加權多模型自適應控制在脫硝系統中的應用

金秀章　尹子劍　張少康　劉　瀟

(華北電力大學控制與計算機工程學院，河北 保定　071003)

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加權多模型自適應控制在脫硝系統中的應用

金秀章尹子劍張少康劉瀟

(華北電力大學控制與計算機工程學院，河北 保定071003)

針對火電廠變負荷運行時SCR脫硝系統出口NOx濃度波動較大的問題，采用加權多模型自適應控制(WMMAC)策略對出口NOx濃度進行控制，建立了能夠覆蓋不同負荷下被控對象動態特性的模型集。針對每個模型設計相應的PID控制器，給出計算各控制器控制作用權值的指標函數。在脫硝系統出口NOx濃度控制中，通過Matlab仿真，對比變負荷工況下單一PID控制策略和WMMAC控制策略的控制效果，驗證了采用WMMAC控制策略能有效提高系統的動態品質。

火電廠加權多模型自適應控制SNCR脫硝濃度控制器模型集指標函數變負荷PID控制

0　引言

火電廠燃煤機組排放的氮氧化物(NOx)是造成大氣污染的主要污染物之一，可以形成酸雨和光化學煙霧，是霧霾的主要成分。根據《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223-2011)，燃煤鍋爐NOx排放濃度不得高于100mg/m3。為了減少NOx的排放量，改善空氣質量，脫硝裝置成為了電廠必不可少的組成部分。良好的控制系統是保證脫硝裝置正常運行和NOx排放濃度的關鍵。電廠的負荷由電網需求決定，一天之中可能變化較大，而負荷的改變會引起被控對象動態特性的改變。如果采用普通的單一PID控制策略，控制效果往往不理想。

針對變工況和參數不確定性問題，人們提出了多模型自適應控制[1]方法。早在20世紀70年代，Lainiotis提出了基于卡爾曼濾波器的加權多模型控制，以提高狀態估計的準確性[2]。多模型自適應控制經歷了40余年的發展，已成功應用于各行各業[3-5]。

本文首先簡要闡述了脫硝原理和工藝流程，然后給出了典型的脫硝系統出口NOx濃度的控制回路，分析了變負荷時采用單一PID控制效果變差的原因，提出采用加權多模型自適應控制(weightedmultiplemodeladaptivecontrol,WMMAC)方法來滿足不同負荷的控制需求。試驗結果表明，當系統變負荷運行時，采用WMMAC可以有效減小脫硝系統出口NOx濃度的波動，保證出口NOx濃度不超出允許范圍，滿足環保要求。

1　脫硝系統原理及工藝流程

目前，火電廠煙氣脫硝技術主要有選擇性催化還原法(selectivecatalyticreduction,SCR)[6-7]和選擇性非催化還原法(selectivenon-catalyticreduce,SNCR)[8-9]。SCR法以其脫硝效率高、氨逃逸量小的優點，得到了廣泛的應用。SCR法采用液氨作為還原劑，將NOx還原為N2，并且使用催化劑，以增強反應活性。反應方程式如下：

(1)

(2)

(3)

SCR脫硝工藝系統如圖1所示。液氨由氨存儲器流入蒸發器中蒸發成30 ℃左右的氨氣。氨氣經緩沖罐穩壓后與稀釋風機送來的空氣混合，再經過氨噴射格柵與鍋爐混合均勻后進入SCR反應器。混合氣體流過均流板和催化劑層，完成還原反應，然后經過空氣預熱器、電除塵器、引風機進入脫硫系統，并排入大氣。

圖1　SCR脫硝工藝系統示意圖

2　氨氣流量和出口NOx濃度控制

在脫硝控制系統中，最重要的是進行氨氣流量和出口NOx濃度控制，構成串級控制系統，如圖2所示。出口NOx濃度為主調節參數；氨氣流量為副調節參數。利用出口NOx濃度設定值和實時測量的煙氣流量、入口NOx濃度，計算得到噴氨量理論計算值[10-11]。將此值作為前饋信號與主調節器的輸出求和，其結果為噴氨量設定值。通過串級控制，可以快速克服由于噴氨調門開度的非線性對噴氨量造成的干擾，能有效地將出口NOx濃度穩定在設定值。

圖2　串級控制系統

在實際運行中，鍋爐負荷變化會對被控對象，尤其是主對象動態特性產生較大影響。當負荷升高時，煙氣流量增加，同等的噴氨量變化所能夠造成的出口NOx濃度變化量減小，由此導致被控對象的靜態增益和時間常數發生變化；反之亦然。

京隆電廠1#機組通過試驗，辨識出不同負荷下對象動態特性，如表1所示。

表1　對象動態特性

由表1可知，被控對象不能用單一的數學模型描述。在這種情況下，若采用單一的PID參數，則很難達到較好的控制效果，會使出口NOx濃度產生較大波動，很可能超出允許的濃度范圍。采用WMMAC，可以很好地解決這一問題。

3　WMMAC原理

多模型自適應控制主要分為兩類：基于切換的多模型自適應控制和基于加權的多模型自適應控制。由于在模型切換過程中，采用基于切換的多模型自適應控制，系統輸出會產生較大跳變，影響系統的穩定性[11]；而加權多模型自適應控制模型變換過程較平滑。因此，本文采用加權多模型自適應控制。

WMMAC原理框圖如圖3所示。在被控對象傳遞函數的參數附近選取參數構成模型集，以覆蓋不同負荷下被控對象的動態特性。對模型集中的每個模型設計相應的子控制器，將各子控制器控制信號的加權和作為全局控制器的輸出up(k)，對被控對象進行控制，同時也將up(k)輸出到模型集。計算每個時刻各模型輸出與對象輸出之間的偏差，通過指標函數得到各子控制器的權值。

圖3　WMMAC原理圖

3.1模型集的選取

在模型集的選取方面，模型數量不宜過少，否則不足以覆蓋整個對象的動態特性；同時模型又不宜過多，以造成模型之間的競爭，導致計算時間的浪費。

首先，對于圖2，整定副回路PI參數結果，結果如表2所示。

表2　副回路PI參數整定

然后，將圖2虛線框中的整體看作被控對象，得到350 MW、450 MW、550 MW三個負荷下被控對象的傳遞函數，并分別將其作為模型1、模型3、模型6。由于負荷增加時被控對象的靜態增益和時間常數均為單調變化，所以在這三個模型之間再插入模型2、模型4、模型5，使得這六個模型較好地覆蓋了350～550 MW負荷下對象的動態特性。對模型集中的每一個模型，整定其對應的主調節器參數，如表3所示。

表3　模型集及其PID參數整定

3.2指標函數的選取

全局控制信號up(k)為各控制器控制信號umi(k)的加權和:

(4)

式中：n為模型個數；wi為權值。

(5)

式中：Jpmi為指標函數。我們采用如下指標函數：

(6)

式中：yp(k)為對象輸出；ymi(k)為各模型輸出；k0為當前時刻；N為觀測周期，且N

4　仿真分析

通過仿真，模擬電廠負荷增加時的情況。在零時刻向系統輸入一個階躍信號，負荷為350MW，運行至2 600s；在接下來的2 000s內，負荷從350MW逐漸增加到550MW。

單一PID控制和WMMAC控制效果對比如圖4所示。

圖4　控制效果對比圖

采用WMMAC策略，通過式(4)～式(6)來計算全局控制信號up(k)，取N=20，得到yp的響應曲線如圖4(d)所示。

由圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)可見，當采用單一PID控制時，在負荷升高過程中，出口NOx濃度均會產生較大波動。這說明單一PID控制在變負荷情況下，無法實現良好的控制；而采用WMMAC方法，控制器1～控制器6對應的權值w1～w6的變化如圖5所示。當機組運行在350MW時，控制器1的權值接近1，其他控制器的權值接近0。在負荷增加的過程中，也就是被控對象的動態特性變化的過程中，當被控對象的動態特性接近模型集中某個模型的動態特性時，此模型對應控制器的權值就會增大，或者說此模型對應的PID控制器起主要作用。最終對象的動態特性與模型6相同，控制器6的權值接近1。

圖5　變負荷時WMMAC權值變化對比圖

5　結束語

本文在分析脫硝系統的工藝流程和出口NOx濃度的典型控制回路的基礎上，提出了運用WMMAC的方法解決鍋爐負荷變化造成出口NOx濃度波動較大的問題。具體設計了模型集，給出了計算權值的指標函數，并用Matlab進行仿真，驗證了變負荷運行時采用WMMAC的有效性。相比采用單一PID控制，WMMAC能夠有效減小脫硝系統出口NOx濃度波動，改善動態品質，保證出口NOx濃度不超出允許范圍。WMMAC的基本思想簡單，在現場易于實現，具有較強的實用性。

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ApplicationofWeightedMultipleModelAdaptiveControlinDenitrationSystem

AimingattheproblemthatthelargerfluctuationofNOxconcentrationoccursattheoutletofSCRdenitrationsystemduringthethermalpowerplantisoperatingundervariableloadmode,aweightedmultiplemodeladaptivecontrol(WMMAC)strategyisappliedtocontroltheNOxconcentrationatoutlet.Themodelsetisdeveloped,whichcancoverthedynamiccharacteristicsofcontrolledobjectunderdifferentload.AppropriatePIDcontrollerisdesignedforeachmodel,andtheindexfunctionforcalculatingtheweightofcontrolactionisgiven.ThecontroleffectsofsinglePIDcontrolstrategyandWMMACstrategyundervariableloadoperatingconditionarecomparedthroughMatlabsimulation.ItisverifiedthatinNOxconcentrationcontrolatoutletofdenitrationsystemusingWMMACcontrolstrategycaneffectivelyimprovethedynamicqualityofthesystem.

ThermalpowerplantWeightedmultiplemodeladaptivecontrol(WMMAC)Selectivenon-catalyticreduce(SNCR)DenitrationConcentrationControllerModelsetIndexfunctionVariableloadPIDcontrol

金秀章(1969—)，男，2006年畢業于華北電力大學控制理論與工程專業，獲博士學位，副教授;主要從事大型發電機組先進控制策略的研究。

TH-39;TP273

ADOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201609021

修改稿收到日期：2016-04-28。