內(nèi)模隨動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)，辨識出鍋爐煙氣NOx被控對象的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計應(yīng)用SCR脫硝內(nèi)模隨動控制系統(tǒng)并應(yīng)用在OC6000e分散控制系統(tǒng)組態(tài)中。實踐應(yīng)用表明SCR脫硝內(nèi)模隨動控制系統(tǒng)具有良好的抗擾能力及對象時變適應(yīng)性。

內(nèi)模控制；脫硝；噴氨控制

0 引言

我國2011年通過的“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，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，脫硝效率達(dá)到最高。如果噴氨量過低，SCR出口NOx含量相對升高，脫硝效率降低，達(dá)不到減排要求；噴氨量過高，則氨逃逸量會升高，不僅不經(jīng)濟(jì)，還會在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)是一個大遲延、大慣性的過程，加之NOx在線監(jiān)測儀表CEMS的過濾—連續(xù)抽樣—冷凝—二次過濾—化學(xué)分析過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)過一個漫長的遲延時間，才能波及NOx監(jiān)測量改變，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)量變化都會對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)量的時變性及對煙氣NOx變化的強(qiáng)擾動特性，導(dǎo)致來自系統(tǒng)內(nèi)外擾動極大，傳統(tǒng)的手動控制、PID自動控制等現(xiàn)場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）是一種基于過程數(shù)學(xué)模型進(jìn)行控制設(shè)計的新型控制策略，原理是將實際被控對象同被控對象的數(shù)學(xué)模型之間的誤差同系統(tǒng)設(shè)定值相比較，由被控對象的逆模型求得實時控制量。IMC的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 IMC結(jié)構(gòu)

圖1中，PV為被控對象過程量，SP為被控對象設(shè)定值，Gp為現(xiàn)場過程，Gm為現(xiàn)場過程仿真模型，Gn為擾動過程，Gc為現(xiàn)場過程內(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。假定過程環(huán)節(jié)Gp，Gm和Gc都是穩(wěn)定的，當(dāng)模型與被控對象傳遞函數(shù)相等時，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

在給定值擾動下，ypv（s）=rsp（s）

在外部擾動時，ypv（s）=0

這說明，若辨識所得過程數(shù)學(xué)模型同現(xiàn)場過程完全相等，那么內(nèi)模控制系統(tǒng)在任何時間內(nèi)都能消除任何外部擾動，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時的內(nèi)模控制具有對偶穩(wěn)定特性，控制系統(tǒng)相當(dāng)于開環(huán)控制，只要開環(huán)部分Gp穩(wěn)定，控制器Gc穩(wěn)定，則整個系統(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

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象，通過階躍擾動動態(tài)特性試驗可以明顯看出該對象的大遲延、大慣性、強(qiáng)擾動特點(diǎn)。結(jié)合動態(tài)特性試驗，根據(jù)系統(tǒng)辨識法，求得了兩臺機(jī)組NOx排放量在偏差為階躍輸入、工況平穩(wěn)無擾動時的近似數(shù)學(xué)模型，其降階后傳遞函數(shù)為

事實上，鍋爐排煙NOx含量的變化是一個很復(fù)雜的過程，受到來自機(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)門開度等參數(shù)影響很大，且都具有不同的遲延特性，因此對所有擾動逐一解耦是難以實現(xiàn)的；另外NOx在線監(jiān)測分析系統(tǒng)CEMS具有自動防堵取樣管吹掃功能，吹掃過程中NOx檢出值被閉鎖防止大幅波動，但系統(tǒng)NOx真實值是實時變化的，吹掃結(jié)束后NOx檢出值存在無法預(yù)期的趨勢，因此NOx被控對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，因為根據(jù)IMC理論，內(nèi)模控制的性質(zhì)決定了當(dāng)過程數(shù)學(xué)模型與實際控制對象失配時，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被控對象的過程辨識模型及其內(nèi)模控制器進(jìn)行實時處理。利用工業(yè)現(xiàn)場任何品牌DCS都具有的DELAY遲延功能塊和LEAD／LAG超前滯后功能塊即可實現(xiàn)。由于被控對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實現(xiàn)。此時，系統(tǒng)需要整定的參數(shù)只有二階慣性濾波器的時間常數(shù)，參數(shù)選取合適時便可以大大提高系統(tǒng)的快速性和魯棒性，在工業(yè)現(xiàn)場非常便于實現(xiàn)。另外針對NOx含量擾動影響較大的風(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)模隨動控制系統(tǒng)以提高負(fù)荷響應(yīng)的能力。SAMA圖設(shè)計如圖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被控對象的過程控制策略。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)量隨動環(huán)節(jié)的增益和時間常數(shù)分別根據(jù)鍋爐主控擾動及風(fēng)量階躍擾動試驗求得。

5 煙氣脫硝內(nèi)模控制效果分析

排放量內(nèi)模控制在華能華能濟(jì)寧運(yùn)河發(fā)電公司1號、2號機(jī)組投運(yùn)后，NOx煙氣含量在鍋爐負(fù)荷、風(fēng)量無擾動時的試驗趨勢如圖4～6所示。

在鍋爐負(fù)荷、風(fēng)量、煤量擾動存在且大幅波動時，NOx控制的動態(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)定值階躍擾動特性1

圖5 IMC脫硝控制設(shè)定值階躍擾動特性2

圖6 IMC脫硝控制設(shè)定值階躍擾動及負(fù)荷擾動特性

圖7 1號機(jī)組IMC脫硝控制曲線

TK323

A

1007－9904（2016）12－0060－03