張新旭（國(guó)網(wǎng)能源哈密煤電有限公司，新疆 哈密 839000）

0 引言

該文對(duì)2020年全國(guó)總能源消耗進(jìn)行分析，2020年總能耗已經(jīng)達(dá)到了《煤炭電力節(jié)能減排升級(jí)計(jì)劃》的要求，但是在該影響下，也會(huì)出現(xiàn)影響空氣污染物的情況，而建立燃煤發(fā)電機(jī)組就可以有效地將污染物結(jié)合在一起，但目前來說，我國(guó)二氧化硫和氮氧化物在實(shí)際排放期間，其排放的效果并不高?；谌肟贜Ox濃度軟測(cè)量的反硝化是火力發(fā)電廠常用的氮氧化物控制技術(shù)，當(dāng)出口NOx濃度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可以低成本實(shí)現(xiàn)氮氧化物控制。當(dāng)前燃煤電廠反硝化使用PID和模型預(yù)測(cè)控制，控制氨的注入量，使反硝化系統(tǒng)氮氧化物濃度和氨溢出質(zhì)量濃度，可以達(dá)到控制的基本要求。

1 入口NOx濃度軟測(cè)量

1.1 入口NOx濃度軟測(cè)量滯后問題

目前，在入口NOx濃度軟測(cè)量脫硝系統(tǒng)控制期間，入口NOx濃度軟測(cè)量會(huì)存在明顯滯后性的特點(diǎn)，出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，主要是因?yàn)槌隹贜Ox濃度下氮氧化物濃度波動(dòng)，從而在一定程度上受到限制，并且會(huì)加大出口NOx濃度的設(shè)定值，只有做好設(shè)定值的情況才可以進(jìn)一步增加平均值分析，目前來說，出口NOx濃度與氨注入量之間存在負(fù)關(guān)系，能夠減少氨注入量[1]。現(xiàn)如今，在我國(guó)火電廠污染物的控制期間，需要考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是卻不需要考慮測(cè)量數(shù)據(jù)的來源問題，在快速響應(yīng)系統(tǒng)中，CEMS濃度測(cè)量的滯后將導(dǎo)致控制系統(tǒng)影響很大，控制系統(tǒng)無法消除這種滯后。為解決系統(tǒng)滯后問題，該文重點(diǎn)關(guān)注控制系統(tǒng)滯后的研究，通過改進(jìn)控制方法提升效果，例如建立自適應(yīng)控制管制員，建立狀態(tài)觀察員等模式，但很少考慮數(shù)據(jù)的來源。

1.2 入口NOx濃度軟測(cè)量滯后解決方案

隨著軟傳感器建模的發(fā)展，數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)已經(jīng)廣泛用于軟感應(yīng)建模中，軟感應(yīng)在建模期間，需要考慮到工業(yè)過程中的時(shí)變行為和信號(hào)內(nèi)隱藏的信息，在該基礎(chǔ)上能夠進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)存在的滯后情況，具體測(cè)試方式：通過建立軟測(cè)量模型的方式，可以測(cè)量一定時(shí)間后的濃度變化，這種變化的測(cè)量可以有效抵消測(cè)量中滯后所帶來的影響。該文通過使用ANN神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行系統(tǒng)輸出，可以解決軟測(cè)量中的滯后問題，但并沒有針對(duì)特定實(shí)際工業(yè)過程的軟傳感模型，而在提出一種基于時(shí)差GPR的自適應(yīng)軟傳輸期間，可以用于估計(jì)時(shí)變時(shí)延的傳感器和本地時(shí)延重構(gòu)非線性過程變量，建議基于聯(lián)合信息的動(dòng)態(tài)軟傳感方法軟測(cè)量濃度，在模擬研究中分析具體結(jié)果。對(duì)入口NOx濃度軟測(cè)量滯后問題來說，該文主要采用LSSVM和PLS進(jìn)行比較，通過比較可以得到一定的效果，并基于此提出技術(shù)性的NOx濃度測(cè)量方法，應(yīng)用測(cè)量方法能夠及時(shí)解決滯后問題，進(jìn)而提升NOx濃度測(cè)量系統(tǒng)的可靠性。目前，在脫硝系統(tǒng)仿真模型的構(gòu)建期間，可以建立以脫硝系統(tǒng)為主的機(jī)制建模類型并通過遺傳算法優(yōu)化未知參數(shù)，然后確定硝酸鹽系統(tǒng)未知參數(shù)的大小，這個(gè)模型可以借助于計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，進(jìn)一步提升仿真系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)[2]。

1.3 入口NOx濃度軟測(cè)量滯后解決效果

針對(duì)目前入口NOx濃度軟測(cè)量滯后的解決措施，主要是通過分析滯后的原因進(jìn)行研究，具體研究?jī)?nèi)容就是以CEMS濃度測(cè)量滯后為主的解決方案，在解決方案構(gòu)建期間，可以通過分析不同的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)方法進(jìn)行解決，建立不同數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的軟傳感建模，這樣可以在CEMS濃度測(cè)量滯后的規(guī)定時(shí)間內(nèi)，分別求解采樣滯后的時(shí)間和分析滯后的時(shí)間[3]。解決入口NOx濃度軟測(cè)量滯后問題后，可以建立一種反硝化的測(cè)量模型，在測(cè)量模型中可以輸入NOx軟測(cè)量?jī)?nèi)容，這樣可以提升預(yù)測(cè)的時(shí)間，經(jīng)過預(yù)測(cè)滯后也可以分析出CEMS測(cè)量滯后的時(shí)間，從而在軟傳感模型PID控制期間通過軟傳感器-DMC方法的應(yīng)用，進(jìn)一步減少硝酸鹽系統(tǒng)出口處NOx濃度的波動(dòng)問題。

2 脫硝系統(tǒng)概述

脫硝系統(tǒng)主要指的是火力發(fā)電廠內(nèi)鍋爐燃燒后所產(chǎn)生煙氣的處理方式，能夠?qū)a(chǎn)生的煙氣進(jìn)行有效處理。一般來說，鍋爐燃燒的進(jìn)煙口處會(huì)設(shè)有噴氨格柵，噴氨格柵設(shè)定的主要意義就是在一定溫度的影響下，產(chǎn)生一種無毒害的催化還原氮?dú)?，以及無毒害的水，經(jīng)脫硝系統(tǒng)處理后會(huì)將煙氣通過煙囪排出，可以將煙氣排放到大氣中，以達(dá)到脫除煙氣中NOx的目的。在火力發(fā)電廠實(shí)際運(yùn)行中，脫硝系統(tǒng)會(huì)根據(jù)入口NOx濃度控制煙氣流量，并及時(shí)將鍋爐燃燒后產(chǎn)生的煙氣送入含有除鹽水的溶解罐中，在溶解罐內(nèi)進(jìn)行計(jì)量分配，經(jīng)計(jì)量分配后將裝置送入熱解器內(nèi)，這樣可以使熱解器內(nèi)生成的氨氣與空氣混合物相混合，由于管道的流程較長(zhǎng)，因此，氨氣流量的控制信號(hào)會(huì)出現(xiàn)一定的錯(cuò)誤，這種錯(cuò)誤會(huì)與實(shí)際進(jìn)口煙道內(nèi)的氨氣量存在差異，從而促使所產(chǎn)生的煙氣流場(chǎng)出現(xiàn)不均勻的情況，在該影響下，入口NOx濃度的測(cè)量值將會(huì)無法準(zhǔn)確地表達(dá)，其濃度的平均水平也無法充分體現(xiàn)，這樣就會(huì)在一定程度上限制脫硝系統(tǒng)的NOx排放。

3 基于入口NOx濃度軟測(cè)量的脫硝系統(tǒng)先進(jìn)控制研究方法

3.1 NOx濃度測(cè)量滯后時(shí)間分析

目前來說，基于入口NOx濃度軟測(cè)量的脫硝系統(tǒng)先進(jìn)控制研究中，SCR脫硝系統(tǒng)示意圖具體如圖1所示，通過分析圖1可知，硝酸鹽系統(tǒng)的CEMS測(cè)量參數(shù)期間，應(yīng)注意提升測(cè)量的NOx濃度，這也是最重要的一項(xiàng)內(nèi)容，實(shí)際應(yīng)用期間可以將CEMS濃度測(cè)量滯后時(shí)間分為2種類型，一種是采樣滯后時(shí)間，另一種則是分析滯后時(shí)間[4]。在測(cè)試期間可以仔細(xì)分析濃度與氣體情況，其中包括可識(shí)別氣體的成分和具體濃度時(shí)間，符號(hào)為“分析”，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)CEMS響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行測(cè)試，在得出分析滯后時(shí)間之后，就可以證明濃度測(cè)量的總滯后時(shí)間是兩者之和。

圖1 SCR脫硝系統(tǒng)示意圖

3.2 軟測(cè)量建模方法

該文對(duì)基于入口NOx濃度軟測(cè)量的脫硝系統(tǒng)先進(jìn)控制研究主要使用SCR入口處NOx濃度的軟測(cè)量，這種測(cè)量模式可以糾正進(jìn)口NOx濃度信號(hào)，消除CEMS濃度測(cè)量磁滯的影響。同時(shí)，在軟測(cè)量建模之間應(yīng)仔細(xì)考慮鍋爐側(cè)測(cè)量點(diǎn)的情況，在測(cè)量之前應(yīng)做好一定的計(jì)算，將鍋爐側(cè)測(cè)量點(diǎn)的具體數(shù)據(jù)作為軟測(cè)量的具體內(nèi)容，包括軟測(cè)量入口NOx濃度的輸入變量，這種預(yù)測(cè)的時(shí)間與滯后時(shí)間存在一定的相似性，具體軟測(cè)量主要輸入變量如表1所示[5]。通過對(duì)表1具體情況進(jìn)行分析，可以仔細(xì)了解到軟測(cè)量的輸入變量，這種輸入變量均屬于當(dāng)前的變量，同時(shí)，在軟感應(yīng)建模期間可以采用不同的測(cè)試方法，具體方法包括SVR和RNN等，通過對(duì)軟測(cè)量的具體情況進(jìn)行比較，就可以選擇建模的建模精度，使其最適合于整個(gè)負(fù)載范圍。

表1 軟測(cè)量輸入變量

3.3 噴氨量控制方法

基于入口NOx濃度軟測(cè)量的脫硝系統(tǒng)先進(jìn)控制研究中噴氨量的控制方法在其中具有一定的影響，需要通過調(diào)整注入氨的量，以控制脫硝出口處的NOx濃度符合標(biāo)準(zhǔn)，但由于反硝化系統(tǒng)本身非線性特性，PID控制方法難以達(dá)到預(yù)期的效果，將使用高級(jí)控制方法代替PID控制方法來進(jìn)行調(diào)整氨注入量，可以表明控制效果優(yōu)于PID控制效果。基于此，該文選擇一種高級(jí)控制方法，在DMC控制和傳統(tǒng)PID控制比較中，能夠調(diào)整氨的注入量，系統(tǒng)控制框圖如圖2和圖3所示，通過對(duì)圖2和圖3 進(jìn)行分析后可以發(fā)現(xiàn)，基于PID/DMC控制模式下比較軟測(cè)量的具體情況，其中包括NOx濃度前后所具備的脫硝系統(tǒng)。最后，對(duì)噴氨量的控制期間應(yīng)該根據(jù)實(shí)際氮氧化物的排放進(jìn)行分析，具體排放的限值主要為50mg/Nm3，在將出口NOx濃度設(shè)定值調(diào)整之后就可以在一定程度上有效節(jié)省氨水成本[6]。

圖2 SS-PID控制框圖

圖3 SS-DMC控制框圖

4 基于入口NOx濃度軟測(cè)量的脫硝系統(tǒng)先進(jìn)控制研究結(jié)果

4.1 測(cè)量滯后估計(jì)與軟測(cè)量模型對(duì)比

基于入口NOx濃度軟測(cè)量期間，需要做好脫硝系統(tǒng)的先進(jìn)控制，在控制中能夠進(jìn)一步加強(qiáng)測(cè)量效果，解決滯后的現(xiàn)象，該文在該影響下，主要通過對(duì)軟傳感控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，可以確定采樣點(diǎn)的總數(shù)為720點(diǎn)。比較方案具體：首先根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)異地計(jì)算CEMS測(cè)量的滯后時(shí)間，在硝酸鹽入口處進(jìn)行CEMS響應(yīng)時(shí)間檢測(cè)，經(jīng)檢測(cè)之后就應(yīng)該將泵送管道的長(zhǎng)度進(jìn)行有效設(shè)置，具體設(shè)置的長(zhǎng)度應(yīng)該在30m左右，在CEMS管道抽速情況的影響下，就可以發(fā)現(xiàn)測(cè)試報(bào)告中所具備的CEMS采樣滯后時(shí)間主要是在30s內(nèi)，同時(shí)需要注意的是，具體采樣的長(zhǎng)度應(yīng)該確保在一定范圍內(nèi)，最佳范圍是20mm，在該范圍內(nèi)可以計(jì)算出CEMS的采樣延遲[7]。

目前來說，通過建立脫硝入口的NOx濃度軟測(cè)量模型的方式，可以有效測(cè)量CEMS滯后的時(shí)間，測(cè)量后時(shí)間主要為60s，也可以將其用作軟傳感模型的預(yù)測(cè)時(shí)間，需要將每個(gè)時(shí)間點(diǎn)的下一個(gè)60s進(jìn)氣口NOx濃度值作為目標(biāo)值[8]。在該文中，均方根誤差和平均百分比誤差被用作訓(xùn)練準(zhǔn)確性評(píng)估指標(biāo)，RMSE用于測(cè)量觀察值與真實(shí)值之間的偏差，計(jì)算偏差是非常重要的部分，因此，在實(shí)際偏差計(jì)算期間不僅需要考慮預(yù)測(cè)值和真實(shí)值之間的誤差，還要進(jìn)一步分析誤差與真實(shí)值之間存在的比率情況，這2個(gè)評(píng)估指標(biāo)如表2所示。通過比較軟傳感模型程度，以及實(shí)際測(cè)得的濃度和目標(biāo)值之間誤差，發(fā)現(xiàn)軟測(cè)量模型能夠極大程度提高測(cè)量數(shù)據(jù)的真實(shí)有效性，消除CEMS測(cè)量滯后的影響，從而提升系統(tǒng)測(cè)量的準(zhǔn)確性，通過以上比較該文主要將誤差最小的RNN模型作為軟傳感器模型，具體如表3所示，其中軟傳感器模型入口濃度變化很大，在溫度變化較大情況下，軟感應(yīng)模型可以實(shí)現(xiàn)更好的預(yù)測(cè)效果。

表2 軟測(cè)量模型誤差

表3 軟測(cè)量誤差與實(shí)際測(cè)量誤差

4.2 基于NOx濃度軟測(cè)量的控制算法對(duì)比

該文的主要目的就是做好基于SCR入口NOx濃度軟測(cè)量的脫硝系統(tǒng)先進(jìn)控制，在此次期間應(yīng)該做好控制的算法分析，才可以進(jìn)一步優(yōu)化?；诖?，該文在建立軟傳感模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)該進(jìn)行相應(yīng)改進(jìn)，具體方案就是提出一種基于入口NOx濃度預(yù)測(cè)值的脫硝系統(tǒng)，在該系統(tǒng)的解決期間應(yīng)使用先進(jìn)的控制方法，并將進(jìn)氣的NOx濃度采用軟測(cè)量方式進(jìn)行分析，將分析后的結(jié)果與先進(jìn)的控制進(jìn)行有效結(jié)合，這樣就可以進(jìn)一步提升具體效果，有效優(yōu)化氨注入量，降低脫硝成本，具體控制方式見表4[9]。該文使用的識(shí)別方法主要目的是為了識(shí)別脫硝機(jī)理模型，使用模擬反硝化系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行，可以在該基礎(chǔ)上進(jìn)行脫硝系統(tǒng)的仿真控制，在軟傳感器建模期間，導(dǎo)入SCR系統(tǒng)，將NOx濃度置入軟測(cè)量模型中，比較SCR出口處NOx濃度的波動(dòng)。

表4 不同控制方式下的優(yōu)化指標(biāo)

該文經(jīng)過分析后可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)后平均出口的NOx波動(dòng)控制有明顯的有效性，這種控制效果中DMC比PID的效果稍好，同時(shí)在此期間平均出口的NOx波動(dòng)也會(huì)得到進(jìn)一步的降低，該文具體考慮到SCR脫硝系統(tǒng)出口處的NOx濃度，其濃度的極限應(yīng)該設(shè)置在50mg/Nm3內(nèi)，當(dāng)確?？梢栽诖似陂g時(shí)，就可以通過調(diào)整出口處NOx濃度設(shè)定值，可以使模擬出口NOx的最大濃度進(jìn)行有效計(jì)算，計(jì)算的結(jié)果為50mg/Nm3，在較為理想的計(jì)算方法下可以分析噴氨量的大小，具體如表5所示。出口NOx濃度限值下的理想噴氨量在控制系統(tǒng)開啟期間，通過對(duì)入口NOx濃度軟測(cè)量后，能夠進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)出口梳棉機(jī)邊緣NOx濃度，通過控制其濃度，能夠進(jìn)一步減少氨的注入量，其中，與PID控制相比，軟感應(yīng)PID控制減少了氨的噴射量，靈敏度提高了3.09%。經(jīng)過分析，當(dāng)進(jìn)氣口NOx濃度軟測(cè)量的結(jié)果，進(jìn)而能夠有效預(yù)測(cè)滯后的時(shí)間，包括滯后時(shí)間下的NOx濃度，需要注意的是，在此期間應(yīng)該做好對(duì)常規(guī)PID的控制，或者在其中應(yīng)該使用高級(jí)的DMC控制方案，其中使用的軟傳感器控制系統(tǒng)可以顯著減少出口處NOx濃度的波動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)氮氧化物排放濃度可以不超過標(biāo)準(zhǔn)，在此基礎(chǔ)上可以最大程度增加出口的NOx濃度設(shè)定值，從而進(jìn)一步減少平均氨注入量，進(jìn)而有效降低注入氨的成本。

表5 出口NOx濃度限值下的理想噴氨量

5 結(jié)語

綜上所述，該文通過建立軟測(cè)量模型，進(jìn)一步預(yù)測(cè)SCR入口處的NOx濃度，經(jīng)過實(shí)際預(yù)測(cè)方案之后就可以進(jìn)一步減少CEMS測(cè)量延遲的情況，從而改善對(duì)脫硝系統(tǒng)控制的影響?；谌肟贜Ox濃度軟測(cè)量的脫硝系統(tǒng)先進(jìn)控制研究期間，需要對(duì)脫硝進(jìn)口處NOx的濃度進(jìn)行軟測(cè)量，并將其與控制系統(tǒng)相結(jié)合，當(dāng)軟測(cè)量最大出口NOx濃度等于50mg/Nm3時(shí)，就需要采用相應(yīng)的方案進(jìn)行干預(yù)，具體措施為降低SCR出口處的NOx濃度波動(dòng)。該文在經(jīng)過研究之后可以發(fā)現(xiàn)，軟測(cè)量模型在實(shí)際應(yīng)用期間，與控制系統(tǒng)相同，都會(huì)有一定程度的滯后性，針對(duì)出現(xiàn)的滯后問題需要及時(shí)進(jìn)行解決，從而進(jìn)一步提升入口NOx濃度的軟測(cè)量?jī)r(jià)值。