CN111540412A - 一种基于最小二乘法的scr反应器入口烟气软测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于最小二乘法的SCR反应器入口烟气软测量方法,该方法包括:对燃煤机组SCR系统机理分析,确定与SCR反应器烟气量相关的变量,并采集不同负荷稳定工况下的历史运行数据,根据SCR反应机理,确定SCR反应器烟气量机理模型,并据此计算得到不同负荷稳定工况下的烟气量数据,采用最小二乘方法计算不同稳定工况下的烟气量与总风量的关系,通过插值方法得到不同工况下的烟气量与总风量关系,并根据当前时刻总风量计算当前时刻的烟气量。本发明的方法利用运行数据反算SCR反应器入口烟气流量,能够准确的计算实时的烟气量,解决了烟气流量测量不准的问题,提高SCR反应器喷氨需求量的计算精确度以及喷氨自动的投入调节效果。
Description
技术领域
本发明涉及燃煤电厂烟气脱硝技术领域,特别涉及一种基于最小二乘法的SCR反应器入口烟气软测量方法。
背景技术
随着国家一系列政策和法规的颁布,燃煤电厂的大气污染物排放已纳入严格监管,各电厂陆续开展了烟气超低排放改造。开发完善的火电厂脱硝技术,尽量降低电厂污染物的排放,已成为我国电厂势在必行的任务。目前SCR脱硝技术成为国内外应用效果较好的脱硝技术,而SCR脱硝控制系统中,烟气的测量是一个关键问题。
烟气量的计算精确度对喷氨量需求量的计算至关重要,其计算准确度,将决定计算所得喷氨需求量与实际需求量偏差的大小,偏差太大,主调修正回路无法进行有效地修正调节,从而影响喷氨自动的投入及调节效果。但目前实际求解过程中,很难有满足控制要求的、较为精确的大型烟气测量装置,尤其是在进行SCR脱硝改造后,锅炉烟道布置短,且不规则,因而无法满足一般流量测量装置对管道的要求;而且一般测量装置很难使用在这样高烟温、粉尘多、腐蚀性大的烟道中,这都最终导致烟气量测量不准。
烟气量测量不准对最终喷氨量具有重要影响,进而导致SCR脱硝系统出口氮氧化物的超标。因此,选择合适的烟气量计算方法,是本领域技术人员亟待解决的问题。
为此,提出一种基于最小二乘法的SCR反应器入口烟气软测量方法。
发明内容
本发明的目的是提供了一种基于最小二乘法的SCR反应器入口烟气软测量方法,利用运行数据反算SCR反应器入口烟气流量,能够准确的计算实时的烟气量,解决了烟气流量测量不准的问题,提高SCR反应器喷氨需求量的计算精确度以及喷氨自动的投入调节效果,对于燃煤机组减少排放污染物和成本具有指导意义,以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的,本发明提供如下技术方案:一种基于最小二乘法的SCR反应器入口烟气软测量方法包括:
步骤101,对燃煤机组SCR系统机理分析,确定与SCR反应器烟气量相关的变量,并采集不同负荷稳定工况下的历史运行数据;
步骤201,根据SCR反应机理,确定SCR反应器烟气量机理模型,并据此计算得到不同负荷稳定工况下的烟气量数据;
步骤301,采用最小二乘方法计算不同稳定工况下的烟气量与总风量的关系;
步骤401,通过插值方法得到不同工况下的烟气量与总风量关系,并根据当前时刻总风量计算当前时刻的烟气量。
可选的,与SCR反应器烟气量相关的变量主要是根据燃煤机组SCR系统机理分析,得到相关的变量,包括机组负荷、SCR入口NOx、SCR出口 NOx、喷氨量、入口烟气含氧量、出口烟气含氧量,考虑到烟气流量的稳态特性和动态特性与总风量有着一致性,因此所得到的相关变量也包括总风量,并根据总风量的动态测量值来估计烟气流量的动态值;稳定工况是一段时间内在某个负荷工况下,入口烟气流量相关变量变化幅度较小,采集不同负荷稳定工况下的历史运行数据主要是采集多个负荷下,且在稳定工况下的与SCR反应器烟气量相关的变量。
可选的,所述定SCR反应器烟气量机理模型主要是在已知反应器入口 NOx含量、烟气流量、烟气含氧量和反应器出口NOx的前提下,就可以大致计算出脱除掉的NOx所需的喷氨量。反之,在反应器出、入口的NOx 含量处于近似稳定的运行工况时,在知道反应器出、入口的NOx含量、烟气含氧量与喷氨量时可以通过相应的化学反应公式反推出较为准确的烟气流量,用以修正脱硝反应器入口烟气流量值。烟气量机理模型建立过程具体包括:
步骤S1,实际含氧量下NOx浓度计算方法:实际运行过程中,CEMS 测出的NOx值为6%氧量下的值,通过该测量值以及氧量反向计算出实际含氧量下NOx浓度,其计算公式为:
式中,CNOx为标准状态、实际干烟气与含量氧下NOx浓度(mg/Nm3);CNOx(6%O2)为修正到标准状态下含氧量为6%时的干烟气中NOx浓度 (mg/Nm3),为实际测量值;rO2为实测干烟气中含氧量(%)。
步骤S2,烟气中NO和NO2浓度的计算:脱硝系统中,烟气中NO约占氮氧化物体积的95%,NO2约占5%,并据此得到烟气中NO和NO2浓度的计算方法,其计算公式:
式中,CNO为标准状态、实际干烟气含氧量下NO浓度(mg/Nm3); CNO2为标准状态、实际干烟气含氧量下NO2的浓度(mg/Nm3);1.34为 NO的体积分率(ppm)转化为质量浓度(mg/Nm3)的系数。对于SCR反应器入口或出口氮氧化浓度、NO浓度、NO2浓度的计算,都是按照公式 1-3计算,只需相应的将CNOx、CNO和CNO2进行替换,替换为CNOx_In、 CNO_In和CNO2_In即是计算反应器入口NOx,替换CNOx_Out、CNO_Out 和CNO2_Out为即是计算反应器出口NOx。
步骤S3,反应器入口烟气含氧量下的出口NOx浓度值的计算:由于烟气量测点位于脱硝反应器入口,而且脱硝反应器入口和出口的烟气含氧量不同,则需将反应器出口NOx含量值转化到反应器入口烟气含氧量状态下,其计算公式为:
式中,CNOx_Out_In为反应器出口NOx浓度转化到入口烟气含氧量状态下的浓度(mg/Nm3);CNOx_Out为实际含氧量下反应器出口NOx浓度; rO2_In为反应器入口烟气含氧量(%);rO2_Out为反应器出口烟气含氧量 (%)。根据公式2和3将CNOx_Out_In转化为入口烟气含氧量下的反应器出口NO浓度CNO_Out_In和NO2浓度CNO2_Out_In。
步骤S4,烟气量机理模型建立方法:根据SCR主反应方程式,1摩尔的NO与1摩尔的NH3反应,1摩尔的NO2与2摩尔的NH3。因此,其喷氨量主要根据入口NOx和出口NOx计算其脱除的NOx即可,其喷氨量计算公式为:
则在已知氨气消耗量的情况下,烟气量大小通过公式5反向推导得到烟气量机理模型:
式中,W为氨耗量(Kg/h);V为反应器入口的烟气流量(Nm3/h); CNO_In和CNO2_In为入口烟气含氧量下的反应器入口NO和NO2浓度 (mg/Nm3);CNO_Out_In和CNO2_Out_In为入口烟气含氧量下的反应器出口NO和NO2浓度(mg/Nm3)。根据公式6以及采取的稳定工况下的历史数据,计算得到不同负荷稳定工况下的烟气量数据。
可选的,所述最小二乘法是根据烟气量和总风量数据对,通过最小化误差的平方和寻找二者的最佳拟合函数。根据步骤301烟气量机理模型得到的烟气量,以及烟气量与总风量的相关性,得到总风量和烟气量数据对,记为(U,V),其中U为总风量U=(u1,u2,…,un),V为烟气量V= (v1,v2,…,vn),n为稳定工况下历史数据个数。其具体求解过程为:
步骤T1,根据总风量和烟气量数据对,取第i个历史数据采样点,记为(ui,vi),确定拟合函数为V=a×U+b,并选择误差的平方和作为误差函数且当误差函数为最小值时,计算得到的拟合函数系数a和b为最优;
步骤T2,根据总风量和烟气量数据对,计算误差函数,并根据误差函数分别计算误差函数对系数a和b的偏导数:
步骤T3,求拟合函数的系数a*和b*,为使误差函数为最小值,令公式 8和9的值为0,得到系数a*和b*:
可选的,根据步骤201和步骤301的计算过程,得到多个负荷下稳定工况下的烟气量和总风量的关系,采用拉格朗日插值法、分段插值法或样条插值法等不同插值方法得到任意负荷下的烟气量和总风量的关系,并据此得到当前时刻总风量所对应的烟气量。
根据本发明提供的具体实施例,本发明公开了以下技术效果:
(1)本发明提供的方法利用运行数据反算SCR反应器烟气流量,解决烟气流量测量不准的问题;
(2)本发明提供的方法快速、有效地建立了总风量和烟气量的线性模型关系,计算模型建立过程简单、高效;
(3)本发明提供的方法提高了SCR反应器喷氨需求量的计算精确度,进而影响喷氨自动的投入及调节效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案,下面将对具体实施方式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,下面描述中的附图是本发明的一些实施方式,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为本发明提供的一种基于最小二乘法的SCR反应器入口烟气软测量方法的流程示意图;
图2为本发明实例中提供的一种烟气软测量模型图。
具体实施方式
下面将结和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。
图1为本发明提供的一种基于最小二乘法的SCR反应器入口烟气软测量方法的流程示意图,具体包括以下步骤:
步骤101,对燃煤机组SCR系统机理分析,确定与SCR反应器烟气量相关的变量,并采集不同负荷稳定工况下的历史运行数据;
步骤201,根据SCR反应机理,确定SCR反应器烟气量机理模型,并据此计算得到不同负荷稳定工况下的烟气量数据;
步骤301,采用最小二乘方法计算不同稳定工况下的烟气量与总风量的关系;
步骤401,通过插值方法得到不同工况下的烟气量与总风量关系,并根据当前时刻总风量计算当前时刻的烟气量。
具体地,与SCR反应器烟气量相关的变量主要是根据燃煤机组SCR系统机理分析,得到相关的变量,包括机组负荷、SCR入口NOx、SCR出口 NOx、喷氨量、入口烟气含氧量、出口烟气含氧量;考虑到烟气流量的稳态特性和动态特性与总风量有着一致性,因此所得到的相关变量也包括总风量,并根据总风量的动态测量值来估计烟气流量的动态值;稳定工况是一段时间内在某个负荷工况下,入口烟气流量相关变量变化幅度较小,本实例主要采集了350MW、450MW两个负荷下稳定工况下的与SCR反应器烟气量相关的数据。
具体地,所述定SCR反应器烟气量机理模型主要是在已知反应器入口 NOx含量、烟气流量、烟气含氧量和反应器出口NOx的前提下,就可以大致计算出脱除掉的NOx所需的喷氨量。反之,在反应器出、入口的NOx 含量处于近似稳定的运行工况时,在知道反应器出、入口的NOx含量、烟气含氧量与喷氨量时可以通过相应的化学反应公式反推出较为准确的烟气流量,用以修正脱硝反应器入口烟气流量值。
更具体地,烟气量机理模型建立过程具体包括:
步骤S1,实际含氧量下NOx浓度计算方法:实际运行过程中,CEMS 测出的NOx值为6%氧量下的值,通过该测量值以及氧量反向计算出实际含氧量下NOx浓度,其计算公式为:
式中,CNOx为标准状态、实际干烟气与含量氧下NOx浓度(mg/Nm3); CNOx(6%O2)为修正到标准状态下含氧量为6%时的干烟气中NOx浓度(mg/Nm3),为实际测量值;rO2为实测干烟气中含氧量(%)。
步骤S2,烟气中NO和NO2浓度的计算:脱硝系统中,烟气中NO约占氮氧化物体积的95%,NO2约占5%,并据此得到烟气中NO和NO2浓度的计算方法,其计算公式:
式中,CNO为标准状态、实际干烟气含氧量下NO浓度(mg/Nm3); CNO2为标准状态、实际干烟气含氧量下NO2的浓度(mg/Nm3);1.34为 NO的体积分率(ppm)转化为质量浓度(mg/Nm3)的系数。对于SCR反应器入口或出口氮氧化浓度、NO浓度、NO2浓度的计算,都是按照公式 1-3计算,只需相应的将CNOx、CNO和CNO2进行替换,替换为CNOx_In、 CNO_In和CNO2_In即是计算反应器入口NOx,替换CNOx_Out、CNO_Out 和CNO2_Out为即是计算反应器出口NOx。
步骤S3,反应器入口烟气含氧量下的出口NOx浓度值的计算:由于烟气量测点位于脱硝反应器入口,而且脱硝反应器入口和出口的烟气含氧量不同,则需将反应器出口NOx含量值转化到反应器入口烟气含氧量状态下,其计算公式为:
式中,CNOx_Out_In为反应器出口NOx浓度转化到入口烟气含氧量状态下的浓度(mg/Nm3);CNOx_Out为实际含氧量下反应器出口NOx浓度; rO2_In为反应器入口烟气含氧量(%);rO2_Out为反应器出口烟气含氧量 (%)。根据公式2和3将CNOx_Out_In转化为入口烟气含氧量下的反应器出口NO浓度CNO_Out_In和NO2浓度CNO2_Out_In。
步骤S4,烟气量机理模型建立方法:根据SCR主反应方程式,1摩尔的NO与1摩尔的NH3反应,1摩尔的NO2与2摩尔的NH3。因此,其喷氨量主要根据入口NOx和出口NOx计算其脱除的NOx即可,其喷氨量计算公式为:
则在已知氨气消耗量的情况下,烟气量大小通过公式5反向推导得到烟气量机理模型:
式中,W为氨耗量(Kg/h);V为反应器入口的烟气流量(Nm3/h); CNO_In和CNO2_In为入口烟气含氧量下的反应器入口NO和NO2浓度 (mg/Nm3);CNO_Out_In和CNO2_Out_In为入口烟气含氧量下的反应器出口NO和NO2浓度(mg/Nm3)。根据步骤101采集的历史数据,通过公式1-6计算得到350MW和450MW两个负荷下的烟气量数据。
具体地,所述最小二乘法是根据烟气量和总风量数据对,通过最小化误差的平方和寻找二者的最佳拟合函数。根据步骤301烟气量机理模型得到的烟气量,以及烟气量与总风量的相关性,得到总风量和烟气量数据对,记为(U,V),其中U为总风量U=(u1,u2,…,un),V为烟气量V= (v1,v2,…,vn),n为稳定工况下历史数据个数。
更具体地,基于最小二乘法烟气量计算过程具体表述为:
步骤T1,根据总风量和烟气量数据对,取第i个历史数据采样点,记为(ui,vi),确定拟合函数为V=a×U+b,并选择误差的平方和作为误差函数且当误差函数为最小值时,计算得到的拟合函数系数a和b为最优;
步骤T2,根据总风量和烟气量数据对,计算误差函数,并根据误差函数分别计算误差函数对系数a和b的偏导数:
步骤T3,求拟合函数的系数a*和b*,为使误差函数为最小值,令公式 8和9的值为0,得到系数a*和b*:
式中,和为总风量和烟气量数据的平均值;a*和b*拟合曲线的系数。根据采集的历史数据及公式7-10,得到350MW和450MW两个负荷下的烟气量和总风量的关系分别为V=0.0065×U-7.74和V=0.0043×U-4.57。
与现有技术相比,本发明的有益效果为:
(1)本发明提供的方法利用运行数据反算SCR反应器烟气流量,解决烟气流量测量不准的问题;
(2)本发明提供的方法快速、有效地建立了总风量和烟气量的线性模型关系,计算模型建立过程简单、高效;
(3)本发明提供的方法提高了SCR反应器喷氨需求量的计算精确度,进而影响喷氨自动的投入及调节效果。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言,由于其与实施例公开的方法相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说明即可。
最后应说明的是:以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (5)
1.一种基于最小二乘法的SCR反应器入口烟气软测量方法,其特征在于,所述入口NOx测量延迟估计方法包括:
步骤101,对燃煤机组SCR系统机理分析,确定与SCR反应器烟气量相关的变量,并采集不同负荷稳定工况下的历史运行数据;
步骤201,根据SCR反应机理,确定SCR反应器烟气量机理模型,并据此计算得到不同负荷稳定工况下的烟气量数据;
步骤301,采用最小二乘方法计算不同稳定工况下的烟气量与总风量的关系;
步骤401,通过插值方法得到不同工况下的烟气量与总风量关系,并根据当前时刻总风量计算当前时刻的烟气量。
2.根据权利要求1所述的一种基于最小二乘法的SCR反应器入口烟气软测量方法,其特征在于,与SCR反应器烟气量相关的变量主要是根据燃煤机组SCR系统机理分析,得到相关的变量,包括机组负荷、SCR入口NOx、SCR出口NOx、喷氨量、入口烟气含氧量、出口烟气含氧量,考虑到烟气流量的稳态特性和动态特性与总风量有着一致性,因此所得到的相关变量也包括总风量,并根据总风量的动态测量值来估计烟气流量的动态值,稳定工况是一段时间内在某个负荷工况下,入口烟气流量相关变量变化幅度较小,采集不同负荷稳定工况下的历史运行数据主要是采集多个负荷下,且在稳定工况下的与SCR反应器烟气量相关的变量。
3.根据权利要求1所述的一种基于最小二乘法的SCR反应器入口烟气软测量方法,其特征在于,所述定SCR反应器烟气量机理模型主要是在已知反应器入口NOx含量、烟气流量、烟气含氧量和反应器出口NOx的前提下,就可以大致计算出脱除掉的NOx所需的喷氨量,反之,在反应器出、入口的NOx含量处于近似稳定的运行工况时,在知道反应器出、入口的NOx含量、烟气含氧量与喷氨量时可以通过相应的化学反应公式反推出较为准确的烟气流量,用以修正脱硝反应器入口烟气流量值,烟气量机理模型建立过程具体包括:
步骤S1,实际含氧量下NOx浓度计算方法:实际运行过程中,CEMS测出的NOx值为6%氧量下的值,通过该测量值以及氧量反向计算出实际含氧量下NOx浓度,其计算公式为:
式中,CNOx为标准状态、实际干烟气与含量氧下NOx浓度(mg/Nm3);CNOx(6%O2)为修正到标准状态下含氧量为6%时的干烟气中NOx浓度(mg/Nm3),为实际测量值;rO2为实测干烟气中含氧量(%)。
步骤S2,烟气中NO和NO2浓度的计算:脱硝系统中,烟气中NO约占氮氧化物体积的95%,NO2约占5%,并据此得到烟气中NO和NO2浓度的计算方法,其计算公式:
式中,CNO为标准状态、实际干烟气含氧量下NO浓度(mg/Nm3);CNO2为标准状态、实际干烟气含氧量下NO2的浓度(mg/Nm3);1.34为NO的体积分率(ppm)转化为质量浓度(mg/Nm3)的系数1对于SCR反应器入口或出口氮氧化浓度、NO浓度、NO2浓度的计算,都是按照公式1-3计算,只需相应的将CNOx、CNO和CNO2进行替换,替换为CNOx_In、CNO_In和CNO2_In即是计算反应器入口NOx,替换CNOx_Out、CNO_Out和CNO2_Out为即是计算反应器出口NOx。
步骤S3,反应器入口烟气含氧量下的出口NOx浓度值的计算:由于烟气量测点位于脱硝反应器入口,而且脱硝反应器入口和出口的烟气含氧量不同,则需将反应器出口NOx含量值转化到反应器入口烟气含氧量状态下,其计算公式为:
式中,CNOx_Out_In为反应器出口NOx浓度转化到入口烟气含氧量状态下的浓度(mg/Nm3);CNOx_Out为实际含氧量下反应器出口NOx浓度;rO2_In为反应器入口烟气含氧量(%);rO2_Out为反应器出口烟气含氧量(%)。根据公式2和3将CNOx_Out_In转化为入口烟气含氧量下的反应器出口NO浓度CNO_Out_In和NO2浓度CNO2_Out_In。
步骤S4,烟气量机理模型建立方法:根据SCR主反应方程式,1摩尔的NO与1摩尔的NH3反应,1摩尔的NO2与2摩尔的NH3。因此,其喷氨量主要根据入口NOx和出口NOx计算其脱除的NOx即可,其喷氨量计算公式为:
则在已知氨气消耗量的情况下,烟气量大小通过公式5反向推导得到烟气量机理模型:
式中,W为氨耗量(Kg/h);V为反应器入口的烟气流量(Nm3/h);CNO_In和CNO2_In为入口烟气含氧量下的反应器入口NO和NO2浓度(mg/Nm3);CNO_Out_In和CNO2_Out_In为入口烟气含氧量下的反应器出口NO和NO2浓度(mg/Nm3),根据公式6以及采取的稳定工况下的历史数据,计算得到不同负荷稳定工况下的烟气量数据。
4.根据权利要求1所述的一种基于最小二乘法的SCR反应器入口烟气软测量方法,其特征在于,所述最小二乘法是根据烟气量和总风量数据对,通过最小化误差的平方和寻找二者的最佳拟合函数,根据步骤301烟气量机理模型得到的烟气量,以及烟气量与总风量的相关性,得到总风量和烟气量数据对,记为(U,V),其中U为总风量U=(u1,u2,…,un),V为烟气量V=(v1,v2,…,vn),n为稳定工况下历史数据个数。其具体求解过程为:
步骤T1,根据总风量和烟气量数据对,取第i个历史数据采样点,记为(ui,vi),确定拟合函数为V=a×U+b,并选择误差的平方和作为误差函数且当误差函数为最小值时,计算得到的拟合函数系数a和b为最优;
步骤T2,根据总风量和烟气量数据对,计算误差函数,并根据误差函数分别计算误差函数对系数a和b的偏导数:
步骤T3,求拟合函数的系数a*和b*,为使误差函数为最小值,令公式8和9的值为0,得到系数a*和b*:
5.根据权利要求1所述的一种基于最小二乘法的SCR反应器入口烟气软测量方法,其特征在于,根据步骤201和步骤301的计算过程,得到多个负荷下稳定工况下的烟气量和总风量的关系,采用拉格朗日插值法、分段插值法或样条插值法等不同插值方法得到任意负荷下的烟气量和总风量的关系,并据此得到当前时刻总风量所对应的烟气量。
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