基于預(yù)測控制的脫硝控制策略研究

馬锃曌　毛金虎　葉江　徐銳

摘要：針對火電機(jī)組SCR脫硝控制系統(tǒng)存在的大滯后、大慣性問題，采用帶擾動抑制的廣義預(yù)測控制方法設(shè)計了先進(jìn)脫硝控制策略，基于該策略可實現(xiàn)更優(yōu)的SCR出口NOx濃度設(shè)定值跟蹤性能，同時保障更優(yōu)的擾動抑制性能。與傳統(tǒng)脫硝串級控制系統(tǒng)的仿真比較表明，所提先進(jìn)脫硝控制策略在設(shè)定值跟蹤與擾動抑制方面，其穩(wěn)定性、快速性以及準(zhǔn)確性均得到了提升，且算法簡單，易于工程實現(xiàn)，具有較高的工程應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：SCR脫硝;NOx濃度;抗擾;廣義預(yù)測控制

0 引言

選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）由于工藝成熟，脫硝效率高，已成為目前火電機(jī)組應(yīng)用最為廣泛的脫硝技術(shù)。然而在SCR實際運行過程中，自動控制系統(tǒng)難以投入，個別電廠雖然能夠投入自動控制系統(tǒng)，但調(diào)節(jié)品質(zhì)較差，SCR反應(yīng)器出口NOx濃度波動較大，同時噴氨經(jīng)常處于過量狀態(tài)，嚴(yán)重的還會造成空預(yù)器堵塞問題[1]。究其原因，主要是脫硝系統(tǒng)存在非線性、大慣性、大滯后等特點，另外脫硝控制系統(tǒng)所涉及的相關(guān)測量參數(shù)存在測量滯后與失真問題。為此，優(yōu)化脫硝系統(tǒng)控制技術(shù)，實現(xiàn)脫硝系統(tǒng)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、可靠運行，成為目前國內(nèi)的研究熱點。

傳統(tǒng)脫硝控制方法主要包括兩種：一是最為常見的串級控制系統(tǒng)，主回路為NOx濃度控制，內(nèi)回路為噴氨流量控制;二是最為基本的單閉環(huán)PID控制，僅采用單回路實現(xiàn)NOx濃度的閉環(huán)控制，無法避免噴氨流量調(diào)節(jié)的非線性問題。上述兩種常規(guī)控制策略在實際投運過程中存在自動控制效果差、抗擾動能力弱的問題，甚至無法投入自動運行?；痣姍C(jī)組投入AGC后，存在負(fù)荷變動頻繁、變化幅度大等問題，煙氣流量的大幅變化會使脫硝系統(tǒng)無法較好地跟蹤煙氣流量的變化，造成NOx濃度控制滯后，波動幅度大[2]。

傳統(tǒng)脫硝控制策略在面臨一些外部擾動時（負(fù)荷的變化、啟停磨的變化等），無法取得滿意的控制效果。本文采用前饋+反饋的控制策略進(jìn)行脫硝控制設(shè)計，與傳統(tǒng)前饋+反饋控制設(shè)計不同的是，本文基于廣義預(yù)測控制框架將前饋與反饋控制相互融合，即采用帶有前饋控制的預(yù)測控制策略?；诳箶_廣義預(yù)測控制策略設(shè)計SCR脫硝先進(jìn)控制系統(tǒng)，可解決脫硝系統(tǒng)存在的大慣性、大滯后以及抗擾動能力差的問題，該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于工程實現(xiàn)，為提高脫硝系統(tǒng)控制精度提供了方向，而脫硝系統(tǒng)的仿真比較證明了該算法的有效性。

1 SCR脫硝技術(shù)

氮氧化物作為火力發(fā)電廠主要污染物之一，需要嚴(yán)格進(jìn)行排放控制。2015年12月，國家環(huán)保部、發(fā)改委與能源局聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于印發(fā)<全面實施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案>的通知》，該通知全文對目前火電機(jī)組的主要污染物排放提出了較為嚴(yán)格的要求，制訂了具體的排放標(biāo)準(zhǔn)，其中對于氮氧化物NOx的排放要求為50 mg/Nm3，這就對脫硝設(shè)備及相應(yīng)的脫硝控制系統(tǒng)提出了更高的要求。為實現(xiàn)超低排放標(biāo)準(zhǔn)，火電廠大多采用燃燒過程脫硝與燃燒后煙氣脫硝相結(jié)合的組合脫硝方式[3]。燃燒過程脫硝大多采用低氮燃燒器方式，燃燒后煙氣脫硝基本采用選擇性催化還原法（SCR）與選擇性非催化還原法（Selective Non-Catalytic Reduction，SNCR）兩種方式，其中SCR由于具有脫硝效率高、氨逃逸量小等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于火電機(jī)組煙氣氮氧化物脫除。現(xiàn)以SCR為研究對象，首先介紹其工藝流程，然后對目前采用的主流控制策略進(jìn)行說明。

1.1 ? ?系統(tǒng)工藝介紹

SCR工藝系統(tǒng)流程圖如圖1所示，液態(tài)氨從存儲罐經(jīng)過蒸發(fā)器蒸發(fā)為30 ℃左右的氨氣，氨氣經(jīng)過緩沖罐穩(wěn)定壓力后，通過稀釋風(fēng)機(jī)送來的空氣以一定比例在混合器中進(jìn)行混合，混合后的氨氣空氣混合物從混合器流出進(jìn)入噴氨格柵，經(jīng)過噴氨格柵后均勻地與鍋爐排放的煙氣進(jìn)行混合并進(jìn)入帶有催化劑的SCR反應(yīng)器，在反應(yīng)器中流經(jīng)均流板與多層催化劑層，進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)后的煙氣流經(jīng)空氣預(yù)熱器加熱送風(fēng)，然后流經(jīng)除塵器、脫硫FGD系統(tǒng)，最后通過引風(fēng)機(jī)將煙氣送入煙囪排入大氣。

氨氣流量通過兩側(cè)的噴氨閥門控制調(diào)節(jié)，進(jìn)入SCR反應(yīng)器與煙氣發(fā)生還原反應(yīng)，氨氣為化學(xué)反應(yīng)的還原劑，在多層催化劑條件下將氮氧化物還原成氮氣，具體反應(yīng)見以下方程式：

4NO+4HNH3+Q2→4N2+6H2O

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

6NO2+8NH3→7N2+12H2O

1.2 ? ?常規(guī)脫硝控制方案

目前電廠較多采用煙氣流量、SCR入口NOx濃度以及SCR出口NOx濃度3個基本參量開環(huán)計算所需NH3流量設(shè)定值[4]，將該設(shè)定值送入單PID氨氣流量閉環(huán)控制，實現(xiàn)氨氣流量的調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)SCR出口NOx濃度的粗調(diào)。常規(guī)脫硝控制方案具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

對脫硝系統(tǒng)進(jìn)行階躍響應(yīng)仿真試驗，對比傳統(tǒng)串級控制與先進(jìn)控制兩種控制策略在設(shè)定值跟蹤及抗擾動性能方面的差異，對出口NOx濃度設(shè)定在200 s時進(jìn)行正向階躍，階躍幅度為5 mg/Nm3，在2 000 s時進(jìn)行擾動階躍試驗，階躍幅度為0.2 mg/Nm3。仿真結(jié)果如圖3、圖4所示。圖3為出口NOx濃度設(shè)定值跟蹤響應(yīng)與擾動階躍響應(yīng)對比曲線，從圖中可以看出，先進(jìn)脫硝控制系統(tǒng)在調(diào)節(jié)時間方面優(yōu)于傳統(tǒng)脫硝控制系統(tǒng)，另外在擾動抑制方面，先進(jìn)脫硝控制系統(tǒng)幾乎不受外擾的影響，接近理想的擾動消除特性，而傳統(tǒng)脫硝控制在擾動抑制方面特性較差，風(fēng)煤比擾動發(fā)生后，造成了接近3 mg/Nm3的動態(tài)偏差。圖4為兩種控制系統(tǒng)噴氨閥門動作對比圖，可以看出先進(jìn)控制閥門動作穩(wěn)定速度快，在外擾發(fā)生時，無須等待被調(diào)量變化，可快速響應(yīng)外擾對脫硝系統(tǒng)的影響。

綜合上述仿真結(jié)果，可以看出先進(jìn)控制策略控制效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)串級控制策略，對于設(shè)定跟蹤性能，先進(jìn)脫硝控制策略調(diào)節(jié)時間優(yōu)于傳統(tǒng)串級控制策略;抗擾動性能方面，先進(jìn)控制策略可完美消除擾動影響，抗擾動能力更強。基于帶擾動抑制的廣義預(yù)測控制可以明顯提高脫硝控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量，對于保障SCR脫硝系統(tǒng)的穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、運行具有重要作用。

4 結(jié)語

本文基于抗擾廣義預(yù)測控制方法，提出了一種SCR脫硝系統(tǒng)先進(jìn)控制策略，該策略與傳統(tǒng)串級脫硝控制方法相比，在穩(wěn)定性、快速性及準(zhǔn)確性方面均有明顯優(yōu)勢，且計算結(jié)構(gòu)簡單，易于工程實現(xiàn)，對提高脫硝系統(tǒng)出口NOx濃度跟蹤能力及抗擾動能力具有重要意義，因而有較高的推廣價值。

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收稿日期：2021-07-23

作者簡介：馬锃曌（1981—），男，河南淮陽人，工程師，研究方向：電氣工程及其自動化。