漸近辨識建模法在1 000 MW 火電機組脫硝控制系統(tǒng)優(yōu)化中的應(yīng)用

蔣雄杰，顧奇凱，黃啟東，孫成富，馮曉露，蔣鵬飛

（1.浙江浙能嘉華發(fā)電有限公司，浙江 嘉興 314000；2.浙江大學(xué)能源工程學(xué)院，杭州 310027）

0 引言

目前發(fā)電廠SCR（選擇性催化還原）脫硝控制系統(tǒng)基本采用PID 控制方案，控制變量為氨氮摩爾比或者噴氨量，被控變量為脫硝效率或者出口NOX濃度。由于被控對象具有較大的時延性和非線性，而且干擾因素眾多，運行過程中SCR 裝置的脫硝效率或出口NOX濃度波動較大，有時SCR控制系統(tǒng)甚至無法在自動狀態(tài)下連續(xù)運行，運行人員經(jīng)常手動操作，為了達到環(huán)保標準，常常把出口NOX濃度設(shè)定值設(shè)得偏低，造成過量噴氨，這很容易導(dǎo)致下游空預(yù)器腐蝕和堵塞，對機組的正常運行造成不利影響。

本文以某1 000 MW 機組SCR 自動控制系統(tǒng)為研究對象，采用一種獨特的漸進辨識法建立被控對象的高精度動態(tài)模型，以此為基礎(chǔ)建立先進的SCR 模型預(yù)測控制系統(tǒng)，解決SCR 裝置運行過程中遲延大、噴氨自動調(diào)節(jié)跟不上、SCR 出口NOX濃度波動大等問題，可以明顯改善SCR出口NOX濃度的控制品質(zhì)，提高SCR 裝置運行的安全性和經(jīng)濟性。

1 ASYM（基于漸近辨識法）的被控對象建模方法

ASYM 是一種基于漸近理論的多變量系統(tǒng)辨識方法，于20 世紀90 年代初由荷蘭埃因霍溫技術(shù)大學(xué)朱豫才博士提出[14]。ASYM 系統(tǒng)性地解決了辨識過程中的4 個主要難題，即測試信號設(shè)計、模型結(jié)構(gòu)選擇、參數(shù)估計、模型驗證。在參數(shù)估計過程中，ASYM 采用了“兩步估計法”。首先從過程變量的數(shù)據(jù)中估計一個高階的方程誤差模型（ARX 結(jié)構(gòu)）：

式中：t 表示時間；y（t）與u（t）分別表示被控對象的輸出與輸入；e（t）為估計殘差；q-1為單位時延算子；為經(jīng)過最小二乘估計得到的高階多項式，有：

運用漸進理論的結(jié)果，分別將過程模型、擾動模型和擾動信號的頻譜表示為：

高階的估計模型具有無偏性，但由于估計結(jié)果過于參數(shù)化，需要進行模型降階，以減小模型的估計方差。ASYM 的參數(shù)估計第二步：運用極大似然法對高階ARX 模型進行降階處理，降階過程中使用的漸進負對數(shù)似然函數(shù)為：

ASYM 辨識法的優(yōu)勢主要集中在3 個方面，即自動的多變量閉環(huán)試驗、參數(shù)化模型和基于誤差上限的模型檢驗。傳統(tǒng)的模型測試方法是手工的單變量開環(huán)實驗，而ASYM 方法則可以進行自動的多變量閉環(huán)（也可開環(huán)）試驗，ASYM 用頻域的準則計算時域參數(shù)模型，不僅能夠從試驗數(shù)據(jù)中提煉出漸近的極大似然估計的輸入/輸出模型和不可測擾動模型，而且能夠提供模型誤差的上限矩陣用于模型檢驗和魯棒性分析[1]。

2 ASYM 在1 000 MW 機組SCR 控 制系統(tǒng)建模中的應(yīng)用

本文的建模過程采用的是ASYM 的專用辨識軟件TAIJI-MPC。ASYM 閉環(huán)模型測試方法在SCR 原PID 控制系統(tǒng)投運時進行。測試信號為GBN（廣義二進制噪聲）。在進行閉環(huán)測試前，首先確定測試信號的平均切換時間和幅度，可以通過和現(xiàn)場運行操作員溝通確定一個不影響SCR裝置正常運行的幅度，而測試信號的平均切換時間需要根據(jù)被控對象的過程過渡時間計算獲得。被控對象的過程過渡時間通常是靠測試人員的經(jīng)驗來估計，如果估計不合理，會導(dǎo)致測試激勵不足，辨識出的控制模型的精度將無法保證。當測試人員經(jīng)驗不夠時，就只能通過進行多次測試，嘗試不同的過程過渡時間來獲得高精度控制模型，但這種多次反復(fù)試驗會使建模成本過高，而且也會影響到生產(chǎn)過程的正常進行。

本文提出了一種新的快速準確地確定被控對象過程過渡時間的方法，即采集機組以往的歷史運行數(shù)據(jù)，先進行初步模型辨識，獲取精度不一定高的被控對象模型，然后根據(jù)此初步模型來估算被控對象的過渡過程時間，這樣可以避免現(xiàn)場進行多次反復(fù)的測試，降低建模成本和對生產(chǎn)的影響。具體方法如下：

根據(jù)機組的歷史運行數(shù)據(jù)進行初步辨識獲得的結(jié)果如圖1、圖2 所示。圖1 中縱坐標CV1 和CV2 分別表示SCR 裝置A 側(cè)和B 側(cè)出口NOX濃度；橫坐標MV1 和MV2 分別表示A 側(cè)和B 側(cè)噴氨流量。由圖1 可見模型質(zhì)量為D，擬合誤差在50%左右，模型精度差，但是模型增益方向正確，圖2 所示的模型擬合曲線，圖中虛線為SCR 出口NOX濃度實測值，實線為對應(yīng)模型輸出值，通過對比可以看出，模型擬合的曲線和實際曲線動態(tài)趨勢基本正確。

圖1 階躍響應(yīng)曲線（根據(jù)歷史運行數(shù)據(jù)初步建模）

圖2 模型擬合曲線對比結(jié)果（根據(jù)歷史運行數(shù)據(jù)初步建模）

根據(jù)SCR 裝置歷史運行數(shù)據(jù)初步建立的模型傳遞函數(shù)如下：

A 側(cè)SCR 出口NOX濃度和噴氨量之間模型為：

B 側(cè)SCR 出口NOX濃度和噴氨量之間模型為：

這里以5 倍的開環(huán)時間（即上述模型中一階慣性環(huán)節(jié)分母部分S 前面的系數(shù)）加純滯后時間來計算該被控對象的過渡過程時間，得出A 側(cè)被控對象的過度過程時間為1 260 s，B 側(cè)被控對象的過度過程時間為1 113 s。

現(xiàn)場正式模型測試試驗仍是在SCR 原PID控制系統(tǒng)閉環(huán)控制下進行。圖3 和圖4 顯示的是在噴氨量指令信號上疊加了GBN 測試信號時的SCR 裝置A 側(cè)和B 兩側(cè)的噴氨流量、SCR 入口NOX濃度和SCR 出口NOX濃度的響應(yīng)曲線。A 側(cè)和B 側(cè)的測試同時進行，大約進行了23 h，此過程中負荷隨AGC（自動發(fā)電控制）指令擺動。

圖3 A 側(cè)疊加GBN 測試信號時的響應(yīng)曲線

圖4 B 側(cè)疊加GBN 測試信號時響應(yīng)曲線

此次測試辨識結(jié)果如圖5、圖6、圖7 所示，分別是階躍響應(yīng)曲線、頻域響應(yīng)曲線和模型擬合曲線對比結(jié)果。圖中CV1 和CV2 分別表示A 側(cè)、B 側(cè)SCR 出口NOX濃度；DV1 和DV2 分別表示A 側(cè)、B 側(cè)SCR 入口NOX濃度；MV1 和MV2 分別表示A 側(cè)、B 側(cè)噴氨流量。由圖可見模型質(zhì)量為A或者B，均為高質(zhì)量動態(tài)模型。

一般模型擬合誤差在40%以下即可用于MPC（模型預(yù)測控制）控制器，從圖5 可以看到本次測試模型擬合誤差均低于20%，完全滿足MPC控制器對模型的精度需求。

圖5 階躍響應(yīng)曲線

圖6 頻域響應(yīng)曲線

圖7 模型擬合曲線對比結(jié)果

3 優(yōu)化后的SCR 控制系統(tǒng)投運情況分析

通過上述漸近辨識方法得到了高精度的SCR動態(tài)模型，以此為基礎(chǔ)搭建了1 000 MW 機組SCR 裝置的MPC 系統(tǒng)，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)試，優(yōu)化后的SCR 控制系統(tǒng)可連續(xù)穩(wěn)定運行，控制效果明顯優(yōu)于原PID 控制的效果。

在機組AGC 正常投運的情況下，對采用原來常規(guī)PID 控制和優(yōu)化后的MPC 控制2 種模式下的SCR 控制系統(tǒng)的控制效果進行對比。分別采集上述2 種控制模式下SCR 裝置實時運行數(shù)據(jù)，以A 側(cè)、B 側(cè)SCR 出口NOX濃度的最大動態(tài)偏差以及標準差為評價指標，來對比其控制效果。

采集在PID 控制模式下SCR 裝置連續(xù)24 h正常投運數(shù)據(jù)，負荷變化范圍為515～781 MW，SCR 出口NOX曲線見圖8、圖9，控制指標見表1。

圖8 A 側(cè)PID 控制效果

圖9 B 側(cè)PID 控制效果

表1 PID 控制模式下SCR 出口NOX濃度控制指標

同樣采集在MPC 控制模式下SCR 裝置連續(xù)24 h 正常投運數(shù)據(jù)，負荷變化范圍為628～931 MW，SCR 出口NOX曲線見圖10、圖11，控制指標見表2。

由表1，表2 可以看出，在MPC 控制模式下，A 側(cè)SCR 出口NOX濃度最大動態(tài)偏差較PID 控制模式下降低約60%，標準差降低約50%；B 側(cè)SCR 出口NOX濃度最大動態(tài)偏差較PID 控制模式下降低約40%，標準差降低約40%，控制性能提升非常明顯。

圖10 A 側(cè)MPC 控制效果

圖11 B 側(cè)MPC 控制效果

表2 MPC 控制模式下SCR 出口NOX控制指標

4 結(jié)語

采用ASYM 的建模方式，在不影響SCR 裝置正常運行的前提下，通過一次現(xiàn)場模型測試，即獲得1 000 MW 機組SCR 裝置被控對象的高精度模型，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計的SCR 模型預(yù)測控制系統(tǒng)，現(xiàn)場投運表現(xiàn)出良好的控制品質(zhì)，可長期穩(wěn)定運行。

對比ASYM 建模方法的SCR 模型預(yù)測控制系統(tǒng)和原PID 控制系統(tǒng)的實際投運情況，可以看到：針對發(fā)電廠SCR 裝置特性設(shè)計的基于高精度模型的MPC 控制方案比傳統(tǒng)的PID 控制方案具有更好的控制效果，可以很好地解決復(fù)雜被控對象的大遲延、非線性、擾動多等控制難題，在滿足國家環(huán)保要求的前提下，可以明顯提高SCR裝置出口NOX濃度設(shè)定值，降低噴氨量，有效抑制氨逃逸，不僅降低了SCR 運行成本，還可以減少對下游空預(yù)器的不利影響。