摘"要：自工業(yè)快速發(fā)展以來(lái)，環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻，特別是氮氧化物（NOx）排放量持續(xù)增加，對(duì)大氣環(huán)境造成嚴(yán)重影響。為積極響應(yīng)國(guó)家環(huán)保政策，推動(dòng)工業(yè)綠色發(fā)展，SCR煙氣脫硝系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用已成為趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)SCR系統(tǒng)的精確控制與高效運(yùn)行、提升脫硝效率并減少氨逃逸等問(wèn)題已迫在眉睫?；诖?，本文將簡(jiǎn)要探討基于DMC的SCR煙氣脫硝系統(tǒng)預(yù)測(cè)控制策略，從基于DMC的SCR脫硝工藝著手分析，探討基于DMC的SCR煙氣脫硝系統(tǒng)數(shù)據(jù)預(yù)處理流程，并對(duì)預(yù)測(cè)控制詳細(xì)探尋，旨在為SCR煙氣脫硝系統(tǒng)的智能化、精準(zhǔn)化控制提供理論依據(jù)，以促進(jìn)工業(yè)綠色轉(zhuǎn)型。

關(guān)鍵詞：DMC；SCR煙氣脫硝；系統(tǒng)預(yù)測(cè)

Abstract：Since"the"rapid"development"of"industry，environmental"pollution"has"become"increasingly"severe，especially"the"continuous"increase"in"nitrogen"oxide（NOx）emissions，which"have"a"serious"impact"on"the"atmospheric"environment.In"order"to"actively"respond"to"national"environmental"policies"and"promote"green"industrial"development，the"widespread"application"of"SCR"flue"gas"denitrification"systems"has"become"a"trend.It"is"urgent"to"achieve"precise"control"and"efficient"operation"of"SCR"systems，improve"denitrification"efficiency，and"reduce"ammonia"escape.Based"on"this，the"predictive"control"strategy"of"DMC"based"SCR"flue"gas"denitrification"system"will"be"briefly"discussed.Starting"from"the"analysis"of"DMC"based"SCR"denitrification"process，the"data"preprocessing"process"of"DMC"based"SCR"flue"gas"denitrification"system"will"be"explored，and"the"predictive"control"will"be"explored"in"detail.The"aim"is"to"provide"theoretical"basis"for"the"intelligent"and"precise"control"of"SCR"flue"gas"denitrification"system，and"promote"industrial"green"transformation.

Keywords：DMC;SCR"flue"gas"denitrification;System"prediction

氮氧化物（NOx）作為大氣中主要污染物，其排放量控制已成為焦點(diǎn)問(wèn)題。DMC作為一種先進(jìn)預(yù)測(cè)控制算法，通過(guò)模型預(yù)測(cè)、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正等機(jī)制，可有效應(yīng)對(duì)SCR系統(tǒng)中非線性、時(shí)變性及不確定性，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴氨量等關(guān)鍵參數(shù)的準(zhǔn)確控制。通過(guò)在線滾動(dòng)優(yōu)化和實(shí)時(shí)反饋校正，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制變量的動(dòng)態(tài)調(diào)整，使系統(tǒng)在不同工況下均可保持良好的脫硝性能。為此，通過(guò)系統(tǒng)闡述DMC控制原理及其在SCR系統(tǒng)中的應(yīng)用，分析其在提升脫硝效率等方面的作用機(jī)制，以實(shí)現(xiàn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展［1］。

1"基于DMC的SCR脫硝工藝

SCR（選擇性催化還原）脫硝系統(tǒng)在融入DMC（動(dòng)態(tài)矩陣控制）策略后，對(duì)氨氣噴射量脫硝效果進(jìn)行準(zhǔn)確控制。借助催化劑，在200～450℃范圍內(nèi)，將煙氣中氮氧化物（NOx）及噴入還原劑，如氨氣（NH3）選擇性還原成無(wú)害的氮?dú)猓∟2）和水（H2O）。DMC控制策略通過(guò)對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行構(gòu)建，對(duì)每個(gè)控制周期內(nèi)滾動(dòng)優(yōu)化氨氣噴射量進(jìn)行合理控制，將NOx排放控制在最低數(shù)值，使系統(tǒng)高效穩(wěn)定運(yùn)行。通過(guò)實(shí)時(shí)反饋校正，DMC還可對(duì)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行修正處理，以便SCR脫硝系統(tǒng)可應(yīng)對(duì)不同工況變化，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)脫硝。SCR反應(yīng)過(guò)程如表1所示：

在SCR脫硝系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，主要是借助催化劑促進(jìn)氨氣與氮氧化物（NOx）的高效還原反應(yīng)，生成無(wú)害氮?dú)夂退?，但存在一定副反?yīng)，將削弱系統(tǒng)對(duì)NOx的脫除能力，降低了脫硝效率，還會(huì)產(chǎn)生N2O、N2、O3等污染物。

在SCR脫硝過(guò)程中，除生成氮?dú)饧八?，還會(huì)產(chǎn)生如NH14HSO4和（NH4）2SO4等銨鹽副產(chǎn)品，銨鹽在催化劑層上的沉積會(huì)形成堵塞，限制反應(yīng)氣體與催化劑活性位點(diǎn)接觸，降低催化劑的轉(zhuǎn)化效率，表明系統(tǒng)需更多氨氣或更高反應(yīng)條件方可達(dá)到同樣脫硝效果，還將增加運(yùn)行成本。

2"基于DMC的SCR煙氣脫硝系統(tǒng)數(shù)據(jù)預(yù)處理流程

2.1"異常點(diǎn)檢測(cè)

在SCR脫硝裝置上安裝高精度傳感器，可對(duì)煙氣溫度、NOx濃度、氨氣噴射量、煙氣流量等參數(shù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)掌握。其中煙氣溫度如350℃、400℃等，NOx濃度如100mg/Nm3、150mg/Nm3等，氨氣噴射量為20kg/h、30kg/h等，煙氣流量如10000Nm3/h、12000Nm3/h等。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)數(shù)據(jù)特性及系統(tǒng)要求，可選擇Zscore等方法，并設(shè)置閾值，將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)輸入選定異常點(diǎn)檢測(cè)算法中，執(zhí)行檢測(cè)過(guò)程。算法會(huì)根據(jù)設(shè)定參數(shù)及數(shù)據(jù)特性，對(duì)異常點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別。

可直接從數(shù)據(jù)集中處將異常點(diǎn)刪除，以免對(duì)數(shù)據(jù)分析或控制策略產(chǎn)生影響；還可在數(shù)據(jù)集中處將異常點(diǎn)標(biāo)注出來(lái)，為數(shù)據(jù)分析及核對(duì)審查提供便利；還可對(duì)異常點(diǎn)進(jìn)行修正處理，使其控制在正常操作范圍，以免出現(xiàn)誤差。在異常點(diǎn)檢測(cè)過(guò)程中，檢測(cè)到煙氣溫度為550℃，此時(shí)溫度超出工作溫度范圍，當(dāng)NOx濃度為1500mg/Nm3時(shí)，遠(yuǎn)高于排放標(biāo)準(zhǔn)，此類異常數(shù)據(jù)點(diǎn)將被系統(tǒng)準(zhǔn)確識(shí)別、標(biāo)記，以便準(zhǔn)確剔除［2］。

2.2"濾波去噪

在濾波開(kāi)始前，需對(duì)所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲分析，以準(zhǔn)確掌握噪聲類型、頻率分布及強(qiáng)度等特性，結(jié)合噪聲分析情況，選擇濾波算法。在SCR煙氣脫硝系統(tǒng)中，還需將系統(tǒng)狀態(tài)低頻變化趨勢(shì)進(jìn)行保留，并去除高頻噪聲，設(shè)置截止頻率，如5Hz，以濾除高于該頻率的噪聲成分。將采集到的數(shù)據(jù)輸入選定濾波算法中，進(jìn)行濾波去噪處理。濾波算法會(huì)根據(jù)設(shè)置參數(shù)及噪聲特性，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，以消除或減弱噪聲成分。經(jīng)過(guò)濾波去噪處理后的數(shù)據(jù)，將輸出到DMC控制算法中，為脫硝控制予以便利，可反映SCR脫硝系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，從而提高控制算法效果。濾波去噪如表2所示：

從表2中可以看出，原始煙氣溫度數(shù)據(jù)存在微小波動(dòng)，但通過(guò)濾波處理后，溫度數(shù)據(jù)變得更為穩(wěn)定，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)均調(diào)整為350℃。原始NOx濃度數(shù)據(jù)也存在一定波動(dòng)，但在濾波去噪后，所有濃度值均被調(diào)整為100mg/Nm3，使數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性得到保證。

2.3"數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

按照數(shù)據(jù)特性及系統(tǒng)要求，選擇Minmax標(biāo)準(zhǔn)化或是Zscore標(biāo)準(zhǔn)化等方法，其中Minmax標(biāo)準(zhǔn)化是指將數(shù)據(jù)縮放到0～1區(qū)間內(nèi)。Minmax、Zscore標(biāo)準(zhǔn)化公式為：

式（10）中，μ為原始數(shù)據(jù)均值，σ為原始數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)差，將采集到的原始數(shù)據(jù)按照選定標(biāo)準(zhǔn)化方法進(jìn)行轉(zhuǎn)換。對(duì)于Minmax標(biāo)準(zhǔn)化，需要找出數(shù)據(jù)集中最小值和最大值，對(duì)于Zscore標(biāo)準(zhǔn)化，則需要計(jì)算數(shù)據(jù)均值及標(biāo)準(zhǔn)差。將標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)分析或控制策略優(yōu)化流程中，要求標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)具有統(tǒng)一分布特性，以便進(jìn)行跨時(shí)間、跨設(shè)備的數(shù)據(jù)比較及分析。且標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)應(yīng)保存相應(yīng)參數(shù)信息，以便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行還原或重新標(biāo)準(zhǔn)化處理［3］。

3"基于DMC的SCR煙氣脫硝系統(tǒng)預(yù)測(cè)控制分析

3.1"預(yù)測(cè)模型構(gòu)建

從SCR脫硝系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中采集大量數(shù)據(jù)，如噴氨流量、煙氣溫度、催化劑活性、煙氣流量以及凈煙氣NOx濃度等。對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗，去除異常值和噪聲，清洗后煙氣流量在500000～1500000Nm3/h區(qū)間內(nèi)，煙氣溫度范圍在280～420℃范圍內(nèi)，入口NOx濃度在300～600mg/Nm3區(qū)間內(nèi)，噴氨量在50～200kg/h范圍內(nèi)，出口NOx濃度在40～80mg/Nm3范圍內(nèi)。

使用驗(yàn)證數(shù)據(jù)集對(duì)構(gòu)建的預(yù)測(cè)模型進(jìn)行驗(yàn)證，按照驗(yàn)證結(jié)果對(duì)模型參數(shù)及結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)試，以提高預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性。還可采用系統(tǒng)辨識(shí)方法構(gòu)建SCR脫硝系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型，將辨識(shí)得到的預(yù)測(cè)模型與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，對(duì)模型預(yù)測(cè)精度及泛化能力進(jìn)行評(píng)估預(yù)測(cè)，如果模型預(yù)測(cè)誤差較大，需對(duì)模型參數(shù)優(yōu)化調(diào)整，或重復(fù)進(jìn)行優(yōu)化操作。

3.2"滾動(dòng)優(yōu)化

在滾動(dòng)優(yōu)化階段，DMC算法需根據(jù)預(yù)測(cè)模型對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)輸出情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，設(shè)預(yù)測(cè)時(shí)域N為10個(gè)采樣周期，控制時(shí)域M為3個(gè)采樣周期（M≤N），將凈煙氣NOx濃度控制在設(shè)定值范圍內(nèi)。將采樣時(shí)刻看作是k，DMC算法可根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)及預(yù)測(cè)模型，對(duì)k+1—k+10采樣周期凈煙氣NOx濃度進(jìn)行確認(rèn)。在此基礎(chǔ)上，算法會(huì)構(gòu)建一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題，在滿足系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)前提下，對(duì)k、k+1、k+2這3個(gè)采樣周期噴氨流量進(jìn)行計(jì)算，使得預(yù)測(cè)輸出值與設(shè)定值相近［4］。

DMC算法會(huì)得到Δu（k）、Δu（k+1）、Δu（k+2）這3個(gè)采樣周期內(nèi)最優(yōu)噴氨流量增量序列，算法將當(dāng)前采樣周期最優(yōu)噴氨流量增量Δu（k）加到上一采樣周期噴氨流量上，從而可準(zhǔn)確得到當(dāng)前采樣周期噴氨流量設(shè)定值，并將其應(yīng)用于SCR脫硝系統(tǒng)。在k+1采樣時(shí)刻，DMC算法會(huì)重復(fù)計(jì)算步驟，根據(jù)新的系統(tǒng)狀態(tài)及最新預(yù)測(cè)信息，重新進(jìn)行預(yù)測(cè)及優(yōu)化，以得到新的最優(yōu)控制輸入量，通過(guò)滾動(dòng)優(yōu)化機(jī)制使得DMC算法可有效適應(yīng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化，提高控制精度。

3.3"反饋校正

在基于DMC的SCR煙氣脫硝系統(tǒng)預(yù)測(cè)控制中，反饋校正環(huán)節(jié)是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性及優(yōu)化性能的主要環(huán)節(jié)。反饋校正通過(guò)實(shí)時(shí)采集SCR出口NOx濃度，與模型預(yù)測(cè)值進(jìn)行比較，以此為依據(jù)調(diào)整如噴氨量等控制輸入，以減小模型預(yù)測(cè)誤差，提高控制精度?；陬A(yù)測(cè)誤差及系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，結(jié)合預(yù)設(shè)校正策略計(jì)算反饋校正量，可體現(xiàn)反饋校正準(zhǔn)確性，可按照系統(tǒng)實(shí)際表現(xiàn)與預(yù)期目標(biāo)的差距，動(dòng)態(tài)調(diào)整控制輸入，以趨近目標(biāo)值。將計(jì)算得到的反饋校正量加入原控制輸入中，得到新的控制輸入。這一操作可實(shí)現(xiàn)對(duì)控制輸入實(shí)時(shí)調(diào)整，使系統(tǒng)可快速響應(yīng)實(shí)際工況的變化，以提高控制穩(wěn)定性［5］。

預(yù)測(cè)誤差作為反饋校正依據(jù)，可體現(xiàn)模型預(yù)測(cè)與實(shí)際輸出之間存在的偏差。為消除這一偏差并優(yōu)化控制性能，DMC控制器會(huì)利用一定的校正策略，如引入增益系數(shù)k來(lái)計(jì)算反饋校正量，得到反饋校正量后，DMC控制器會(huì)將其加入原控制輸入中，得到新的控制輸入。這一過(guò)程實(shí)現(xiàn)了對(duì)控制輸入的動(dòng)態(tài)調(diào)整，旨在使系統(tǒng)輸出更接近設(shè)定目標(biāo)。新的控制輸入被應(yīng)用于SCR脫硝系統(tǒng)，以調(diào)整噴氨量等控制參數(shù)，從而優(yōu)化系統(tǒng)脫硝性能。滾動(dòng)預(yù)測(cè)和實(shí)時(shí)校正的機(jī)制，使DMC控制策略可持續(xù)適應(yīng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化，以實(shí)現(xiàn)高效控制。

結(jié)語(yǔ)

在對(duì)基于DMC的SCR煙氣脫硝系統(tǒng)預(yù)測(cè)控制進(jìn)行分析時(shí)，明確了解到先進(jìn)控制策略對(duì)于提升脫硝效率、優(yōu)化資源利用及保障環(huán)境質(zhì)量尤為重要。然而，DMC控制以其模型預(yù)測(cè)、滾動(dòng)優(yōu)化和反饋校正的核心機(jī)制，可有效應(yīng)對(duì)SCR系統(tǒng)中復(fù)雜多變的工況條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)噴氨量等關(guān)鍵控制參數(shù)的精準(zhǔn)調(diào)節(jié)。通過(guò)實(shí)施控制策略，SCR煙氣脫硝系統(tǒng)還可靈活應(yīng)對(duì)煙氣流量、NOx濃度等輸入變量波動(dòng)，以便在保證脫硝效率基礎(chǔ)上，減少能耗消耗，使整體經(jīng)濟(jì)性及環(huán)保性得到提升。未來(lái)，隨著控制理論、算法優(yōu)化，基于DMC的SCR煙氣脫硝系統(tǒng)預(yù)測(cè)控制將更加智能化、精準(zhǔn)化，以便為推動(dòng)工業(yè)綠色轉(zhuǎn)型及可持續(xù)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

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作者簡(jiǎn)介：宋志恒（1993—"），男，漢族，廣東化州人，本科，助理工程師，研究方向：熱能動(dòng)力工程。