內(nèi)模隨動(dòng)控制在電廠脫硝控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

陳亮

（華能濟(jì)寧運(yùn)河發(fā)電有限公司，山東濟(jì)寧272100）

內(nèi)模隨動(dòng)控制在電廠脫硝控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

陳亮

（華能濟(jì)寧運(yùn)河發(fā)電有限公司，山東濟(jì)寧272100）

根據(jù)電廠鍋爐煙氣氮氧化物（NOx）的控制特點(diǎn)，辨識(shí)出鍋爐煙氣NOx被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)應(yīng)用SCR脫硝內(nèi)模隨動(dòng)控制系統(tǒng)并應(yīng)用在OC6000e分散控制系統(tǒng)組態(tài)中。實(shí)踐應(yīng)用表明SCR脫硝內(nèi)模隨動(dòng)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾能力及對(duì)象時(shí)變適應(yīng)性。

內(nèi)模控制；脫硝；噴氨控制

0 引言

我國(guó)2011年通過(guò)的“十二五”規(guī)劃綱要中，氮氧化物（NOx）排放治理被列為現(xiàn)階段減排重點(diǎn)。在此背景下，新裝火力發(fā)電機(jī)組將配套安裝脫硝裝置，而已經(jīng)建成投產(chǎn)的機(jī)組也陸續(xù)通過(guò)設(shè)備工藝改造加裝SCR或SNCR脫硝系統(tǒng)。

1 SCR煙氣脫硝原理及傳統(tǒng)控制方法

選擇性催化還原法（SCR）工藝是一項(xiàng)成熟的工業(yè)脫硝技術(shù)，它的原理是，在煙氣溫度為300～400℃、催化劑作用下，有選擇地將NO和NO2還原成N2，而幾乎不發(fā)生NH3和O2的氧化反應(yīng)。理論上，通過(guò)合理地控制反應(yīng)區(qū)溫度及噴氨量，可確保NH3逃逸量較低的同時(shí)，脫硝效率維持在90%以上。SCR工藝主要化學(xué)反應(yīng)

在SCR工藝中，最重要的控制當(dāng)屬噴氨控制。當(dāng)NH3與NOx混合反應(yīng)區(qū)摩爾比為1時(shí)，脫硝效率達(dá)到最高。如果噴氨量過(guò)低，SCR出口NOx含量相對(duì)升高，脫硝效率降低，達(dá)不到減排要求；噴氨量過(guò)高，則氨逃逸量會(huì)升高，不僅不經(jīng)濟(jì)，還會(huì)在SCR反應(yīng)區(qū)后的低溫區(qū)域（空氣預(yù)熱器）同煙氣中的酸性物質(zhì)反應(yīng)生成結(jié)晶導(dǎo)致空氣預(yù)熱器堵塞，更會(huì)造成有毒物質(zhì)氨排放二次污染［1］。

噴氨流量的精確、合理控制是SCR工藝高效運(yùn)行的前提。但是，由于NH3與NOx的反應(yīng)是一個(gè)大遲延、大慣性的過(guò)程，加之NOx在線監(jiān)測(cè)儀表CEMS的過(guò)濾—連續(xù)抽樣—冷凝—二次過(guò)濾—化學(xué)分析過(guò)程也具有顯著的遲延性，在此類大遲延的系統(tǒng)中，噴氨流量調(diào)節(jié)門改變后，總需要經(jīng)過(guò)一個(gè)漫長(zhǎng)的遲延時(shí)間，才能波及NOx監(jiān)測(cè)量改變，因此傳統(tǒng)的PID控制總是發(fā)生明顯的滯后性超調(diào)甚至呈發(fā)散特性；不僅如此，火力燃煤發(fā)電機(jī)組鍋爐中的燃燒及風(fēng)量變化都會(huì)對(duì)NOx的生成產(chǎn)生影響，在調(diào)峰機(jī)組乃至AGC調(diào)峰機(jī)組中，由于給煤量和風(fēng)量的時(shí)變性及對(duì)煙氣NOx變化的強(qiáng)擾動(dòng)特性，導(dǎo)致來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)外擾動(dòng)極大，傳統(tǒng)的手動(dòng)控制、PID自動(dòng)控制等現(xiàn)場(chǎng)控制手段難以解決此類工業(yè)控制難題［2］。

2 煙氣脫硝系統(tǒng)內(nèi)模控制原理

內(nèi)模控制（IMC）是一種基于過(guò)程數(shù)學(xué)模型進(jìn)行控制設(shè)計(jì)的新型控制策略，原理是將實(shí)際被控對(duì)象同被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型之間的誤差同系統(tǒng)設(shè)定值相比較，由被控對(duì)象的逆模型求得實(shí)時(shí)控制量。IMC的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 IMC結(jié)構(gòu)

圖1中，PV為被控對(duì)象過(guò)程量，SP為被控對(duì)象設(shè)定值，Gp為現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程，Gm為現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程仿真模型，Gn為擾動(dòng)過(guò)程，Gc為現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程內(nèi)模控制器，Gf為濾波器。濾波器的意義在于，可以配合Gc共同改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性。

由圖1可得系統(tǒng)輸出為

式中：ypv（s）為系統(tǒng)輸出狀態(tài)；rsp（s）為系統(tǒng)給定；n（s）為系統(tǒng)擾動(dòng)。假定過(guò)程環(huán)節(jié)Gp，Gm和Gc都是穩(wěn)定的，當(dāng)模型與被控對(duì)象傳遞函數(shù)相等時(shí)，若控制器Gc為模型Gm的逆，且濾波器傳遞函數(shù)為1，則有， Gf=1，那么

在給定值擾動(dòng)下，ypv（s）=rsp（s）

在外部擾動(dòng)時(shí)，ypv（s）=0

這說(shuō)明，若辨識(shí)所得過(guò)程數(shù)學(xué)模型同現(xiàn)場(chǎng)過(guò)程完全相等，那么內(nèi)模控制系統(tǒng)在任何時(shí)間內(nèi)都能消除任何外部擾動(dòng)，且能夠消除同設(shè)定值的靜態(tài)偏差。

內(nèi)模控制性質(zhì)：

1）Gp=Gm時(shí)的內(nèi)模控制具有對(duì)偶穩(wěn)定特性，控制系統(tǒng)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)控制，只要開(kāi)環(huán)部分Gp穩(wěn)定，控制器Gc穩(wěn)定，則整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定。

3）內(nèi)模控制系統(tǒng)具有零穩(wěn)態(tài)偏差特性，只要Gp穩(wěn)定，即使Gp≠Gm，只要控制器傳遞函數(shù)的增益為模型增益的倒數(shù)，則系統(tǒng)在響應(yīng)輸入偏差及擾動(dòng)后仍能夠消除靜態(tài)偏差［3］。

3 煙氣脫硝內(nèi)模控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

燃煤發(fā)電機(jī)組NOx排放量屬于傳統(tǒng)PID控制器難以控制被控對(duì)象，通過(guò)階躍擾動(dòng)動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)可以明顯看出該對(duì)象的大遲延、大慣性、強(qiáng)擾動(dòng)特點(diǎn)。結(jié)合動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)，根據(jù)系統(tǒng)辨識(shí)法，求得了兩臺(tái)機(jī)組NOx排放量在偏差為階躍輸入、工況平穩(wěn)無(wú)擾動(dòng)時(shí)的近似數(shù)學(xué)模型，其降階后傳遞函數(shù)為

事實(shí)上，鍋爐排煙NOx含量的變化是一個(gè)很復(fù)雜的過(guò)程，受到來(lái)自機(jī)組負(fù)荷、風(fēng)量、煤量、煤種、低氮燃燒器頂部燃盡風(fēng)SOFA風(fēng)門開(kāi)度等參數(shù)影響很大，且都具有不同的遲延特性，因此對(duì)所有擾動(dòng)逐一解耦是難以實(shí)現(xiàn)的；另外NOx在線監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)CEMS具有自動(dòng)防堵取樣管吹掃功能，吹掃過(guò)程中NOx檢出值被閉鎖防止大幅波動(dòng)，但系統(tǒng)NOx真實(shí)值是實(shí)時(shí)變化的，吹掃結(jié)束后NOx檢出值存在無(wú)法預(yù)期的趨勢(shì)，因此NOx被控對(duì)象還具有一定的非線性特性。因此選用內(nèi)模控制是非常合適的，因?yàn)楦鶕?jù)IMC理論，內(nèi)模控制的性質(zhì)決定了當(dāng)過(guò)程數(shù)學(xué)模型與實(shí)際控制對(duì)象失配時(shí)，內(nèi)模控制的PV仍逼近SP，具有高度自適應(yīng)性［4］。

NOx排放量的內(nèi)模控制系統(tǒng)中不使用經(jīng)典的PID控制器，而采用NOx被控對(duì)象的過(guò)程辨識(shí)模型及其內(nèi)模控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。利用工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)任何品牌DCS都具有的DELAY遲延功能塊和LEAD／LAG超前滯后功能塊即可實(shí)現(xiàn)。由于被控對(duì)象的最小相位部分近似為二階慣性環(huán)節(jié)，因此內(nèi)模控制器采用其最小相位部分的逆模型串接二階慣性濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。此時(shí)，系統(tǒng)需要整定的參數(shù)只有二階慣性濾波器的時(shí)間常數(shù)，參數(shù)選取合適時(shí)便可以大大提高系統(tǒng)的快速性和魯棒性，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)非常便于實(shí)現(xiàn)。另外針對(duì)NOx含量擾動(dòng)影響較大的風(fēng)、煤因素，以鍋爐主控輸出及總風(fēng)量作為NOx的設(shè)定值偏置，組成NOx內(nèi)模隨動(dòng)控制系統(tǒng)以提高負(fù)荷響應(yīng)的能力。SAMA圖設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 IMC脫硝控制SAMA圖

4 煙氣脫硝內(nèi)模控制在OC6000e分散控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

OC6000e分散控制系統(tǒng)中提供了DELAY遲延功能塊和LEAD/LAG超前滯后功能塊。利用其搭建NOx被控對(duì)象的過(guò)程控制策略。構(gòu)建SAMA圖如圖3所示。

圖3 IMC脫硝控制在OC6000e中的邏輯組態(tài)

過(guò)程數(shù)學(xué)模型及逆模型控制器參數(shù)根據(jù)系統(tǒng)辨識(shí)求取的傳遞函數(shù)進(jìn)行設(shè)置。慣性濾波器參數(shù)同逆模型控制器參數(shù)一并設(shè)置在控制器LEAD/LAG功能塊中。鍋爐主控輸出及總風(fēng)量隨動(dòng)環(huán)節(jié)的增益和時(shí)間常數(shù)分別根據(jù)鍋爐主控?cái)_動(dòng)及風(fēng)量階躍擾動(dòng)試驗(yàn)求得。

5 煙氣脫硝內(nèi)模控制效果分析

排放量?jī)?nèi)模控制在華能華能濟(jì)寧運(yùn)河發(fā)電公司1號(hào)、2號(hào)機(jī)組投運(yùn)后，NOx煙氣含量在鍋爐負(fù)荷、風(fēng)量無(wú)擾動(dòng)時(shí)的試驗(yàn)趨勢(shì)如圖4～6所示。

在鍋爐負(fù)荷、風(fēng)量、煤量擾動(dòng)存在且大幅波動(dòng)時(shí)，NOx控制的動(dòng)態(tài)特性如圖7所示。

Internal Model Servo Control System Used in Power Plant Denitrification Control System

CHEN Liang
（Huaneng Jining Yunhe Power Generation Co.，Ltd.，Jining 272100，China）

According to characteristics of the power plant boiler flue gas control of nitrogen oxides，the mathematical model of the controlled object of the boiler flue gas NOxis identified，then the SCR denitration internal model servo control system is designed and applied in OC6000e distributed control system.Practical application shows the SCR denitration internal model servo control system has good immunity and adaptability.

internal model control；denitration；ammonia injection control

圖4 IMC脫硝控制設(shè)定值階躍擾動(dòng)特性1

圖5 IMC脫硝控制設(shè)定值階躍擾動(dòng)特性2

圖6 IMC脫硝控制設(shè)定值階躍擾動(dòng)及負(fù)荷擾動(dòng)特性

圖7 1號(hào)機(jī)組IMC脫硝控制曲線

TK323

A

1007－9904（2016）12－0060－03