人工智能耦合燃煤火電機(jī)組SCR系統(tǒng)噴氨控制關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

張欣懿 牛興陽(yáng) 陳夢(mèng)娟 祝慶耀 劉國(guó)富

齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院）能源與動(dòng)力工程學(xué)院，中國(guó)·山東 濟(jì)南 250353

關(guān)鍵字 SCR系統(tǒng)；人工智能；噴氨控制；流速傳感

1 引言

燃煤火電機(jī)組是大氣污染物-氮氧化物（NOx）的重要排放源，SCR 系統(tǒng)以其技術(shù)成熟度高、脫硝效率高等優(yōu)勢(shì)已成為主流的煙氣脫硝技術(shù)，在超低排放改造完成后普遍存在盲目過(guò)量噴氨的共性技術(shù)問(wèn)題亟待解決[1]。已有研究表明，SCR 系統(tǒng)大截面煙道煙氣流場(chǎng)分布特性不明確、噴氨總量控制存在遲滯、噴氨支管盲目控制甚至手動(dòng)調(diào)整的運(yùn)行現(xiàn)狀是引發(fā)上述問(wèn)題的根源[2-4]。

論文以感知層、決策層與執(zhí)行層三個(gè)方面為出發(fā)點(diǎn)研究了人工智能+燃煤機(jī)組SCR 系統(tǒng)噴氨關(guān)鍵技術(shù)：

首先，提出可以開(kāi)發(fā)適用于高溫、高塵環(huán)境的煙氣流速傳感技術(shù)（感知層），通過(guò)探明煙氣流場(chǎng)分布特性為SCR 系統(tǒng)精準(zhǔn)噴氨控制提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

其次，提出開(kāi)發(fā)基于大數(shù)據(jù)模型預(yù)測(cè)控制的多模塊耦合的智能?chē)姲笨刂破饕詫?shí)現(xiàn)噴氨總量的超前、精準(zhǔn)控制，同時(shí)開(kāi)發(fā)基于煙氣流速監(jiān)測(cè)結(jié)果的“動(dòng)態(tài)配氨”控制器以優(yōu)化煙道內(nèi)的氨氮混合當(dāng)量比（分析層）。

最后，配套開(kāi)發(fā)Modbus 通訊組件完成控制器的DCS系統(tǒng)嵌入，完成現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)設(shè)備改造以在工業(yè)應(yīng)用條件下實(shí)現(xiàn)預(yù)期的智能?chē)姲笨刂乒δ埽▓?zhí)行層）。

2 從人工智能應(yīng)用角度分析SCR 系統(tǒng)精準(zhǔn)噴氨關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于煙氣流場(chǎng)監(jiān)測(cè)的感知層架構(gòu)

煙氣流速測(cè)量技術(shù)較為成熟，不過(guò)其總體上可以分為接觸式測(cè)速與非接觸式測(cè)速兩大類。接觸式測(cè)速以傳統(tǒng)的畢托管測(cè)速、熱線（球）風(fēng)速儀測(cè)速等為代表，顯然不適應(yīng)于高溫、高灰的SCR 系統(tǒng)煙氣環(huán)境，存在易堵塞、易磨損的致命缺陷。近期，吳曄等人[5]提出了一種基于靜電互相關(guān)原理的靜電流速傳感的非接觸流速測(cè)量技術(shù)，其已經(jīng)開(kāi)發(fā)了多種不同結(jié)構(gòu)的靜電傳感器用于監(jiān)測(cè)氣固兩相流中的流動(dòng)參數(shù)，尤其適用于高塵環(huán)境的煙氣流速測(cè)量。由此推斷，可以使用靜電流速傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)SCR 系統(tǒng)煙氣流場(chǎng)分布特性的在線監(jiān)測(cè)，進(jìn)而為SCR 系統(tǒng)精準(zhǔn)噴氨控制提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2.2 基于人工智能算法與熱工自動(dòng)控制的分析層架構(gòu)

燃煤火電機(jī)組SCR 系統(tǒng)噴氨控制具體可以細(xì)分為噴氨總量控制、噴氨支管控制兩大類。傳統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用條件下，SCR 系統(tǒng)噴氨總量控制難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定自動(dòng)投入，歸其根本是傳統(tǒng)的熱工控制算法（即簡(jiǎn)單PID 控制+多前饋反饋控制）無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)大遲滯變量的預(yù)估與超前調(diào)控；同樣地，傳統(tǒng)工業(yè)應(yīng)用條件下的噴氨支管控制多為手動(dòng)，歸其根本是確實(shí)支管自動(dòng)控制的實(shí)施自動(dòng)調(diào)整依據(jù)。

2.2.1 噴氨總量控制分析層

傳統(tǒng)的SCR 系統(tǒng)噴氨總量控制邏輯大多簡(jiǎn)單根據(jù)電廠CEMS 系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量得到的關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)（如入口NOx 濃度、煙氣流量等）及期望的出口NOx 濃度，計(jì)算得到所需噴氨總量并完成噴射，不能針對(duì)性克服系統(tǒng)所具有的大遲滯特性。在此領(lǐng)域內(nèi)，Xie 等人[6]已經(jīng)提出可以基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等人工智能算法參與NOx 排放及噴氨控制動(dòng)態(tài)建模，顯著提升了SCR 系統(tǒng)噴氨控制的精準(zhǔn)性。由此推斷，可以基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、支持向量機(jī)等大數(shù)據(jù)模型建立預(yù)測(cè)性控制單元，并在傳統(tǒng)熱工自動(dòng)控制單元的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)噴氨總量的精準(zhǔn)智能控制。

2.2.2 噴氨支管控制分析層

實(shí)現(xiàn)SCR 系統(tǒng)AIG 截面各噴氨支管的優(yōu)化控制，是保證SCR 系統(tǒng)內(nèi)良好氨氮混合當(dāng)量比的關(guān)鍵因素。最新的研究結(jié)果表明，SCR 系統(tǒng)煙道內(nèi)，尤其是某些區(qū)域內(nèi)的NOx 通量分布特性已被證實(shí)是具有顯著連續(xù)波動(dòng)特性[7]，如果能夠在煙氣流場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)建立噴氨支管自動(dòng)控制先進(jìn)算法，有效診斷噴氨區(qū)域控制的波動(dòng)特性，實(shí)現(xiàn)SCR 系統(tǒng)噴氨支管閥的“動(dòng)態(tài)配氨”控制，預(yù)期可以顯著提升系統(tǒng)內(nèi)的氨氮混合當(dāng)量比，有助于提高系統(tǒng)的氨利用率。

2.3 基于通訊組件開(kāi)發(fā)與設(shè)備改造的執(zhí)行層架構(gòu)

分析層完成了人工智能算法與傳統(tǒng)熱工自動(dòng)控制策略的耦合集成，預(yù)期能夠開(kāi)發(fā)得到相應(yīng)的噴氨總量及噴氨支管自動(dòng)控制器，但是其工程應(yīng)用的前提是必須穩(wěn)定嵌入DCS系統(tǒng)。對(duì)此，可以借助通用的Modbus 通訊協(xié)議完成通訊組件開(kāi)發(fā)。此外，自動(dòng)控制算法的功能實(shí)現(xiàn)必須要求控制對(duì)象具有自動(dòng)控制的基本功能。在傳統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用條件下，噴氨總閥對(duì)應(yīng)的噴氨調(diào)節(jié)閥可以滿足自動(dòng)控制要求，無(wú)需改造；而噴氨支管閥原來(lái)多為手動(dòng)閥，要實(shí)現(xiàn)“動(dòng)態(tài)配氨”控制必須進(jìn)行自動(dòng)化改造，其中必然涉及到相關(guān)DCS 卡件的硬件改造。據(jù)此，才可以實(shí)現(xiàn)人工智能在燃煤火電機(jī)組SCR 系統(tǒng)噴氨過(guò)程的成功應(yīng)用。

3 結(jié)論

①通過(guò)布置適用于高溫、高塵環(huán)境的靜電流速傳感系統(tǒng)可以探明系統(tǒng)內(nèi)的煙氣流場(chǎng)分布特性，能夠?yàn)镾CR 系統(tǒng)精準(zhǔn)噴氨控制提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

②開(kāi)發(fā)基于大數(shù)據(jù)模型預(yù)測(cè)控制的多模塊耦合的智能?chē)姲笨刂破饕詫?shí)現(xiàn)噴氨總量的超前、精準(zhǔn)控制。

③基于煙氣流場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果實(shí)現(xiàn)噴氨支管閥的“動(dòng)態(tài)配氨”控制，可以優(yōu)化SCR 系統(tǒng)內(nèi)的氨氮混合當(dāng)量比，提高氨利用率。

④人工智能算法耦合精準(zhǔn)噴氨控制功能的實(shí)現(xiàn)依賴于通訊組件的開(kāi)發(fā)及相關(guān)設(shè)備的改造。