陳小強(qiáng)，遲慶喜，謝 磊，王德華，顧滌楓

（1.中電華創(chuàng)電力技術(shù)研究有限公司，江蘇 蘇州 215123；2.浙江大學(xué) 控制學(xué)院，杭州 310027）

0 引言

根據(jù)國家環(huán)保部門的要求，火力發(fā)電廠需要對煙氣NOX（氮氧化物）的排放量濃度進(jìn)行限制，工廠中常用到SCR（選擇性催化還原脫硝）技術(shù)進(jìn)行煙氣脫硝，SCR 技術(shù)通過噴氨的方式，以氨作為還原劑，在催化劑的作用下通過化學(xué)反應(yīng)將需要脫硝的煙氣中的NOX分解為N2和H2O，從而將催化劑出口處的NOX濃度控制在一定的范圍內(nèi)[1]。在此過程中，運(yùn)行人員需要根據(jù)煙囪處的NOX濃度，及時(shí)調(diào)整催化劑出口處NOX濃度設(shè)定值。但是，基于該技術(shù)的脫硝裝置非常龐大，并且需要兼顧復(fù)雜的化學(xué)過程變化以及現(xiàn)場環(huán)境影響，使得系統(tǒng)整體的延遲和慣性都很大，給脫硝控制帶來了一定難度。

對于脫硝控制系統(tǒng)這類大遲延對象，采用常規(guī)PID（比例-積分-微分）控制的效果不是很理想，盡管可以對PID 的控制參數(shù)進(jìn)行精心調(diào)整，仍舊存在著抗干擾能力弱、啟停磨時(shí)催化劑出口NOX濃度波動(dòng)大、需要人為干預(yù)、自動(dòng)化水平低等問題。為了解決這一問題，學(xué)者們進(jìn)行了多方面的研究。文獻(xiàn)[2]利用頻域分析對控制器的參數(shù)進(jìn)行整定，通過線性自抗擾器改進(jìn)傳統(tǒng)PID 控制；文獻(xiàn)[3]通過對原有的出口測點(diǎn)進(jìn)行技術(shù)改造，通過網(wǎng)格多點(diǎn)測量為科學(xué)噴氨提供了基礎(chǔ)；文獻(xiàn)[4]提出GA-KPLS 的建模方法，基于核偏最小二乘法及遺傳算法建立了更精確的脫硝系統(tǒng)模型；文獻(xiàn)[5]在建立脫硝系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上采用廣義預(yù)測控制對噴氨量進(jìn)行控制，并取得不錯(cuò)的效果；文獻(xiàn)[6]將預(yù)測控制技術(shù)與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用到脫硝控制中，提升了在測試數(shù)據(jù)存在一定失真情況下的控制效率；文獻(xiàn)[7]對預(yù)測控制中約束的可行性進(jìn)行了分析與在線調(diào)整，對于帶有約束的過程控制應(yīng)用具有重要意義；文獻(xiàn)[8]將模型預(yù)測控制應(yīng)用于SCR 脫硝系統(tǒng)中，并通過仿真與PID 進(jìn)行了對比分析，在動(dòng)態(tài)特性與抗干擾能力方面印證了模型預(yù)測控制的優(yōu)越性。

1 預(yù)測函數(shù)控制

對于具有以下形式的煙氣脫硝模型采用預(yù)測函數(shù)控制方法控制設(shè)定值：

式中：a（z）=1+a1z-1+a2z-2+…+an+1z-n-1，b（z）=b1z-1+b2z-2+…+bnzn；uk和yk分別為系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)刻的輸入和輸出，即噴氨量和出口NOX濃度；Δ=1-z-1為差分算子。

構(gòu)造矩陣形式的模型預(yù)測方程：

對于具有滯后時(shí)間Td，閉環(huán)期望響應(yīng)時(shí)間為Tr，一致點(diǎn)為h 的滑壓模型，按式（4）計(jì)算控制器輸入增量Δu：

式中：H1表示矩陣H 的第一列；表示取矩陣M 的第Td+h 行；表示k 時(shí)刻脫硝過程的實(shí)際輸出值，根據(jù)uk=uk-1+Δu 動(dòng)態(tài)修正噴氨量設(shè)定值。

2 基于預(yù)測函數(shù)控制的脫硝優(yōu)化

2.1 脫硝優(yōu)化控制平臺(tái)結(jié)構(gòu)

控制噴氨量的脫硝優(yōu)化控制平臺(tái)在Rockwell的PLC（可編程邏輯控制器）中實(shí)施，在電子間布置PLC 機(jī)柜，通過MODBUS 模塊與DCS（分散控制系統(tǒng)）進(jìn)行通信，通信協(xié)議為RS485，這種開發(fā)結(jié)構(gòu)充分考慮了系統(tǒng)的熱插拔特性，無需對DCS進(jìn)行大規(guī)模修改，更不會(huì)影響DCS 的基本功能，并且為了不影響運(yùn)行人員的操作習(xí)慣，脫硝優(yōu)化平臺(tái)采用插件式部署，運(yùn)行人員僅需按照往常的操作習(xí)慣操作即可。

脫硝管道噴氨催化過程分為A，B 兩側(cè)，磨煤機(jī)的運(yùn)作影響了A，B 兩側(cè)的入口NOX濃度大小，入口濃度同時(shí)影響著出口NOX濃度，尤其在啟停磨煤機(jī)時(shí)，會(huì)對出口NOX處產(chǎn)生很大的干擾。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的負(fù)荷對脫硝催化過程的模型辨識有一定的影響。過程數(shù)據(jù)由DCS 輸入給外掛的PLC 平臺(tái)進(jìn)行整體的優(yōu)化控制計(jì)算，其后，PLC 將先進(jìn)控制算法得到的噴氨量設(shè)定值輸入至DCS，由DCS 中的PID 控制系統(tǒng)對閥門進(jìn)行控制。該脫硝優(yōu)化算法結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 脫硝優(yōu)化算法結(jié)構(gòu)

同時(shí)，為了滿足運(yùn)行人員的習(xí)慣與保證脫硝過程的順利進(jìn)行，在DCS 內(nèi)部有一套自有的PID控制系統(tǒng)，用于控制催化管道出口處NOX濃度值，PLC 平臺(tái)整體與DCS 現(xiàn)有的PID 控制系統(tǒng)并行工作，運(yùn)行人員可以方便地在兩者間切換，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

2.2 脫硝過程模型辨識

PFC（預(yù)測函數(shù)控制）的實(shí)施需要以過程模型為基礎(chǔ)，脫硝過程是一個(gè)典型的單輸入單輸出過程，過程的輸入為向催化劑管道中噴入的氨量，輸出為催化劑出口處的NOX濃度，增加噴氨量，催化劑出口處的NOX濃度也會(huì)隨之明顯減少；而減少噴氨量，催化劑出口處的NOX濃度則會(huì)明顯增加。但是，在這個(gè)過程中脫硝受到的干擾因素也較多，在噴氨量一定的情況下，催化劑入口NOX濃度、管道內(nèi)總風(fēng)量、總?cè)剂狭康纫蛩囟紩?huì)顯著影響催化劑出口處NOX的濃度變化。

同時(shí)，在不同發(fā)電負(fù)荷下，一些外部環(huán)境的改變?nèi)鐭煔饬?、風(fēng)量風(fēng)速等的不同，催化劑的催化效率也不盡相同。因此，需要根據(jù)不同的負(fù)荷分段定制脫硝模型，最終辨識出的結(jié)果為一階加純滯后模型：

其中在不同負(fù)荷時(shí)的模型參數(shù)如表1 所示。

表1 脫硝過程模型參數(shù)

2.3 算法設(shè)計(jì)策略

2.3.1 加速抑制擾動(dòng)的策略

脫硝催化過程具有反應(yīng)慢的特點(diǎn)，遇到擾動(dòng)時(shí)，通過改變輸入量的方式往往需要很長時(shí)間才可以應(yīng)對擾動(dòng)帶來的改變，因此，當(dāng)遇到高頻擾動(dòng)時(shí)，要在算法中減小參考軌跡的閉環(huán)響應(yīng)時(shí)間，以達(dá)到快速抵消擾動(dòng)影響的目的。因此在應(yīng)用PFC 之前，要先在設(shè)定值附近設(shè)定一個(gè)范圍值，以判斷是否需要快速響應(yīng)，當(dāng)出口NOX濃度在范圍之外，則調(diào)低參考軌跡閉環(huán)響應(yīng)時(shí)間CLTR 值，當(dāng)達(dá)到設(shè)定范圍以內(nèi)，則認(rèn)為已經(jīng)應(yīng)對了擾動(dòng)，增大閉環(huán)響應(yīng)時(shí)間，平穩(wěn)地對過程進(jìn)行控制。

2.3.2 PFC 與PID 控制的無擾切換

為了適應(yīng)運(yùn)行人員的習(xí)慣，同時(shí)應(yīng)對各種可能的情況，脫硝平臺(tái)設(shè)置了PFC 與PID 控制相互切換的功能，因此需要保證在優(yōu)化平臺(tái)投入和切除時(shí)無擾。在PID 控制情況下對原有的PID 控制信號進(jìn)行跟蹤，在PFC 優(yōu)化平臺(tái)投入時(shí)，保證平臺(tái)的計(jì)算結(jié)果和PID 的計(jì)算結(jié)果相同，實(shí)現(xiàn)無擾投入；而在PFC 優(yōu)化平臺(tái)切出時(shí)，由于PID 自帶了操作變量跟蹤功能，只需設(shè)置優(yōu)化平臺(tái)繼續(xù)跟蹤PID 即可。

3 控制效果及分析

在基于PFC 的脫硝優(yōu)化平臺(tái)部署后72 h 內(nèi)，對平臺(tái)的性能進(jìn)行監(jiān)控和分析，對影響催化劑出口NOX濃度的工況進(jìn)行記錄，主要包括常規(guī)設(shè)定值改變、負(fù)荷變化、啟停磨等工況，同時(shí)還將開啟脫硝優(yōu)化的A 側(cè)脫硝反應(yīng)器和沒有開啟脫硝優(yōu)化的B 側(cè)脫硝反應(yīng)器控制效果進(jìn)行比較。

3.1 負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)設(shè)定值跟蹤情況

負(fù)荷基本穩(wěn)定在305 MW 左右時(shí)對出口NOX濃度進(jìn)行采樣，如圖2 所示。

催化劑出口NOX濃度設(shè)定值由50 mg/m3改為40 mg/m3后，在經(jīng)過約500 步（采樣時(shí)間2 s）后，出口NOX濃度穩(wěn)定在40 mg/m3附近。期間催化劑入口NOX濃度波動(dòng)在40 mg/m3內(nèi)，在入口NOX濃度存在一定波動(dòng)的情況下，并未對控制結(jié)果產(chǎn)生較大影響，脫硝效果良好。

圖2 負(fù)荷穩(wěn)定時(shí)的脫硝控制曲線

3.2 升降負(fù)荷時(shí)設(shè)定值跟蹤情況

受傍晚太陽能總量降低影響，在某時(shí)段機(jī)組負(fù)荷由320 MW 升至400 MW，為了維持煙囪出口處NOX濃度達(dá)到環(huán)保要求，運(yùn)行人員多次調(diào)整催化劑出口處NOX濃度設(shè)定值，分別向上或向下對設(shè)定值進(jìn)行了調(diào)整，如圖3 所示。

圖3 負(fù)荷不穩(wěn)定時(shí)的脫硝控制曲線

在此期間，催化劑入口NOX濃度也經(jīng)歷了50 mg/m3左右的范圍波動(dòng)，在PFC 脫硝優(yōu)化平臺(tái)的控制下，出口處NOX濃度實(shí)現(xiàn)了快速的響應(yīng)，均在8 min 左右調(diào)整到位，并伴有一定的超調(diào)，偏差基本在±3 mg/m3以內(nèi)，最大偏差不超過5 mg/m3。

3.3 與PID 控制及手動(dòng)控制效果比較

3.3.1 正常時(shí)段的控制效果比較

將不同的A，B 兩側(cè)分別用PFC 控制與PID控制在同一工況條件下運(yùn)行，并采集到數(shù)據(jù)。某時(shí)段催化劑出口NOX受到一定干擾，運(yùn)行人員將A，B 兩側(cè)催化劑出口NOX濃度設(shè)定值都調(diào)高了5 mg/m3，如圖4 所示。

圖4 正常時(shí)段PFC 控制與PID 控制效果比較

可以明顯地看出：A 側(cè)代表的PFC 控制效果面對設(shè)定值的變動(dòng)，具有更快的響應(yīng)速度；B 側(cè)傳統(tǒng)的PID 控制即使在參數(shù)整定較好的情況下也要慢于A 側(cè)。

3.3.2 啟停磨期間的控制效果比較

每天根據(jù)機(jī)組負(fù)荷適當(dāng)啟動(dòng)或者停止部分磨煤機(jī)，在磨煤機(jī)啟停期間，機(jī)組處于劇烈的工況變化階段，尤其考驗(yàn)控制器的性能。某時(shí)段機(jī)組負(fù)荷降低至330 MW，需要停止磨煤機(jī)以減少燃料量。磨煤機(jī)停止時(shí)催化劑出口NOX濃度將會(huì)迅速降低，需要迅速降低噴氨量以防止出口NOX濃度過低，造成過量噴氨。此期間，A 側(cè)脫硝由脫硝優(yōu)化平臺(tái)完成，B 側(cè)脫硝由運(yùn)行人員手動(dòng)干預(yù)，效果如圖5 所示。

A 側(cè)基于PFC 的脫硝控制快速跟蹤了出口NOX濃度設(shè)定值變化，而B 側(cè)PID 控制在參數(shù)整定較好情況下，由于響應(yīng)速度較慢，對于設(shè)定值的變化并沒有達(dá)到與A 側(cè)一樣的跟蹤效果。

4 結(jié)語

圖5 啟停磨期間PFC 控制與PID 控制效果比較

以某發(fā)電廠機(jī)組脫硝過程為研究對象，通過采集催化劑入口、出口NOX濃度，機(jī)組負(fù)荷、總?cè)剂狭康葯C(jī)組運(yùn)行參數(shù)，設(shè)計(jì)了基于預(yù)測函數(shù)控制的脫硝優(yōu)化先進(jìn)控制算法。該算法使用了Rockwell 公司的PLC 組件，在各種穩(wěn)定和變化工況下均能快速、穩(wěn)定地將催化劑出口NOX濃度控制在設(shè)定值附近，同時(shí)有效抑制干擾。從總體效果來看，脫硝優(yōu)化平臺(tái)的控制效果明顯優(yōu)于現(xiàn)有PID 控制方案，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化水平更高的先進(jìn)控制，減輕了運(yùn)行人員的工作負(fù)擔(dān)。同時(shí)，對于脫硝優(yōu)化這一復(fù)雜的慢速過程工業(yè)控制，預(yù)測函數(shù)控制算法仍不能完全克服其頻繁擾動(dòng)的缺點(diǎn)，對于一些高頻快速的擾動(dòng)還需要做進(jìn)一步的研究。