超临界机组脱硝系统模型预测控制研究

超临界机组脱硝系统模型预测控制研究
李泉;尹峰;罗志浩
【摘要】During denitrification control, NOX at the exit of supercritical unit fluctuates badly and often ex-ceeds the environmental protection standards. An advanced predictive control technology is adopted to estab-lish a mathematical model of NOX concentration at the exit of denitrification system. On the basis of the mod-el, a model predictive control algorithm is used to respond to the demand of the target, effectively eliminating the large lag of the mechanism, strong interference of the control system and other issues. The model predic-tive control algorithm is applied in denitrification control system. Through an implementation case, the paper introduces the application steps, and by field application it demonstrates that the method is effective.%针对超临界机组脱硝控制中出口烟气中NOX含量波动大、经常超出环保标准等问题，采用先进预测控制技术，建立脱硝系统出口NOX浓度数学模型，根据模型采用模型预测控制算法，使其快速响应目标要求，有效解决了脱硝控制中的大滞后、受干扰强烈等问题。

将模型预测算法应用于脱硝控制系统中，通过具体实例介绍了该方法的应用步骤，通过现场应用证明了该方法的有效性。

【期刊名称】《浙江电力》
【年(卷),期】2016(035)011
【总页数】4页(P34-36,53)
【关键词】预测;脱硝模型;大滞后;现场应用
【作者】李泉;尹峰;罗志浩
【作者单位】国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭州 310014;国网浙江省电
力公司电力科学研究院，杭州 310014;国网浙江省电力公司电力科学研究院，杭
州 310014
【正文语种】中文
【中图分类】X773
脱硝控制系统具有非线性、大迟延、分布参数和扰动因素多等特点，机组实际运行时脱硝系统出口烟气中NOX（氮氧化物）含量经常出现波动大、超出环保指标等
情况。

为保证机组的安全环保运行，对脱硝系统出口烟气中NOX含量控制提出了较高的要求，采用模型预测控制算法，有效提高了脱硝系统的控制品质。

某厂超临界机组脱硝常规控制系统采用喷氨控制，控制机组的脱硝效率，同时兼顾脱硝系统出口烟气中NOX含量在一定范围内波动。

该系统采用常规PID控制系统，对于脱硝效率这类大迟延对象，控制效果不是很理想，在启停磨煤机和变负荷过程中经常出现出口烟气中NOX含量大幅波动的现象，远远超出了环保标准，需要运行人员频繁干预。

如何兼顾好脱硝效率和出口烟气中NOX含量的波动范围是该机组脱硝控制系统始终存在的一大难题，当采用控制机组脱硝效率的方式时，常规PID控制系统很难
保证脱硝效率在设定值附近波动的同时，脱硝系统出口烟气中NOX含量也达到环保标准。

改进后的脱硝控制方法以控制机组出口烟气中NOX含量为主，同时兼顾脱硝效率，
当脱硝效率未达上限前以控制机组出口烟气中NOX含量为主，当效率超过上限值后，自动增加出口烟气中NOX含量设定值，使效率始终在上限值以内。

具体控制逻辑如图1所示。

模型预测控制算法由三部分组成，即预测模型、滚动优化和反馈校正。

预测模型根据对象的历史信息和未来输入预测其未来输出，具有展示系统未来动态行为的功能，观察对象在不同控制策略下的输出变化。

预测控制的优化是一种有限时段的滚动优化，滚动优化即通过使某一性能指标达到最优来确定未来的控制作用，这一性能指标涉及到系统未来的行为，这一行为是根据预测模型由未来的控制策略决定的。

为防止模型失配或环境干扰引起的控制对理想状态的偏离，需要进行反馈校正，该校正作用只是对本时刻的控制起作用。

预测控制不仅基于模型，而且利用了反馈信息，构成了闭环优化。

首先需要建立脱硝控制系统数学模型，针对某厂600 MW超临界机组脱硝控制系统具体建模方法如下：
（1）喷氨量对SCR（选择性催化还原）脱硝装置出口烟气中NOX含量的数学模型。

SCR脱硝装置是通过控制喷氨量使得烟气中NOX含量在SCR反应器中发生还原
反应进而使反应器出口烟气中NOX含量达到标准要求。

对于SCR装置的控制系
统来说，其被控变量为SCR出口烟气中NOX含量，喷氨量是控制系统中的控制
变量。

通过试验获得的喷氨流量对SCR装置出口烟气中NOX含量的数学模型为：
式中：s为频域算子。

（2）SCR装置入口烟气中NOX含量对SCR装置出口烟气中NOX含量的数学模型。

影响SCR装置出口烟气中NOX含量的一个主要扰动因素来自于SCR装置入口烟
气中NOX含量，在喷氨量不变的情况下，当SCR装置入口烟气中NOX含量增加时，SCR装置出口烟气中NOX含量也会随之增加。

SCR装置入口烟气中NOX含量会随煤种成分和燃烧状态的变化而变化。

我国现役大型燃煤火电机组，均采用直吹式制粉系统，一台锅炉配备多台磨煤机，在运行过程中，经常会出现不同磨煤机送入不同煤种的情况，而燃烧状态的改变会影响燃烧温度，导致烟气中NOX含量的变化，这就造成了SCR装置入口烟气中NOX含量的不断变化，进而使SCR装置出口烟气中NOX含量偏离期望值，因此建模时需要将SCR装置入口烟气中NOX含量作为系统的一个扰动变量，以反映煤质的变化和燃烧状态变化对SCR装置出口烟气中NOX含量的影响，建立SCR装置入口烟气中NOX含量对SCR装置出口烟气中NOX含量的扰动通道模型。

通过试验获得的SCR装置入口烟气中NOX含量对SCR装置出口烟气中NOX含量的数学模型为：
（3）磨组启停对SCR装置出口烟气中NOX含量的数学模型。

磨组启停对SCR装置出口烟气中NOX含量影响较大，尤其当磨组启动时，出口NOX浓度很容易超出环保标准，因此建立磨组启停对SCR装置出口烟气中NOX 含量的模型是抑制SCR装置出口烟气中NOX含量超标的重要手段。

一般根据不同层磨组的情况加入加权系数，上层磨组对SCR装置出口烟气中NOX含量的模型权重较大。

通过试验获得磨组启停对SCR装置出口烟气中NOX含量的数学模型为：
式中：k为加权系数。

建立数学模型后，采用预测控制算法对脱硝系统进行优化控制，其控制原理图如图2所示。

在图2中，主通道模型和扰动模型加入预测控制系统后，系统根据各种模型预测被控对象SCR装置出口烟气中NOX含量未来时刻的变化情况，根据未来有限时
域的控制偏差进行滚动优化获得最优的控制量，同时将预测模型偏差送入控制系统来实时校正，保证了系统的鲁棒性。

在上述控制策略中当调节阀门开度达到上、下限值后需要对预测控制器进行约束优化，具体方法是将阀门开度上、下限作为预测控制器上下限的约束条件，在此范围内产生优化控制量以防止积分饱和问题。

使用国网浙江省电力公司电力科学研究院研发的TOP7热工优化控制系统，并应
用其脱硝优化组件，实现脱硝系统的模型预测控制。

该产品基于电站优化控制的最新要求自主研发，在考虑介入DCS（分散控制系统）实时控制要求的同时，充分
满足对高级优化控制算法的运算能力要求。

TOP7系统硬件主要包括：机柜及配套组件、冗余网络交换机、上位高性能计算服务器、下位控制处理器、冗余24 V电源及切换器、MODBUS通讯卡件、I/O卡件、可折叠收缩式KVM显示器和相应的接线端子牌及继电器。

系统网络拓扑图如图3所示。

脱硝控制优化策略在TOP优化平台上实施，优化控制平台从原DCS取得生产数据，经过多种优化算法的加载，完成控制功能，并将优化结果送回原DCS。

其中
上位软件需要完成组态、监控、通信、数据管理、数据优化以及数据记录等相关功能。

采用上述优化控制算法前，在变负荷的过程中脱硝系统控制一般需要进行人工干预，应用优化系统后，脱硝系统响应平稳，完全处于自动状态，不需运行人员操作干预。

图4是在机组AGC（自动发电控制）变负荷工况下的响应曲线。

图4 中，机组负荷由460 MW变化到310 MW，再由310 MW变化到430 MW，SCR装置出口烟气中NOX含量响应比较平稳，动态偏差在±10 mg/m3以内，满足现场运行工况的要求。

整个过程处于自动调整状态，未出现人工干预的情况。

在目前运行的火电机组上，应用本文研究的脱硝系统模型预测控制算法以及实施方
案，对分散控制系统组态只需做少量修改，即可明显改善脱硝系统的控制品质，提高锅炉运行的安全性和环保性，具有较大的借鉴意义。

【相关文献】
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