韓希昌,馬 陽,魏 萊,劉志鵬

(1.沈陽工程學(xué)院 自動化學(xué)院,遼寧 沈陽 110136;2.沈陽龍昌管道檢測中心,遼寧 沈陽 110036)

目前大多火電廠煙氣脫硝采用SCR法,控制算法采用常規(guī)PID控制。然而,煙氣脫硝過程具有非線性和滯后性,常規(guī)PID很難保證最佳控制效果。針對SCR法煙氣脫硝的優(yōu)化控制,很多學(xué)者提出多種優(yōu)化控制方案。文獻[1-3]均提出利用Smith預(yù)估控制噴氨量,文獻[1] 用非線性擬合法建立了脫硝入口NOX濃度指數(shù)預(yù)測模型,節(jié)約噴氨量約15%～20%;文獻[2] 將Smith預(yù)估器與條件積分型滑模控制相結(jié)合,利用滑?？刂瓶朔_動對系統(tǒng)的影響和利用條件積分型滑模面減小波動幅度。文獻[4-8] 利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法進行模型辨識,系統(tǒng)在滿足NOX排放標準的前提下,其SCR系統(tǒng)運行成本呈降低趨勢。但這些控制算法比較復(fù)雜,在實際應(yīng)用過程中實施起來比較困難。

該系統(tǒng)采用模糊PID算法對SCR進氨流量及出口氮氧化物濃度進行優(yōu)化控制,設(shè)計出一種具有模糊自整定特性的PID控制器。

1 SCR脫硝系統(tǒng)對象描述

以600 MW亞臨界機組SCR脫硝系統(tǒng)為控制對象,其工藝流程如圖1所示。來自氨站的氨氣與送風(fēng)系統(tǒng)輸送的空氣在混合器中混合稀釋,再經(jīng)噴氨格柵中的噴嘴噴出,與省煤器出口來的煙氣混合后,在催化劑的作用下與NOX發(fā)生還原反應(yīng),將NOX還原成氮氣和水。由于SCR反應(yīng)器中從還原劑的噴入,在催化劑的作用下進行還原反應(yīng)到反應(yīng)器出口輸出整個過程存在著遲延。因此,可以把SCR脫硝系統(tǒng)當成一個具有較大慣性和滯后的對象。根據(jù)實際工程中80%機組負荷下的控制對象相應(yīng)特性,可以得到兩個被控參量所對應(yīng)的傳遞函數(shù)模型。

氨氣流量數(shù)學(xué)模型為

(1)

出口NOX濃度數(shù)學(xué)模型為

(2)

圖1 SCR煙氣脫硝系統(tǒng)

2 模糊PID煙氣脫硝控制器的設(shè)計

由于考慮變工況對控制品質(zhì)的影響,設(shè)計的主控制器以出口NOX濃度偏差e和機組負荷偏差變化率ec作為輸入變量,以PID控制器參數(shù)Kp、Ki、Kd的調(diào)整值ΔKp、ΔKi、ΔKd作為輸出變量。在應(yīng)用中,為了使控制器參數(shù)能夠滿足不同工況的要求,根據(jù)e、ec值和模糊推理規(guī)則對Kp、Ki、Kd參數(shù)進行在線校正,以達到最佳的控制效果。模糊PID控制器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 模糊PID控制器結(jié)構(gòu)

Kp、Ki、Kd自整定的計算公式為

(3)

式中,Kp0、Ki0,Kd0分別為比例、積分及微分系數(shù)的初始值。

2.1 輸入值的模糊化

首先將兩個輸入變量e和ec定義為模糊集上的論域,選擇模糊子集個數(shù)m=7,定義為{負大(NB),負中(NM),負小(NS),0(ZO),正小(PS),正中(PM),正大(PB)},對應(yīng)論域定義為{-6,-4,-2,0,2,4,6},輸入量隸屬函數(shù)選高斯形函數(shù);模糊子集的定義同輸入量模糊子集,對應(yīng)的論域定義為{-3,-2,-1,0,1,2,3),輸出量隸屬函數(shù)選三角函數(shù)。

2.2 模糊控制規(guī)則表的建立

采用“if…,then…”類型的控制規(guī)則。為了改善脫硝控制系統(tǒng)性能,加快系統(tǒng)響應(yīng)速度,避免出現(xiàn)較大的超調(diào),輸出誤差盡可能小,再根據(jù)PID控制器參數(shù)Kp、Ki、Kd各自對控制系統(tǒng)的影響,得到Kp、Ki、Kd參數(shù)整定的模糊規(guī)則表如表1所示。

2.3 解模糊化

采用重心法得到輸出量的精確值為

(4)

式中,μ(Ui)為第i條規(guī)則輸出控制量模糊集的隸屬度;Ui為第i條規(guī)則結(jié)論部分隸屬函數(shù)的特征值。

3 系統(tǒng)仿真與實驗結(jié)果

利用Simulink,建立氨氣流量和出口NOX濃度的PID控制仿真模型如圖3所示。當主控制器采用模糊PID控制器時,整定得PID初始參數(shù)為Kp0=0.15,Ki0=0.005,Kd0=160;量化參數(shù)為Ke=0.015,Kec=0.12,ΔKp=ΔKi=ΔKd=0.015。

當主控制器采用常規(guī)PID控制器時,整定得參數(shù)Kp=0.154，Ki=0.015,Kd=150。副控制器PI的參數(shù)為Kp=0.15,Ki=0.032。

圖3 氨氣流量和出口NOX濃度控制Simulink仿真模型

根據(jù)實際經(jīng)驗設(shè)置,出口NOX濃度設(shè)定值為35 mg/m3,運行Simulink仿真,可得模糊PID控制和常規(guī)PID控制的階躍響應(yīng)圖,如圖4所示。普通PID調(diào)節(jié)時間約為300 s,其穩(wěn)態(tài)誤差≤1.2 mg /m3,最大超調(diào)量約為11.4%;而模糊PID調(diào)節(jié)時間約為120 s,穩(wěn)態(tài)誤差≤0.5 mg/m3,最大超調(diào)量為2.1%。仿真結(jié)果表明,模糊PID與常規(guī)PID相比,在響應(yīng)速度、穩(wěn)態(tài)精度以及超調(diào)量等性能上都具有明顯的優(yōu)越性。

圖4 系統(tǒng)響應(yīng)曲線

4 應(yīng)用效果

將設(shè)計的模糊PID控制器應(yīng)用于某廠鍋爐SCR脫硝優(yōu)化控制中,圖5、圖6分別為應(yīng)用前后的脫硝系統(tǒng)8 h運行曲線。

圖5 應(yīng)用前8 h 2#爐脫硝系統(tǒng)運行曲線(6月19日)

圖6 應(yīng)用后8 h 2#爐脫硝系統(tǒng)運行曲線(8月6日)

通過曲線分析可得:減少了鍋爐煙氣氮氧化物濃度波動,基本維持在給定值附近;減少了脫硝系統(tǒng)氨氣消耗量,減少量約為20%～30%;大幅提高了噴氨利用率,明顯減少了脫硝系統(tǒng)氨逃逸量,提高了脫硝系統(tǒng)催化劑壽命和減少了鍋爐空預(yù)器堵塞可能。

5 結(jié) 論

針對電廠煙氣脫硝系統(tǒng)存在的過渡脫硝以及負荷變化大時引起系統(tǒng)較大波動的問題,結(jié)合模糊控制算法和常規(guī)PID控制的優(yōu)點,設(shè)計出一種具有模糊自整定特性的PID控制器,并將其應(yīng)用于電站鍋爐SCR脫硝控制中。仿真結(jié)果表明,相比于傳統(tǒng)PID控制器,模糊PID響應(yīng)速度更快、超調(diào)量更小、過渡時間大大縮減;相比于預(yù)測控制、神經(jīng)網(wǎng)路控制和條件積分型滑?？刂频瓤刂?模糊PID控制算法簡單、實施方便,具有良好的工程應(yīng)用價值。