[摘 要]電力是人們生產(chǎn)生活必需的能源，但燃煤發(fā)電會(huì)產(chǎn)生大量的NOx，不僅會(huì)造成環(huán)境污染，也會(huì)危害人體健康。做好脫硝噴氨工作有利于減少NOx的排放，但傳統(tǒng)的脫硝噴氨控制系統(tǒng)無(wú)法精準(zhǔn)調(diào)整噴氨量，而進(jìn)行模型預(yù)測(cè)具有良好效果，因此利用分析法等方法對(duì)基于模型預(yù)測(cè)的脫硝噴氨矩陣控制系統(tǒng)應(yīng)用進(jìn)行了探究。在探究過(guò)程中分析了脫硝噴氨系統(tǒng)的影響因素與控制問題，探討了脫硝噴氨系統(tǒng)建模及矩陣控制。探究結(jié)果表明，加強(qiáng)模型預(yù)測(cè)具有重要意義，所以需要在T–S模糊模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行脫硝噴氨矩陣預(yù)測(cè)控制，從而精準(zhǔn)控制噴氨量。

[關(guān)鍵詞]模型預(yù)測(cè)；脫硝噴氨；控制系統(tǒng)

[中圖分類號(hào)]TP273 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2024）06–0162–03

Research on Application of Matrix Control System for Denitration and Ammonia Injection Based on Model Prediction

HU Guoli

[Abstract]Electricity is an essential energy source for people’s production and daily life， but coal-fired power generation generates a large amount of nitrogen oxides， which not only causes environmental pollution but also endangers human health. Doing a good job in denitrification and ammonia injection is beneficial for reducing nitrogen oxide emissions， but traditional denitrification and ammonia injection control systems cannot accurately adjust the amount of ammonia injection， and model prediction has good results. Therefore， analytical methods and other methods were used to explore the application of a denitrification and ammonia injection matrix control system based on model prediction. During the exploration process， the influencing factors and control issues of the denitrification and ammonia spraying system were analyzed， followed by the exploration of the denitrification and ammonia spraying system modeling and matrix control. The exploration results indicate that strengthening model prediction is of great significance， so it is necessary to carry out denitrification and ammonia injection matrix predictive control on the basis of T-S fuzzy model， in order to accurately control the amount of ammonia injection.

[Keywords]model prediction； denitration and ammonia spraying； control system

1 脫硝噴氨系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)反應(yīng)器放置方法

反應(yīng)器在脫硝噴氨系統(tǒng)中占據(jù)著重要地位，從理論上講可以按照橫向或縱向的方向?qū)⒎磻?yīng)器放置在煙道中，但橫向放置會(huì)造成煙道堵塞，因此很多企業(yè)都會(huì)應(yīng)用高/低煙塵法、尾部煙氣段布置法等方法放置反應(yīng)器。應(yīng)用高煙塵法時(shí)會(huì)將SCR反應(yīng)器放置在空氣預(yù)熱器與省煤器中間，應(yīng)用低煙塵法時(shí)會(huì)將SCR反應(yīng)器放置在空氣預(yù)熱器與靜電除塵器中間，應(yīng)用尾部煙氣段布置法時(shí)會(huì)將SCR反應(yīng)器放置在煙氣脫硫裝置后。不同布置方法的優(yōu)缺點(diǎn)不同，例如高煙塵法能夠優(yōu)化催化劑的效果，降低經(jīng)濟(jì)成本，但是會(huì)縮短催化劑的使用壽命；低煙塵法有利于減少飛灰對(duì)催化劑的影響，延長(zhǎng)催化劑的使用壽命，但是容易造成反應(yīng)器堵塞；尾部煙氣段布置法可以延長(zhǎng)催化劑的使用壽命，但是會(huì)增加經(jīng)濟(jì)成本。

1.2 脫硝工藝流程

某火電廠的SCR脫硝噴氨系統(tǒng)由氨存儲(chǔ)與供應(yīng)系統(tǒng)、反應(yīng)器系統(tǒng)、噴氨系統(tǒng)、氨與空氣混合系統(tǒng)、尾部煙道系統(tǒng)及檢測(cè)系統(tǒng)共同構(gòu)成，其脫硝工藝流程為：利用氨水泵抽取氨水→控制氨水流量→將除鹽水與氨水混合→將混合后的液體輸送至氨水分散噴射系統(tǒng)→連接壓縮空氣罐與噴槍，噴出霧化氨水→將霧化氨水輸送至SCR反應(yīng)器→使霧化氨水與煙氣中的NOx發(fā)生氧化還原反應(yīng)并生成N2和水→將N2排出煙囪。

1.3 脫硝具體原理

在應(yīng)用SCR脫硝技術(shù)時(shí)，需在280～420℃的高溫下與催化劑的作用下利用氨水等還原劑與煙氣中的NOx發(fā)生反應(yīng)，并生成沒有污染性質(zhì)的N2和水，從而去除煙氣中的NOx。燃煤煙氣中的NOx多為NO，但燃煤過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生一定的SO2，所以若脫硝過(guò)程中噴氨量過(guò)多會(huì)造成氨逃逸并發(fā)生一些副反應(yīng)，繼而形成硫酸銨鹽等物質(zhì)，阻塞催化劑通道并降低催化劑的活性。因此，須嚴(yán)格控制噴氨量，減少對(duì)催化劑及下游設(shè)備的影響并降低經(jīng)濟(jì)成本。

1.4 影響脫硝噴氨系統(tǒng)的因素

（1）反應(yīng)器入口/出口NOx濃度。反應(yīng)器入口NOx濃度會(huì)受到煤質(zhì)變化、O2濃度等因素的影響，而其濃度又會(huì)影響到系統(tǒng)運(yùn)行.反應(yīng)器出口NOx濃度在經(jīng)過(guò)反應(yīng)后會(huì)達(dá)到最低，但如果沒有達(dá)到最低也會(huì)影響系統(tǒng)運(yùn)行。

（2）反應(yīng)溫度。反應(yīng)溫度會(huì)影響催化劑的活性與效率，而SCR反應(yīng)器的最佳反應(yīng)溫度是340℃，若溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致氨出現(xiàn)氧化反應(yīng)，繼而降低反應(yīng)器運(yùn)行效率。

（3）煙氣流速。煙氣流速會(huì)影響到NOx在反應(yīng)器中停留的具體時(shí)間，若流速較快會(huì)縮短煙氣停留時(shí)間，繼而降低反應(yīng)充分性，影響脫硝效率。

（4）氨氮摩爾比。氨氮摩爾比指的是SCR反應(yīng)器中NH3與NOx量的比值，會(huì)對(duì)脫硝效率產(chǎn)生較大影響。

1.5 脫硝噴氨系統(tǒng)的控制問題

（1）非線性問題。脫硝噴氨系統(tǒng)中的化學(xué)反應(yīng)較復(fù)雜，煙氣中的飛灰及反應(yīng)溫度等因素也會(huì)影響催化劑的活性，而催化劑的活性又會(huì)影響到NOx的濃度，所以脫硝對(duì)象就具有非線性問題，而構(gòu)建T–S模糊模型可以解決這一問題。

（2）時(shí)滯問題。NH3進(jìn)入系統(tǒng)后會(huì)先經(jīng)過(guò)混合器、催化劑層再與煙氣接觸，且NH3與NOx發(fā)生反應(yīng)也需要一定的時(shí)間，這就導(dǎo)致采樣時(shí)刻存在時(shí)滯問題，因此在構(gòu)建模型時(shí)需做好時(shí)延處理工作。

（3）時(shí)變問題。鍋爐燃燒過(guò)程中機(jī)組會(huì)受到O2濃度等諸多因素的影響，燃燒情況會(huì)不斷變化，反應(yīng)器出口的NOx濃度也會(huì)不斷變化，所以脫硝對(duì)象也存在時(shí)變問題。

此外，脫硝對(duì)象會(huì)受到多種因素的影響，而輸入變量的控制難度相對(duì)較大，所以在構(gòu)建模型時(shí)需增加擾動(dòng)項(xiàng)。

2 脫硝噴氨矩陣控制系統(tǒng)建模

常用的控制系統(tǒng)建模方法主要包括試驗(yàn)建模與機(jī)理建模等，其中機(jī)理建?？梢愿鶕?jù)系統(tǒng)內(nèi)部被控對(duì)象的運(yùn)動(dòng)規(guī)律利用數(shù)學(xué)、化學(xué)等原理進(jìn)行建模。在構(gòu)建脫硝噴氨矩陣控制系統(tǒng)時(shí)，可采用基于機(jī)理建模的T–S建模方法。

2.1 模型一般形式及辨識(shí)

（1）一般形式。從反應(yīng)溫度等諸多因素的影響來(lái)看，需要將脫硝噴氨系統(tǒng)設(shè)定為多個(gè)輸入與單個(gè)輸出相結(jié)合的系統(tǒng)，并利用m條模糊規(guī)則代表脫硝噴氨系統(tǒng)模型。

（2）辨識(shí)。T–S模糊模型辨識(shí)涉及參數(shù)辨識(shí)與結(jié)構(gòu)辨識(shí)這2個(gè)方面，其中參數(shù)辨識(shí)主要是進(jìn)行模糊規(guī)則前件與后件的辨識(shí)，而結(jié)構(gòu)辨識(shí)主要是進(jìn)行輸入輸出變量、隸屬函數(shù)等參數(shù)的確定。在建模過(guò)程中可以利用模糊聚類算法對(duì)T–S模糊模型前件參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，從而獲取模糊集與隸屬函數(shù)的中心點(diǎn)，再利用正交最小二乘法進(jìn)行模糊規(guī)則后件線性表達(dá)式的辨識(shí)，從而獲取輸入、輸出線性函數(shù)表達(dá)式。在進(jìn)行規(guī)則前件辨識(shí)時(shí)需要靈活應(yīng)用模糊C均值聚類算法（解決非線性系統(tǒng)辨識(shí)問題的算法），即先選取一定的聚類中心點(diǎn)，然后利用迭代運(yùn)算法進(jìn)行聚類中心點(diǎn)的修正，確保每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)與聚類中心點(diǎn)之間的距離都是最小的，最后根據(jù)聚類中心獲取模糊向量的隸屬函數(shù)關(guān)系，從而增強(qiáng)模糊變量劃分的合理性。在進(jìn)行規(guī)則后件的辨識(shí)時(shí)需要先將公式轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛄啃问剑⒚鞔_具體的參數(shù)，做好參數(shù)的初始化處理工作，設(shè)c為模糊聚類中心數(shù)量、U為隸屬度函數(shù)矩陣、v為隸屬度函數(shù)矩陣系數(shù)、ci為聚類中心向量，之后利用最小二乘法對(duì)公式進(jìn)行處理。同時(shí)，為了減少辨識(shí)參數(shù)的實(shí)際數(shù)量，需要利用正交最小二乘法進(jìn)行處理，降低計(jì)算難度。

2.2 脫硝系統(tǒng)擾動(dòng)因素建模

在構(gòu)建脫硝系統(tǒng)擾動(dòng)因素模型時(shí)，需要將T–S模型的一般形式轉(zhuǎn)變?yōu)殡x散的狀態(tài)空間模型，并明確第i條模糊規(guī)則，利用n為輸入變量的數(shù)量、q為變量的階次、t為輸入變量的時(shí)延。之后需要對(duì)參數(shù)進(jìn)行歸一化處理，并明確具體的輸出公式及T–S模糊模型的狀態(tài)空間表達(dá)式。

2.3 脫硝噴氨系統(tǒng)建模

SCR脫硝噴氨系統(tǒng)中的化學(xué)反應(yīng)較多且催化劑會(huì)受到多種因素的影響，利用煙氣在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)需要通過(guò)多道工序才能夠獲取氣體監(jiān)測(cè)結(jié)果，無(wú)法有效控制實(shí)際的噴氨量。為解決這一問題，應(yīng)針對(duì)脫硝噴氨系統(tǒng)的實(shí)際情況進(jìn)行建模，利用先進(jìn)的控制方式代替原有的控制手段，增強(qiáng)噴氨量控制的科學(xué)性。從上述內(nèi)容來(lái)看，需要將SCR反應(yīng)器入口處NOx濃度、煙氣流速、反應(yīng)溫度、噴氨量當(dāng)作模型的輸入變量，將反應(yīng)器出口處NOx濃度當(dāng)作輸出變量，再構(gòu)建T–S模糊模型并利用DCS平臺(tái)進(jìn)行歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)的導(dǎo)出，最后利用仿真平臺(tái)進(jìn)行建模仿真并通過(guò)均方根誤差評(píng)價(jià)模型的精度。

3 基于模型預(yù)測(cè)的脫硝噴氨矩陣控制系統(tǒng)

脫硝噴氨系統(tǒng)中NOx濃度、煙氣流量、反應(yīng)溫度及噴氨量等因素之間的耦合關(guān)系較強(qiáng)，應(yīng)用傳統(tǒng)的PID控制算法無(wú)法達(dá)到良好性能，而模型預(yù)測(cè)控制可有效應(yīng)對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)，因此可以將脫硝噴氨系統(tǒng)與T–S模糊模型及DMC（動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制）算法結(jié)合起來(lái)，構(gòu)建完善的控制系統(tǒng)。

3.1 DMC算法

DMC算法是常用的預(yù)測(cè)控制算法之一，在應(yīng)用這一算法時(shí)需充分考慮以下內(nèi)容：①預(yù)測(cè)模型。在構(gòu)建DMC算法的預(yù)測(cè)模型時(shí)需要先通過(guò)有效手段獲取對(duì)象單位階躍響應(yīng)模型向量，并利用N表示系統(tǒng)的建模時(shí)域，再利用所獲取的模型參數(shù)進(jìn)行未來(lái)輸出的預(yù)測(cè)。②滾動(dòng)優(yōu)化。滾動(dòng)優(yōu)化在DMC算法中發(fā)揮著輸入控制作用，在構(gòu)建控制系統(tǒng)時(shí)若想讓預(yù)測(cè)模型獲取的未來(lái)輸出值接近期望值，可以利用滾動(dòng)優(yōu)化進(jìn)行輸入控制并在最優(yōu)控制指標(biāo)中添加軟約束處理。③反饋校正。脫硝噴氨系統(tǒng)會(huì)受到很多未知擾動(dòng)因素的影響，通過(guò)預(yù)測(cè)模型獲取的輸出預(yù)測(cè)值可能會(huì)與實(shí)際值產(chǎn)生一定的偏差，如果不做好相應(yīng)的處理工作就會(huì)導(dǎo)致二者之間的偏差越來(lái)越大，因此在構(gòu)建系統(tǒng)時(shí)需要科學(xué)控制二者偏差。即利用加權(quán)的方式修正輸出的預(yù)測(cè)值并通過(guò)校正以后的輸出預(yù)測(cè)向量移位得到初始預(yù)測(cè)值，再進(jìn)行滾動(dòng)優(yōu)化，從而達(dá)到良好的反饋校正效果。

3.2 約束性動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制

工業(yè)生產(chǎn)會(huì)受到多種因素的影響，例如在火力發(fā)電過(guò)程中有很多物理約束因素都會(huì)對(duì)發(fā)電效率產(chǎn)生影響，所以在工作過(guò)程中不僅需要將噴氨導(dǎo)管的尺寸控制在合理范圍內(nèi)，也需要將反應(yīng)器出口處的NOx濃度最大值控制在50 mg/m3以內(nèi)。為此在構(gòu)建脫硝噴氨矩陣控制系統(tǒng)時(shí)需要將系統(tǒng)輸入與輸出量控制在相應(yīng)的范圍內(nèi)，且需要保障各個(gè)時(shí)刻的控制量都在約束范圍內(nèi)，這就需要構(gòu)建約束性的動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制。在構(gòu)建約束性動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制時(shí)需要明確輸出預(yù)測(cè)值的滿足式、最優(yōu)性能指標(biāo)式，并利用有效集方法解決不等式約束的二次規(guī)劃問題。

3.3 基于模型的矩陣預(yù)測(cè)控制

相比于其他模型，T–S模糊模型可有效解決非線性問題，這是因?yàn)樵撃Ｐ鸵?guī)則的后件部分屬于線性表達(dá)式，可以實(shí)現(xiàn)非線性與線性問題的轉(zhuǎn)變，降低了問題的解決難度。而DMC算法可以在線性系統(tǒng)的支持下進(jìn)行相應(yīng)控制，在這種情況下可以將T–S模糊模型與DMC算法結(jié)合起來(lái)，從而提高噴氨量的控制效率，避免噴氨量過(guò)多或過(guò)少。在二者相結(jié)合的基礎(chǔ)上構(gòu)建脫硝噴氨矩陣控制系統(tǒng)時(shí)應(yīng)將控制部分劃分為2個(gè)模塊，即T–S模糊模型辨識(shí)模塊與DMC算法優(yōu)化模塊（圖1）。

在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，先通過(guò)T–S模糊模型獲取每個(gè)工況的階躍響應(yīng)模型向量，再利用DMC算法計(jì)算最佳噴氨量，從而有效控制系統(tǒng)的實(shí)際噴氨量。在將T–S模糊模型與DMC算法結(jié)合起來(lái)時(shí)需要注意一些細(xì)節(jié)：①在利用T–S模糊模型進(jìn)行辨識(shí)時(shí)不需要對(duì)模型逼近性提出過(guò)高的要求，但若存在辨識(shí)誤差需利用DMC算法進(jìn)行反饋校正。②在控制系統(tǒng)出口處的NOx濃度時(shí)應(yīng)做好所有工作點(diǎn)采樣時(shí)刻的檢測(cè)工作，獲取控制量與輸出量，再根據(jù)模糊規(guī)則庫(kù)當(dāng)中的內(nèi)容進(jìn)行對(duì)象模型的選擇，明確模糊模型對(duì)象每一時(shí)刻的階躍響應(yīng)模型向量，確保在檢測(cè)過(guò)程中可以做好DMC算法預(yù)測(cè)模型參數(shù)的修正工作，降低出現(xiàn)參數(shù)不正確等問題的概率。此外，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，需要根據(jù)模型辨識(shí)結(jié)果構(gòu)建動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)并增強(qiáng)系統(tǒng)的魯棒性。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于電力行業(yè)來(lái)說(shuō)，靈活應(yīng)用脫硝噴氨系統(tǒng)有利于達(dá)到國(guó)家提出的超低排放要求，但傳統(tǒng)的脫硝噴氨系統(tǒng)存在一定的滯后性、多變量性，無(wú)法達(dá)到良好的控制效果。在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在系統(tǒng)中應(yīng)用T–S模糊模型與DMC算法可以明確最佳的噴氨量，所以應(yīng)將這兩種方法結(jié)合起來(lái)，加強(qiáng)約束性動(dòng)態(tài)矩陣預(yù)測(cè)控制。但該研究還不夠完善，所以在后續(xù)研究時(shí)需深入研究多種模型辨識(shí)方法，并綜合考慮其他因素對(duì)系統(tǒng)的影響。

參考文獻(xiàn)

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