基于粒子群優(yōu)化的選擇性催化還原脫硝控制系統(tǒng)仿真

王 瑾，董 澤

(華北電力大學(xué) 控制與計算機工程學(xué)院，河北 保定071003)

0 引言

煤炭作為重要的能源資源，在目前乃至以后很長一段時間，在能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)主要位置。煤炭的主要消耗方式為燃燒，占了約70%，其中，燃煤電站是煤炭燃燒的主要消耗方，燃煤鍋爐燃燒煤炭產(chǎn)生大量煙氣，煙氣中的NOx是人為NOx源的主要來源之一。根據(jù)最新排放標準GB 13223－2003 《火電廠大氣污染物排放標準》中對電站NOx排放的規(guī)定［1］，2004 年后燃煤電站的NOx最高允許排放濃度為450 ～650 mg/m3。而目前，中國的NOx年排放量僅次于美國，年排放量保持在1 000 萬t 級的水平之上［2］，且中國在控制NOx排放的技術(shù)上還遠遠落后于先進國家，因此，了解燃煤電站NOx的現(xiàn)狀，掌握其產(chǎn)生的激勵，實現(xiàn)NOx排放的有效控制，是落實節(jié)能減排任務(wù)的重中之重。氮氧化物是形成區(qū)域細粒子污染和灰霾的重要原因，也是生成臭氧造成全球氣候變暖的重要前體物之一，會對人體造成較大的健康威脅，并對水生和陸地的生態(tài)系統(tǒng)造成破壞，火電廠排放煙氣中的污染物，需要集中控制的為SO2，NOx和煙塵，其中，NOx主要包括NO，NO2，以及少量的N2O 等，其中NO 占90%，NO2占5% ～10%，N2O 占大約1%，因此燃煤電站NOx的生成與排放量主要取決于NO。

1 SCR 法脫硝基本原理

選擇性催化還原技術(shù)(selective catalytic reduction，SCR)是目前應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的煙氣脫硝技術(shù)之一，其原理是利用噴射NH3與催化劑(鐵、釩、鉻、鈷等金屬)在溫度為200 ～450 ℃時將NOx還原為N2。主要反應(yīng)式如下［1］:

其中，NH3，CO，H2，甲烷、乙烯、丙烷、丙烯等都可作為反應(yīng)的催化劑，反應(yīng)時，煙氣中的NOx和注入的NH3幾乎以等摩爾比進行反應(yīng)，可以得到80% ～90%以上的脫銷效率。SCR 脫銷基本反應(yīng)原理如圖1 所示［3］。

圖1 SCR 脫硝反應(yīng)原理

2 SCR 脫硝系統(tǒng)

2.1 SCR 脫銷系統(tǒng)組成

煙氣脫硝系統(tǒng)由還原劑制備系統(tǒng)和脫硝反應(yīng)系統(tǒng)兩部分組成，脫硝反應(yīng)系統(tǒng)包括稀釋空氣供應(yīng)系統(tǒng)、SCR 催化反應(yīng)器、噴氨系統(tǒng)。液氨存儲和供應(yīng)系統(tǒng)包括液氨卸料壓縮機、液氨儲槽、液氨蒸發(fā)槽、氨氣緩沖槽和氨氣稀釋槽、廢水泵和廢水池［4］等。典型的SCR 工藝流程主要包含以下幾個步驟:

(1)氨的制備與儲存;

(2)氨的蒸發(fā)及與預(yù)混空氣相混合;

(3)氨與空氣充分混合后，在反應(yīng)器的適當位置噴入煙氣系統(tǒng)，其位置常在反應(yīng)器入口附近的煙氣管路內(nèi);

(4)噴入的混合氣體與煙氣的混合;

(5)各反應(yīng)物向催化劑表面的擴散并進行反應(yīng)。

2.2 SCR 脫銷系統(tǒng)的工藝布置

電廠SCR 反應(yīng)器一般選用高溫高塵段布置工藝［5］，將反應(yīng)器布置在省煤器的下游、空氣預(yù)熱器和除塵器的上游，其優(yōu)點是進入的煙氣溫度較高，可到達280 ～420 ℃，催化劑在這個溫度范圍內(nèi)有較高的催化活性，煙氣不需要進行再熱即可取得良好的脫硝效果。工藝布置圖如圖2 所示。

圖2 SCR 工藝系統(tǒng)布置圖

3 SCR 脫硝控制系統(tǒng)

SCR 脫硝法氨逃逸率較小，脫氨效率可高達90% 以上，為了使SCR 脫氨系統(tǒng)可以連續(xù)、可靠、有效地運行，需要設(shè)計一個性能良好的自動控制系統(tǒng)。在SCR 脫硝控制中，最重要的運行參數(shù)是煙氣流速、煙氣溫度、SO3濃度、氧氣濃度、氨逃逸量、水蒸氣濃度等，根據(jù)工藝特點和流程，主要的模擬量調(diào)節(jié)包括了SCR 反應(yīng)器氨氣流量控制、液氨蒸發(fā)槽溫度控制、氨氣緩沖槽壓力控制等，其中模擬量調(diào)節(jié)系統(tǒng)的核心控制為SCR 反應(yīng)器氨氣流量控制。

3.1 氨氣流量及出口NOx 濃度的控制

由于氨氣脫硝是一個遲延過程，在實行脫硝控制策略前首先要考慮以下問題:(1)NOx測量信號存在較大的滯后;(2)NOx在催化劑作用下的時間復(fù)雜性;(3)氨氣逃逸率控制。綜合考慮以上問題，提出了出口NOx定值控制方式。該控制方式控制反應(yīng)器NOx為定值，較常規(guī)方法更容易監(jiān)視，同時氨氣損耗量更小。SCR 煙氣脫硝系統(tǒng)測量入口和出口的NOx濃度進行處理，得到預(yù)置摩爾比并計算出所需的NH3流量，其控制原理如圖3。

圖3 SCR 變摩爾比控制原理圖

測得的脫硝反應(yīng)器入口NOx濃度信號與煙氣流量相乘得到NOx流量信號，與預(yù)置的摩爾比相乘即得到所需的氨氣流量，將氨氣流量信號作為測量值送入PID 控制器，同時，經(jīng)過氨氣壓力、溫度信號修正的氨氣流量設(shè)定值也被送入PID 控制器，通過計算出的氨氣需求量信號調(diào)節(jié)噴氨控制閥的開度。由此實現(xiàn)了氨氣脫硝的自動控制。

SCR 出口NOx定值控制方式為雙回路控制系統(tǒng)，由于系統(tǒng)具有反饋滯后與響應(yīng)滯后，氨氣流量控制回路引入設(shè)定負荷與實際負荷偏差作為前饋，當負荷有較大波動時可提前噴射氨氣，增強控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)的及時性。出口NOx濃度控制回路中，利用入口NOx濃度實際測量值與出口NOx設(shè)定值計算預(yù)脫氨效率和預(yù)置摩爾比，預(yù)置摩爾比作為摩爾比控制器的輸出基準，出口NOx濃度測量值和出口NOx設(shè)定值進行比較后經(jīng)過PID 控制器輸出，其輸出作為修正量，最終得到系統(tǒng)目前需要的摩爾比。該摩爾比信號作為摩爾比設(shè)定值，控制氨的流量，保證出口NOx穩(wěn)定在設(shè)定值上。

3.2 加熱蒸汽溫度和液氨壓力的控制

加熱蒸汽溫度選用單回路控制，脫氨系統(tǒng)運行后，調(diào)節(jié)蒸汽進口閥開度將氨氣出口溫度控制在30 ℃左右。液氨出口壓力控制也為單回路控制，通過調(diào)節(jié)蒸發(fā)器氨液入口閥控制氨氣出口壓力。由于實際工況中，負荷變化時氨流量變化大，在控制回路中加入流量指令信號作為前饋，以實現(xiàn)優(yōu)先調(diào)節(jié)壓力，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的作用，完善其后的氨流量控制。

4 SCR 脫硝控制系統(tǒng)的優(yōu)化及調(diào)試

控制對象的傳遞函數(shù)選擇國華三河電廠二期2 ×300 MW 機組的參數(shù)［6］，其中，氨氣流量響應(yīng)函數(shù)Fcn1 = 4. 11/(16s2+ 2s+ 1)，出口NOx濃度響應(yīng)函數(shù)Fcn2 = －1. 7e－13s(10 230s2+196s+1)－1。

4.1 粒子群(PSO)算法的基本原理

PSO 的基本思想是把每個優(yōu)化問題的解看成搜索空間中的粒子，每個粒子都具有優(yōu)化函數(shù)決定的適應(yīng)值(Fitness Value)和一個速度向量決定其飛翔的方向和距離。PSO 首先對一群隨機粒子進行初始化(初始速度、位移及其決定的適應(yīng)值隨機化)，然后迭代搜索最優(yōu)解。每個迭代過程中，粒子跟蹤兩個最優(yōu)值來更新自己的坐標，第一個就是當前時刻粒子本身所找到的最優(yōu)解Xbesti，即個體最優(yōu)值。另一個最優(yōu)值是整個種群目前找到的最優(yōu)解Xbestg，即全局最優(yōu)解［7］。

假設(shè)在一個N維的目標搜索空間中(N代表Q(x)中未知因子個數(shù)，即優(yōu)化參數(shù))，有m個粒子組成的一個群體(m組可能解)，其中第i個粒子的位置表示為向量xi= (xi1，xi2，…，xiN)，其速度也是一個N維的向量，記為Vi= (vi1，vi2，…，viN)。隨機產(chǎn)生一組Xi，作為第一代初始種群，將Xi代入目標函數(shù)Q(xi)即可計算出其適應(yīng)值，適應(yīng)值的大小衡量Xi的優(yōu)劣。設(shè)粒子i迄今經(jīng)歷的最優(yōu)位置記為Xbesti= (xi1，xi2，…xiN)，相應(yīng)的適應(yīng)值記為Qbesti，則粒子i的當前最好位置可表示為［8］:

搜索過程中粒子群經(jīng)歷的最優(yōu)位置記為Xbestg= (xg1，xg2，…，xgN)，其對應(yīng)的適應(yīng)值即為全局最優(yōu)解記為Qbestg。粒子根據(jù)式(1)更新自己的速度:

其中:i=1，2，…，m，n=1，2，…，N，t代表第t代，c1，c2為認知因子和社會因子，r1，r2為0 ～1 之間的隨機變量，ω為慣性權(quán)重，平衡全局搜索和局部搜索。然后按式(3)來確定新的位置:

這樣迭代下去直至達到要求得到最優(yōu)值。

4.2 PSO 優(yōu)化算法的設(shè)計

在實際應(yīng)用中，粒子群算法是一種較好的全局優(yōu)化算法，但它不能完全保證所得解的可行性和最優(yōu)性，因此要求比較準確地優(yōu)化上限與下限及參數(shù)的設(shè)計。由Matlab/Simulink 對該系統(tǒng)進行串級控制仿真，得到主副PID 參數(shù)，控制結(jié)果如圖4 所示，由此確定優(yōu)化變量的上下限為優(yōu)化變量速度限制為:Vmax= ［0.5，5，0.1，5］;粒子個數(shù)和進化代數(shù)均選擇10，慣性權(quán)重區(qū)間為［0.8 1.2］。程序見附錄，得到的優(yōu)化結(jié)果如圖5 所示。

圖4 基于串級PID 的SCR 脫硝控制曲線

圖5 基于PSO 優(yōu)化的SCR 脫硝控制結(jié)果

由結(jié)果可知，當出口NOx濃度上升時，串級PID 經(jīng)過16 min 控制出口NOx濃度維持在穩(wěn)定值，噴氨流量超調(diào)較大，不能很好地抑制內(nèi)擾，PSO優(yōu)化控制算法經(jīng)過10 min 控制出口NOx濃度維持在穩(wěn)定值，超調(diào)量控制在20%以內(nèi)，噴氨流量能在較快時間內(nèi)做出反應(yīng)，閥門開度反饋的變化也在執(zhí)行機構(gòu)可接受的范圍內(nèi)。內(nèi)擾是由于模型內(nèi)部的遲延慣性導(dǎo)致的，而PSO 算法是基于系統(tǒng)狀態(tài)進行搜索迭代，得到最優(yōu)解，并不是基于模型，因此內(nèi)擾出現(xiàn)時可不受模型約束，快速消除內(nèi)擾。與串級PID 控制相比，該優(yōu)化算法能更快地進行響應(yīng)、使系統(tǒng)穩(wěn)定。

5 結(jié)論

SCR 出口NOx定值控制策略比常規(guī)方法更容易進行監(jiān)視，且有效地節(jié)省氨氣的使用量。PSO算法能夠很好地對控制對象進行優(yōu)化，能比串級PID 控制更好地抑制內(nèi)擾，減少對執(zhí)行機構(gòu)的損耗，節(jié)省氨氣，使系統(tǒng)能夠更快地穩(wěn)定在設(shè)定值，從而達到更好的控制效果。

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