超臨界機(jī)組脫硝系統(tǒng)模型預(yù)測控制研究

李 泉，尹 峰，羅志浩

（國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

超臨界機(jī)組脫硝系統(tǒng)模型預(yù)測控制研究

李 泉，尹 峰，羅志浩

（國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014）

針對超臨界機(jī)組脫硝控制中出口煙氣中NOX含量波動大、經(jīng)常超出環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)等問題，采用先進(jìn)預(yù)測控制技術(shù)，建立脫硝系統(tǒng)出口NOX濃度數(shù)學(xué)模型，根據(jù)模型采用模型預(yù)測控制算法，使其快速響應(yīng)目標(biāo)要求，有效解決了脫硝控制中的大滯后、受干擾強(qiáng)烈等問題。將模型預(yù)測算法應(yīng)用于脫硝控制系統(tǒng)中，通過具體實(shí)例介紹了該方法的應(yīng)用步驟，通過現(xiàn)場應(yīng)用證明了該方法的有效性。

預(yù)測；脫硝模型；大滯后；現(xiàn)場應(yīng)用

0 引言

脫硝控制系統(tǒng)具有非線性、大遲延、分布參數(shù)和擾動因素多等特點(diǎn)，機(jī)組實(shí)際運(yùn)行時(shí)脫硝系統(tǒng)出口煙氣中NOX（氮氧化物）含量經(jīng)常出現(xiàn)波動大、超出環(huán)保指標(biāo)等情況。

為保證機(jī)組的安全環(huán)保運(yùn)行，對脫硝系統(tǒng)出口煙氣中NOX含量控制提出了較高的要求，采用模型預(yù)測控制算法，有效提高了脫硝系統(tǒng)的控制品質(zhì)。

1 脫硝控制中的問題

某廠超臨界機(jī)組脫硝常規(guī)控制系統(tǒng)采用噴氨控制，控制機(jī)組的脫硝效率，同時(shí)兼顧脫硝系統(tǒng)出口煙氣中NOX含量在一定范圍內(nèi)波動。該系統(tǒng)采用常規(guī)PID控制系統(tǒng)，對于脫硝效率這類大遲延對象，控制效果不是很理想，在啟停磨煤機(jī)和變負(fù)荷過程中經(jīng)常出現(xiàn)出口煙氣中NOX含量大幅波動的現(xiàn)象，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，需要運(yùn)行人員頻繁干預(yù)。

如何兼顧好脫硝效率和出口煙氣中NOX含量的波動范圍是該機(jī)組脫硝控制系統(tǒng)始終存在的一大難題，當(dāng)采用控制機(jī)組脫硝效率的方式時(shí)，常規(guī)PID控制系統(tǒng)很難保證脫硝效率在設(shè)定值附近波動的同時(shí)，脫硝系統(tǒng)出口煙氣中NOX含量也達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。

改進(jìn)后的脫硝控制方法以控制機(jī)組出口煙氣中NOX含量為主，同時(shí)兼顧脫硝效率，當(dāng)脫硝效率未達(dá)上限前以控制機(jī)組出口煙氣中NOX含量為主，當(dāng)效率超過上限值后，自動增加出口煙氣中NOX含量設(shè)定值，使效率始終在上限值以內(nèi)。具體控制邏輯如圖1所示。

圖1 脫硝系統(tǒng)控制偏差邏輯

2 模型預(yù)測控制原理

模型預(yù)測控制算法由三部分組成，即預(yù)測模型、滾動優(yōu)化和反饋校正。預(yù)測模型根據(jù)對象的歷史信息和未來輸入預(yù)測其未來輸出，具有展示系統(tǒng)未來動態(tài)行為的功能，觀察對象在不同控制策略下的輸出變化。預(yù)測控制的優(yōu)化是一種有限時(shí)段的滾動優(yōu)化，滾動優(yōu)化即通過使某一性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)來確定未來的控制作用，這一性能指標(biāo)涉及到系統(tǒng)未來的行為，這一行為是根據(jù)預(yù)測模型由未來的控制策略決定的。為防止模型失配或環(huán)境干擾引起的控制對理想狀態(tài)的偏離，需要進(jìn)行反饋校正，該校正作用只是對本時(shí)刻的控制起作用。預(yù)測控制不僅基于模型，而且利用了反饋信息，構(gòu)成了閉環(huán)優(yōu)化。

3 脫硝系統(tǒng)建模

首先需要建立脫硝控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，針對某廠600 MW超臨界機(jī)組脫硝控制系統(tǒng)具體建模方法如下：

（1）噴氨量對SCR（選擇性催化還原）脫硝裝置出口煙氣中NOX含量的數(shù)學(xué)模型。

SCR脫硝裝置是通過控制噴氨量使得煙氣中NOX含量在SCR反應(yīng)器中發(fā)生還原反應(yīng)進(jìn)而使反應(yīng)器出口煙氣中NOX含量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。對于SCR裝置的控制系統(tǒng)來說，其被控變量為SCR出口煙氣中NOX含量，噴氨量是控制系統(tǒng)中的控制變量。

通過試驗(yàn)獲得的噴氨流量對SCR裝置出口煙氣中NOX含量的數(shù)學(xué)模型為：

式中：s為頻域算子。

（2）SCR裝置入口煙氣中NOX含量對SCR裝置出口煙氣中NOX含量的數(shù)學(xué)模型。

影響SCR裝置出口煙氣中NOX含量的一個主要擾動因素來自于SCR裝置入口煙氣中NOX含量，在噴氨量不變的情況下，當(dāng)SCR裝置入口煙氣中NOX含量增加時(shí)，SCR裝置出口煙氣中NOX含量也會隨之增加。SCR裝置入口煙氣中NOX含量會隨煤種成分和燃燒狀態(tài)的變化而變化。我國現(xiàn)役大型燃煤火電機(jī)組，均采用直吹式制粉系統(tǒng)，一臺鍋爐配備多臺磨煤機(jī)，在運(yùn)行過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)不同磨煤機(jī)送入不同煤種的情況，而燃燒狀態(tài)的改變會影響燃燒溫度，導(dǎo)致煙氣中NOX含量的變化，這就造成了SCR裝置入口煙氣中NOX含量的不斷變化，進(jìn)而使SCR裝置出口煙氣中NOX含量偏離期望值，因此建模時(shí)需要將SCR裝置入口煙氣中NOX含量作為系統(tǒng)的一個擾動變量，以反映煤質(zhì)的變化和燃燒狀態(tài)變化對SCR裝置出口煙氣中NOX含量的影響，建立SCR裝置入口煙氣中NOX含量對SCR裝置出口煙氣中NOX含量的擾動通道模型。

通過試驗(yàn)獲得的SCR裝置入口煙氣中NOX含量對SCR裝置出口煙氣中NOX含量的數(shù)學(xué)模型為：

（3）磨組啟停對SCR裝置出口煙氣中NOX含量的數(shù)學(xué)模型。

磨組啟停對SCR裝置出口煙氣中NOX含量影響較大，尤其當(dāng)磨組啟動時(shí)，出口NOX濃度很容易超出環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，因此建立磨組啟停對SCR裝置出口煙氣中NOX含量的模型是抑制SCR裝置出口煙氣中NOX含量超標(biāo)的重要手段。一般根據(jù)不同層磨組的情況加入加權(quán)系數(shù)，上層磨組對SCR裝置出口煙氣中NOX含量的模型權(quán)重較大。

通過試驗(yàn)獲得磨組啟停對SCR裝置出口煙氣中NOX含量的數(shù)學(xué)模型為：

式中：k為加權(quán)系數(shù)。

4 控制策略

建立數(shù)學(xué)模型后，采用預(yù)測控制算法對脫硝系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制，其控制原理圖如圖2所示。

圖2 脫硝預(yù)測控制系統(tǒng)

在圖2中，主通道模型和擾動模型加入預(yù)測控制系統(tǒng)后，系統(tǒng)根據(jù)各種模型預(yù)測被控對象SCR裝置出口煙氣中NOX含量未來時(shí)刻的變化情況，根據(jù)未來有限時(shí)域的控制偏差進(jìn)行滾動優(yōu)化獲得最優(yōu)的控制量，同時(shí)將預(yù)測模型偏差送入控制系統(tǒng)來實(shí)時(shí)校正，保證了系統(tǒng)的魯棒性。

在上述控制策略中當(dāng)調(diào)節(jié)閥門開度達(dá)到上、下限值后需要對預(yù)測控制器進(jìn)行約束優(yōu)化，具體方法是將閥門開度上、下限作為預(yù)測控制器上下限的約束條件，在此范圍內(nèi)產(chǎn)生優(yōu)化控制量以防止積分飽和問題。

5TOP優(yōu)化平臺

使用國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院研發(fā)的TOP7熱工優(yōu)化控制系統(tǒng)，并應(yīng)用其脫硝優(yōu)化組件，實(shí)現(xiàn)脫硝系統(tǒng)的模型預(yù)測控制。該產(chǎn)品基于電站優(yōu)化控制的最新要求自主研發(fā)，在考慮介入DCS（分散控制系統(tǒng)）實(shí)時(shí)控制要求的同時(shí)，充分滿足對高級優(yōu)化控制算法的運(yùn)算能力要求。

TOP7系統(tǒng)硬件主要包括：機(jī)柜及配套組件、冗余網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、上位高性能計(jì)算服務(wù)器、下位控制處理器、冗余24 V電源及切換器、MODBUS通訊卡件、I/O卡件、可折疊收縮式KVM顯示器和相應(yīng)的接線端子牌及繼電器。系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖3所示。

脫硝控制優(yōu)化策略在TOP優(yōu)化平臺上實(shí)施，優(yōu)化控制平臺從原DCS取得生產(chǎn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過多種優(yōu)化算法的加載，完成控制功能，并將優(yōu)化結(jié)果送回原DCS。其中上位軟件需要完成組態(tài)、監(jiān)控、通信、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)優(yōu)化以及數(shù)據(jù)記錄等相關(guān)功能。

采用上述優(yōu)化控制算法前，在變負(fù)荷的過程中脫硝系統(tǒng)控制一般需要進(jìn)行人工干預(yù)，應(yīng)用優(yōu)化系統(tǒng)后，脫硝系統(tǒng)響應(yīng)平穩(wěn)，完全處于自動狀態(tài)，不需運(yùn)行人員操作干預(yù)。圖4是在機(jī)組AGC（自動發(fā)電控制）變負(fù)荷工況下的響應(yīng)曲線。

圖3 TOP系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

圖4 AGC工況脫硝預(yù)測控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線

圖4 中，機(jī)組負(fù)荷由460 MW變化到310 MW，再由310 MW變化到430 MW，SCR裝置出口煙氣中NOX含量響應(yīng)比較平穩(wěn)，動態(tài)偏差在±10 mg/m3以內(nèi)，滿足現(xiàn)場運(yùn)行工況的要求。整個過程處于自動調(diào)整狀態(tài)，未出現(xiàn)人工干預(yù)的情況。

6 結(jié)語

在目前運(yùn)行的火電機(jī)組上，應(yīng)用本文研究的脫硝系統(tǒng)模型預(yù)測控制算法以及實(shí)施方案，對分散控制系統(tǒng)組態(tài)只需做少量修改，即可明顯改善脫硝系統(tǒng)的控制品質(zhì)，提高鍋爐運(yùn)行的安全性和環(huán)保性，具有較大的借鑒意義。

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[3]劉長良，姚萬業(yè)，翟永杰，等.一種改進(jìn)的遺傳算法及其在熱工過程控制中的應(yīng)用[J].自動化儀表，2002，23（9）∶13-16.

[4]林建勇.選擇性催化還原脫硝工藝及控制系統(tǒng)[J].太原科技，2007（9）∶73-74.

[5]周鑫，吳佳.火電廠SCR煙氣脫硝系統(tǒng)建模與噴氨量最優(yōu)控制[J].浙江電力，2015，34（11）∶15-19.

（本文編輯：張 彩）

Model Predictive Control of Denitrification System for Supercritical Unit

LI Quan，YIN Feng，LUO Zhihao

（State Grid Zhejiang Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China）

During denitrification control，NOXat the exit of supercritical unit fluctuates badly and often exceeds the environmental protection standards.An advanced predictive control technology is adopted to establish a mathematical model of NOXconcentration at the exit of denitrification system.On the basis of the model,a model predictive control algorithm is used to respond to the demand of the target，effectively eliminating the large lag of the mechanism，strong interference of the control system and other issues.The model predictive control algorithm is applied in denitrification control system.Through an implementation case，the paper introduces the application steps，and by field application it demonstrates that the method is effective.

prediction；denitrification model；large lag；field application

X773

A

1007-1881（2016）11-0034-03

2016-05-31

李 泉（1979），男，高級工程師，主要研究方向?yàn)榘l(fā)電廠先進(jìn)控制技術(shù)的應(yīng)用。