzec

i, m3

u/h


0

5

10

15

20

25

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, hstr

umien

ie po

wietr

za do

palni

ków

pozio

m dru

gi, m

3u

/hpalnik UG21 palnik UG22 palnik UG23 palnik UG24

0

5

10

15

20

25

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

strum

ienie

powi

etrza

do pa

lnikó

w po

ziom

pierw

szy,

m3

u/h



1 poziom 2 poziom



0

10

20

30

40

50

60

70

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

stru

mie

ń s

pal

in z

a w

enty

lato

rem

WR

1,

m3

u/h

0

5

10

15

20

25

30

35

40

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

stru

mie

nie

po

wie

trza

do

dys

z O

FA

, m

3u/h



0

1

2

3

4

5

6

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

zaw

arto

ść t

len

u w

sp

alin

ach

za

EC

O, %



0

50

100

150

200

250

300

350

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

całk

ow

ita

ilość

węg

la d

o k

otł

a, t

on

/h


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

prę

dko

ści p

od

ajn

ikó

w w

ęgla

, %

LW01 LW02 LW03

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

prę

dko

ści p

od

ajn

ikó

w w

ęgla

, %

LW04 LW05


0

50

100

150

200

250

300

350

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

stru

mie

ń w

od

y za

sila

jące

j do

ko

tła,

to

n/h


0

100

200

300

400

500

600

700

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

stru

mie

ń p

ary

świe

żej,

ton

/h

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

tem

per

atu

ra s

pal

in z

a E

CO

, oC



0

5

10

15

20

25

30

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

tem

per

atu

ra p

ow

ietr

za p

rzed

p

od

grz

ewac

zam

i po

wie

trza

, oC

LP1 LP2

0

10

20

30

40

50

60

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

tem

per

atu

ra p

ow

ietr

za n

a w

ejśc

iu d

o

kotł

a, o

C


0

10

20

30

40

50

60

70

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

po

łoże

nie

zas

ów

- ID

w

enty

lato

rów

, %

WS1 WS2

0

1

2

3

4

5

6

7

8

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

różn

ica

w p

oło

żen

iu z

asó

w -

ID

wen

tyla

toró

w, %


-0,15

-0,10

-0,05

0,00

0,05

0,10

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

cisn

ien

ie s

pal

in r

ecyr

kula

cyjn

ych

za

wen

tyla

tore

m W

R1,

MP

a

Zbiór uczący

Eksperyment 3

1 X 2001

-100

0

100

200

300

400

500

600

700

800

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

NO

x, m

g/m

3u

0

20

40

60

80

100

120

140

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

CO

, mg

/m3

u


-50

0

50

100

150

200

250

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

mo

c g

ener

ato

ra, M


Zbiór uczący

Eksperyment 3

10 IX 2001Pozostałe dane


0

100

200

300

400

500

600

700

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

całk

ow

ity

stru

mie

ń p

ow

ietr

za

do

ko

tła,

m3

u/h


0

5

10

15

20

25

30

35

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

stru

mie

nie

po

wie

trza

do

mły

nó

w,

m3

u/h


0

5

10

15

20

25

30

35

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

stru

mie

nie

po

wie

trza

do

mły

nó

w,

m3

u/h


0

5

10

15

20

25

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

strumie

nie po

wietrza

do pa

lników

poz

iom pią

ty, m

3u

/h


0

5

10

15

20

25

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

strum

ienie p

owiet

rza do

palni

ków

pozio

m cz

warty

, m3

u/h


0

5

10

15

20

25

30

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

strum

ienie p

owiet

rza do

palni

ków

pozio

m trz

eci, m

3u

/h


0

5

10

15

20

25

30

35

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

strum

ienie

powi

etrza

do pa

lnikó

w po

ziom

drugi,

m3

u/h


0

5

10

15

20

25

30

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

strum

ienie p

owiet

rza do

palni

ków

pozio

m pie

rwszy

, m3

u/h



1 poziom 2 poziom



0

10

20

30

40

50

60

70

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

stru

mie

ń s

pal

in z

a w

enty

lato

rem

WR

1,

m3

u/h

0

5

10

15

20

25

30

35

40

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

stru

mie

nie

po

wie

trza

do

dys

z O

FA

, m

3u/h



0

5

10

15

20

25

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

zaw

arto

ść t

len

u w

sp

alin

ach

za

EC

O,

%



0

50

100

150

200

250

300

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

całk

ow

ita

ilość

węg

la d

o k

otł

a, t

on

/h


0

10

20

30

40

50

60

70

80

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

prę

dko

ści p

od

ajn

ikó

w w

ęgla

, %

LW01 LW02 LW03

0

10

20

30

40

50

60

70

80

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

prę

dko

ści p

od

ajn

ikó

w w

ęgla

, %

LW04 LW05


0

50

100

150

200

250

300

350

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

stru

mie

ń w

od

y za

sila

jące

j do

ko

tła,

to

n/h


0

100

200

300

400

500

600

700

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

stru

mie

ń p

ary

świe

żej,

ton

/h

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

tem

per

atu

ra s

pal

in z

a E

CO

, oC



0

5

10

15

20

25

30

35

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

tem

per

atu

ra p

ow

ietr

za p

rzed

p

od

grz

ewac

zam

i po

wie

trza

, oC

LP1 LP2

49

50

51

52

53

54

55

56

57

58

59

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

tem

per

atu

ra p

ow

ietr

za n

a w

ejśc

iu d

o

kotł

a, o

C


0

10

20

30

40

50

60

70

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

po

łoże

nie

zas

ów

- ID

w

enty

lato

rów

, %

WS1 WS2

0

1

2

3

4

5

6

7

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

różn

ica

w p

oło

żen

iu z

asó

w -

ID

wen

tyla

toró

w, %


-0,15

-0,10

-0,05

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

cisn

ien

ie s

pal

in r

ecyr

kula

cyjn

ych

za

wen

tyla

tore

m W

R1,

MP

a

Istota eksperymentu identyfikacyjnego

Dane z eksperymentu 2 i 3 zostały wykorzystane do nauki sztucznej sieci neuronowej – pełny zakres pracy kotła.

0

100

200

300

400

500

600

700

800

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

NOx

, mg/

m3

u

0

5

10

15

20

25

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

CO, m

g/m

3u

NOx

CO

-100

0

100

200

300

400

500

600

700

800

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

NOx

, mg/m

3u

0

20

40

60

80

100

120

140

6:00 9:00 12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

CO, m

g/m3

u

0

100

200

300

400

500

600

700

800

12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

NOx

, mg/

m3

u

NOx

0

20

40

60

80

100

120

140

160

12:00 15:00 18:00 21:00 0:00

Czas, h

CO, m

g/m3

u

CO

Dane z eksperymentu 1 zostały wykorzystane do testowania sztucznej sieci neuronowej – sygnały zwykle występujące w czasie pracy kotła.

Badane struktury

sieci neuronowej

y f f w xti i

i

n

w x

1

Unipolarna ciągła

w

def

n

t

w w w1 2 ... x

def

n

t

x x x1 2 ...netdef

tw x

f netnet

( )exp

,

2

11 0

f net netnet

net( ) sgn

,

,

1 0

1 0

f netnet

( )exp

,

1

10

f netnet

net( )

,

,

1 0

0 0

x 1

x 2

x n

y 1

y 2

y m

w 11

w 12 1

2

m

w 1n

w 21

w 22w 2n

w m1

w mn

w m2

[Wx] y(t )x(t )

Bipolarna binarna

Bipolarna ciągła

Unipolarna binarna

y [Wx]

W

def

n

n

m m mn

w w w

w w w

w w w

11 12 1

21 22 2

1 2

...

...

..................

...

def

f

f

f

( ) ...

( ) ...

.............

... ( )

0 0

0 0

0 0

x 1 (0)

x 2 (0)

x n(0)

y 1

y 2

y m

w 11

w 12 1

2

m

w 1n

w 21

w 22w 2n

w m1

w mn

w m2

[Wx] y(t )x(0 )

y(t+delta )

y [Wy ]t t y [Wy ]k k 1

y [Wx ]1 0 y [W [Wx ]]2 0

Oznaczenia eksperymentów:

1) Dane z dnia/dni ... wykorzystane do nauki2) Struktura sieci: liczba neuronów w warstwie

wejściowej, ukrytej i wyjściowej, 3) Znaczenie neuronu (ów) na wyjściu – NOx, CO4) Liczba opóźnionych sygnałów w sprzężeniu

zwrotnym5) Dane z dnia ... wykorzystane do testu sieci,6) Metoda nauki, LM - Levenberga-Marquarta

Kolor żółty oznacza zmianę w stosunku do poprzedniegoeksperymentu.

Dane bez przetworzenia

0 5 10 15 20 2510

2

103

104

105

106

27 Epok

Nauk

a si

eci

1 X 2001, 51:20:2, NOx CO, 0, 25 IX 2001, LM

0

100

200

300

400

500

600

700

800

1 21 41 61kolejne dane

NO

x, m

g/m

3u

sygnał uczący nauka

0

100

200

300

400

500

600

700

800


NO

x, m

g/m

3u


Nauka Test

NOx

0

20

40

60

80

100

120

140


CO

, mg

/m3

u


0

20

40

60

80

100

120

140

160


CO

, mg

/m3

u


Nauka Test

CO

0 5 10 15 20 25 3010

2

103

104

105

106

34 Epok

Nauk

a si

eci

26 IX oraz 1 X 2001, 51:20:2, NOx CO, 0, 25 IX 2001, LM

0

100

200

300

400

500

600

700

800

1 21 41 61 81 101 121 141 161kolejne dane

NO

x, m

g/m

3u


0

100

200

300

400

500

600

700

800


NO

x, m

g/m

3u


Nauka Test

NOx

Nauka Test

CO

0

20

40

60

80

100

120

140

1 21 41 61 81 101 121 141 161kolejne dane

CO

, mg

/m3

u


0

20

40

60

80

100

120

140

160


CO

, mg

/m3

usygnał uczący nauka

1 X 2001, 51:20:2, NOx CO, 1, 25 IX 2001, LM

0 5 10 15 20 2510

1

102

103

104

105

106

28 Epok

Nauk

a si

eci

-100

0

100

200

300

400

500

600

700

800

1 21 41 61

kolejne dane

NO

x, m

g/m

3u


0

100

200

300

400

500

600

700

800


NO

x, m

g/m

3u


Nauka Test

NOx

0

20

40

60

80

100

120

140


CO

, mg

/m3

u


0

20

40

60

80

100

120

140

160


CO

, mg

/m3

u


Nauka Test

CO


0 5 10 15 20 2510

2

103

104

105

106

25 Epok

Nauk

a si

eci

0

100

200

300

400

500

600

700

800

1 21 41 61 81 101 121 141 161kolejne dane

NO

x, m

g/m

3u


0

100

200

300

400

500

600

700

800


NO

x, m

g/m

3u


Nauka Test

NOx

0

20

40

60

80

100

120

140

1 21 41 61 81 101 121 141 161kolejne dane

CO

, mg

/m3

u


0

20

40

60

80

100

120

140

160


CO

, mg

/m3

u


Nauka Test

CO

Również nie osiągnięto zadowalających rezultatów podczas testowania następujących struktur sieci neuronowych

26 IX oraz 1 X 2001, 51:10:2, NOx CO, 1, 25 IX 2001, LM26 IX oraz 1 X 2001, 51:15:2, NOx CO, 1, 25 IX 2001, LM26 IX oraz 1 X 2001, 51:20:2, NOx CO, 1, 25 IX 2001, LM26 IX oraz 1 X 2001, 51:25:2, NOx CO, 1, 25 IX 2001, LM26 IX oraz 1 X 2001, 51:30:2, NOx CO, 1, 25 IX 2001, LM

K

klklkl zdE

1

2

21

Przyczyna niewłaściwej nauki sieci neuronowej

Różnicowanie danych

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10010

2

103

104

100 Epok

Nauk

a si

eci


-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

1 21 41 61 81 101 121 141 161

kolejne dane

NO

x, m

g/m

3u


-150

-100

-50

0

50

100

150

200

1 21 41 61

kolejne dane

NO

x, m

g/m

3u


Nauka Test

NOx

-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

1 21 41 61 81 101 121 141 161

kolejne dane

CO

, mg

/m3

u


-100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

1 21 41 61

kolejne dane

CO

, mg

/m3


Nauka Test

CO

Również nie osiągnięto zadowalających rezultatów podczas testowania następujących struktur sieci neuronowych

26 IX oraz 1 X 2001, 51:10:2, NOx CO, 1, 25 IX 2001, LM26 IX oraz 1 X 2001, 51:15:2, NOx CO, 1, 25 IX 2001, LM26 IX oraz 1 X 2001, 51:20:2, NOx CO, 1, 25 IX 2001, LM26 IX oraz 1 X 2001, 51:25:2, NOx CO, 1, 25 IX 2001, LM26 IX oraz 1 X 2001, 51:30:2, NOx CO, 1, 25 IX 2001, LM

Podobnie jak w przypadku danych bez przetworzenia, przyczyną niezadowalających rezultatów była duża różnica w wartościach NOx oraz CO.

Przeskalowanie danych


0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

10-8

10-6

10-4

10-2

100

100 Epok

Nauk

a si

eci

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1 21 41 61 81 101 121 141 161kolejne dane

NO

x, m

g/m

3u


0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0


NO

x, m

g/m

3u


Nauka Test

NOx

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

1 21 41 61 81 101 121 141 161kolejne dane

CO

, mg

/m3

u


0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0


CO

, mg

/m3

u


Nauka Test

CO


0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0


NO

x, m

g/m

3u


0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0


CO

, mg

/m3

u


Test NOx Test CO


Test NOx Test CO

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0


NO

x, m

g/m

3u


0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0


CO

, mg

/m3

u



Test NOx Test CO

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0


NO

x, m

g/m

3u


0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0


CO

, mg

/m3



Test NOx Test CO

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0


NO

x, m

g/m

3u


0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0


CO

, mg

/m3



Test NOx Test CO

Zbyt wiele neuronów – sieć trafi zdolność do uogólniania

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0


NO

x, m

g/m

3u


0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0


CO

, mg

/m3

u


Przeskalowanie i różnicowanie danych

-0,2

-0,15

-0,1

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

0,2

1 21 41 61

kolejne dane

NO

x,m

g/m

3u


-0,5

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

1 21 41 61

kolejne dane

CO

,mg

/m3



Test NOx Test CO


-0,2

-0,15

-0,1

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

1 21 41 61

kolejne dane

NO

x,m

g/m

3u


-0,6

-0,5

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

1 21 41 61

kolejne dane

CO

,mg

/m3


Test NOx Test CO

-0,2

-0,15

-0,1

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

0,2

1 21 41 61

kolejne dane

NO

x,m

g/m

3u


-0,5

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

1 21 41 61

kolejne dane

CO

,mg

/m3



Test NOx Test CO

-0,2

-0,15

-0,1

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

0,2

1 21 41 61

kolejne dane

NO

x,m

g/m

3u


-0,5

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

1 21 41 61

kolejne dane

CO

,mg

/m3



Test NOx Test CO

-0,2

-0,15

-0,1

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

1 21 41 61

kolejne dane

NO

x,m

g/m

3u


-0,5

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

1 21 41 61

kolejne dane

CO

,mg

/m3



Test NOx Test CO

-0,2

-0,15

-0,1

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

0,2

1 21 41 61

kolejne dane

NO

x,m

g/m

3u


-0,5

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

1 21 41 61

kolejne dane

CO

,mg

/m3



Test NOx Test CO

Testowane były również struktury sieci neuronowych z pojedynczym neuronem wyjściowym

26 IX oraz 1 X 2001, 51:?:2, NOx, 1, 25 IX 2001, LM26 IX oraz 1 X 2001, 51:?:2, CO, 1, 25 IX 2001, LM

Sieci testowano -bez przetworzenia danych,-z różnicowaniem danych,-ze skalowaniem danych.

Różnica w stosunku do sieci z dwoma neuronami wyjściowymi polegała na zmniejszeniu optymalnej liczby neuronów w warstwie ukrytej.

-0,2

-0,15

-0,1

-0,05

0

0,05

0,1

0,15

0,2

1 21 41 61

kolejne dane

NO

x,m

g/m

3u


-0,6

-0,4

-0,2

0

0,2

0,4

0,6

1 21 41 61 81 101 121 141 161

kolejne dane

CO

,mg

/m3

u


Test NOx Test CO


Wnioski z badań struktury

sieci neuronowej

Sztuczna sieć neuronowa powinna być ze sprzężeniem zwrotnym. Z wyjścia sieci na jej wejście powinien być zawracany sygnał identyfikowany (NOx lub CO) z jednym

taktem opóźnienia (10 minut). Ma to związek z 10 minutową częstością rejestracji danych oraz zastępczą stałą czasową kotła wynoszącą w przybliżeniu 20-30 minut. Stała wyraża wpływ zmiany prędkości podajników węgla na emisję tlenków azotu NOx. Gdyby dane były rejestrowane częściej, to należałyby zbadać również 2,3,...n-

taktów opóźnień. Dane z eksperymentu należy przeskalować. Przeskalowanie zależy od

zastosowanej funkcji aktywacji neuronów. Zastosowano funkcję logistyczną. Wartości graniczne tej funkcji przy zmianie argumentu +/- wynoszą 0 lub 1. Stąd wszystkie dane zostały przeskalowane w przedział (0.1, 0.9), aby nie zwiększać wag sieci neuronowej. Sztuczna sieć neuronowa bez przeskalowania danych nie była w stanie nauczyć się prawidłowo jednoczesnego rozpoznawania emisji tlenków azotu NOx oraz

tlenku węgla CO. Przyczyną jest duża różnica w wartościach bezwzględnych tych sygnałów wynosząca w przybliżeniu 500 : 20. Kryterium nauki była minimalizacja sumy kwadratów różnic pomiędzy odpowiedzią sieci a danymi eksperymentalnymi. Stąd emisja CO miała małą wagę podczas nauki w stosunku do emisji NOx.

Kolejną poprawę uzyskano stosując różnicowanie polegające na odejmowaniu kolejnych danych od siebie.

Najlepsze wyniki – jednoczesne skalowanie I różnicowanie danych

Gorsze wyniki - różnicowanie danych ALBO skalowanie danych

Wyniki nie do zaakceptowania - brak skalowania, brak różnicowania

Neuronowy regulator spalania

Struktura regulatora

Moduł walidacji pomiarów

Pomiary Przetworzenie danych

wejściowych

OptymalizacjaSygnałów

sterujących w oparciu o model

obiektu

u

Sieć autoasocjacyjna

Pomiary Sieć jednokierunkowa ze sprzężeniem

zwrotnymSygnały

sterujące uModuł optymalizacji sygnałów sterujących

Rodzaje sieci w regulatorze

Algorytm sterowania1) Kryterium sterowania - maksymalna możliwa emisja NOx minus rezerwa, emisja CO jest wynikowa. Przyczyna : maksymalizacja uzyskiwanej energii chemicznej paliwa - wraz ze wzrostem NOx wzrasta jednocześnie współczynnik nadmiaru powietrza. Odpowiednio duży współczynnik nadmiaru powietrza pozwala na uniknięcie niezupełnego i niecałkowitego spalania węgla. 2) minimalny zmiana ruchu organów wykonawczych np. sumy prędkości podajników węgla, położeń zasuw wentylatorów spalin

Algorytm obliczenia optymalnego sygnału sterującego ze zidentyfikowanej sieci neuronowej. 1) ustal wejścia: moc generatora, sprawność, 2) szukaj takich wartości pozostałych wejść, aby emisja NOx była maksymalna dopuszczalna i była minimalna zmiana ruchu organów wykonawczych.

Sterowanie powinno spełniać szereg kryteriów zapewniających odpowiednią jakość spalania. Podstawowym kryterium jest emisja tlenków azotu NOx np. poniżej 480 mg/m3u ze względu na ochronę środowiska. Minimalizacja strat węgla z powodu niezupełnego i niecałkowitego spalania prowadzi do kryterium emisji tlenku węgla CO np. mniejszej niż 250 mg/Nm3 przy 6% zawartości O2 oraz zawartości części palnych w popiele np. poniżej 5% w całym zakresie obciążeń. Kolejne kryterium wynika z minimalizacji strat ciepła – temperatura spalin wylotowych powinna być niższa np. od 330 C. Przy wyższych obciążeniach kotła temperatura ta może wzrosnąć do np. 360 C. Sprawność bloku powinna być utrzymana na niezmienionym poziomie lub wzrosnąć. Ze względu na turbinę różnica temperatur stron pary świeżej powinna być minimalna, a także temperatura pary świeżej nie może ulec zmianie (np. 540 C).

Kryteria sterowania

Emisja tlenków azotu i części palne w popiele; a) Test 2, obciążenie 150 MW, części palne 4%, NOx < 535 mg/m3

u

Emisja tlenków azotu i części palne w popiele; b) Test 3, obciążenie 197 MW, części palne < 4%, NOx < 535 mg/m3

u

Tab. Dane z protokołów odbiorczych sztucznych sieci neuronowych

Średni dobowy poziom NOx,

mg/m3u

Średnia zawartość części

palnych, %

Maksymalna zawartość części

palnych, %

540 3,7 ÷ 4,5 3,7 ÷ 4,5

500 2,82 ÷ 3,1 < 4

480 5 < 5

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1 26 51 76 101

126

151

176

201

226

251

276

301

326

351

376

401

426

numer próbki

NO

2

0

20

40

60

80

100

120

140

160

CO

Minimalna możliwa emisja NO2

Podsumowanie

Zidentyfikowano emisję tlenku azotu i węgla.

Zaproponowano algorytm optymalizacji sygnałów sterujących.

Regulator neuronowy wymaga dalszych prac.

Dziękuję za zainteresowanie i

uwagę

Documents

Neuronowy regulator spalania węgla w kotle OP-650