CN105786034B - 一种锅炉脱硝出口氮氧化物含量的控制系统及方法 - Google Patents

一种锅炉脱硝出口氮氧化物含量的控制系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于火力发电机组烟气脱硝控制技术领域，公开了一种锅炉脱硝出口氮氧化物含量的控制系统及方法，所述控制系统包括：SCR反应器、主PID控制器、副PID控制器和Smith预估器，所述主PID控制器和所述副PID控制器采用串级连接的方式进行控制；所述主PID控制器的输出端与所述Smith预估器的输入端连接，所述Smith预估器的输出端作用于所述主PID控制器的输入端；所述主PID控制器控制SCR反应器的出口氮氧化物浓度，所述副PID控制器控制进入SCR反应器的喷氨流量，能够解决现有脱硝系统大迟延、大惯性的问题。

Description

一种锅炉脱硝出口氮氧化物含量的控制系统及方法
技术领域
本发明属于火力发电机组烟气脱硝控制技术领域，尤其涉及一种锅炉脱硝出口氮氧化物含量的控制系统及方法。
背景技术
由于锅炉脱硝喷氨控制系统大迟延、大惯性的特点，脱硝出口氮氧化物浓度变化不能及时反映系统所承受的扰动。
目前，大多数常规PID(proportion-integration-differentiation，比例-积分-微分)控制器串级脱硝喷氨控制系统的自动调节品质并不理想，存在超调量较大和调节时间较长的问题。
发明内容
针对现有技术的问题，本发明的目的在于提供一种锅炉脱硝出口氮氧化物含量的控制系统及方法，能够解决现有脱硝系统大迟延、大惯性的问题。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案予以实现。
技术方案一：
一种锅炉脱硝出口氮氧化物含量的控制系统，所述控制系统包括：SCR反应器、主PID控制器、副PID控制器和Smith预估器，所述主PID控制器和所述副PID控制器采用串级连接的方式进行控制；
所述主PID控制器的输出端与所述Smith预估器的输入端连接，所述Smith预估器的输出端作用于所述主PID控制器的输入端；所述主PID控制器控制锅炉脱硝出口氮氧化物含量，即SCR反应器的出口氮氧化物浓度；所述副PID控制器控制进入SCR反应器的喷氨流量。
技术方案一的特点和进一步的改进为：
(1)所述Smith预估器的补偿模型为
Figure BDA0000965890430000021
其中，G1(s)为氨气流量到SCR反应器的出口氮氧化物浓度的传递函数，G2(s)为氨气阀门开度到氨气流量的传递函数，D2(S)为副PID控制器的传递函数，s表示S域变量，τ表示延时时间，e为指数函数。
(2)所述控制系统还包括加法器、第一减法器、第二减法器和执行器；Smith预估器的输出端与加法器的一个输入端连接，SCR反应器的出口氮氧化物浓度测量值输出端与所述加法器的另一个输入端连接，所述加法器的输出端与第一减法器的一个输入端连接，SCR反应器的出口氮氧化物浓度设定值输出端与所述第一减法器的另一个输入端连接，所述第一减法器的输出端与所述主PID控制器的输入端连接，所述主PID控制器的输出端与所述Smith预估器的输入端连接；
所述主PID控制器的输出端输出氨气流量初始设定值，所述氨气流量初始设定值经过修正得到氨气流量设定值，所述氨气流量设定值输出到第二减法器的一个输入端，氨气流量测量值输出到所述第二减法器的另一个输入端，所述第二减法器的输出端与所述副PID控制器的输入端连接，所述副PID控制器的输出端输出喷氨流量控制指令，所述喷氨流量控制指令用于控制执行器做出相应动作。
(3)所述控制系统还包括求和器、第一修正模块和第二修正模块；所述氨气流量初始设定值经过修正输出到第二减法器的一个输入端，具体为：
所述主PID控制器的输出端还与求和器的第一输入端连接，即所述氨气流量初始设定值输入所述求和器的第一输入端，SCR反应器的入口氮氧化物浓度测量值通过第一修正模块后输入所述求和器的第二输入端，主蒸汽流量通过第二修正模块后输入所述求和器的第三输入端，所述求和器的输出端输出氨气流量设定值；
所述第一修正模块中包含第一修正函数，所述第一修正函数为利用SCR反应器的入口氮氧化物浓度测量值校正氨气流量初始设定值的函数；所述第二修正模块中包含第二修正函数，所述第二修正函数为利用主蒸汽流量校正氨气流量初始设定值的函数。
(4)所述第一修正函数采用试验的方法确定；
执行器手动状态下，改变喷氨流量调节阀开度，记录对应的氨气流量和SCR反应器的出口氮氧化物浓度，得到氨气流量和SCR反应器的出口氮氧化物浓度的函数关系y1＝f1(x1)；x1表示氨气流量，y1表示SCR反应器的出口氮氧化物浓度；
改变锅炉负荷，记录对应的SCR反应器的入口氮氧化物浓度和SCR反应器的出口氮氧化物浓度，得到SCR反应器的入口氮氧化物浓度和SCR反应器的出口氮氧化物浓度的函数关系
Figure BDA0000965890430000032
z1表示SCR反应器的入口氮氧化物浓度，y1表示SCR反应器的出口氮氧化物浓度；
根据氨气流量和SCR反应器的出口氮氧化物浓度的函数关系y1＝f1(x1)、SCR反应器的入口氮氧化物浓度和SCR反应器的出口氮氧化物浓度的函数关系
Figure BDA0000965890430000031
得到氨气流量和SCR反应器的入口氮氧化物浓度的函数关系，即为第一修正函数。
(5)所述第二修正函数采用试验的方法确定；
执行器手动状态下，改变喷氨流量调节阀开度，记录对应的氨气流量和SCR反应器的出口氮氧化物浓度，得到氨气流量和SCR反应器的出口氮氧化物浓度的函数关系y2＝f2(x2)；x2表示氨气流量，y2表示SCR反应器的出口氮氧化物浓度；
改变锅炉负荷，记录对应的SCR反应器的出口氮氧化物浓度和主蒸汽流量，得到SCR反应器的出口氮氧化物浓度和主蒸汽流量的函数关系
Figure BDA0000965890430000041
z2表示主蒸汽流量，y2表示SCR反应器的出口氮氧化物浓度；
根据氨气流量和SCR反应器的出口氮氧化物浓度的函数关系y2＝f2(x2)、SCR反应器的出口氮氧化物浓度和主蒸汽流量函数关系
Figure BDA0000965890430000042
得到氨气流量和主蒸汽流量的函数关系，即为第二修正函数。
技术方案二：
一种锅炉脱硝出口氮氧化物含量控制方法，所述方法应用于技术方案一所述的控制系统中，所述方法包括：
获取Smith预估器输出端的补偿值、SCR反应器的出口氮氧化物浓度测量值和SCR反应器的出口氮氧化物浓度设定值；
将所述Smith预估器输出端的补偿值与所述SCR反应器的出口氮氧化物浓度测量值相加，并与所述SCR反应器的出口氮氧化物浓度设定值相减，得到主PID控制器的输入值；
获取所述主PID控制器输出的氨气流量初始设定值，对所述氨气流量初始设定值进行修正，得到氨气流量设定值；
获取氨气流量测量值，将所述氨气流量测量值与所述氨气流量设定值相减，得到副PID控制器的输入值；
获取所述副PID控制器输出的喷氨流量控制指令，所述喷氨流量控制指令用于控制执行器对SCR反应器的入口氨气流量进行控制。
技术方案的特点和进一步的改进为：
(1)所述对所述氨气流量初始设定值进行修正，得到氨气流量设定值，具体为：
获取SCR反应器的入口氮氧化物浓度测量值和主蒸汽流量；
根据所述SCR反应器的入口氮氧化物浓度测量值和所述主蒸汽流量，对所述氨气流量初始设定值进行修正，得到氨气流量设定值。
本发明技术方案针对现有脱硝系统大迟延、大惯性的特点，采用串级-Smith预估补偿，预先估计出系统的动态特性，通过Smith预估器进行补偿，使控制喷氨调阀提前动作，减小系统超调量并加速了调节过程，消除纯迟延对系统调节的不利影响，提高了系统稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种锅炉脱硝出口氮氧化物含量的控制系统的系统结构示意图；
其中：1表示SCR反应器入口氮氧化物浓度测量值；2表示SCR反应器出口氮氧化物浓度测量值；3表示SCR反应器出口氮氧化物浓度设定值；4表示氨气流量测量值；5表示氨气流量调节阀指令输出；6表示主蒸汽流量；
图2为本发明实施例提供的一种锅炉脱硝出口氮氧化物含量的控制方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种锅炉脱硝出口氮氧化物含量的控制系统，如图1所示，所述控制系统包括：SCR反应器、主PID控制器、副PID控制器和Smith预估器，所述主PID控制器和所述副PID控制器采用串级连接的方式进行控制。
所述主PID控制器的输出端与所述Smith预估器的输入端连接，所述Smith预估器的输出端作用于所述主PID控制器的输入端；所述主PID控制器控制锅炉脱硝出口氮氧化物含量，即SCR反应器的出口氮氧化物浓度；所述副PID控制器控制进入SCR反应器的喷氨流量。
具体的，所述Smith预估器的补偿模型为
Figure BDA0000965890430000061
其中，G1(s)为氨气流量到SCR反应器的出口氮氧化物浓度的传递函数，G2(s)为氨气阀门开度到氨气流量的传递函数，D2(S)为副PID控制器的传递函数，s表示S域变量，τ表示延时时间，e为指数函数。
进一步的，如图1所示，所述控制系统还包括加法器、第一减法器、第二减法器和执行器；Smith预估器的输出端与加法器的一个输入端连接，SCR反应器的出口氮氧化物浓度测量值输出端与所述加法器的另一个输入端连接，所述加法器的输出端与第一减法器的一个输入端连接，SCR反应器的出口氮氧化物浓度设定值输出端与所述第一减法器的另一个输入端连接，所述第一减法器的输出端与所述主PID控制器的输入端连接，所述主PID控制器的输出端与所述Smith预估器的输入端连接。
更进一步的，所述主PID控制器的输出端输出氨气流量初始设定值，所述氨气流量初始设定值经过修正得到氨气流量设定值，所述氨气流量设定值输出到第二减法器的一个输入端，氨气流量测量值输出到所述第二减法器的另一个输入端，所述第二减法器的输出端与所述副PID控制器的输入端连接，所述副PID控制器的输出端输出喷氨流量控制指令，所述喷氨流量控制指令用于控制执行器做出相应动作。
所述控制系统还包括求和器、第一修正模块和第二修正模块；具体的，所述氨气流量初始设定值经过修正输出到第二减法器的一个输入端包括：
所述主PID控制器的输出端还与求和器的第一输入端连接，即所述氨气流量初始设定值输入所述求和器的第一输入端，SCR反应器的入口氮氧化物浓度测量值通过第一修正模块后输入所述求和器的第二输入端，主蒸汽流量通过第二修正模块后输入所述求和器的第三输入端，所述求和器的输出端输出氨气流量设定值。
所述第一修正模块中包含第一修正函数，所述第一修正函数为利用SCR反应器的入口氮氧化物浓度测量值校正氨气流量初始设定值的函数；所述第二修正模块中包含第二修正函数，所述第二修正函数为利用主蒸汽流量校正氨气流量初始设定值的函数。
示例性的，所述第一修正函数采用试验的方法确定；
执行器手动状态下，改变喷氨流量调节阀开度，记录对应的氨气流量和SCR反应器的出口氮氧化物浓度，得到氨气流量和SCR反应器的出口氮氧化物浓度的函数关系y1＝f1(x1)；x1表示氨气流量，y1表示SCR反应器的出口氮氧化物浓度；
改变锅炉负荷，记录对应的SCR反应器的入口氮氧化物浓度和SCR反应器的出口氮氧化物浓度，得到SCR反应器的入口氮氧化物浓度和SCR反应器的出口氮氧化物浓度的函数关系
Figure BDA0000965890430000071
z1表示SCR反应器的入口氮氧化物浓度，y1表示SCR反应器的出口氮氧化物浓度；
根据氨气流量和SCR反应器的出口氮氧化物浓度的函数关系y1＝f1(x1)、SCR反应器的入口氮氧化物浓度和SCR反应器的出口氮氧化物浓度的函数关系
Figure BDA0000965890430000072
得到氨气流量和SCR反应器的入口氮氧化物浓度的函数关系，即为第一修正函数。
需要说明的是，在进行上述实验的过程中，除了实验中需要确定函数关系的变量之外，其他变量均保持恒定。
示例性的，所述第二修正函数采用试验的方法确定；
执行器手动状态下，改变喷氨流量调节阀开度，记录对应的氨气流量和SCR反应器的出口氮氧化物浓度，得到氨气流量和SCR反应器的出口氮氧化物浓度的函数关系y2＝f2(x2)；x2表示氨气流量，y2表示SCR反应器的出口氮氧化物浓度；
改变锅炉负荷，记录对应的SCR反应器的出口氮氧化物浓度和主蒸汽流量，得到SCR反应器的出口氮氧化物浓度和主蒸汽流量的函数关系
Figure BDA0000965890430000081
z2表示主蒸汽流量，y2表示SCR反应器的出口氮氧化物浓度；
根据氨气流量和SCR反应器的出口氮氧化物浓度的函数关系y2＝f2(x2)、SCR反应器的出口氮氧化物浓度和主蒸汽流量函数关系
Figure BDA0000965890430000082
得到氨气流量和主蒸汽流量的函数关系，即为第二修正函数。
需要说明的是，在进行上述实验的过程中，除了实验中需要确定函数关系的变量之外，其他变量均保持恒定。
本发明实施例还提供一种锅炉脱硝出口氮氧化物含量控制方法，如图2所示，所述方法包括：
步骤1，获取Smith预估器输出端的补偿值、SCR反应器的出口氮氧化物浓度测量值和SCR反应器的出口氮氧化物浓度设定值。
步骤2，将所述Smith预估器输出端的补偿值与所述SCR反应器的出口氮氧化物浓度测量值相加，并与所述SCR反应器的出口氮氧化物浓度设定值相减，得到主PID控制器的输入值。
步骤3，获取所述主PID控制器输出的氨气流量初始设定值，对所述氨气流量初始设定值进行修正，得到氨气流量设定值。
步骤4，获取氨气流量测量值，将所述氨气流量测量值与所述氨气流量设定值相减，得到副PID控制器的输入值。
步骤5，获取所述副PID控制器输出的喷氨流量控制指令，所述喷氨流量控制指令用于控制执行器对SCR反应器的入口氨气流量进行控制。
进一步的，所述对所述氨气流量初始设定值进行修正，得到氨气流量设定值，具体为：
获取SCR反应器的入口氮氧化物浓度测量值和主蒸汽流量；
根据所述SCR反应器的入口氮氧化物浓度测量值和所述主蒸汽流量，对所述氨气流量初始设定值进行修正，得到氨气流量设定值。
本发明实施例中，为实现方便，所述氮氧化物浓度测量值、氨气流量测量值、主蒸汽流量、氨气流量调节阀开度均属于火力发电机组的DCS控制系统。
本发明实施例采用串级控制的系统结构，在串级回路引入Smith补偿，构成串级-Smith预估补偿，消除纯滞后对系统的影响。同时根据主蒸汽流量和脱硝入口氮氧化物含量变化综合计算形成超前控制量送至副PID控制器的前馈输入端，经副PID计算生成喷氨调阀控制指令，最终保证脱硝系统出口氮氧化物浓度符合环保要求，同时通过预估器进行补偿，使喷氨调阀提前动作，减小系统超调量并加速了调节过程，消除纯迟延对系统调节的不利影响，提高了系统稳定性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种锅炉脱硝出口氮氧化物含量的控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：SCR反应器、主PID控制器、副PID控制器、Smith预估器、加法器、第一减法器、第二减法器、执行器、求和器、第一修正模块和第二修正模块；
所述主PID控制器和所述副PID控制器采用串级连接的方式进行控制；所述主PID控制器的输出端与所述Smith预估器的输入端连接，所述Smith预估器的输出端作用于所述主PID控制器的输入端；所述主PID控制器控制锅炉脱硝出口氮氧化物含量，即SCR反应器的出口氮氧化物浓度；所述副PID控制器控制进入SCR反应器的喷氨流量；
所述Smith预估器的输出端与加法器的一个输入端连接，SCR反应器的出口氮氧化物浓度测量值输出端与所述加法器的另一个输入端连接，所述加法器的输出端与第一减法器的一个输入端连接，SCR反应器的出口氮氧化物浓度设定值输出端与所述第一减法器的另一个输入端连接，所述第一减法器的输出端与所述主PID控制器的输入端连接，所述主PID控制器的输出端与所述Smith预估器的输入端连接；
所述主PID控制器的输出端输出氨气流量初始设定值，所述氨气流量初始设定值经过修正得到氨气流量设定值，所述氨气流量设定值输出到第二减法器的一个输入端，氨气流量测量值输出到所述第二减法器的另一个输入端，所述第二减法器的输出端与所述副PID控制器的输入端连接，所述副PID控制器的输出端输出喷氨流量控制指令，所述喷氨流量控制指令用于控制执行器做出相应动作；
所述氨气流量初始设定值经过修正输出到第二减法器的一个输入端，具体为：
所述主PID控制器的输出端还与求和器的第一输入端连接，即所述氨气流量初始设定值输入所述求和器的第一输入端，SCR反应器的入口氮氧化物浓度测量值通过第一修正模块后输入所述求和器的第二输入端，主蒸汽流量通过第二修正模块后输入所述求和器的第三输入端，所述求和器的输出端输出氨气流量设定值；
所述第一修正模块中包含第一修正函数，所述第一修正函数为利用SCR反应器的入口氮氧化物浓度测量值校正氨气流量初始设定值的函数；所述第二修正模块中包含第二修正函数，所述第二修正函数为利用主蒸汽流量校正氨气流量初始设定值的函数。
2.根据权利要求1所述的一种锅炉脱硝出口氮氧化物含量控制系统，其特征在于，所述Smith预估器的补偿模型为
Figure FDA0002274226170000021
其中，G1(s)为氨气流量到SCR反应器的出口氮氧化物浓度的传递函数，G2(s)为氨气阀门开度到氨气流量的传递函数，D2(S)为副PID控制器的传递函数，s表示S域变量，τ表示延时时间，e为指数函数。
3.根据权利要求1所述的一种锅炉脱硝出口氮氧化物含量控制系统，其特征在于，所述第一修正函数采用试验的方法确定；
执行器手动状态下，改变喷氨流量调节阀开度，记录对应的氨气流量和SCR反应器的出口氮氧化物浓度，得到氨气流量和SCR反应器的出口氮氧化物浓度的函数关系y1＝f1(x1)；x1表示氨气流量，y1表示SCR反应器的出口氮氧化物浓度；
改变锅炉负荷，记录对应的SCR反应器的入口氮氧化物浓度和SCR反应器的出口氮氧化物浓度，得到SCR反应器的入口氮氧化物浓度和SCR反应器的出口氮氧化物浓度的函数关系
Figure FDA0002274226170000022
z1表示SCR反应器的入口氮氧化物浓度，y1表示SCR反应器的出口氮氧化物浓度；
根据氨气流量和SCR反应器的出口氮氧化物浓度的函数关系y1＝f1(x1)、SCR反应器的入口氮氧化物浓度和SCR反应器的出口氮氧化物浓度的函数关系
Figure FDA0002274226170000031
得到氨气流量和SCR反应器的入口氮氧化物浓度的函数关系，即为第一修正函数。
4.根据权利要求1所述的一种锅炉脱硝出口氮氧化物含量控制系统，其特征在于，所述第二修正函数采用试验的方法确定；
执行器手动状态下，改变喷氨流量调节阀开度，记录对应的氨气流量和SCR反应器的出口氮氧化物浓度，得到氨气流量和SCR反应器的出口氮氧化物浓度的函数关系y2＝f2(x2)；x2表示氨气流量，y2表示SCR反应器的出口氮氧化物浓度；
改变锅炉负荷，记录对应的SCR反应器的出口氮氧化物浓度和主蒸汽流量，得到SCR反应器的出口氮氧化物浓度和主蒸汽流量的函数关系
Figure FDA0002274226170000033
z2表示主蒸汽流量，y2表示SCR反应器的出口氮氧化物浓度；
根据氨气流量和SCR反应器的出口氮氧化物浓度的函数关系y2＝f2(x2)、SCR反应器的出口氮氧化物浓度和主蒸汽流量函数关系
Figure FDA0002274226170000032
得到氨气流量和主蒸汽流量的函数关系，即为第二修正函数。
5.一种锅炉脱硝出口氮氧化物含量控制方法，其特征在于，所述方法应用于如权利要求1-4任一项所述的控制系统中，所述方法包括：
获取Smith预估器输出端的补偿值、SCR反应器的出口氮氧化物浓度测量值和SCR反应器的出口氮氧化物浓度设定值；
将所述Smith预估器输出端的补偿值与所述SCR反应器的出口氮氧化物浓度测量值相加，并与所述SCR反应器的出口氮氧化物浓度设定值相减，得到主PID控制器的输入值；
获取所述主PID控制器输出的氨气流量初始设定值，对所述氨气流量初始设定值进行修正，得到氨气流量设定值；
获取氨气流量测量值，将所述氨气流量测量值与所述氨气流量设定值相减，得到副PID控制器的输入值；
获取所述副PID控制器输出的喷氨流量控制指令，所述喷氨流量控制指令用于控制执行器对SCR反应器的入口氨气流量进行控制。
6.根据权利要求5所述的一种锅炉脱硝出口氮氧化物含量控制方法，其特征在于，所述对所述氨气流量初始设定值进行修正，得到氨气流量设定值，具体为：
获取SCR反应器的入口氮氧化物浓度测量值和主蒸汽流量；
根据所述SCR反应器的入口氮氧化物浓度测量值和所述主蒸汽流量，对所述氨气流量初始设定值进行修正，得到氨气流量设定值。
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