專家模糊控制在SNCR脫硝系統(tǒng)中的研究及應(yīng)用

朱竹軍，白建云，劉林仙

(1.山西平朔煤矸石發(fā)電有限公司，山西 朔州 036800；2.山西大學自動化系，山西 太原 030013)

0 引言

國內(nèi)外大多學者對大型火力發(fā)電機組選擇性非催化還原(selective non-catalytic reduction，SNCR)脫硝系統(tǒng)的相關(guān)研究，主要集中在NOX控制機理和工藝[1-5]。AfsinGungor研究了循環(huán)流化床中的二氧化硫和氮氧化物排放量之間的關(guān)系[1]，Javed.M等研究了SNCR技術(shù)對燃燒產(chǎn)生的氮氧化物的控制[2]。還有少部分國內(nèi)學者對火力發(fā)電機組SNCR脫硝系統(tǒng)控制的研究集中在控制方法的設(shè)計和仿真[6-9]，而國外公開文獻中未曾發(fā)現(xiàn)此方面的研究。國內(nèi)顧志國等設(shè)計了一種帶死區(qū)的無模型自適應(yīng)控制策略，但該控制策略只進行了仿真，并沒有應(yīng)用于生產(chǎn)現(xiàn)場[6]。大多數(shù)的仿真在設(shè)計時并沒有考慮到實際運行中的各種復雜多變的因素，以及現(xiàn)有的分散控制系統(tǒng)是否支持高級的算法等問題，從而導致設(shè)計的控制方法并不適用于現(xiàn)場實施。SNCR脫硝系統(tǒng)NOX脫除過程的大遲延、大慣性、多因素耦合等特性使常規(guī)控制方法無法滿足其控制要求，而一些先進控制算法因不能建立比較準確的數(shù)學模型等問題，很難在現(xiàn)場實施，加大了實現(xiàn)SNCR脫硝系統(tǒng)自動控制的難度。

針對SNCR脫硝系統(tǒng)被控對象的特點，提出了一種基于專家模糊的SNCR脫硝系統(tǒng)自動控制策略。該控制策略與DCS相結(jié)合，成功應(yīng)用于某電廠300 MW循環(huán)流化床鍋爐機組的SNCR脫硝系統(tǒng)，實現(xiàn)了機組SNCR脫硝系統(tǒng)的自動、穩(wěn)定運行。

1 SNCR脫硝工藝簡介

某300 MW循環(huán)流化床鍋爐采用SNCR脫硝技術(shù)實現(xiàn)NOX的脫除，具體工藝如圖1所示。由圖1可知，為保證出口煙氣分析系統(tǒng)(continuous emission monitoring system，CEMS)測量的NOX值達到環(huán)保標準，需要在旋風分離器附近噴入適量的氨水來降低NOX含量。氨水噴入量由變頻泵A通過調(diào)節(jié)頻率來控制。為保證噴頭有較好的霧化、穿透效果，通過變頻泵B使混合器出口壓力達到設(shè)定值，使之有足夠的噴射壓力，從而保證噴射效果。

圖1 SNCR脫硝工藝簡圖

2 自動控制策略設(shè)計

2.1 基于專家經(jīng)驗的設(shè)定值形成結(jié)構(gòu)

在還原劑量設(shè)定值形成過程中，整個控制回路沒有使用常規(guī)的PID控制，而是借鑒了PID與專家控制相結(jié)合的動態(tài)疊加方法。在PID控制過程中，如果被控量有下降的趨勢，控制量仍在累加；而采用基于專家經(jīng)驗的動態(tài)疊加方法，在控制量有下降趨勢時，會進行判定，不再繼續(xù)進行控制量的累加。其他情況與此類似。

SNCR脫硝系統(tǒng)控制策略如圖2所示。

圖2 SNCR脫硝系統(tǒng)控制策略圖

設(shè)定值形成基本結(jié)構(gòu)如圖3所示

圖3 設(shè)定值形成基本結(jié)構(gòu)圖

y(k)=y(k-1)+x

(1)

當滿足條件時，發(fā)送一個計算機掃描周期的脈沖信號，將計算得到的還原劑量疊加到初始值；然后經(jīng)過一定的時間(即一個判定周期)，再次判斷是否滿足還原劑量變化的條件。

2.2 數(shù)據(jù)的預處理

由于現(xiàn)場測量得到的數(shù)據(jù)往往帶有隨機擾動，可以通過濾波來消除干擾對控制的影響。考慮到控制方法中需要用到的測量信號，選取了帶有隨機擾動的被控量NOX、負荷、風煤比、氧量、石灰石的測量值及其微分進行濾波處理，以消除干擾對控制的影響。實際組態(tài)中，可以通過調(diào)節(jié)微分時間或加入慣性環(huán)節(jié)實現(xiàn)濾波，同時需要設(shè)置合適的參數(shù)，將隨機擾動導致的數(shù)值變化與是否確實發(fā)生變化加以區(qū)分。在數(shù)據(jù)處理時，對參數(shù)進行調(diào)整，將NOX、負荷、風煤比、石灰石和氧量隨機干擾導致的變化率限制在±0.1之內(nèi)：±0.1之內(nèi)時，認為是隨機干擾導致的波動；超過±0.1時，認為NOX、負荷等確實發(fā)生了變化。

2.3 基于專家經(jīng)驗的區(qū)間控制

設(shè)計一個區(qū)域范圍/死區(qū)范圍，忽略被控量NOX在區(qū)域范圍內(nèi)的變化，增強了魯棒性；當被控量NOX測量值在所設(shè)定區(qū)域范圍內(nèi)時，則還原劑設(shè)定值不進行調(diào)整。當被控量NOX測量值不在所設(shè)定區(qū)域范圍內(nèi)時，還原劑設(shè)定值則按偏離區(qū)域的程度采取相應(yīng)的專家算法來進行調(diào)整。

①當被控量NOX超過所設(shè)區(qū)域范圍時，還原劑調(diào)節(jié)量按照一定的專家經(jīng)驗算法確定，具體計算方法如下：

ΔY=K1X1+K2X2+K3X3+K4X4

(2)

式中:ΔY為控制器的疊加值;X1為負荷；X2為氧量;X3為偏差；X4為偏差變化率；K1、K2、K3、K4為權(quán)重。

根據(jù)負荷、氧量、NOX偏差值、NOX變化率的變化量，決定增減還原劑的調(diào)節(jié)量。

②當被控量NOX超過區(qū)域范圍時，將會判斷是否應(yīng)該進行控制量的增減。

允許增加還原劑量的條件如下。

①NOX偏差值(NOX測量值減去設(shè)定值)大于所設(shè)死區(qū)值；

②NOX變化率大于-0.1；

③處于自動調(diào)節(jié)狀態(tài)。

允許減少還原劑量的條件如下。

①NOX偏差值(NOX測量值減去設(shè)定值)小于所設(shè)死區(qū)值；

②NOX變化率小于0.1；

③處于自動調(diào)節(jié)狀態(tài)；

④風煤比變化率小于0.1；

⑤負荷變化率小于0.1。

當滿足這些增減條件時，將會發(fā)送一個掃描周期的脈沖來增減由式(1)計算得到的還原劑量。給其噴入的還原劑一定的反應(yīng)時間，經(jīng)過一段時間反應(yīng)后，再次判定是否滿足條件，以決定是否增減還原劑量。

2.4 基于專家經(jīng)驗的穩(wěn)態(tài)優(yōu)化

穩(wěn)態(tài)優(yōu)化基本原理如圖4所示。

圖4 穩(wěn)態(tài)優(yōu)化基本原理圖

圖4中：PV為測量值；SV為設(shè)定值。

為了減少還原劑消耗量，在到達NOX設(shè)定區(qū)間的情況下，進一步對還原劑消耗量進行優(yōu)化。如果被控量NOX在所設(shè)定區(qū)域范圍內(nèi)且NOX設(shè)定值大于NOX測量值，對還原劑設(shè)定值進行微調(diào)，進一步減少還原劑消耗量，使被控量NOX測量值在所設(shè)定區(qū)域范圍內(nèi)。最終使被控量NOX設(shè)定值小于NOX測量值，停止調(diào)節(jié)。

具體調(diào)節(jié)規(guī)則如下。

①將負荷經(jīng)函數(shù)F(x)折算成所需要的還原劑量。

②當NOX實測值在所設(shè)定區(qū)域范圍內(nèi)，并且NOX沒有上升趨勢(即NOX變化率小于0.1)時，經(jīng)過判斷，減少由式(1)計算得到的還原劑量。經(jīng)過一定的反應(yīng)時間后，再判斷是否應(yīng)該進一步優(yōu)化。

當達到一定條件時，優(yōu)化作用消失。具體條件如下。

①負荷、風煤比變化率大于0.1時，優(yōu)化作用消失，待穩(wěn)定后進行條件判定。

②還原劑量小于各工況下所設(shè)的最低值時，優(yōu)化作用消失。

2.5 基于解耦規(guī)則的前饋控制

2.5.1 前饋控制的經(jīng)驗算法

通過研究分析，發(fā)現(xiàn)負荷、風煤比、氧量和石灰石對NOX的生成影響較大，所以采用負荷、風煤比、石灰石作為前饋調(diào)節(jié)；而調(diào)節(jié)量的多少，滿足什么條件可進行調(diào)節(jié)具有一定規(guī)則。具體介紹如下。

①負荷前饋調(diào)節(jié)規(guī)則。

將負荷經(jīng)函數(shù)F(x1)折算成所需要的還原劑基準量，同時將氧量經(jīng)函數(shù)F(x2)折算成修正量，對還原劑基準量進行修正，即:

ΔF=F(x1)F(x2)

(3)

式中：ΔY為控制器的疊加值；x1為負荷；x2為氧量。

②風煤比前饋調(diào)節(jié)規(guī)則。

將負荷經(jīng)函數(shù)F(x3)折算成所需要的還原劑基準量，將風煤比變化率經(jīng)函數(shù)F(x4)折算成還原劑基準量的修正值,即：

ΔY=F(x3)F(x4)

(4)

式中：ΔY為控制器的疊加值；x3為負荷；x4為風煤比變化率。

③石灰石前饋調(diào)節(jié)規(guī)則。

將負荷經(jīng)函數(shù)F(x5)折算成所需要的還原劑基準量，同時將石灰石變化率經(jīng)函數(shù)F(x6)折算成還原劑基準量的修正值，即:

ΔY=F(x5)F(x6)

(5)

式中：ΔY為控制器的疊加值；x5為負荷；x6為石灰石變化率。

2.5.2 前饋控制的解耦規(guī)則

當負荷測量值變化時，風煤比也隨之發(fā)生變化。當負荷增大時，如果風煤比下降幅度不是很大，則此時負荷對NOX的影響比風煤比大；當負荷減小時，如果風煤比上升幅度較大，則此時風煤比的變化對NOX的影響比負荷大。針對彼此之間的耦合關(guān)系，在控制策略中對其進行了解耦。

(1)負荷作為前饋。

①允許增加還原劑量的條件有：

負荷變化率大于等于0.1；

NOX測量值大于等于NOX設(shè)定值；

NOX變化率大于等于-0.1；

風煤比變化率大于等于-0.1。

②允許減少還原劑量的條件有:

負荷變化率小于等于-0.1；

NOX實測值小于等于NOX設(shè)定值；

NOX變化率小于等于0.1；

風煤比變化率小于等于0.1。

根據(jù)歷史數(shù)據(jù)分析，負荷的變化相對較慢，選擇每分鐘進行一次判斷。到達判定時間同時滿足以上條件時，發(fā)送一個脈沖，按照式(2)得到疊加量，進行還原劑量調(diào)整。

(2)風煤比作為前饋。

風煤比作為前饋時的控制方式與負荷作為前饋時的控制方式相似，在此不再詳述。

根據(jù)歷史數(shù)據(jù)分析，風煤比的變化相對較快，所以選擇每30 s進行一次判斷。到達判定時間同時滿足以上條件時，發(fā)送一個脈沖，按照式(3)得到的疊加量進行還原劑量調(diào)整。

2.6 基于模糊的還原劑低限/高限保護

在逐步降低還原劑量的同時，給其設(shè)置一個最低流量限制。其目的是要有一定的還原劑余量，使NOX的變化不太敏感。在逐步增加還原劑量的同時，給其設(shè)置一個最高流量限制，防止噴入過量的還原劑。其目的是要保證經(jīng)濟效益以及降低氨逃逸。選取負荷和氧量信號作為模糊輸入，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)以及運行人員的經(jīng)驗，分別建立了模糊規(guī)則。根據(jù)輸入的數(shù)值、模糊規(guī)則庫分別計算還原劑的低限值和還原劑的高限值。

2.7 基于專家經(jīng)驗的還原劑低限保護自適應(yīng)控制

本文提出了基于專家經(jīng)驗的還原劑低限保護自適應(yīng)控制方法。在建立模糊規(guī)則時，最低限值選取的是正常運行工況下的一般值。為了提高經(jīng)濟性，當NOX生成較少時，需要采用自適應(yīng)的方法進一步減少低限值，從而減少還原劑量。

當還原劑量為當前工況下對應(yīng)還原劑的低限值，且NOX設(shè)定值大于NOX測量值5 mg/Nm3時，經(jīng)過一段時間的判斷，如果這種情況一直沒有變化，則在還原劑低限值的基礎(chǔ)上進一步減少還原劑量。然后再進行判斷，直到NOX測量值大于NOX設(shè)定值2 mg/Nm3時，逐步恢復到原來的還原劑低限值。

2.8 基于模糊的NOX快速保護

當燃燒工況大幅度變化導致NOX急劇變化時，常規(guī)控制已不能滿足控制要求。當被控量NOX超過設(shè)定的上限值時，將程序自動切換至基于模糊的被控量NOX快速保護。NOX快速保護算法如圖5所示。

圖5 NOX快速保護算法示意圖

由圖5可知，取NOX測量值和NOX變化率作為模糊塊的輸入。根據(jù)歷史數(shù)據(jù)以及運行人員的經(jīng)驗建立模糊規(guī)則，根據(jù)輸入值的大小計算出NOX所需的還原劑基準值。另取負荷和氧量信號作為模糊輸入建立模糊規(guī)則，得到還原劑基準值的修正值。最后得到NOX的還原劑保護量。

3 仿真驗證

DCS仿真曲線如圖6所示。

圖6 仿真曲線

試驗機組使用的控制系統(tǒng)為新華DCS系統(tǒng)。為了將該控制策略應(yīng)用于試驗機組中，在仿真驗證該控制策略的可行性時，直接在新華DCS系統(tǒng)上搭建控制對象模型，并采用控制策略程序，這樣仿真時能夠更貼近實際發(fā)現(xiàn)問題，且更方便將自動控制程序移植到生產(chǎn)現(xiàn)場的DCS中。

由圖6可知，該控制策略在仿真時滿足控制要求，NOX測量值能較好地跟隨NOX設(shè)定值的變化；當NOX因各種原因突變時，氨水量會迅速增加，使NOX快速下降。該仿真驗證得到的可行性結(jié)果為該控制策略在試驗機組上的實施提供了基礎(chǔ)。

4 實際運行效果與經(jīng)濟效果分析

4.1 實際運行效果

通過組態(tài)調(diào)試，將該控制程序成功應(yīng)用于300 MW循環(huán)流化床機組SNCR脫硝系統(tǒng)。脫硝系統(tǒng)投入自動運行以后，系統(tǒng)的氨水量較好地跟隨NOX的變化。當設(shè)定值為35 mg/Nm3時，NOX排放量在30～40 mg/Nm3之間波動，NOX排放量與設(shè)定值之間的每小時平均誤差在±2 mg/Nm3之內(nèi)。該控制策略實現(xiàn)了SNCR脫硝系統(tǒng)的自動控制，解決了NOX突變氨水量調(diào)節(jié)跟不上以及氨水過噴的問題。

4.2 經(jīng)濟指標

統(tǒng)計自動化系統(tǒng)投入前后各一個星期的氨水消耗量和發(fā)電量數(shù)據(jù)，計算每300 MW需要消耗多少氨水。相關(guān)經(jīng)濟指標數(shù)據(jù)如表1和表2所示。

表1 系統(tǒng)投入前經(jīng)濟指標

經(jīng)計算，在手動調(diào)節(jié)下，每300 MW·h消耗0.91 t氨水;在自動調(diào)節(jié)下，每300 MW·h消耗0.75 t氨水，氨水消耗量每300 MW·h比原來降低17.6%。

表2 系統(tǒng)投入后經(jīng)濟指標

5 結(jié)束語

SNCR脫硝系統(tǒng)具有大遲延、大慣性等特性。其被控對象的復雜性使得精確模型較難獲取。這些特性導致常規(guī)的PID控制，以及一些先進控制應(yīng)用受限。結(jié)合運行人員的手動調(diào)節(jié)規(guī)律，本文提出了一種基于專家模糊的SNCR脫硝系統(tǒng)自動控制策略。將此控制策略組態(tài)應(yīng)用于300 MW CFB機組的新華DCS系統(tǒng)。經(jīng)過調(diào)試，該策略實現(xiàn)了SNCR脫硝系統(tǒng)的穩(wěn)定及經(jīng)濟運行，運行人員工作量大大降低，氨水消耗量每300 MW·h，較原先降低17.6%，電廠經(jīng)濟效益顯著提高。