CN105487377A - 一种脱硝尿素热解工艺的模糊控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于尿素热解装置的模糊控制器，以尿素溶液流量作为控制目标进行自动控制，尿素供给泵将尿素溶液储罐中的尿素溶液通过尿素管道输送到位于尿素热解炉中部的雾化喷枪，热解用热空气从热解炉上部进入，雾化喷枪向热解炉内喷入尿素溶液微小液滴，利用热空气的高温对喷入的尿素溶液液滴进行热解。该模糊控制器克服现有尿素热解控制系统的固有缺陷，它适用于脱硝尿素热解工艺的自动控制过程，避免热解不完全和热解量不足等问题。

Description

一种脱硝尿素热解工艺的模糊控制器

技术领域

本发明属于烟气脱硝处理过程控制领域，涉及一种用于烟气脱硝尿素热解工艺的模糊控制器。

背景技术

选择性催化还原（SCR）烟气脱硝技术是我国目前应用最普遍的一种烟气脱硝技术，此项技术中最为重要的环节之一就是还原剂氨气的获取，其中一个主要的工艺路线就是通过尿素热解的方法，将尿素分解为氨气和二氧化碳。具体过程是利用高温空气作为热源，将高温空气连续鼓入尿素热解炉中，根据脱硝装置出口氮氧化物的浓度，通过控制尿素溶液的流量，分解产生不同流量的氨气在脱硝装置中与烟气中的氮氧化物进行还原反应，将氮氧化物还原成氮气和水。在此种工艺中，其传统的控制方法是将尿素溶液通过尿素供给泵的连续运行通过PID调节器控制调节阀的开度控制喷入尿素热解炉中的尿素量。采用此种方法通过调节阀控制尿素量，往往导致尿素量超过热空气的热解能力或尿素量远小于脱硝所需的尿素量，从而导致尿素热解炉堵塞或脱硝效率偏低，不能满足脱硝装置的运行要求。因此，迫切的需要一种新的方案解决上述技术问题。

发明内容

本发明正是针对现有技术中存在的技术问题提供一种脱硝尿素热解工艺的模糊控制器，该模糊控制器克服现有尿素热解控制系统的固有缺陷，它适用于脱硝尿素热解工艺的自动控制过程，避免热解不完全和热解量不足等问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种用于尿素热解装置的模糊控制器，其特征在于，以尿素溶液流量作为控制目标进行自动控制，尿素供给泵将尿素溶液储罐中的尿素溶液通过尿素管道输送到位于尿素热解炉中部的雾化喷枪，热解用热空气从热解炉上部进入，雾化喷枪向热解炉内喷入尿素溶液微小液滴，利用热空气的高温对喷入的尿素溶液液滴进行热解，对尿素热解控制包括以下步骤：

1）在热空气通道上设置空气流量测量装置测量空气流量，设置温度传感器测量热解炉入口热空气温度，在热解炉出口设置温度测点，空气温度设置三个并列均布的测点以保证温度测量准确性，在脱硝反应器的入口和出口设置在线监测装置，测量烟气中氮氧化物浓度、含氧量和烟气量；

2）根据脱硝反应器入口浓度、含氧量、烟气流量以及目标脱硝效率值计算出所需的尿素溶液流量，同时设定热解炉出口温度320℃之上连锁条件，以此计算量作为前馈输出同时作为尿素溶液流量控制回路的给定值，采用变给定值方式得到尿素溶液流量偏差信号；入口浓度乘以烟气流量乘以脱硝效率再除以氮氧化物的摩尔质量再除以2再乘以尿素的摩尔质量再除以尿素溶液的浓度就可以得到尿素溶液的质量流量

3）以反应器出口氮氧化物浓度与给定浓度值的偏差值、尿素溶液流量偏差值为模糊控制输入参数，以调节阀开度为控制输出量，在控制系统中建立二输入一输出的模糊控制器；

4）控制系统由建立的二输入一输出的模糊控制器和步骤1）测量的实时数据，控制尿素溶液给料调节阀的开度，对脱硝供氨量进行热解控制。该技术方案解决了对热解过程中尿素量的控制与SCR脱硝装置脱除能力不适应的技术问题，提高了脱硝效率，确保了烟气脱硝效果，避免了尿素热解炉设备堵塞的现象。

作为本发明的一种改进，采用模糊数学解释方法来描述控制规则表的建立，模糊控制器的控制作用取决于尿素喷射量偏差和出口氮氧化物浓度偏差。在不同的状态下，尿素喷射量偏差和出口氮氧化物浓度偏差对过程的影响是不同的，为了适应不同工况的控制要求，采用模糊数学解释方法来描述控制规则表的建立，其中对应的控制规则模糊关系如下：

；

解模糊后控制输出连续量；

式中UE为控制输出尿素调节阀开度模糊变量，BE为尿素喷射量偏差模糊变量，CE为出口氮氧化物浓度偏差模糊变量， 为控制输出尿素调节阀开度连续变量，为控制输出比例因子，和为控制输出尿素调节阀开度的上下限。

作为本发明的一种改进，选择语言变量BE即尿素流量偏差，CE即出口氮氧化物浓度偏差,UE即调节阀开度，的模糊集如下：

BE={负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，简记为BE={NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}；

CE=={负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，简记为CE={NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}；

UE={负大，负小，正常，正小，正大}简记为UE={NB，NS，O，PS，PB}；

定义尿素量偏差e(t)=Q(t)-Q(t-1)，基本论域为[-1.6,1.6]，单位是t/h；量化等级范围为[-5,5]；初始量化因子为1.39；

出口氮氧化物浓度的基本论域为[-50,50]，单位是mg/Nm³；量化等级范围为[-5,5]；初始量化因子为0.46；

调节阀开度的基本论域为[50,100]，单位是百分比；量化等级范围为[-5,5]；初始比例因子为4.5；

隶属函数采用钟型隶属度函数作为模糊变量的隶属函数；

控制规则表为：

相对于现有技术，本发明的优点如下，本发明控制方法中尿素调节阀开度由模糊控制策略加以控制，同时尿素流量给定值由出口氮氧化物浓度确定，此尿素流量确保热解空气温度降低后不低于尿素热解中间缩聚物生成温度。排除了缩聚物堵塞尿素热解炉和喷氨格栅，热解不完全的缺点，控制系统输入参数由单一的尿素流量偏差，增加了脱硝出口氮氧化物浓度参数，提高了输入参数的可信度，减少了依靠单一流量偏差调节带来的误动作的可能，增强了控制方法的可靠性，能够从根本上克服原有的PID控制策略的不足，有利于稳定脱硝效率，提高尿素热解装置的节能降耗水平，保证了尿素热解过程的安全进行。

附图说明

图1是尿素热解装置的工艺流程示意图；

图2为图1局部放大图；

图3是本发明尿素热解过程模糊控制器的控制结构简图。

具体实施方式

为了加深对本发明的认识和理解，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1：参见图1、图2，尿素热解处理工艺为尿素溶液储罐2存储的尿素溶液经由尿素供给泵3沿尿素溶液管路6，经调节阀7雾化后进入尿素热解炉8。热解用热空气则由稀释风机1输送至空气加热器4加热到热解温度后经热空气管路5也送至尿素热解炉8与雾化后的尿素液滴混合热解，热解后的热氨气则经热氨气管路10送至脱硝反应器9进行脱硝反应，完成整个工艺流程，尿素溶液流量则通过调节阀7实现流量的匹配控制。

现有尿素热解均采用传统PID调节手段，为单回路闭环控制，存在控制滞后、超调严重等问题。针对现有控制策略的问题，本发明建立了尿素热解模糊控制器，解决以上传统PID控制存在的问题。

下面说明一下本发明的尿素热解过程模糊控制器。

尿素热解过程模糊控制器主要由模糊化模块、模糊推理模块和解模糊模块构成。

本发明的实现过程为：

1）在热空气通道上设置空气流量测量装置测量空气流量，设置温度传感器测量热解炉入口热空气温度，在热解炉出口设置温度测点，空气温度设置三个并列均布的测点以保证温度测量准确性。在脱硝反应器的入口和出口设置在线监测装置，测量烟气中氮氧化物浓度、含氧量和烟气量。

2）根据脱硝反应器入口浓度、含氧量、烟气流量以及目标脱硝效率值计算出所需的尿素溶液流量，同时保证热解后热解炉出口温度仍处于320℃之上，以此计算量作为前馈输出同时作为尿素溶液流量控制回路的给定值，采用变给定值方式得到尿素溶液流量偏差信号。

3）以反应器出口氮氧化物浓度与给定浓度值的偏差值、尿素溶液流量偏差值为模糊控制输入参数，以调节阀开度为控制输出量，在控制系统中建立二输入一输出的模糊控制器。

4）尿素流量模糊控制器中，选择语言变量BE（尿素流量偏差），CE（出口氮氧化物浓度偏差）,UE(调节阀开度)的模糊集如下：

BE={负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，简记为BE={NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}；

CE=={负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，简记为CE={NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}；

UE={负大，负小，正常，正小，正大}简记为UE={NB，NS，O，PS，PB}。

由于紊流的存在，流量是一个不稳定的的量，为了保证流量基本稳定，允许其有一个较小的偏差，一般不超过±5%的偏差。

所以设定偏差BE的隶属函数中间疏两端密。同时为保证在偏差大时响应迅速，偏差小时提高精度减少超调，控制输出UE的隶属函数中间密两头疏。

尿素流量模糊控制器主要目的是使尿素流量快速跟随出口氮氧化物浓度变化。因此，应避免尿素量偏差过大，尿素量偏差的基本论域范围不宜过大。定义尿素量偏差e(t)=Q(t)-Q(t-1)。基本论域为[-1.6,1.6]，单位是t/h；量化等级范围为[-5,5]；初始量化因子为1.39。

出口氮氧化物浓度的基本论域为[-50,50]，单位是mg/Nm³；量化等级范围为[-5,5]；初始量化因子为0.46。

调节阀开度的基本论域为[50,100]，单位是百分比；量化等级范围为[-5,5]；初始比例因子为4.5。

隶属函数采用钟型隶属度函数作为模糊变量的隶属函数。

根据上述语言变量赋值表，制定如下尿素流量模糊控制规则。

表1模糊控制规则表

获得模糊控制规则表后依据以下算法进行模糊推理运算和解模糊运算，得到最终的连续控制输出。本发明尿素热解过程模糊控制器的控制结构简图如图2所示。

为了适应不同工况的控制要求，采用对应的控制规则模糊关系：

模糊推理过程采用最大隶属度法，其过程描述为：

解模糊后控制输出连续量

式中UE为控制输出尿素调节阀开度模糊变量，BE为尿素喷射量偏差模糊变量，CE为出口氮氧化物浓度偏差模糊变量， 为控制输出尿素调节阀开度连续变量，为控制输出比例因子，和为控制输出尿素调节阀开度的上下限。*号代表模糊推理过程，R代表模糊关系运算。

通过以上调节阀复合调节尿素喷射流量的控制方式，并发明尿素喷射流量模糊控制器。由于添加了出口氮氧化物浓度约束参数，控制器有较强的跟踪扰动变化的能力，对扰动响应及时，且波动范围很小。提高了系统运行经济性。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (3)

1.一种用于尿素热解装置的模糊控制器，其特征在于，以尿素溶液流量作为控制目标进行自动控制，尿素供给泵将尿素溶液储罐中的尿素溶液通过尿素管道输送到位于尿素热解炉中部的雾化喷枪，热解用热空气从热解炉上部进入，雾化喷枪向热解炉内喷入尿素溶液微小液滴，利用热空气的高温对喷入的尿素溶液液滴进行热解，对尿素热解控制包括以下步骤：

1）在热空气通道上设置空气流量测量装置测量空气流量，设置温度传感器测量热解炉入口热空气温度，在热解炉出口设置温度测点，空气温度设置三个并列均布的测点以保证温度测量准确性，在脱硝反应器的入口和出口设置在线监测装置，测量烟气中氮氧化物浓度、含氧量和烟气量；

2）根据脱硝反应器入口浓度、含氧量、烟气流量以及目标脱硝效率值计算出所需的尿素溶液流量，同时设定热解炉出口温度320℃之上连锁条件，以此计算量作为前馈输出同时作为尿素溶液流量控制回路的给定值，采用变给定值方式得到尿素溶液流量偏差信号；

3）以反应器出口氮氧化物浓度与给定浓度值的偏差值、尿素溶液流量偏差值为模糊控制输入参数，以调节阀开度为控制输出量，在控制系统中建立二输入一输出的模糊控制器；

4）控制系统由建立的二输入一输出的模糊控制器和步骤1）测量的实时数据，控制尿素溶液给料调节阀的开度，对脱硝供氨量进行热解控制。

2.根据权利要求1所述的一种用于尿素热解装置的模糊控制器，其特征在于，采用模糊数学解释方法来描述控制规则表的建立，其中对应的控制规则模糊关系如下：

；

解模糊后控制输出连续量；

式中UE为控制输出尿素调节阀开度模糊变量，BE为尿素喷射量偏差模糊变量，CE为出口氮氧化物浓度偏差模糊变量， 为控制输出尿素调节阀开度连续变量，为控制输出比例因子，和为控制输出尿素调节阀开度的上下限。

3.根据权利要求2所述的一种用于尿素热解装置的模糊控制器，其特征在于，选择语言变量BE即尿素流量偏差，CE即出口氮氧化物浓度偏差,UE即调节阀开度，的模糊集如下：

BE={负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，简记为BE={NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}；

CE=={负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，简记为CE={NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}；

UE={负大，负小，正常，正小，正大}简记为UE={NB，NS，O，PS，PB}；

定义尿素量偏差e(t)=Q(t)-Q(t-1)，基本论域为[-1.6,1.6]，单位是t/h；量化等级范围为[-5,5]；初始量化因子为1.39；

出口氮氧化物浓度的基本论域为[-50,50]，单位是mg/Nm³；量化等级范围为[-5,5]；初始量化因子为0.46；

调节阀开度的基本论域为[50,100]，单位是百分比；量化等级范围为[-5,5]；初始比例因子为4.5；

隶属函数采用钟型隶属度函数作为模糊变量的隶属函数；

控制规则表为：

。