基于模型預(yù)測的燒結(jié)煙氣脫硝智慧化控制研究*

胡 巖，于顯池，趙洪華，馬 良，陳 達

（1.濟南大學自動化與電氣工程學院，濟南 250022；2.山東智能機器人應(yīng)用技術(shù)研究院，山東濟寧 273500；3.山東省公共衛(wèi)生臨床中心，濟南 250012；4.濟南大學機械工程學院，濟南 250022；5.羅克韋爾自動化（中國）有限公司，濟南 250013；6.銘揚工程設(shè)計集團有限公司赤峰分公司，內(nèi)蒙古赤峰 024000；7.赤峰市民用建筑設(shè)計研究院有限責任公司，內(nèi)蒙古赤峰 024000）

0 引言

隨著節(jié)能減排政策的大力推行，國家對氮氧化物、SO2等的排放把控越發(fā)嚴格，進一步限制了污染物的排放，要求SO2排放濃度小于35 mg∕m3、NOx排放濃度小于50 mg∕m3[1]，并將持續(xù)降低污染物的排放標準。有色金屬、鋼鐵、礦冶、火電、建材等行業(yè)會產(chǎn)生含有大量的粉塵、二氧化硫和氮氧化物（NOx）等污染物的燒結(jié)煙氣[2-3]，是造成大氣環(huán)境污染的重要原因之一。氮氧化物含量是燃煤機組排放煙氣的一項主要監(jiān)測指標[4-5]。

目前以治理煙氣中的粉塵、SO2和NOx為主，其中對NOx的治理剛剛起步，相關(guān)的標準和規(guī)范仍在不斷更新和完善，治理技術(shù)也在借鑒其他行業(yè)的基礎(chǔ)上不斷探索和創(chuàng)新。各行業(yè)脫硝方法很多，多采用脫硝一體化工藝進行氮氧化物的減排處理，即采用選擇性催化還原法（SCR）脫硝工藝對煙氣進行聯(lián)合處理。針對SCR脫硝控制系統(tǒng)效果不理想的問題，國內(nèi)外學者開展了大量的優(yōu)化研究。荷蘭的Budel Zink鋅廠、日本某冶煉廠制酸系統(tǒng)將SCR法裝置進行改造，并應(yīng)用于冶煉煙氣制酸中去除NOx，效果良好，設(shè)計NOx進入濃度為200 mg∕m3，去除效率可達95%[6]。錢虹等[7]基于長短時記憶功能的深度循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立了SCR煙氣脫硝系統(tǒng)排放預(yù)測模型，模擬擬合效果更佳，但計算時間略長。王天堃[8]采用預(yù)測控制理論中的動態(tài)矩陣控制（Dynamic Matrix Control，DMC）算法，輔以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的模型輸出預(yù)測，設(shè)計出基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和DMC算法的火電廠SCR脫硝新型控制算法并應(yīng)用于某600 MW火電機組，現(xiàn)場數(shù)據(jù)表明，算法有著比常規(guī)PID算法更為優(yōu)秀的脫硝控制性能。羅志浩等[9]針對某機組的噴氨控制系統(tǒng)的優(yōu)化，提出一種前饋有約束模型預(yù)測控制算法，顯著提升了系統(tǒng)的響應(yīng)速度、魯棒性。葉蒙雙等[10]比對了模型預(yù)測控制和PID控制效果，建立了性能更優(yōu)的SCR系統(tǒng)的模型預(yù)測控制仿真模型。姚楚等[11]為了使模型預(yù)測控制滿足熱工控制的性能要求，提出通過設(shè)置多種采樣周期來實現(xiàn)?？梢哉f，模型預(yù)測控制作為一種先進控制算法，對于大時滯系統(tǒng)具有較好的優(yōu)化效果。

本文采用基于模型預(yù)測的先進自動控制技術(shù)，改進SCR法脫硝工藝技術(shù)，以整體化、簡潔化理念進行系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)精準、可靠的自動化功能與便捷、高效的智慧化服務(wù)，滿足國家排放標準并切實保護生態(tài)環(huán)境，解決脫硝系統(tǒng)優(yōu)化控制的策略研究這一難點。該系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于國內(nèi)多個鋼鐵冶煉企業(yè)，取得了優(yōu)良的應(yīng)用效果和示范。

1 系統(tǒng)設(shè)計目標

本文所提出的智慧化控制系統(tǒng)旨在實現(xiàn)以下幾個目標。

（1）提升效率。與以前相比，現(xiàn)在的企業(yè)更需要審查自己的生產(chǎn)工廠，找到提高效率和增加利潤的方法。本文通過實現(xiàn)脫硝全流程自動化生產(chǎn)提高脫硝系統(tǒng)的作業(yè)效率以及操控的便捷性達到這一目的。

（2）優(yōu)化效果。脫硝工藝的運行受到種種外在條件的制約及干擾因素的影響，實際運行效果有待進一步提升。本方案建議使用模型預(yù)測控制（MPC）解決方案，優(yōu)化工藝效果。

（3）智慧管理。大型企業(yè)涉及較多的生產(chǎn)單位和部門，對諸多單位實現(xiàn)“統(tǒng)建統(tǒng)管”并非易事。本文根據(jù)客戶的需求靈活采用不同的產(chǎn)品組件，輕松地擴展系統(tǒng)規(guī)模及功能，獲取實時信息及各類設(shè)備的關(guān)鍵績效指標分析報表，生成的報表都可以作為WEB頁面以表格、曲線和電子面板等各種豐富的形式展示，助力企業(yè)管理升級。

（4）遠程集控。在產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的大背景下，進行長遠規(guī)劃，預(yù)留“千里之外，一網(wǎng)監(jiān)控”伏筆，為企業(yè)提升整體運營效率謀劃宏偉藍圖。

（5）安全可靠。當工藝、設(shè)備參數(shù)、控制系統(tǒng)硬件、軟件出現(xiàn)報警、故障時，系統(tǒng)可在各工序主控室HMI自動給出提示和語音報警，精確定位故障點。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示，本文所介紹的系統(tǒng)主要包括操作層、控制層和設(shè)備層，其中操作層包括無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、手機端、防火墻、工業(yè)數(shù)據(jù)中心、交換機等，控制層主要包括若干工業(yè)控制器，設(shè)備層由攝像頭、加工機床、儀器儀表等構(gòu)成。

圖1 控制系統(tǒng)架構(gòu)

上位監(jiān)控系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖2所示，共有數(shù)據(jù)通訊、實時監(jiān)視、設(shè)備控制、數(shù)據(jù)管理和統(tǒng)計分析5個類別，20余項種功能。其中，數(shù)據(jù)通訊又包括本地控制器通訊、AMS數(shù)據(jù)交互、能源數(shù)據(jù)上傳；實時監(jiān)視包括設(shè)備狀態(tài)、工藝參數(shù)、報警信息、關(guān)鍵指標；設(shè)備控制包括設(shè)備啟停、報警連鎖、回路調(diào)節(jié)、應(yīng)急聯(lián)動；數(shù)據(jù)管理包括數(shù)據(jù)庫管理、數(shù)據(jù)歸檔、數(shù)據(jù)導(dǎo)入∕導(dǎo)出、數(shù)據(jù)打印；統(tǒng)計分析包括成本核算、統(tǒng)計報表、趨勢構(gòu)造、生命周期管理。為了控制和管理現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)，支持高可靠性熱備冗余的數(shù)據(jù)服務(wù)器，上位機監(jiān)控采用自動化控制產(chǎn)品ControlLogix，并采用基于網(wǎng)絡(luò)的企業(yè)級分布式系統(tǒng)FactoryTalk View SE。為提高數(shù)據(jù)讀取和項目實施效率，智能檢測等設(shè)備在統(tǒng)一的控制編程環(huán)境Studio5000中實現(xiàn)集成，可直接讀取智能設(shè)備數(shù)據(jù)，同時可在FactoryTalk View中利用已有的面板顯示操作，實現(xiàn)編程和人機交互代碼的重復(fù)利用。數(shù)據(jù)通信采用EtherNet∕IP以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)接口和安全、高效的數(shù)據(jù)傳輸。

圖2 上位機監(jiān)控系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

3 脫硝系統(tǒng)控制策略

本方案以脫硝項目工藝為例說明脫硝工藝主要控制功能。

3.1 設(shè)備構(gòu)成

脫硝系統(tǒng)工藝流程如圖3所示，控制系統(tǒng)實現(xiàn)相應(yīng)電氣設(shè)備的控制功能。所有電機、閥門設(shè)備均實現(xiàn)遠程、就地操作；系統(tǒng)能監(jiān)控所有泵、電機、閥門、變頻器等的運行狀態(tài)；實現(xiàn)備用泵的連鎖啟動，在用泵與備用泵智能互備等功能。脫硝系統(tǒng)所涉及的主要設(shè)備如表1所示。

圖3 脫硝系統(tǒng)工藝流程

表1 脫硝系統(tǒng)主要設(shè)備

3.2 模型預(yù)測控制

模型預(yù)測控制技術(shù)簡稱MPC，是一種反饋優(yōu)化控制算法，使用模型來預(yù)測過程的未來輸出。自1980年以來開始在煉化行業(yè)的過程控制中得到應(yīng)用，目前有迅速發(fā)展擴大之勢。預(yù)測控制的核心思想是通過一個基本的預(yù)測模型去預(yù)估控制系統(tǒng)在未來時刻的輸出，進而產(chǎn)生控制作用。因此，為了使預(yù)測控制策略實用化，可間接地要求預(yù)測模型應(yīng)該盡量準確，保證預(yù)測控制有良好的調(diào)節(jié)品質(zhì)[12]。利用傳統(tǒng)動態(tài)矩陣控制算法，選取了被控對象的單位階躍響應(yīng)數(shù)據(jù)序列作為控制算法的基本預(yù)測模型[13]。MPC的原理是對被控對象建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型，并以此預(yù)測系統(tǒng)變量未來的趨勢并提前采取行動，將系統(tǒng)的擾動降低或消除于無形，從而實現(xiàn)對系統(tǒng)輸出變量的精確控制。因此相較于傳統(tǒng)的PID控制技術(shù)及專家系統(tǒng)，MPC的優(yōu)勢在于適合多變量非線性系統(tǒng)的動態(tài)控制問題，能夠解決大長滯后、高耦合等常規(guī)控制方法難以解決的問題。

針對脫硝控制系統(tǒng)的特點和應(yīng)用目標，本方案設(shè)計了兩個預(yù)測控制模型，分別是自動噴氨模型和燃燒加熱模型。

3.2.1 自動噴氨模型

自動噴氨調(diào)節(jié)回路是SCR脫硝工藝的核心反應(yīng)回路，其目標是將煙囪出口NOx排放濃度控制在50 mg∕Nm（基準含氧量16%）的范圍以內(nèi)，并保證反應(yīng)器附近氨逃逸濃度小于3 ppm。該回路的原理是通過改變噴氨泵的運行頻率實時調(diào)節(jié)進入反應(yīng)器的氨水流量，最終控制出口NOx的濃度。

采用模型預(yù)測控制技術(shù)對脫硝反應(yīng)環(huán)節(jié)進行建模，利用數(shù)學模型在滿足約束條件的前提下預(yù)測并控制煙氣出口NOx的濃度，并將干擾因素的擾動將至最低水平。本方案相關(guān)模型變量設(shè)置如表2所示。

表2 自動噴氨模型變量設(shè)置

3.2.2 燃燒加熱模型

燃燒加熱模型的核心目標是在穩(wěn)定熱風爐爐膛燃燒狀態(tài)的前提下控制SCR反應(yīng)器溫度，正常的工藝條件下應(yīng)穩(wěn)定在300℃。如果溫度過低會導(dǎo)致脫硝效果降低、氨逃逸增大、催化劑堵塞等問題；溫度過高則會損傷設(shè)備，對穩(wěn)定運行不利。反應(yīng)器溫度調(diào)節(jié)的主要手段是通過改變熱風爐負荷調(diào)節(jié)熱風輸出量，最終改變SCR反應(yīng)器的溫度，調(diào)節(jié)過程受煤氣壓力、煤氣熱值、天氣環(huán)境、摻風量等擾動因素的影響和以及爐膛溫度的約束。

采用模型預(yù)測控制技術(shù)（MPC）對熱風爐燃燒供熱過程進行建模，利用數(shù)學模型在滿足約束條件的前提下預(yù)測并控制反應(yīng)器溫度，并將干擾因素的擾動將至最低水平。本方案相關(guān)變量設(shè)置如表3所示。

表3 燃燒加熱模型變量設(shè)置

4 結(jié)束語

燒結(jié)煙氣含有大量的氮氧化物、SO2等污染物，是大氣環(huán)境污染的最重要的污染源。本文采用先進的模型預(yù)測模型和自動化控制技術(shù)，實現(xiàn)了某些鋼鐵冶煉企業(yè)對燒結(jié)煙氣脫硝的智慧化控制。結(jié)果表明，與原有PID控制系統(tǒng)相比，應(yīng)用本文提出的基于模型預(yù)測的智慧化控制系統(tǒng)，每年煤氣節(jié)省100萬元，氨水成本降低15萬元，生產(chǎn)效率提高20%，噴氨系統(tǒng)的控制效果明顯改善。采用本文提出的優(yōu)化控制策略后，脫硝系統(tǒng)出口NOx濃度在不同工況下均能達到控制要求。