基于SVR前饋補(bǔ)償?shù)幕痣姍C(jī)組脫硝優(yōu)化控制

陳鐵鋒 杜文

摘要：鑒于火電機(jī)組SCR脫硝控制系統(tǒng)具有大延遲、大慣性等特點(diǎn)，原有串級(jí)PID控制系統(tǒng)在機(jī)組負(fù)荷變化時(shí)難以實(shí)現(xiàn)氨氣流量的精確控制。因此，在保留串級(jí)控制結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了一種基于支持向量回歸（SVR）前饋補(bǔ)償?shù)拿撓蹩刂撇呗?，通過補(bǔ)償信號(hào)可以有效抑制SCR出口NOx濃度波動(dòng)，并且采用離線訓(xùn)練和在線更新SVR的方式適應(yīng)系統(tǒng)變化。工程應(yīng)用表明，在負(fù)荷大幅度變化時(shí)該策略仍能保持良好的控制品質(zhì)。

關(guān)鍵詞：煙氣脫硝;支持向量回歸;前饋補(bǔ)償

0? ? 引言

目前我國(guó)燃煤電廠年耗煤約18億t，約占全國(guó)耗煤量的50%，NOx排放量占全國(guó)的30%以上[1]，帶來了酸雨、PM2.5污染等環(huán)境問題。為達(dá)成2020年火電機(jī)組實(shí)現(xiàn)超低排放的目標(biāo)，諸多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究。降低火電機(jī)組NOx排放的措施主要分為燃燒中控制和燃燒后控制，其中燃燒中控制主要是利用濃淡燃燒、燃料分級(jí)或改進(jìn)燃燒器等方式。文獻(xiàn)[2]通過優(yōu)化鍋爐配風(fēng)、適當(dāng)提高入爐煤的揮發(fā)分等方式，降低NOx排放。文獻(xiàn)[3]改造了600 MW對(duì)沖燃燒鍋爐的燃燒器，采用全爐膛分級(jí)燃燒技術(shù)，使NOx濃度降低到300 mg/m3左右。文獻(xiàn)[4]總結(jié)了通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法建立鍋爐的黑箱模型后綜合優(yōu)化鍋爐燃燒的方法。但燃燒中控制NOx的方式作用有限，且有可能影響鍋爐燃燒效率，所以燃燒后控制成為降低NOx排放的主要手段。目前多數(shù)機(jī)組采用選擇性催化還原（SCR）煙氣脫硝系統(tǒng)，但是SCR煙氣脫硝方式存在大延遲、大慣性的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的PID控制器難以實(shí)現(xiàn)機(jī)組工況發(fā)生較大變化時(shí)噴氨量的精確控制，易導(dǎo)致噴氨不足NOx排放過量或噴氨過多造成二次污染。文獻(xiàn)[5]利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立SCR出口NOx模型，并通過混沌粒子群算法計(jì)算最優(yōu)噴氨量。文獻(xiàn)[6]提出了一種基于神經(jīng)元PID的控制策略，通過神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)權(quán)重和自適應(yīng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化，仿真結(jié)果表明該方法控制效果良好。文獻(xiàn)[7-9]研究了預(yù)測(cè)控制在脫硝控制系統(tǒng)的應(yīng)用。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或預(yù)測(cè)控制等算法雖然控制效果優(yōu)于PID控制，但比較復(fù)雜，且在線計(jì)算最優(yōu)控制率計(jì)算量大。因此，本文提出一種利用SVR進(jìn)行前饋補(bǔ)償?shù)腟CR系統(tǒng)控制策略，既保留了原有的PID串級(jí)結(jié)構(gòu)，以保證控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時(shí)利用SVR的快速性及時(shí)適應(yīng)系統(tǒng)變化，實(shí)現(xiàn)精確控制。

1? ? SVR原理

支持向量回歸機(jī)（Support Vector Regression）是Cortes和Vapnik于1995年首先提出的，建立在統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論的VC維理論和結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小原理基礎(chǔ)上，根據(jù)有限的樣本信息在特定訓(xùn)練樣本的學(xué)習(xí)精度和無錯(cuò)誤地識(shí)別任意樣本的能力之間尋求最佳折中，它在解決小樣本、非線性及高維模式識(shí)別問題上表現(xiàn)出許多特有的優(yōu)勢(shì)。

在SVR中將原本回歸中的平方差誤差損失函數(shù)簡(jiǎn)化為ε敏感度，表示函數(shù)的擬合精度，在誤差ε之內(nèi)的誤差置0，在該范圍之外使用簡(jiǎn)單線性損失函數(shù)：

2? ? SVR前饋補(bǔ)償器設(shè)計(jì)

2.1? ? 數(shù)據(jù)選擇及處理

影響SCR出口NOx濃度的因素有很多，主要的可測(cè)擾動(dòng)包括以下三方面：

（1）機(jī)組負(fù)荷。機(jī)組負(fù)荷的變化主要影響到鍋爐的過量空氣系數(shù)，而過量空氣系數(shù)變化會(huì)導(dǎo)致鍋爐燃燒充分性變化，一般情況下NOx排放量隨著過量空氣系數(shù)的減小而減小。

（2）二次風(fēng)量。二次風(fēng)量是影響分級(jí)燃燒技術(shù)的重要因素，二次風(fēng)合適可以有效降低鍋爐主燃燒區(qū)的O2濃度，從而減少NOx生成，同時(shí)可以提高鍋爐的效率。

（3）燃盡風(fēng)量。一般來說燃盡風(fēng)可以有效抑制NOx生成，但大量的燃盡風(fēng)會(huì)降低鍋爐燃燒的穩(wěn)定性，并且增加飛灰含碳量，影響鍋爐的熱效率。

因此，在選擇數(shù)據(jù)方面主要考慮了機(jī)組的給煤量、各層二次風(fēng)量和各個(gè)燃盡風(fēng)門開度，輸出為SCR出口NOx含量。

由于支持向量機(jī)回歸對(duì)樣本要求較高，機(jī)組歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)中可能有異常值或故障信息，對(duì)回歸的準(zhǔn)確性產(chǎn)生一定影響，因此需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

預(yù)處理主要包括數(shù)據(jù)清理和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化。數(shù)據(jù)清理是指剔除與多數(shù)樣本偏離較大的樣本，采用3σ檢驗(yàn)準(zhǔn)則，即樣本偏離平均值超過3倍標(biāo)準(zhǔn)差則剔除。圖1中圓圈為剔除的樣本。

由于選擇的各個(gè)信號(hào)如給煤量、二次風(fēng)量等量綱不同，在使用之前需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，采用Z-score標(biāo)準(zhǔn)化方法。具體而言，對(duì)于變量x，樣本數(shù)為n，則Z-score標(biāo)準(zhǔn)化處理后數(shù)據(jù)為：

2.2? ? SVR前饋補(bǔ)償器設(shè)計(jì)

SVR離線時(shí)的訓(xùn)練過程如下：

（1）根據(jù)所選輸入、輸出變量，取其歷史運(yùn)行數(shù)據(jù);

（2）對(duì)輸入變量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理;

（3）確定SVR的參數(shù)，包括不敏感系數(shù)、懲罰系數(shù)和核函數(shù);

（4）根據(jù)上述SVR原理進(jìn)行訓(xùn)練。

由于SVR訓(xùn)練所需樣本數(shù)量少，訓(xùn)練速度相比神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等較快，所以在離線訓(xùn)練后可以采用在線更新的方式。在線更新時(shí)保持SVR的參數(shù)不變，每次取一定數(shù)量的樣本訓(xùn)練，下一時(shí)刻時(shí)從樣本隊(duì)列中刪除最后一個(gè)樣本，加入新樣本，從而實(shí)現(xiàn)樣本集保持?jǐn)?shù)量不變并不斷更新。

利用方家莊電廠歷史數(shù)據(jù)中的200個(gè)采樣點(diǎn)進(jìn)行訓(xùn)練，并在訓(xùn)練后利用接下來4 000 s的數(shù)據(jù)檢驗(yàn)SVR輸出的準(zhǔn)確性，檢驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3所示。

從圖2、圖3中可以看出SVR可以準(zhǔn)確反映NOx出口濃度的變化趨勢(shì)，在個(gè)別點(diǎn)的相對(duì)誤差超過10%，但大部分?jǐn)?shù)據(jù)相對(duì)誤差都在5%以內(nèi)，可見SVR回歸比較準(zhǔn)確。

SVR前饋補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括數(shù)據(jù)處理、SVR擬合以及PD控制器三部分。首先根據(jù)上述數(shù)據(jù)處理方法對(duì)采集的給煤量、二次風(fēng)量和燃盡風(fēng)量進(jìn)行處理，然后將處理好的數(shù)據(jù)輸送給訓(xùn)練好的SVR函數(shù)，得到后續(xù)的NOx濃度變化量，將當(dāng)前時(shí)刻N(yùn)Ox濃度與SVR函數(shù)輸出值的偏差作為PD控制器的輸入信號(hào)，從而計(jì)算出補(bǔ)償信號(hào)。

3? ? 工程應(yīng)用

根據(jù)上述SVR前饋補(bǔ)償器，在原本串級(jí)PID控制的基礎(chǔ)上，提出了基于SVR前饋補(bǔ)償?shù)腟CR出口NOx濃度控制策略，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

其中串級(jí)控制系統(tǒng)中的γ1和γ2為噴氨流量反饋系數(shù)和SCR出口NOx濃度反饋系數(shù)，G1（s）為噴氨閥門開度與噴氨流量大小的傳遞函數(shù)，G2（s）為氨氣流量與SCR出口NOx濃度的傳遞函數(shù)。主調(diào)節(jié)器和副調(diào)節(jié)器的參數(shù)依然保持“內(nèi)快外慢”的基本特性不變。

在SVR參數(shù)選擇上，需要確定不敏感系數(shù)、懲罰系數(shù)C和核函數(shù)。其中懲罰系數(shù)C>0，表示輸出值與實(shí)際值之間誤差的程度大小，C越大模型輸出精度越高，但有可能出現(xiàn)過擬合。不敏感系數(shù)越小模型精度越高，但同樣可能出現(xiàn)過擬合的現(xiàn)象。因此，在多次離線訓(xùn)練嘗試后取C=220，ε=0.01，核函數(shù)按上文所述取徑向基函數(shù)。

在方家莊電廠的SCR脫硝控制系統(tǒng)中采用基于SVR前饋補(bǔ)償?shù)腟CR出口NOx控制策略，其控制效果如圖6所示。

4? ? 結(jié)語

針對(duì)目前SCR脫硝串級(jí)控制器在機(jī)組負(fù)荷大范圍變化時(shí)控制品質(zhì)變差的問題，根據(jù)支持向量回歸原理設(shè)計(jì)了SVR前饋補(bǔ)償控制器，并提出了基于SVR前饋補(bǔ)償?shù)拿撓蹩刂撇呗?。在方家莊電廠實(shí)際投用的效果表明，該方法可以有效抑制負(fù)荷以及風(fēng)量變化等擾動(dòng)帶來的SCR出口NOx濃度波動(dòng)，較原有串級(jí)控制系統(tǒng)有更好的抗干擾性。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 酈建國(guó)，朱法華，孫雪麗.中國(guó)火電大氣污染防治現(xiàn)狀及挑戰(zhàn)[J].中國(guó)電力，2018，51（6）：1-10.

[2] 劉建航，盛喜兵，劉學(xué)書，等.300 MW機(jī)組超低排放脫硝噴氨經(jīng)濟(jì)運(yùn)行優(yōu)化研究[J].山東電力技術(shù)，2018，45（9）：60-62.

[3] 應(yīng)明良，戴成峰，胡偉鋒，等.600 MW機(jī)組對(duì)沖燃燒鍋爐低氮燃燒改造及運(yùn)行調(diào)整[J].中國(guó)電力，2011，44（4）：55-58.

[4] 張曉宇，范永勝，沈炯，等.燃煤鍋爐燃燒優(yōu)化控制發(fā)展趨勢(shì)[J].華北電力技術(shù)，2016（12）：31-37.

[5] 任志玲，趙博雅，趙星，等.基于CPSO-RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)噴氨量的最優(yōu)控制[J].測(cè)控技術(shù)，2018，37（12）：38-41.

[6] 趙海濤，郭少娟.基于神經(jīng)元PID的SCR脫硝控制系統(tǒng)研究[J].自動(dòng)化儀表，2017，38（5）：20-23.

[7] 葉蒙雙，馮曉露，張政江.先進(jìn)預(yù)測(cè)控制在SCR控制系統(tǒng)中的運(yùn)用[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2016，16（10）：155-158.

[8] 馬平，王凱宸，梁薇.基于前饋有約束DMC的鍋爐煙氣脫硝控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].熱力發(fā)電，2017，46（11）：73-79.

[9] 孟范偉，徐博，呂曉永，等.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)控制在SCR煙氣脫硝系統(tǒng)中應(yīng)用[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，38（6）：778-782.

[10] 謝碧霞.大型鍋爐燃燒系統(tǒng)的支持向量機(jī)建模方法的研究[D].保定：華北電力大學(xué)，2018.

收稿日期：2019-12-09

作者簡(jiǎn)介：陳鐵鋒（1973—），男，寧夏銀川人，高級(jí)工程師，研究方向：火電廠生產(chǎn)管理。