加權(quán)多模型自適應(yīng)控制在脫硝系統(tǒng)中的應(yīng)用

金秀章　尹子劍　張少康　劉　瀟

(華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北 保定　071003)

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加權(quán)多模型自適應(yīng)控制在脫硝系統(tǒng)中的應(yīng)用

金秀章尹子劍張少康劉瀟

(華北電力大學(xué)控制與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，河北 保定071003)

針對(duì)火電廠變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)SCR脫硝系統(tǒng)出口NOx濃度波動(dòng)較大的問(wèn)題，采用加權(quán)多模型自適應(yīng)控制(WMMAC)策略對(duì)出口NOx濃度進(jìn)行控制，建立了能夠覆蓋不同負(fù)荷下被控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的模型集。針對(duì)每個(gè)模型設(shè)計(jì)相應(yīng)的PID控制器，給出計(jì)算各控制器控制作用權(quán)值的指標(biāo)函數(shù)。在脫硝系統(tǒng)出口NOx濃度控制中，通過(guò)Matlab仿真，對(duì)比變負(fù)荷工況下單一PID控制策略和WMMAC控制策略的控制效果，驗(yàn)證了采用WMMAC控制策略能有效提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。

火電廠加權(quán)多模型自適應(yīng)控制SNCR脫硝濃度控制器模型集指標(biāo)函數(shù)變負(fù)荷PID控制

0　引言

火電廠燃煤機(jī)組排放的氮氧化物(NOx)是造成大氣污染的主要污染物之一，可以形成酸雨和光化學(xué)煙霧，是霧霾的主要成分。根據(jù)《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223-2011)，燃煤鍋爐NOx排放濃度不得高于100mg/m3。為了減少NOx的排放量，改善空氣質(zhì)量，脫硝裝置成為了電廠必不可少的組成部分。良好的控制系統(tǒng)是保證脫硝裝置正常運(yùn)行和NOx排放濃度的關(guān)鍵。電廠的負(fù)荷由電網(wǎng)需求決定，一天之中可能變化較大，而負(fù)荷的改變會(huì)引起被控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的改變。如果采用普通的單一PID控制策略，控制效果往往不理想。

針對(duì)變工況和參數(shù)不確定性問(wèn)題，人們提出了多模型自適應(yīng)控制[1]方法。早在20世紀(jì)70年代，Lainiotis提出了基于卡爾曼濾波器的加權(quán)多模型控制，以提高狀態(tài)估計(jì)的準(zhǔn)確性[2]。多模型自適應(yīng)控制經(jīng)歷了40余年的發(fā)展，已成功應(yīng)用于各行各業(yè)[3-5]。

本文首先簡(jiǎn)要闡述了脫硝原理和工藝流程，然后給出了典型的脫硝系統(tǒng)出口NOx濃度的控制回路，分析了變負(fù)荷時(shí)采用單一PID控制效果變差的原因，提出采用加權(quán)多模型自適應(yīng)控制(weightedmultiplemodeladaptivecontrol,WMMAC)方法來(lái)滿(mǎn)足不同負(fù)荷的控制需求。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)系統(tǒng)變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，采用WMMAC可以有效減小脫硝系統(tǒng)出口NOx濃度的波動(dòng)，保證出口NOx濃度不超出允許范圍，滿(mǎn)足環(huán)保要求。

1　脫硝系統(tǒng)原理及工藝流程

目前，火電廠煙氣脫硝技術(shù)主要有選擇性催化還原法(selectivecatalyticreduction,SCR)[6-7]和選擇性非催化還原法(selectivenon-catalyticreduce,SNCR)[8-9]。SCR法以其脫硝效率高、氨逃逸量小的優(yōu)點(diǎn)，得到了廣泛的應(yīng)用。SCR法采用液氨作為還原劑，將NOx還原為N2，并且使用催化劑，以增強(qiáng)反應(yīng)活性。反應(yīng)方程式如下：

(1)

(2)

(3)

SCR脫硝工藝系統(tǒng)如圖1所示。液氨由氨存儲(chǔ)器流入蒸發(fā)器中蒸發(fā)成30 ℃左右的氨氣。氨氣經(jīng)緩沖罐穩(wěn)壓后與稀釋風(fēng)機(jī)送來(lái)的空氣混合，再經(jīng)過(guò)氨噴射格柵與鍋爐混合均勻后進(jìn)入SCR反應(yīng)器?；旌蠚怏w流過(guò)均流板和催化劑層，完成還原反應(yīng)，然后經(jīng)過(guò)空氣預(yù)熱器、電除塵器、引風(fēng)機(jī)進(jìn)入脫硫系統(tǒng)，并排入大氣。

圖1　SCR脫硝工藝系統(tǒng)示意圖

2　氨氣流量和出口NOx濃度控制

在脫硝控制系統(tǒng)中，最重要的是進(jìn)行氨氣流量和出口NOx濃度控制，構(gòu)成串級(jí)控制系統(tǒng)，如圖2所示。出口NOx濃度為主調(diào)節(jié)參數(shù)；氨氣流量為副調(diào)節(jié)參數(shù)。利用出口NOx濃度設(shè)定值和實(shí)時(shí)測(cè)量的煙氣流量、入口NOx濃度，計(jì)算得到噴氨量理論計(jì)算值[10-11]。將此值作為前饋信號(hào)與主調(diào)節(jié)器的輸出求和，其結(jié)果為噴氨量設(shè)定值。通過(guò)串級(jí)控制，可以快速克服由于噴氨調(diào)門(mén)開(kāi)度的非線性對(duì)噴氨量造成的干擾，能有效地將出口NOx濃度穩(wěn)定在設(shè)定值。

圖2　串級(jí)控制系統(tǒng)

在實(shí)際運(yùn)行中，鍋爐負(fù)荷變化會(huì)對(duì)被控對(duì)象，尤其是主對(duì)象動(dòng)態(tài)特性產(chǎn)生較大影響。當(dāng)負(fù)荷升高時(shí)，煙氣流量增加，同等的噴氨量變化所能夠造成的出口NOx濃度變化量減小，由此導(dǎo)致被控對(duì)象的靜態(tài)增益和時(shí)間常數(shù)發(fā)生變化；反之亦然。

京隆電廠1#機(jī)組通過(guò)試驗(yàn)，辨識(shí)出不同負(fù)荷下對(duì)象動(dòng)態(tài)特性，如表1所示。

表1　對(duì)象動(dòng)態(tài)特性

由表1可知，被控對(duì)象不能用單一的數(shù)學(xué)模型描述。在這種情況下，若采用單一的PID參數(shù)，則很難達(dá)到較好的控制效果，會(huì)使出口NOx濃度產(chǎn)生較大波動(dòng)，很可能超出允許的濃度范圍。采用WMMAC，可以很好地解決這一問(wèn)題。

3　WMMAC原理

多模型自適應(yīng)控制主要分為兩類(lèi)：基于切換的多模型自適應(yīng)控制和基于加權(quán)的多模型自適應(yīng)控制。由于在模型切換過(guò)程中，采用基于切換的多模型自適應(yīng)控制，系統(tǒng)輸出會(huì)產(chǎn)生較大跳變，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性[11]；而加權(quán)多模型自適應(yīng)控制模型變換過(guò)程較平滑。因此，本文采用加權(quán)多模型自適應(yīng)控制。

WMMAC原理框圖如圖3所示。在被控對(duì)象傳遞函數(shù)的參數(shù)附近選取參數(shù)構(gòu)成模型集，以覆蓋不同負(fù)荷下被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。對(duì)模型集中的每個(gè)模型設(shè)計(jì)相應(yīng)的子控制器，將各子控制器控制信號(hào)的加權(quán)和作為全局控制器的輸出up(k)，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，同時(shí)也將up(k)輸出到模型集。計(jì)算每個(gè)時(shí)刻各模型輸出與對(duì)象輸出之間的偏差，通過(guò)指標(biāo)函數(shù)得到各子控制器的權(quán)值。

圖3　WMMAC原理圖

3.1模型集的選取

在模型集的選取方面，模型數(shù)量不宜過(guò)少，否則不足以覆蓋整個(gè)對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性；同時(shí)模型又不宜過(guò)多，以造成模型之間的競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致計(jì)算時(shí)間的浪費(fèi)。

首先，對(duì)于圖2，整定副回路PI參數(shù)結(jié)果，結(jié)果如表2所示。

表2　副回路PI參數(shù)整定

然后，將圖2虛線框中的整體看作被控對(duì)象，得到350 MW、450 MW、550 MW三個(gè)負(fù)荷下被控對(duì)象的傳遞函數(shù)，并分別將其作為模型1、模型3、模型6。由于負(fù)荷增加時(shí)被控對(duì)象的靜態(tài)增益和時(shí)間常數(shù)均為單調(diào)變化，所以在這三個(gè)模型之間再插入模型2、模型4、模型5，使得這六個(gè)模型較好地覆蓋了350～550 MW負(fù)荷下對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性。對(duì)模型集中的每一個(gè)模型，整定其對(duì)應(yīng)的主調(diào)節(jié)器參數(shù)，如表3所示。

表3　模型集及其PID參數(shù)整定

3.2指標(biāo)函數(shù)的選取

全局控制信號(hào)up(k)為各控制器控制信號(hào)umi(k)的加權(quán)和:

(4)

式中：n為模型個(gè)數(shù)；wi為權(quán)值。

(5)

式中：Jpmi為指標(biāo)函數(shù)。我們采用如下指標(biāo)函數(shù)：

(6)

式中：yp(k)為對(duì)象輸出；ymi(k)為各模型輸出；k0為當(dāng)前時(shí)刻；N為觀測(cè)周期，且N

4　仿真分析

通過(guò)仿真，模擬電廠負(fù)荷增加時(shí)的情況。在零時(shí)刻向系統(tǒng)輸入一個(gè)階躍信號(hào)，負(fù)荷為350MW，運(yùn)行至2 600s；在接下來(lái)的2 000s內(nèi)，負(fù)荷從350MW逐漸增加到550MW。

單一PID控制和WMMAC控制效果對(duì)比如圖4所示。

圖4　控制效果對(duì)比圖

采用WMMAC策略，通過(guò)式(4)～式(6)來(lái)計(jì)算全局控制信號(hào)up(k)，取N=20，得到y(tǒng)p的響應(yīng)曲線如圖4(d)所示。

由圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)可見(jiàn)，當(dāng)采用單一PID控制時(shí)，在負(fù)荷升高過(guò)程中，出口NOx濃度均會(huì)產(chǎn)生較大波動(dòng)。這說(shuō)明單一PID控制在變負(fù)荷情況下，無(wú)法實(shí)現(xiàn)良好的控制；而采用WMMAC方法，控制器1～控制器6對(duì)應(yīng)的權(quán)值w1～w6的變化如圖5所示。當(dāng)機(jī)組運(yùn)行在350MW時(shí)，控制器1的權(quán)值接近1，其他控制器的權(quán)值接近0。在負(fù)荷增加的過(guò)程中，也就是被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性變化的過(guò)程中，當(dāng)被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性接近模型集中某個(gè)模型的動(dòng)態(tài)特性時(shí)，此模型對(duì)應(yīng)控制器的權(quán)值就會(huì)增大，或者說(shuō)此模型對(duì)應(yīng)的PID控制器起主要作用。最終對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性與模型6相同，控制器6的權(quán)值接近1。

圖5　變負(fù)荷時(shí)WMMAC權(quán)值變化對(duì)比圖

5　結(jié)束語(yǔ)

本文在分析脫硝系統(tǒng)的工藝流程和出口NOx濃度的典型控制回路的基礎(chǔ)上，提出了運(yùn)用WMMAC的方法解決鍋爐負(fù)荷變化造成出口NOx濃度波動(dòng)較大的問(wèn)題。具體設(shè)計(jì)了模型集，給出了計(jì)算權(quán)值的指標(biāo)函數(shù)，并用Matlab進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)采用WMMAC的有效性。相比采用單一PID控制，WMMAC能夠有效減小脫硝系統(tǒng)出口NOx濃度波動(dòng)，改善動(dòng)態(tài)品質(zhì)，保證出口NOx濃度不超出允許范圍。WMMAC的基本思想簡(jiǎn)單，在現(xiàn)場(chǎng)易于實(shí)現(xiàn)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

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ApplicationofWeightedMultipleModelAdaptiveControlinDenitrationSystem

AimingattheproblemthatthelargerfluctuationofNOxconcentrationoccursattheoutletofSCRdenitrationsystemduringthethermalpowerplantisoperatingundervariableloadmode,aweightedmultiplemodeladaptivecontrol(WMMAC)strategyisappliedtocontroltheNOxconcentrationatoutlet.Themodelsetisdeveloped,whichcancoverthedynamiccharacteristicsofcontrolledobjectunderdifferentload.AppropriatePIDcontrollerisdesignedforeachmodel,andtheindexfunctionforcalculatingtheweightofcontrolactionisgiven.ThecontroleffectsofsinglePIDcontrolstrategyandWMMACstrategyundervariableloadoperatingconditionarecomparedthroughMatlabsimulation.ItisverifiedthatinNOxconcentrationcontrolatoutletofdenitrationsystemusingWMMACcontrolstrategycaneffectivelyimprovethedynamicqualityofthesystem.

ThermalpowerplantWeightedmultiplemodeladaptivecontrol(WMMAC)Selectivenon-catalyticreduce(SNCR)DenitrationConcentrationControllerModelsetIndexfunctionVariableloadPIDcontrol

金秀章(1969—)，男，2006年畢業(yè)于華北電力大學(xué)控制理論與工程專(zhuān)業(yè)，獲博士學(xué)位，副教授;主要從事大型發(fā)電機(jī)組先進(jìn)控制策略的研究。

TH-39;TP273

ADOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201609021

修改稿收到日期：2016-04-28。