CN109833773A - 一种高效脱硝氨流量精确控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高效脱硝氨流量精确控制方法，根据机组负荷指令、变负荷率判定锅炉运行状态：当机组处于变负荷状态运行时，调用模糊控制系统；当机组处于定负荷状态运行时，调用改进的串级控制系统。本发明将烟囱分析仪表数据引入控制系统，保证环保脱硝考核达标，引入模糊控制方法和数据预处理机制，解决当前控制系统存在的大滞后问题和CEMS数据出现坏点时系统控制精度低的问题，从而提高脱硝控制系统的控制品质，适用于高效脱硝。本发明可以有效地解决SCR脱硝过程中大滞后问题、CEMS数据出现坏点时系统控制精度低的问题、以及先进脱硝控制系统调试难度大、可靠性较低、且参数需要实时计算更新导致的不适用于工程应用的问题。

Description

一种高效脱硝氨流量精确控制方法

技术领域

本发明属于环保脱硝技术领域，具体涉及一种高效脱硝氨流量精确控制方法。

背景技术

SCR脱硝是指在适当反应温度窗口和催化剂的作用下，利用氨基还原剂“有选择性地”与烟气中的NOx反应，生成无害的N₂和H₂O。火电机组SCR脱硝采用高尘布置，反应温度范围为320℃～420℃。SCR脱硝以其脱硝效率高、运行稳定可靠、产物无二次污染等特点，成为目前技术最成熟、应用最广泛的火电厂烟气脱硝技术。

目前常见的SCR脱硝闭环控制策略，采取了固定SCR出口NOx浓度控制方式，系统设定值为SCR出口NOx浓度，并根据其与实际出口NOx浓度的偏差来动态修正氨氮摩尔比，最终通过流量PID调节改变氨气阀开度来调节NH₃的实际喷入量，从而达到闭环控制SCR出口浓度的效果。事实上，由于脱硝被控对象氨流量调节阀，从阀门调节后到DCS获取响应的NOx浓度的响应纯延迟时间约2～3min，而整个响应过程长达数分钟，是典型的大滞后被控对象，而且SCR脱硝过程本身就是一个复杂的非线性化学反应过程，并随着催化剂活性逐渐降低，脱硝被控过程的动态特性会发生较大的变化。因此，采用简单的PID控制方案很难取得理想的控制品质。

另一类是将先进控制算法引入到脱硝控制中，前人在这些方面做出过很多努力，尝试通过预测控制算法、神经网络算法等来处理SCR反应的大滞后特性，提升出口NOx的抗扰动能力。已公开的这方面专利存在以下两个问题：1、脱硝控制系统的控制策略采用了智能预测控制算法、基于在线自学习神经网络算法、模型控制等，根据实际的脱硝项目执行情况，这类脱硝控制系统调试难度大、可靠性较低、且参数需要实时计算更新，不适合工程运用；2、脱硝系统在变负荷运行的时候，系统延时较小，具有较好地控制品质，但是锅炉变负荷运行的时间段较少，不会频繁地变负荷运行。

综上所述，本发明意在串级控制系统的基础上，将烟囱分析仪表数据引入控制系统，保证环保脱硝考核达标，引入模糊控制方法和数据预处理机制，解决当前控制系统存在的大滞后问题和CEMS数据出现坏点时系统控制精度低的问题，从而提高脱硝控制系统的控制品质，适用于高效脱硝。

发明内容

为了克服现有技术的缺点，本发明提供了一种高效脱硝氨流量精确控制方法，可以有效地解决SCR脱硝过程中大滞后问题、CEMS数据出现坏点时系统控制精度低的问题、以及先进脱硝控制系统调试难度大、可靠性较低、且参数需要实时计算更新导致的不适用于工程应用的问题。

本发明所采用的技术方案是：一种高效脱硝氨流量精确控制方法，包括如下步骤：

步骤一、根据机组负荷指令、变负荷率判定锅炉运行状态：

(1)当机组处于变负荷状态运行时，调用模糊控制系统，进入步骤二；

(2)当机组处于定负荷状态运行时，调用改进的串级控制系统，进入步骤七；

步骤二、从DCS中直接读取机组负荷指令、变负荷速率、脱硝入口NOx值，输入模糊控制器，转换成模糊集合的隶属函数；

步骤三、根据模糊控制规则输出一个新的模糊集合隶属函数；

步骤四、利用新的模糊集合隶属函数计算氨气流量指令；

步骤五、将氨气流量指令作用于氨流量调节阀，读取喷氨支管氨流量信号，确认氨气流量调节阀动作调节到位后进入步骤六；

步骤六、读取反应器出口NOx值，判断机组运行是否超过设定值的百分之二：若是，则调整模糊控制规则，然后返回步骤三；若否，则返回步骤一；

步骤七、利用反应器出口NOx设定值和烟囱入口NOx设定值计算所需喷氨量，负作用于主环控制回路；根据机组负荷指令和反应器入口NOx测量值计算所需喷氨量，作用于主环控制回路；根据系统的烟气量计算所需喷氨量，作用于主环控制回路；

步骤八、根据氨流量变送器反馈的喷氨量调整作用于氨控制器的需氨量；

步骤九、根据反应器出口的NOx分析测得NOx值和烟囱出口的NOx分析测得NOx值，加权耦合，作为反馈输入到控制回路，和设定值比较并对喷氨量进行微调；

步骤十、返回步骤一。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

如SCR喷氨量过大，会增加运行成本，还对下游预热器等设备产生不良影响，逃逸氨也是造成雾霾的因素；如喷氨量不足则会引起排放超标。长期以来对SCR脱硝系统的研究主要基于化学反应、物理机理、结构布置和运行方式方面，对脱硝控制策略的研究大多停留在理论上，有较好运行效果的自动控制系统较少。本发明对节约能源、提高机组效率以及环境保护都有着重要意义，具体体现在如下两方面：

一是提高脱硝控制系统的设定值，假设：环保考核值为40mg/Nm³，PID调节设定值为30mg/Nm³，优化后期望为35mg/Nm³，烟气总量按照621201.25Nm³/h计算，可节约氨为0.3106kg/h。

二是减少系统的超调量，使系统在NOx变化时可以快速稳定下来，以减少喷氨量。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为系统框图；

图2为模糊控制系统图；

图3为改进的串级控制系统图；

图4为某SCR运行A侧反应器运行曲线。

具体实施方式

一种高效脱硝氨流量精确控制方法，将模糊控制、智能模型加权算法和模糊PID相结合，包括如下步骤：

(A)根据机组负荷指令、变负荷率判定锅炉运行状态；

(B)若机组处于变负荷状态运行，调用模糊控制系统；

(C)若机组处于定负荷状态运行，调用改进的串级控制系统；

步骤(A)中，具体包括：

从DCS直接读取机组负荷指令。当机组负荷变化超过一定幅度时(暂定5～10％)，认为机组处于变负荷状态，反之，则认为机组处于定负荷状态运行。

步骤(B)中，具体包括：

(B1)从DCS中直接读取机组负荷指令、变负荷速率、脱硝入口NOx值，输入模糊控制器，转换成模糊集合的隶属函数；

(B2)根据有经验的操作者或者专家的经验制定出模糊控制规则，并进行模糊逻辑推理，得到一个模糊输出集合，即一个新的模糊集合隶属函数；

(B3)根据模糊逻辑推理得到的输出模糊集合隶属函数，用鱼群算法找一个具有代表性的精确值作为控制量，即氨气流量指令。

步骤(C)中，具体包括：

由氨流量变送器、氨流量控制器、氨流量调节阀构成副环控制回路；NOx控制器、反应器出口NOx分析仪、烟囱出口NOx分析仪构成主环控制回路，主环和副环为串级关系，组成串级控制系统。

另外将烟囱入口处NOx测量值和设定值、反应器入口NOx测量值、机组负荷指令、烟气量引入串级控制系统，增强前馈的作用。

此外，针对短时的测点故障，引入数据的预处理机制。根据脱硝系统数据采集的特点，借用短时故障之前的数据，结合锅炉目前的运行状态，选择滑动平均的方法对所采集的数据进行处理，以消除数据剧烈波动对控制系统的影响。

如图1所示，一种高效脱硝氨流量精确控制方法涉及的系统主要包括锅炉运行状态预测系统、模糊控制系统、改进的串级控制系统，以某项目脱硝改造(该项目为单反应器)为例，描述脱硝控制系统的运行调试过程：

1、脱硝DCS根据接收到的负荷指令、变负荷率判断锅炉运行状态，即当机组负荷变化超过一定幅度时(暂定5～10％、变负荷率为5～10％)，认为机组处于变负荷状态，调用模糊控制系统；

2、从机组DCS中直接读取机组负荷指令、变负荷速率，从脱硝入口NOx值，输入模糊控制器，转换成模糊集合的隶属函数；

3、根据有经验的操作者或者专家的经验制定出模糊控制规则，并进行模糊逻辑推理，得到一个模糊输出集合，即一个新的模糊集合隶属函数；

4、根据模糊逻辑推理得到的输出模糊集合隶属函数，用鱼群算法找一个具有代表性的精确值作为控制量，即氨气流量指令；

5、将氨气流量指令作用于氨流量调节阀，读取喷氨支管氨流量信号，确认氨气流量调节阀动作是否调节到位；若调节到位，进入步骤6；若调节不到位，检查调节阀是否故障。

6、读取反应器出口NOx值，判断机组运行是否低于设定值的百分之二，若超过设定值的百分之二，调整模糊控制规则，重新得到新的模糊集合隶属函数，重复步骤3至步骤5，直至反应器出口NOx值低于设定值百分之二。

7、重复步骤1，若机组负荷变化低于一定幅度时(暂定5～10％、变负荷率为5～10％)，认为机组处于定负荷状态，调用改进的串级控制系统；

8、利用反应器出口NOx设定值和烟囱入口NOx设定值计算所需喷氨量，负作用于主控制回路；

9、根据机组负荷指令和反应器入口NOx测量值计算所需喷氨量，作用于主控制回路；

10、根据系统的烟气量计算所需喷氨量，作用于主控制回路；

11、根据氨流量变送器反馈的喷氨量调整作用于氨控制器的需氨量；

12、根据反应器出口的NOx分析测得NOx值和烟囱出口的NOx分析测得NOx值，加权耦合，作为反馈输入到控制回路，和设定值比较并对喷氨量进行微调。

13、重复步骤1。

此外，对抑制氨逃逸，采用了如下措施：

首先、对副环中喷氨量的设定值作了限制，不管控制系统计算参数如何，其喷氨量设定值都不允许超过设计的最大允许喷氨量，这从根本上保障了系统不会产生过度喷氨。

其次、当出口NOx值和设定值因为不可知的原因产生过大的偏差时，控制系统会自动切手动报警。

第三、当系统因为不可知的原因产生过度喷氨，使出口NOx值含量过低时，系统会切断供氨并报警。

此外，对NOx分析仪的短时坏点数据，采用了如下措施：

根据脱硝系统数据采集的特点，借用短时故障之前的数据，结合锅炉目前的运行状态，选择滑动平均的方法对所采集的数据进行处理，以消除数据剧烈波动对控制系统的影响。

使用本发明的方法和系统，能较好地跟随锅炉负荷的变动，且特别节氨。

图4是某电厂#3脱硝168运行期间，2014-10-13 14:43:00至15:43:00的调节误差图

从图4可知：

1)最大偏差＝11.5660mg/Nm³

2)最小偏差＝-11.2190mg/Nm³

3)氨蒸气流量基本没有变化，但是实际NOx却一直在波动，且范围较大。虽然出口NOx能控制在考核值范围以内，若喷氨量能较好地跟随NOx的变化而变化，也能节氨。

根据相对误差的计算公式

可计算出平均相对误差为16％，优化后期望降低为13％，则可节约的氨量为2.1kg/h。

Claims (8)

1.一种高效脱硝氨流量精确控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、根据机组负荷指令、变负荷率判定锅炉运行状态：

(1)当机组处于变负荷状态运行时，调用模糊控制系统，进入步骤二；

(2)当机组处于定负荷状态运行时，调用改进的串级控制系统，进入步骤七；

步骤二、从DCS中直接读取机组负荷指令、变负荷速率、脱硝入口NOx值，输入模糊控制器，转换成模糊集合的隶属函数；

步骤三、根据模糊控制规则输出一个新的模糊集合隶属函数；

步骤四、利用新的模糊集合隶属函数计算氨气流量指令；

步骤五、将氨气流量指令作用于氨流量调节阀，读取喷氨支管氨流量信号，确认氨气流量调节阀动作调节到位后进入步骤六；

步骤六、读取反应器出口NOx值，判断机组运行是否超过设定值的百分之二：若是，则调整模糊控制规则，然后返回步骤三；若否，则返回步骤一；

步骤七、利用反应器出口NOx设定值和烟囱入口NOx设定值计算所需喷氨量，负作用于主环控制回路；根据机组负荷指令和反应器入口NOx测量值计算所需喷氨量，作用于主环控制回路；根据系统的烟气量计算所需喷氨量，作用于主环控制回路；

步骤八、根据氨流量变送器反馈的喷氨量调整作用于氨控制器的需氨量；

步骤九、根据反应器出口的NOx分析测得NOx值和烟囱出口的NOx分析测得NOx值，加权耦合，作为反馈输入到控制回路，和设定值比较并对喷氨量进行微调；

步骤十、返回步骤一。

2.根据权利要求1所述的一种高效脱硝氨流量精确控制方法，其特征在于：步骤一所述判定锅炉运行状态的方法为：当机组负荷变化超过设定的幅度时，则判定机组处于变负荷状态运行，反之，则判定机组处于定负荷状态运行。

3.根据权利要求1所述的一种高效脱硝氨流量精确控制方法，其特征在于：步骤四所述计算氨气流量指令的方法为：采用鱼群算法在新的模糊集合隶属函数中确定一个具有代表性的精确值作为氨气流量指令。

4.根据权利要求1所述的一种高效脱硝氨流量精确控制方法，其特征在于：所述串级控制系统为形成串级关系的主环控制回路和副环控制回路，所述主环控制回路由NOx控制器、反应器出口NOx分析仪和烟囱出口NOx分析仪构成；所述副环控制回路由氨流量变送器、氨流量控制器和氨流量调节阀构成。

5.根据权利要求4所述的一种高效脱硝氨流量精确控制方法，其特征在于：所述副环控制回路中喷氨量的设定值小于最大允许喷氨量。

6.根据权利要求4所述的一种高效脱硝氨流量精确控制方法，其特征在于：当出口NOx值与设定值产生过大偏差时，控制系统自动切手动报警。

7.根据权利要求4所述的一种高效脱硝氨流量精确控制方法，其特征在于：当出口NOx值含量过低时，控制系统切断供氨并报警。

8.根据权利要求1所述的一种高效脱硝氨流量精确控制方法，其特征在于：对于NOx分析仪的短时坏点数据，借用短时故障之前的数据，结合锅炉目前的运行状态，选择滑动平均的方法对所采集的数据进行处理，以消除数据剧烈波动对控制系统的影响。