CN105955017A - 一种基于专家模糊的脱硝系统分层优化自适应智能控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于火电厂脱硝系统NO_X脱除自动控制技术领域，解决了脱硝系统长期以来不能实现自动控制以及经济运行的问题。针对火电厂脱硝系统被控对象具有大迟延、大惯性等特点，以及多种干扰因素导致所建模型准确度无法保证的问题，设计了一种基于专家模糊的脱硝系统分层优化自适应智能控制方法。该控制方法包括的主要步骤有：数据的预处理、基于专家经验的区间控制、基于专家经验的稳态优化、基于解耦规则的前馈控制、基于专家经验的动态叠加、基于模糊的还原剂低限/高限保护、基于专家经验的还原剂低限保护自适应控制、基于模糊的被控量NO_X快速保护。该控制方法与DCS系统相结合实现了火电厂脱硝系统的稳定及经济运行。

Description

一种基于专家模糊的脱硝系统分层优化自适应智能控制方法

技术领域

本发明属于火电厂脱硝系统NO_X脱除自动控制方法技术领域，具体涉及一种基于专家模糊的脱硝系统分层优化自适应智能控制方法。

背景技术

在国内外，大多学者对大型火力发电机组脱硝系统的相关研究主要集中在氮氧化物控制机理和工艺的研究上，还有少部分学者对火力发电机组脱硝系统控制的研究集中在控制方法的设计和仿真，但是在设计时并没有考虑到实际运行中的各种复杂多变的因素，从而所设计的控制方法不适用于现场实施。加之火力发电机组脱硝系统脱除过程的大迟延、大惯性、多因素耦合等特性常规控制方法无法满足其控制要求，而一些先进控制因不能建立较准确的模型等问题也很难在现场实际中实施，因此加大了在生产现场实现脱硝系统自动控制的难度,导致了现有的火力发电机组脱硝系统多为运行人员手动进行调节，而手动调节带来的问题为一是运行人员工作量大，同时NO_X也容易超环保指标，二是还原剂消耗量大，与此同时氨逃逸量也大。

发明内容

本发明的目的是解决现有火电厂脱硝系统NO_X脱除自动控制方法存在无法满足控制要求的技术问题，提供一种基于专家模糊的脱硝系统分层优化自适应智能控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于专家模糊的脱硝系统分层优化自适应智能控制方法，包括以下步骤：

1)数据的预处理：将生产现场测量回来的带有随机扰动的被控量NO_X、负荷、氧量、煤粉炉炉膛温度、循环流化床锅炉石灰石的测量值及其微分进行滤波处理，来消除干扰对控制的影响；

2)基于专家经验的区间控制：设定一个区域范围或者死区范围，忽略被控量NO_X在区域范围或者死区范围内的变化，增强鲁棒性：当被控量NO_X测量值在所设定区域范围或者死区范围内时，则还原剂设定值不进行调整，当被控量NO_X测量值不在所设定区域范围或者死区范围内时，还原剂设定值则按偏离区域的程度采取相应的专家算法来进行调整；

3)基于专家经验的稳态优化：如果被控量NO_X在所设定区域范围或者死区范围内且NO_X设定值大于NO_X测量值时，对还原剂设定值进行微调，进一步减少还原剂消耗量，被控量NO_X测量值在所设定区域范围或者死区范围内的条件下，最终使被控量NO_X设定值小于NO_X测量值；

4)基于解耦规则的前馈控制：当负荷、氧量、煤粉炉炉膛温度或循环流化床锅炉石灰石的任一项或几项测量值发生变化时，通过专家经验算法得到所需的还原剂量，提前喷入还原剂进行超前调节，从而抑制被控制量NO_X的升高或降低；当负荷测量值变化时，氧量、煤粉炉炉膛温度、循环流化床锅炉石灰石量的测量值也随之发生变化，针对彼此之间的耦合关系，对其进行了解耦；

5)基于专家经验的动态叠加：将步骤2)、3)、4)中每次脉冲信号发出后触发的还原剂计算值在原来还原剂设定值动态平衡的基础上进行一次叠加，最后得到还原剂的设定值；

6)基于模糊的还原剂低限/高限保护：在步骤5)的基础上，选取负荷和氧量信号作为模糊输入，根据历史数据以及运行人员的经验分别建立了模糊规则，根据输入的数值、模糊规则库分别计算出还原剂的低限值和还原剂的高限值；

7)基于专家经验的还原剂低限保护自适应控制：在步骤6)的基础上，当还原剂量为当前工况下对应还原剂的的低限值且被控量NO_X设定值大于被控量NO_X测量值5mg/Nm³以上时，经过一段时间的判断，如果这种情况一直没有变化，则此时在还原剂低限值的基础上进一步减少还原剂量，然后再进行判断，直到被控量NO_X测量值大于被控量NO_X设定值2mg/Nm³以上时，逐步恢复到原来的还原剂的低限值；

8)基于模糊的被控量NO_X快速保护：当被控量NO_X超过设定的上限值时，将步骤6)的程序出口自动切换至基于模糊的被控量NO_X快速保护方法，取被控量NO_X测量值和被控量NO_X变化率作为模糊块的输入，根据历史数据以及运行人员的经验建立模糊规则，根据输入的大小来计算出NO_X所需的还原剂保护量。

本发明采用以上技术方案，与背景技术相比，本发明具有以下优点：

1)作为一种经过实践检验的智能控制方法，解决了火力发电机组脱硝系统不能实现自动控制的问题，弥补了火电厂在脱硝系统自动控制方面的空白；

2)解决了因NO_X突然大幅升高而出现环保数据超标的问题，使NO_X排放得到了有效控制；

3)不仅减少了运行人员的工作量，而且减少了还原剂消耗量，同时氨逃逸大幅下降，即提高了经济性，又减少了氨逃逸带来的环保问题，为火电厂的节能降耗的做出了贡献。

附图说明

附图是本发明的控制流程图。

具体实施方式

如附图所示，本实施例中的一种基于专家模糊的脱硝系统分层优化自适应智能控制方法，包括以下步骤：

1)数据的预处理：由于现场测量回来的数据往往带有随机的扰动，可以通过滤波来消除干扰对控制的影响，考虑到控制方法中需要用到的测量信号，选取了将生产现场测量回来的带有随机扰动的被控量NO_X、负荷、氧量、煤粉炉炉膛温度、循环流化床锅炉石灰石的测量值及其微分进行滤波处理，来消除干扰对控制的影响；实际组态中可以通过调节微分时间或加入惯性环节实现滤波，同时需要设置合适的参数，将随机扰动导致的数值变化与NO_X、负荷和氧量等是否确实发生变化区分出来；在数据处理时，对参数进行调整，将NO_X、负荷和氧量等随机干扰导致的变化率限制在±0.1之内，即±0.1之内时认为是随机干扰导致的波动，超过±0.1时，认为NO_X、负荷和氧量等确实发生了变化；

2)基于专家经验的区间控制：设定一个区域范围或者死区范围，忽略被控量NO_X在区域范围或者死区范围内的变化，增强鲁棒性：当被控量NO_X测量值在所设定区域范围或者死区范围内时，则还原剂设定值不进行调整，当被控量NO_X测量值不在所设定区域范围或者死区范围内时，还原剂设定值则按偏离区域的程度采取相应的专家算法来进行调整：

①当被控量NO_X超过所设区域范围或者死区范围时，还原剂调节量的多少按照一定的专家经验算法确定，具体计算方法如下：

ΔY＝K₁X₁+K₂X₂+K₃X₃+K₄X₄ (1)

其中，ΔY-控制器的叠加值，X₁-负荷，X₂-氧量，X₃-NO_X偏差，X₄-NO_X变化率，K₁，K₂，K₃，K₄-权重，根据负荷、氧量、NO_X偏差值、NO_X变化率的变化来决定增减控制器指令的多少；

②当被控量NO_X超过区域范围或者死区范围时，将会判断是否应该进行控制量的增减，具体判断方法如下：

当被控量NO_X变化率大于-0.1且NO_X偏差大于正死区时进行指令的累加，当NO_X变化率小于0.1且NO_X偏差小于负死区时进行指令的递减；当满足这些增减条件时，将会发一个扫描周期的脉冲来增减由式(1)计算得到的还原剂量，给其喷入的还原剂一定的反应时间，经过一段时间反应后再次进行判定来决定是否增减还原剂量；

3)基于专家经验的稳态优化：为了使还原剂消耗量较少，在到达NO_X设定区间的情况下，进一步对还原剂消耗量进行优化，如果被控量NO_X在所设定区域范围或者死区范围内且NO_X设定值大于NO_X测量值时，对还原剂设定值进行微调，进一步减少还原剂消耗量，被控量NO_X测量值在所设定区域范围或者死区范围内的条件下，最终使被控量NO_X设定值小于NO_X测量值时停止调节；

具体调节规则如下：

①将负荷经函数F(x)折算成所需要的还原剂量；

②当NO_X实测值在所设定区域范围或者死区范围内时，并且NO_X没有上升趋势即NO_X变化率小于0.1时，则经过判断减少由式(1)计算得到的还原剂量，经过一定的反应时间后，再进行判断是否应该进行进一步优化；

当达到一定条件时，优化作用消失，具体条件如下：

①负荷、氧量等前馈微分信号大于0.1时，此时优化作用消失，待稳定后进行条件判定；

②还原剂量小于各工况下的最低值时优化作用消失；

4)基于解耦规则的前馈控制：通过研究分析，发现负荷和氧量、煤粉炉炉膛温度、循环流化床锅炉石灰石对NO_X的生成影响最大，负荷、氧量、煤粉炉炉膛温度以及石灰石对NO_X的生成起正相关作用，所以采用负荷、氧量、炉膛温度和循环流化床锅炉石灰石作为前馈调节；当负荷、氧量、煤粉炉炉膛温度或循环流化床锅炉石灰石的任一项或几项测量值发生变化时，通过专家经验算法得到所需的还原剂量，提前喷入还原剂进行超前调节，从而抑制被控制量NO_X的升高或降低；

(1)前馈控制的经验算法

负荷、氧量、煤粉炉炉膛温度和循环流化床锅炉石灰石的任一项或几项测量值上升/下降时，通过增加/减少还原剂量进行超前调节，而调节量的多少，多长时间进行一次判定具有一定规则。

①负荷前馈调节规则

a、将负荷经函数F(x₁)折算成所需要的还原剂基准量，同时将氧量经函数F(x₂)折算成修正量对还原剂基准量进行修正,即

ΔY＝F(x₁)F(x₂) (2)

其中，ΔY为控制器的叠加值，x₁-负荷，x₂-氧量；

b、根据历史数据分析，负荷的变化相对较慢，选择每分钟进行一次判断，到达判定时间，如果负荷没有变化即负荷变化率在±0.1之内时，不进行还原剂量调整，如果负荷发生变化，则按照式(2)得到叠加量进行还原剂量调整；

②氧量前馈调节规则

a、将负荷经函数F(x₁)折算成所需要的还原剂基准量，将氧量变化率经函数F(x₂)折算成还原剂基准量的修正值,即

ΔY＝F(x₁)F(x₂) (3)

其中，ΔY为控制器的叠加值，x₁-负荷，x₂-氧量变化率

b、根据历史数据分析，氧量的变化相对较快，所以选择每30秒进行一次判断，到达判定时间，如果氧量没有变化即氧量变化率在±0.1之内时，不进行还原剂量调整，如果氧量发生变化，则按照式(3)得到叠加量进行还原剂量调整；

③炉膛温度前馈调节规则

如果火力发电机组的炉型为煤粉炉，则此时需要考虑煤粉炉炉膛温度对NO_X生成量的影响,

a、将负荷经函数F(x₁)折算成所需要的还原剂基准量，同时将氧量经函数F(x₂)折算成还原剂基准量的修正值,即

ΔY＝F(x₁)F(x₂) (4)

其中，ΔY为控制器的叠加值，x₁-负荷，x₂-氧量；

b、根据历史数据分析，煤粉炉炉膛温度的变化相对较慢，选择每分钟进行一次判断，到达判定时间，如果煤粉炉炉膛温度没有变化即煤粉炉炉膛温度变化率在±0.1之内时，不进行还原剂量调整，如果煤粉炉炉膛温度发生变化，则按照式(4)得到叠加量进行还原剂量调整；

④石灰石前馈调节规则

如果火力发电机组的炉型为循环流化床锅炉，则此时需要考虑循环流化床锅炉石灰石对被控量NO_X生成量的影响；

a、将负荷经函数F(x₁)折算成所需要的还原剂基准量，同时将石灰石变化率经函数F(x₂)折算成还原剂基准量的修正值，即

ΔY＝F(x₁)F(x₂) (5)

其中，ΔY为控制器的叠加值，x₁-负荷，x₂-石灰石变化率；

b、根据历史数据，循环流化床锅炉石灰石的变化相对较快，选择每30秒进行一次判断，到达判定时间，如果循环流化床锅炉石灰石量没有变化即循环流化床锅炉石灰石量变化率在±0.1之内时，不进行还原剂量调整，如果循环流化床锅炉石灰石量发生变化，则按照式(5)得到叠加量进行还原剂量调整；

(2)前馈控制的解耦规则

当负荷测量值变化时，氧量、煤粉炉炉膛温度、循环流化床锅炉石灰石量的测量值也随之发生变化，针对彼此之间的耦合关系，例如当负荷增大时，如果氧量下降幅度不是很大，则此时负荷对NO_X的影响比氧量大，当负荷减小，如果氧量上升幅度较大时，则此时氧量的变化对NO_X的影响比负荷大，因此在控制方法对其进行了解耦；

具体解耦方法如下：

①负荷作为前馈

允许增加还原剂量的条件有：

a、负荷变化率大于等于0.1；

b、NO_X实测值大于等于NO_X设定值；

c、NO_X变化率大于等于0；

d、氧量变化率大于等于-0.1；

当同时满足以上条件时，发一个脉冲增加一定量的还原剂；

允许减少还原剂量的条件有:

a、负荷变化率小于等于-0.1；

b、NO_X实测值小于等于NO_X设定值；

c、NO_X变化率小于等于0；

d、氧量变化率小于等于0.1；

当同时满足以上条件时，发一个脉冲减少一定量的还原剂；

②氧量作为前馈

允许增加还原剂量的条件有：

a、氧量变化率大于等于0.1；

b、NO_X实测值大于等于NO_X设定值；

c、NO_X变化率大于等于0；

d、负荷变化率大于等于-0.1；

当同时满足以上条件时，发一个脉冲增加一定量的还原剂；

允许减少还原剂量的条件有：

a、氧量变化率小于等于-0.1；

b、NO_X实测值小于等于NO_X设定值；

c、NO_X变化率小于等于0；

d、负荷变化率小于等于0.1；

当同时满足以上条件时，发一个脉冲减少一定量的还原剂；

③煤粉炉炉膛温度作为前馈

允许增加还原剂量的条件有：

a、煤粉炉炉膛温度变化率大于等于0.1；

b、NO_X实测值大于等于NO_X设定值；

c、NO_X变化率大于等于0；

当同时满足以上条件时，发一个脉冲增加一定量的还原剂；

允许减少还原剂量的条件有：

a、煤粉炉炉膛温度变化率小于等于-0.1；

b、NO_X实测值小于等于NO_X设定值；

c、NO_X变化率小于等于0；

当同时满足以上条件时，发一个脉冲减少一定量的还原剂；

④循环流化床锅炉石灰石作为前馈

允许增加还原剂量的条件有：

a、循环流化床锅炉石灰石变化率大于等于0.1：

b、NO_X实测值大于等于NO_X设定值：

c、NO_X变化率大于等于0：

当同时满足以上条件时，发一个脉冲增加一定量的还原剂；

允许减少还原剂量的条件有：

a、循环流化床锅炉石灰石变化率小于等于-0.1；

b、NO_X实测值小于等于NO_X设定值；

c、NO_X变化率小于等于0；

当同时满足以上条件时，发一个脉冲减少一定量的还原剂；

5)基于专家经验的动态叠加：还原剂设定值的形成是通过步骤2)、3)、4)中的条件判断来发一个计算机扫描周期的脉冲信号将根据专家经验计算得到还原剂累加值进行叠加，然后经过一定的时间(即一个判定周期)再次进行判断是否满足还原剂量变化的条件，将步骤2)、3)、4)中每次脉冲信号发出后触发的还原剂计算值在原来还原剂设定值动态平衡的基础上进行一次叠加，最后得到还原剂的设定值；

在还原剂量设定值形成中，没有使用常规的PID控制器，而是借鉴了PID的部分功能与专家控制相结合形成的动态叠加方法，在PID控制中如果被控量有下降的趋势时，控制量仍在进行累加，而采用基于专家经验的动态叠加方法，在有下降趋势时，会进行判定不再继续进行控制量的累加，其它情况与此类似；

6)基于模糊的还原剂低限/高限保护：在步骤5)的基础上，提出了基于模糊的还原剂低限/高限保护方法，在逐步降低还原剂量的同时要给其设置一个最低流量限制，目的是要有一定的还原剂余量，使NO_X的变化不太敏感；在逐步增加还原剂量的同时要给其设置一个最高流量限制，防止喷入过量的还原剂，目的是要保证经济效益以及降低氨逃逸；选取负荷和氧量信号作为模糊输入，根据历史数据以及运行人员的经验分别建立了模糊规则，根据输入的数值、模糊规则库分别计算出还原剂的低限值和还原剂的高限值；

7)基于专家经验的还原剂低限保护自适应控制：在步骤6)的基础上提出了基于专家经验的还原剂低限保护自适应控制方法，而建立模糊规则时最低限值选取的是正常运行工况下的一般值，为了提高经济性，在出现特殊情况时需要采用自适应的方法进一步减少还原剂量，当还原剂量为当前工况下对应还原剂的的低限值且被控量NO_X设定值大于被控量NO_X测量值5mg/Nm³以上时，经过一段时间的判断，如果这种情况一直没有变化，则此时在还原剂低限值的基础上进一步减少还原剂量，然后再进行判断，直到被控量NO_X测量值大于被控量NO_X设定值2mg/Nm³以上时，逐步恢复到原来的还原剂的低限值；

8)基于模糊的被控量NO_X快速保护：当燃烧工况大幅度变化导致NO_X急剧变化时，所述步骤6)程序出口的还原剂设定值已不能满足控制要求，当被控量NO_X超过设定的上限值时，将步骤6)的程序出口自动切换至基于模糊的被控量NO_X快速保护方法，取被控量NO_X测量值和被控量NO_X变化率作为模糊块的输入，根据历史数据以及运行人员的经验建立模糊规则，根据输入的大小来计算出NO_X所需的还原剂保护量。

本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于专家模糊的脱硝系统分层优化自适应智能控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)数据的预处理：将生产现场测量回来的带有随机扰动的被控量NO_X、负荷、氧量、煤粉炉炉膛温度、循环流化床锅炉石灰石的测量值及其微分进行滤波处理，来消除干扰对控制的影响；

2)基于专家经验的区间控制：设定一个区域范围或者死区范围，忽略被控量NO_X在区域范围或者死区范围内的变化，增强鲁棒性：当被控量NO_X测量值在所设定区域范围或者死区范围内时，则还原剂设定值不进行调整，当被控量NO_X测量值不在所设定区域范围或者死区范围内时，还原剂设定值则按偏离区域的程度采取相应的专家算法来进行调整；

3)基于专家经验的稳态优化：如果被控量NO_X在所设定区域范围或者死区范围内且NO_X设定值大于NO_X测量值时，对还原剂设定值进行微调，进一步减少还原剂消耗量，被控量NO_X测量值在所设定区域范围或者死区范围内的条件下，最终使被控量NO_X设定值小于NO_X测量值；

4)基于解耦规则的前馈控制：当负荷、氧量、煤粉炉炉膛温度或循环流化床锅炉石灰石的任一项或几项测量值发生变化时，通过专家经验算法得到所需的还原剂量，提前喷入还原剂进行超前调节，从而抑制被控制量NO_X的升高或降低；当负荷测量值变化时，氧量、煤粉炉炉膛温度、循环流化床锅炉石灰石量的测量值也随之发生变化，针对彼此之间的耦合关系，对其进行了解耦；

5)基于专家经验的动态叠加：将步骤2)、3)、4)中每次脉冲信号发出后触发的还原剂计算值在原来还原剂设定值动态平衡的基础上进行一次叠加，最后得到还原剂的设定值；

6)基于模糊的还原剂低限/高限保护：在步骤5)的基础上，选取负荷和氧量信号作为模糊输入，根据历史数据以及运行人员的经验分别建立了模糊规则，根据输入的数值、模糊规则库分别计算出还原剂的低限值和还原剂的高限值；

7)基于专家经验的还原剂低限保护自适应控制：在步骤6)的基础上，当还原剂量为当前工况下对应还原剂的的低限值且被控量NO_X设定值大于被控量NO_X测量值5mg/Nm³以上时，经过一段时间的判断，如果这种情况一直没有变化，则此时在还原剂低限值的基础上进一步减少还原剂量，然后再进行判断，直到被控量NO_X测量值大于被控量NO_X设定值2mg/Nm³以上时，逐步恢复到原来的还原剂的低限值；

8)基于模糊的被控量NO_X快速保护：当被控量NO_X超过设定的上限值时，将步骤6)的程序出口自动切换至基于模糊的被控量NO_X快速保护方法，取被控量NO_X测量值和被控量NO_X变化率作为模糊块的输入，根据历史数据以及运行人员的经验建立模糊规则，根据输入的大小来计算出NO_X所需的还原剂保护量。