調(diào)峰燃煤機(jī)組選擇性催化還原煙氣脫硝的建模預(yù)測優(yōu)化*

陳鴻偉 梁占偉# 趙 斌 高明非 趙爭輝 張志遠(yuǎn)

(1.華北電力大學(xué)能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063009)

調(diào)峰燃煤機(jī)組選擇性催化還原煙氣脫硝的建模預(yù)測優(yōu)化*

陳鴻偉1梁占偉1#趙 斌2高明非2趙爭輝1張志遠(yuǎn)1

(1.華北電力大學(xué)能源動力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003；2.華北理工大學(xué)冶金與能源學(xué)院，河北 唐山 063009)

調(diào)峰燃煤機(jī)組的運行對選擇性催化還原煙氣脫硝(SCR-DeNOx)系統(tǒng)的性能提出了新的挑戰(zhàn)。通過比較BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BP)算法和遺傳算法優(yōu)化BP(GABP)算法的直接模型和間接模型，得到出口NOx濃度和氨逃逸濃度預(yù)測的最佳模型。結(jié)果表明，對出口NOx濃度和氨逃逸濃度預(yù)測的最佳模型均為GABP算法的間接模型。該模型不僅精度高，可以適應(yīng)不同的負(fù)荷，而且可以同時預(yù)測出口NOx濃度和氨逃逸濃度。對出口NOx濃度預(yù)測的相對誤差均在±10%以內(nèi)，均方根誤差和平均絕對百分比誤差分別僅為2.76mg/m3和4.49%；對氨逃逸濃度預(yù)測的相對誤差基本都在±50%以內(nèi)，均方根誤差和平均絕對百分比誤差分別為0.13mg/m3和24.29%。

調(diào)峰燃煤機(jī)組 選擇性催化還原 脫硝NOx氨逃逸 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法

Abstract: The selective catalytic reduction dinitration (SCR-DeNOx) systems are facing new challenges since coal-fired peak regulation units ran. The direct and indirect models by BP neural network algorithm (BP algorithm) and genetic algorithm modified BP algorithm (GABP algorithm) were applied to predict outlet NOxconcentration and ammonia escaping concentration in SCR-DeNOxsystem. Results showed that the best model for both outlet NOxconcentration and ammonia escaping concentration prediction was the indirect model by GABP algorithm. This model was accurate and able to fit different loads. Moreover,the model could predict outlet NOxconcentration and ammonia escaping concentration simultaneously. The relative error,root-mean-square error and mean-absolute-percentage error were within ±10%,2.76 mg/m3and 4.49% for outlet NOxconcentration,respectively;and those almost within±50%,0.13 mg/m3and 24.29% for ammonia escaping concentration,respectively.

Keywords: coal-fired peak regulation units； selective catalytic reduction； denitration； NOx； ammonia escaping； neural network algorithm

近年來，受國內(nèi)經(jīng)濟(jì)形勢下行以及新能源發(fā)電并網(wǎng)等因素的影響，很多地區(qū)供電負(fù)荷峰谷差增大。據(jù)統(tǒng)計，京津冀地區(qū)峰谷差已達(dá)到30.6%[1]。單靠抽水蓄能發(fā)電及30萬kW的燃煤機(jī)組調(diào)峰已不能滿足電網(wǎng)調(diào)峰需求，60萬kW及以上的燃煤機(jī)組參與深度調(diào)峰已成常態(tài)化。調(diào)峰燃煤機(jī)組的運行對選擇性催化還原煙氣脫硝(SCR-DeNOx)系統(tǒng)的性能提出了新的挑戰(zhàn)。準(zhǔn)確預(yù)測SCR-DeNOx系統(tǒng)出口NOx濃度和氨逃逸濃度是提高NOx脫除效率和減少噴氨量的基礎(chǔ)。秦天牧等[2-3]利用多尺度核偏最小二乘法和改進(jìn)偏互信息法建立了SCR-DeNOx系統(tǒng)出口NOx濃度的預(yù)測模型，均方根誤差和平均絕對百分比誤差分別能夠達(dá)到2.80 mg/m3和3.31%，精度較高；但是該模型輸入數(shù)據(jù)的負(fù)荷變化范圍較窄，僅適合700～800 MW的燃煤機(jī)組。劉吉臻等[4]提出了自適應(yīng)性多尺度核偏最小二乘法，并應(yīng)用于SCR-DeNOx系統(tǒng)建模預(yù)測出口NOx濃度，該模型輸入數(shù)據(jù)負(fù)荷變寬，但是精度下降，均方根誤差和平均絕對百分比誤差分別為3.13 mg/m3和5.01%。調(diào)峰燃煤機(jī)組建立高精度、全負(fù)荷的SCR-DeNOx系統(tǒng)出口NOx濃度預(yù)測模型已成為目前研究的重點。此外，對SCR-DeNOx系統(tǒng)出口氨逃逸濃度建模預(yù)測的報道還很鮮見[5-6]。

本研究對比分析了BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(BP)算法和遺傳算法優(yōu)化BP(GABP)算法的直接模型和間接模型，同時對調(diào)峰燃煤機(jī)組的SCR-DeNOx系統(tǒng)出口NOx濃度和氨逃逸濃度進(jìn)行預(yù)測，得到最佳預(yù)測模型。

1 實驗方法

某電廠600 MW的調(diào)峰燃煤機(jī)組主要由超臨界煤粉爐配置低濃度NOx雙調(diào)風(fēng)旋流燃燒器組成，采用SCR-DeNOx系統(tǒng)，脫硝劑為液氨，液氨蒸發(fā)采用蒸汽加熱方式。SCR-DeNOx設(shè)備安裝在省煤器與空預(yù)器之間，脫硝吹灰器同時采用聲波和蒸汽吹灰。催化劑按“2+1”方式布置，設(shè)計入口NOx質(zhì)量濃度為400 mg/m3。負(fù)荷選取300、400、500、600 MW。數(shù)據(jù)采集時間間隔為5 s，每個參數(shù)連續(xù)采集10個數(shù)據(jù)取平均值。

2 預(yù)測模型

模型理論依據(jù)為式(1)和式(2)[7-10]。

4NH3+5O2→4NO+6H2O

(1)

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O

(2)

BP算法作為一種非線性預(yù)測方法具有良好的非線性品質(zhì)，并得到了廣泛應(yīng)用[11-12]。標(biāo)準(zhǔn)BP算法訓(xùn)練次數(shù)多、學(xué)習(xí)效率低、收斂速度慢[13]88。為了提高BP算法性能，本研究采用優(yōu)化BP算法訓(xùn)練函數(shù)trainlm，結(jié)合梯度下降法和高斯-牛頓法，通過逐漸調(diào)整權(quán)值和閾值改善收斂性能[13]83。GABP算法流程見圖1。設(shè)置種群規(guī)模為10，進(jìn)化次數(shù)為50，交叉概率為0.4，變異概率為0.2[13]82。

主要輸入數(shù)據(jù)包括SCR-DeNOx系統(tǒng)入口NOx濃度、入口氨濃度、反應(yīng)溫度、氧量、煙氣量、催化劑層壓降和負(fù)荷。間接模型分別輸出單位體積催化劑單位時間內(nèi)消耗的NOx和氨總量，再反算出口NOx濃度和氨逃逸濃度；直接模型則直接輸出出口NOx濃度和氨逃逸濃度。

圖1 GABP算法流程Fig.1 Flow chart of GABP algorithm

3 結(jié)果分析與討論

3.1 出口NOx濃度預(yù)測

SCR-DeNOx系統(tǒng)出口NOx濃度的間接模型預(yù)測結(jié)果如圖2所示，直接模型預(yù)測結(jié)果如圖3所示。

對比圖2(a)和圖3(a)發(fā)現(xiàn)，BP算法和GABP算法的間接模型預(yù)測值與實際值的逼近能力更好。從圖2(b)的相對誤差來看，GABP算法的間接模型相對誤差均在±10%以內(nèi)，而BP算法的間接模型相對誤差明顯大于GABP算法，甚至超過了±20%。因此，對出口NOx濃度的最佳預(yù)測模型為GABP算法的間接模型。

3.2 氨逃逸濃度預(yù)測

圖2 出口NOx濃度的間接模型預(yù)測結(jié)果Fig.2 Prediction result of outlet NOx concentration by indirect model

圖3 出口NOx濃度的直接模型預(yù)測結(jié)果Fig.3 Prediction result of outlet NOx concentration by direct model

圖4 氨逃逸濃度的間接模型預(yù)測結(jié)果Fig.4 Prediction result of NH3 escaping concentration by indirect model

圖5 氨逃逸濃度的直接模型預(yù)測結(jié)果Fig.5 Prediction result of NH3 escaping concentration by direct model

SCR-DeNOx系統(tǒng)氨逃逸濃度的間接模型預(yù)測結(jié)果如圖4所示，直接模型預(yù)測結(jié)果如圖5所示。

由圖4(a)可見，BP算法的間接模型預(yù)測結(jié)果波動較大，而GABP算法的間接模型預(yù)測結(jié)果比較穩(wěn)定，且與實際值的逼近能力極好。由圖4(b)可見，BP算法的間接模型相對誤差大多數(shù)超過了±50%，而GABP算法的間接模型相對誤差基本都在±50%以內(nèi)。雖然GABP算法的間接模型相對誤差仍高于工程要求的±20%以內(nèi)，但鑒于氨逃逸濃度幾乎沒有模型可以預(yù)測，且從圖4(a)的數(shù)據(jù)來看，氨逃逸質(zhì)量濃度實際值為0.19～0.61 mg/m3時，GABP算法的間接模型預(yù)測值為0.20～0.76 mg/m3，可以在工程中應(yīng)用。由圖5可知，BP算法和GABP算法的直接模型預(yù)測值和相對誤差都波動很大，不能應(yīng)用。因此，GABP算法的間接模型也可以用于氨逃逸濃度的預(yù)測。

表1 出口NOx濃度預(yù)測模型性能

表2 氨逃逸濃度預(yù)測模型性能

3.3 模型性能評價

采用均方根誤差(RMSE)和平均絕對百分比誤差(MAPE)來評價模型預(yù)測精度和預(yù)測值相對于實際值的平均偏離情況，計算公式分別如式(3)和式(4)所示[14]。

(3)

(4)

SCR-DeNOx系統(tǒng)出口NOx濃度預(yù)測模型的均方根誤差和平均絕對百分比誤差列于表1，GABP算法的間接模型均方根誤差和平均絕對百分比誤差分別為2.76 mg/m3和4.49%，精度最高。

SCR-DeNOx系統(tǒng)氨逃逸濃度預(yù)測模型的均方根誤差和平均絕對百分比誤差列于表2，GABP算法的間接模型均方根誤差和平均絕對百分比誤差分別為0.13 mg/m3和24.29%。

綜上所述，GABP算法的間接模型用于調(diào)峰燃煤機(jī)組SCR-DeNOx系統(tǒng)出口NOx濃度預(yù)測不僅精度高，可以適應(yīng)不同的負(fù)荷，而且在氨逃逸濃度預(yù)測中也具有一定的參考價值。

4 結(jié) 論

對出口NOx濃度的最佳預(yù)測模型為GABP算法的間接模型，相對誤差均在±10%以內(nèi)，均方根誤差和平均絕對百分比誤差分別為2.76 mg/m3和4.49%，該模型不僅精度高，而且可以適應(yīng)不同的負(fù)荷。此外，該模型可同時用于氨逃逸濃度預(yù)測，相對誤差基本都在±50%以內(nèi)，均方根誤差和平均絕對百分比誤差分別為0.13 mg/m3和24.29%。

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Modelingpredictionoptimizationofselectivecatalyticreductiondenitrationforcoal-firedpeakregulationunits

CHENHongwei1,LIANGZhanwei1,ZHAOBin2,GAOMingfei2,ZHAOZhenghui1,ZHANGZhiyuan1.

(1.SchoolofEnergy,PowerandMechanicalEngineering,NorthChinaElectricPowerUniversity,BaodingHebei071003;2.CollegeofMetallurgyandEnergy,NorthChinaUniversityofScienceandTechnology,TangshanHebei063009)

2017-02-14)

陳鴻偉，男，1965年生，博士，教授，主要從事電站設(shè)備監(jiān)測、控制與運行研究。#

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*河北省自然科學(xué)基金資助項目(No.E2016502058)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項(No.2015XS116)。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.08.012