CN107952353A - 一种烟气净化系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种烟气净化系统，包括：动态矩阵控制器、第一脱硝系统、第二脱硝系统和脱硫系统；动态矩阵控制器，获取脱硫系统出口处烟气的氮氧化物浓度值，根据预设输出氮氧化物浓度值和氮氧化物浓度值的差值大小控制第一脱硝系统第一喷氨阀开度以及第二脱硝系统的第二喷氨阀开度；第一脱硝系统，根据第一喷氨阀开度控制进入第一脱硝塔中的喷氨量以使第一脱硝塔对烟气进行脱硝；第二脱硝系统，根据第二喷氨阀开度控制进入第二脱硝塔中的喷氨量以使第二脱硝塔对烟气进行脱硝；脱硫系统，对第一脱硝塔和第二脱硝塔输出的烟气进行脱硫并输出。本发明实施例中，实现了喷氨量的预测控制调节，达到了输出烟气控制目标与环保考核目标的一致。

Description

一种烟气净化系统及其控制方法

技术领域

本发明实施例涉及空气净化技术，尤其涉及一种火电厂烟气净化系统及其控制方法。

背景技术

国家发改委、环保部和能源局共同发布了文件，明确指出在基准含氧量6％的情况下，排放烟气中的烟尘、二氧化硫和氮氧化合物分别不超过10mg/m³、35mg/m³和50mg/m³，即“超低排放”。基于烟气中的污染物主要包括二氧化硫和氮氧化合物，因此目前净化设备主要采用脱硝系统与脱硫系统对烟气进行净化。脱硝系统的脱硝过程即是指去除燃烧烟气中的氮氧化物的过程。

目前的脱硝系统主要是通过PID(Proportion Integration Differentiation.比例-积分-微分控制器)控制结构和基于PID的优化调整来控制氮氧化合物以及硫化物的排放。图1为现有技术中基于PID控制结构的脱硝系统。在系统初始化之前预先设置一预设输出氮氧化合物浓度值，并将此预先设置的浓度值作为排放氮氧化合物浓度值的目标值。从图1中可以看到有两个PID控制器分别控制A侧喷氨阀门开度与B侧喷氨阀阀门开度，其中，脱硝塔用于烟气中氮氧化合物与氨气发生反应产生无污染的氮气，减少烟气中氮氧化合物的含量，两个PID控制器使分别经过脱硝塔净化后的烟气中排出的氮氧化合物的浓度值在设定的氮氧化合物浓度值的目标值范围之内，然而经过A侧脱硝塔与B侧脱硝塔脱硝排放出气体混合后还需要再经过脱硫系统进一步脱硫处理，最终排入空气中。

理论上排入到空气中的烟气氮氧化合物浓度值应在所设定目标值范围之内，但是在实际应用中发现排入到空气中烟气氮氧化合物的浓度值超过预设的氮氧化合物浓度值。同时环保考核目标主要是测试脱硫系统出口处的氮氧化合物的浓度值，因此基于PID控制第一喷氨阀开度与第二喷氨阀开度使脱硝出口处氮氧化合物的浓度值难以达到目标值与环保考核值相一致。

发明内容

本发明实施例提出一种烟气净化系统及其控制方法，实现实时调节使排入到空气中的烟气氮氧化合物浓度值与预设输出氮氧化合物浓度值相一致的效果。

第一方面，本发明实施例提供一种烟气净化系统，包括：动态矩阵控制器、第一脱硝系统、第二脱硝系统和脱硫系统；

所述动态矩阵控制器，用于获取所述脱硫系统出口处烟气的氮氧化物浓度值，根据预设输出氮氧化物浓度值和所述氮氧化物浓度值的差值大小控制所述第一脱硝系统的第一喷氨阀开度以及所述第二脱硝系统的第二喷氨阀开度；

所述第一脱硝系统，用于根据所述第一喷氨阀开度控制进入第一脱硝塔中的喷氨量以使所述第一脱硝塔对烟气进行脱硝；

所述第二脱硝系统，用于根据所述第二喷氨阀开度控制进入第二脱硝塔中的喷氨量以使所述第二脱硝塔对烟气进行脱硝；

所述脱硫系统，用于对所述第一脱硝塔和所述第二脱硝塔输出的烟气进行脱硫并输出。

第二方面，本发明实施例还提供了一种烟气净化系统的控制方法，所述烟气净化系统包括动态矩阵控制器、第一脱硝系统、第二脱硝系统和脱硫系统；

该控制方法包括：

所述动态矩阵控制器获取所述脱硫系统出口处烟气的氮氧化物浓度值，并根据预设输出氮氧化合物浓度值和所述氮氧化物浓度值的差值大小控制所述第一脱硝系统的第一喷氨阀开度以及所述第二脱硝系统的第二喷氨阀开度；

所述第一脱硝系统根据所述第一喷氨阀开度控制进入第一脱硝塔中的喷氨量以使所述第一脱硝塔对烟气进行脱硝；

所述第二脱硝系统根据所述第二喷氨阀开度控制进入第二脱硝塔中的喷氨增量以使所述第二脱硝塔对烟气进行脱硝；

所述脱硫系统对所述第一脱硝塔和所述第二脱硝塔输出的烟气进行脱硫并输出。

本发明实施例提出一种烟气净化系统及其控制方法，通过动态矩阵控制器，使烟气净化系统实现提前预测脱硫系统出口处氮氧化合物的浓度值，控制喷氨阀的开度。当预测出现一些偏差时，动态矩阵控制器根据实际输出的氮氧化合物的浓度值与预设输出的氮氧化合物浓度值的差值，控制脱硝系统中各喷氨阀开度，使进入到第一脱硝塔以及第二脱硝塔中喷氨量增加或减少，与循环进入到脱硝塔中的烟气发生化学反应，达到输出氮氧化合物浓度值与环保考核值相吻合的效果。

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做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是现有技术中基于PID控制结构的烟气净化系统控制图。

图2是本发明实施例一中的一种烟气净化系统控制图。

图3是本发明实施例二中的一种烟气净化系统控制方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

实施例一

图2为本发明实施例一提供的一种烟气净化系统控制图。本实施例适用于净化排放的烟气。本实施例提供的此烟气净化系统包括：动态矩阵控制器201、第一脱硝系统202、第二脱硝系统203和脱硫系统204；动态矩阵控制器201，用于获取脱硫系统204出口处烟气的氮氧化物浓度值，根据预设输出氮氧化物浓度值和出口处氮氧化物浓度值的差值大小控制第一脱硝系统202的第一喷氨阀205开度以及第二脱硝系统203的第二喷氨阀206开度；第一脱硝系统202，用于根据第一喷氨阀205开度控制进入第一脱硝塔207中的喷氨量以使第一脱硝塔207对烟气进行脱硝；第二脱硝系统203，用于根据第二喷氨阀206开度控制进入第二脱硝塔208中的喷氨量以使第二脱硝塔208对烟气进行脱硝；脱硫系统204，用于对第一脱硝塔207和第二脱硝塔208输出的烟气进行脱硫并输出。

本实施例中的第一脱硝系统202包括第一喷氨阀205和与其相接通的第一脱硝塔207。其中第一喷氨阀205仅仅是起到一个阀门的作用，通过第一喷氨阀205阀门的开度大小来控制进入第一脱硝塔207中氨气的流量；第一脱硝塔207的作用主要是使烟气中的氮氧化物与氨气发生反应生成无污染的氮气，减小烟气中氮氧化合物的浓度。第二脱硝系统203包括第二喷氨阀206和与其相接通的第二脱硝塔208，其作用与第一脱硝系统的作用相同。

脱硫系统204与第一脱硝系统202和第二脱硝系统203相连，为了进一步净化烟气还需要对经过第一脱硝系统202与第二脱硝系统203脱硝后的烟气进行脱硫处理，使从脱硫系统204出口排放出的烟气氮氧化合物浓度值与硫化物的浓度值在环保考核值范围内。

由于排入到空气中的烟气氮氧化合物浓度值要在国家的环保考核值范围内，会预先在动态矩阵控制器201中设置一个预设输出氮氧化合物浓度值，称其为设定值。动态矩阵控制器201，主要是获取脱硫系统204出口处氮氧化合物浓度值与控制第一脱硝系统202、第二脱硝系统203中喷氨阀的开度。具体是：动态矩阵控制器201，一方面能够获取脱硫系统204出口处氮氧化合物浓度值；另一方面，动态矩阵控制器201分别与第一脱硝系统202中的第一喷氨阀205、第二脱硝系统203中的第二喷氨阀206相连，根据脱硫系统204出口处氮氧化合物浓度值与预设氮氧化合物浓度值的差值，计算出第一脱硝系统202中第一喷氨阀205的开度以及第二脱硝系统203中第二喷氨阀206的开度，控制进入第一脱硝塔207以及第二脱硝塔208中氨气的流量。

预先在动态矩阵控制器中设置一个预设输出氮氧化合物浓度值，并将此值作为脱硫系统出口处氮氧化合物浓度值的控制目标值。当烟气通过烟囱分别进入到第一脱硝系统中的第一脱硝塔与第二脱硝系统中的第二脱硝塔中时，烟气中的氮氧化合物会与氨气发生反应产生无污染的氮气，减少烟气中氮氧化合物浓度值；经过第一脱硝系统与第二脱硝系统反应的气体混合进入到脱硫系统进行脱硫处理后排出。动态矩阵控制器根据预设输出氮氧化合物浓度值与此时脱硫系统出口处的氮氧化合物浓度值的差值，控制第一脱硝系统中喷氨阀开度以及第二脱硝系统中第二喷氨阀的开度，使进入到脱硝塔中氨气的流量增大或者减少，与循环进入脱硝塔中的烟气反应，达到从脱硫系统出口处氮氧化合物浓度值与预设输出氮氧化合物浓度值相一致。

可选的，烟气净化系统还包括烟气采集器，烟气采集器设置在脱硫系统204的出口处，主要用于采集脱硫系统204出口处烟气的氮氧化物浓度值，并将氮氧化物浓度值传输至动态矩阵控制器201。分别经过第一脱硝系统与第二脱硝系统净化后的烟气经混合后还需要经过脱硫系统207脱硫处理后排出，脱硫系统207出口处的烟气采集器采集此时氮氧化合物的浓度值并将该浓度值传输至动态矩阵控制器202。

进一步地，动态矩阵控制器，还用于在检测到所述预设输出氮氧化合物浓度值和所述氮氧化物浓度值差值大于0时，控制所述第一脱硝系统中第一喷氨阀开度以及第二脱硝系统中第二喷氨阀的开度；以及，

还用于在检测到所述预设输出氮氧化合物浓度值和所述氮氧化物浓度值差值小于0时，控制所述第一脱硝系统中第一喷氨阀开度以及第二脱硝系统中第二喷氨阀的开度。

动态矩阵控制器根据预设输出氮氧化合物浓度值与烟气采集器采集的脱硫系统出口处氮氧化合物浓度值的差值大小判断喷氨阀开度；若预设输出的氮氧化合物的浓度值与烟气采集器采集到的氮氧化合物的浓度值的差值小于零，则动态矩阵控制器根据此差值计算得到第一脱硝系统中喷氨阀开度以及第二脱硝系统中第二喷氨阀开度，此时喷氨阀阀门开度比原来大，即喷氨阀阀门开度增量为一正值，使进入到第一脱硝塔以及第二脱硝塔中氨气的流量增大并与循环进入到脱硝塔中的烟气发生反应，达到排入到空气中烟气氮氧化合物浓度值与预设输出浓度值相一致；若预设输出的氮氧化合物的浓度值与烟气采集器采集到的氮氧化合物的浓度值的差值大于零，则动态矩阵控制器根据此差值计算得到第一脱硝系统中喷氨阀开度以及第二脱硝系统中第二喷氨阀开度，此时喷氨阀阀门的开度比原来小，即喷氨阀阀门开度的增量为负值，使通入到第一脱硝系统和第二脱硝系统中的氨气流量减小，与循环进入到脱硝塔中的烟气发生化学反应，达到排入到空气中烟气氮氧化合物浓度值与预设输出氮氧化合物浓度值相一致。

可选的，本实施例烟气净化系统中的动态矩阵控制器为采用非方算法的动态矩阵控制器；其中，动态矩阵控制是一种较早发展起来的预测控制，其中包括预测模型、滚动优化等基本思想，其原理是：

(1)预测模型

动态矩阵需要对象的阶跃响应系数，对于一个渐近稳定的线性对象G，测定该对象的阶跃响应采样值为：

a_i＝y(iT)i＝1,2,3…N 2-1

其中T为采样周期，N是一个正整数，因为对象渐进稳定，所以可以找到一个正整数N使得对象的阶跃响应在时间NT之后趋于平稳。这样，对象的全部动态信息就可以近似用有限集合来描述，

a＝[a₁ a₂ … a_N] 2-2

其中，a就构成了动态矩阵所需要的预测模型。此预测模型的线性对象相当于本申请中的脱硝系统至脱硫系统整个模型。

因为G为线性对象，所以满足齐次性和叠加性，故可利用模型参数a来预测对象未来的输出。假设在k时刻，没有控制增量作用时，对未来N个时刻对象输出的初始预测值为：

其中k+i|k表示用k时刻的值来预测k+i时刻的值。那么当在k时刻有一控制增量Δu(k)时，在其作用下，未来N个时刻的输出预测值可表示为：

类似地，当有M个控制增量Δu(k)、Δu(k+1)、...Δu(k+M-1)作用于对象G时，2-4式就变为了：

该模型即表示了系统的预测模型。此预测模型能够根据k时刻的初始预测值预测出k+i时刻脱硫系统出口处氮氧化合物的浓度值。

(2)滚动优化

根据k时刻的初始预测值预测k+i时刻脱硫系统出口处氮氧化合物的浓度值与在实际应用中k+i时刻脱硫系统出口处浓度值可能会出现差异，此时动态矩阵控制器，就会根据脱硫系统出口处氮氧化合物的浓度值与

从k时刻起，假设已知k时刻后的M个控制增量为Δu(k)、Δu(k+1)、…，Δu(k+M-1)。根据2-5式可以预测k时刻后N个输出值，但是这里并不需要都预测，只需预测k时刻后的P(P≤N)个输出值即可，其中P称为预测时域。此时2-5式可以写成如下向量的形式：

其中：

为了使预测出的P个输出尽可能接近给定期望值y_r(k+i)(i＝1,2…P)，且控制中不希望控制增量Δu(k)变化太大，于是可取k时刻的优化性能指标为：

目标是选择合适的Δu_M(k)使J(k)取极小值。2-7式写成向量形式如下：

其中

q为输出权系数，r为输入权系数。

使J(k)取极小值的Δu_M(k)可通过求极值的必要条件来求得，即令：

2-9式求出了Δu(k)、Δu(k+1)、…、Δu(k+M-1)的最优值，但是DMC只取第一个控制增量Δu(k)构成k时刻的实际控制量，即：

u(k)＝u(k-1)+Δu(k) 2-10

到下一个时刻，系统将再次提出类似的优化问题，以下一时刻为新的起点，再向后预测P个输出，然后同理优化求出下一时刻的控制增量Δu(k+1)，以此类推，实现滚动优化。

分析2-9式可以发现，(A^TQA+R)^-1A^TQ不随滚动变化，对象确定、参数给定后就是一个定值，可以离线算出，记为：

D＝(A^TQA+R)^-1A^TQ 2-11

取C＝[1 0 … 0]，记：

d^T＝C(A^TQA+R)^-1A^TQ 2-12

则第一个控制增量Δu(k)还可以通过下式求出：

由于本实施例主要是针对两输入一输出的烟气净化系统，因此采用的非方算法的动态矩阵控制器，此非方动态矩阵控制是在上述动态矩阵基本原理的基础上推导得出的，具体为：对于1×2非方系统：

G′＝(G₁₁ G₁₂) 2-14

G为整个脱硝系统至脱硫系统的模型，G₁₁为第一脱硝系统至脱硫系统模型，G₁₂为第二脱硝系统至脱硫系统模型。

根据2-12式可以得到如下形式：

其中

则两个控制增量Δu(k)可以通过下式求出：

y_r(k)相当于本实施例中预设输出氮氧化合物浓度值；相当于本实施例中烟气采集器采集到的脱硫系统出口处氮氧化合物的浓度值；△u₁(k)为采用非方算法的动态矩阵控制器，根据预设输出的氮氧化合物浓度值与烟气采集器采集脱硫系统出口处氮氧化合物的浓度值的差值，计算得出的第一喷氨阀的开度增量；△u₂(k)为为采用非方算法的动态矩阵控制器根据预设输出的氮氧化合物浓度值与烟气采集器采集脱硫系统出口处氮氧化合物的浓度值的差值计算得出的第二喷氨阀的开度增量。

本实施例提出一种烟气净化系统，通过采用非方算法的动态矩阵控制器，控制了一个两输入一输出的烟气净系统实现提前预测脱硫系统出口处氮氧化合物的浓度值，控制喷氨阀的开度，解决了第一喷氨阀门与第二喷氨阀门到脱硫出口处的纯延迟的问题。当预测出现一些偏差时，动态矩阵控制器根据预设的氮氧化合物浓度值与实际输出的氮氧化合物的浓度值的差值控制脱硝系统中喷氨阀的开度，进一步减少烟气中氮氧化合物的含量，达到脱硫系统出口处氮氧化合物的浓度值与预设输出氮氧化合物浓度值相一致。通过动态矩阵控制器的控制目标直接为脱硫系统出口的氮氧化合物浓度值，实现了控制目标值与环保考核目标值的相统一效果。

实施例二

图3为本发明实施例二提供的一种烟气净化系统控制方法流程图，可采用本发明实施例所提供的烟气净化系统来执行。该方法包括：

S310、动态矩阵控制器获取所述脱硫系统出口处烟气的氮氧化物浓度值，并根据预设输出氮氧化合物浓度值和所述氮氧化物浓度值的差值大小控制所述第一脱硝系统的第一喷氨阀开度以及所述第二脱硝系统的第二喷氨阀开度；

在系统初始化之前预先设置一预设输出氮氧化合物的浓度值将其作为目标输出值。当有烟气进入脱硝塔中时，烟气中的氮氧化合物与氨气发生化学反应后混合进入脱硫系统脱硫排出。在脱硫系统出口处设置有烟气采集器主要采集烟气中氮氧化合物的浓度值。动态矩阵控制器获取烟气采集器采集的氮氧化合物浓度值，并与预设输出氮氧化合物浓度值的差值，计算得出第一喷氨阀开度以及第二喷氨阀开度。

S320、第一脱硝系统根据所述第一喷氨阀开度控制进入第一脱硝塔中的喷氨量以使所述第一脱硝塔对烟气进行脱硝；第二脱硝系统根据所述第二喷氨阀开度控制进入第二脱硝塔中的喷氨增量以使所述第二脱硝塔对烟气进行脱硝；

动态矩阵控制器根据脱硫系统出口处氮氧化合物的浓度值与预设氮氧化合物的浓度值的差值，控制第一喷氨阀开度以及第二喷氨阀的开度增大或者减少，使循环进入脱硝塔烟气中氮氧化合物与氨气发生化学反应，对烟气进行脱硝处理，达到实际输出氮氧化合物的浓度值与预设输出氮氧化合物的浓度值相一致的效果。

S330、脱硫系统对所述第一脱硝塔和所述第二脱硝塔输出的烟气进行脱硫并输出。

经过脱硝处理后的烟气中还含有一些硫化物，需要经过脱硫处理后排入到空气中。

本实施例提出一种烟气净化系统及其控制方法，控制了两输入一输出的烟气净系统实现提前预测脱硫系统出口处氮氧化合物的浓度值，控制喷氨阀的开度，解决了喷氨阀阀门到脱硫出口氮氧化合物纯延迟的问题。当预测出现偏差时，动态矩阵控制器根据预设的氮氧化合物浓度值与实际输出的氮氧化合物的浓度值的差值控制脱硝系统中喷氨阀的开度。动态矩阵控制器的控制目标直接为脱硫系统出口的氮氧化合物浓度值，实现了控制目标值与环保考核值相统一效果。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (7)

1.一种烟气净化系统，其特征在于，包括：动态矩阵控制器、第一脱硝系统、第二脱硝系统和脱硫系统；

所述动态矩阵控制器，用于获取所述脱硫系统出口处烟气的氮氧化物浓度值，根据预设输出氮氧化物浓度值和所述氮氧化物浓度值的差值大小控制所述第一脱硝系统的第一喷氨阀开度以及所述第二脱硝系统的第二喷氨阀开度；

所述第一脱硝系统，用于根据所述第一喷氨阀开度控制进入第一脱硝塔中的喷氨量以使所述第一脱硝塔对烟气进行脱硝；

所述第二脱硝系统，用于根据所述第二喷氨阀开度控制进入第二脱硝塔中的喷氨量以使所述第二脱硝塔对烟气进行脱硝；

所述脱硫系统，用于对所述第一脱硝塔和所述第二脱硝塔输出的烟气进行脱硫并输出。

2.根据权利要求1所述的烟气净化系统，其特征在于，所述动态矩阵控制器为采用非方算法的非方动态矩阵控制器。

3.根据权利要求1所述烟气净化系统，其特征在于，还包括：烟气采集器，设置在所述脱硫系统的出口处，用于采集所述脱硫系统出口处烟气的氮氧化物浓度值并将所述氮氧化物浓度值传输至所述动态矩阵控制器。

4.根据权利要求1所述的烟气净化系统，其特征在于，所述动态矩阵控制器，还用于在检测到所述预设输出氮氧化合物浓度值和所述氮氧化物浓度值差值大于0时，控制所述第一脱硝系统中第一喷氨阀开度以及第二脱硝系统中第二喷氨阀的开度；以及，

还用于在检测到所述预设输出氮氧化合物浓度值和所述氮氧化物浓度值差值小于0时，控制所述第一脱硝系统中第一喷氨阀开度以及第二脱硝系统中第二喷氨阀的开度。

5.一种烟气净化系统的控制方法，其特征在于，所述烟气净化系统包括动态矩阵控制器、第一脱硝系统、第二脱硝系统和脱硫系统；

该控制方法包括：

所述动态矩阵控制器获取所述脱硫系统出口处烟气的氮氧化物浓度值，并根据预设输出氮氧化合物浓度值和所述氮氧化物浓度值的差值大小控制所述第一脱硝系统的第一喷氨阀开度以及所述第二脱硝系统的第二喷氨阀开度；

所述第一脱硝系统根据所述第一喷氨阀开度控制进入第一脱硝塔中的喷氨量以使所述第一脱硝塔对烟气进行脱硝；

所述第二脱硝系统根据所述第二喷氨阀开度控制进入第二脱硝塔中的喷氨增量以使所述第二脱硝塔对烟气进行脱硝；

所述脱硫系统对所述第一脱硝塔和所述第二脱硝塔输出的烟气进行脱硫并输出。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述烟气净化系统还包括设置在所述脱硫系统的出口处的烟气采集器；

该控制方法还包括：

所述烟气采集器采集所述脱硫系统出口处烟气的氮氧化物浓度值并将所述氮氧化物浓度值传输至所述动态矩阵控制器。

7.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，还包括：

所述动态矩阵检测到所述预设输出氮氧化合物浓度值和所述氮氧化物浓度值差值大于0时，控制所述第一脱硝系统中第一喷氨阀开度以及第二脱硝系统中第二喷氨阀的开度；以及，

检测到所述预设输出氮氧化合物浓度值和所述氮氧化物浓度值差值小于0时，控制所述第一脱硝系统中第一喷氨阀开度以及第二脱硝系统中第二喷氨阀的开度。