CN112316718A - 一种w火焰锅炉脱硝喷氨控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种W火焰锅炉脱硝喷氨控制系统及方法，包括SCR入口NO_x浓度模块、SCR出口NO_x浓度设定模块、SCR出口NO_x浓度模块、锅炉实时烟气流量计算模块、氨气流量模块、锅炉燃烧状态变量模块、理论需要脱掉的NO_x量模块、燃烧状态预估控制器、静态偏差控制器、理论氨氮摩尔比模块、算术运算器模块、氨流量控制器、氨流量调节阀。本发明设置了“前馈回路+预估回路+反馈回路”的控制策略，并对应设置了状态预估控制器、理论需要脱掉的NO_x量模块、静态偏差控制器。控制方法可以在任何DCS及其外挂系统组态，实现W火焰锅炉脱硝优化控制及精准喷氨，配合SCR分区，更可以实现分区动态精准喷氨优化。

Description

一种W火焰锅炉脱硝喷氨控制系统及方法

技术领域

本发明属于火电机组过程控制及自动化技术领域，涉及一种W火焰锅炉脱硝喷氨控制系统及方法。

背景技术

大型火电机组超低排放改造已经基本完成，W火焰机组由于设计煤种等原因，NO_x排放原始浓度很高，大多超过1000mg/m³，故基本采用了SNCR+SCR的主流脱硝工艺，SCR脱硝反应器按照“3+1”模式布置，即便如此，大多数W火焰锅炉的脱硝系统运行仍然存在NO_x控制效果并不理想，甚至还有一些火电机组，其脱硝喷氨自动控制无法正常投运，造成NO_x排放不能稳定控制在50mg/m³的超低排放限值以内，有些存在波动极大，NO_x和氨逃逸量分布不均及超标等严重问题。造成这一问题的原因之一是采用常规的控制策略和控制算法没有考虑脱硝喷氨系统大惯性、大延迟以及外扰动大的特殊性，没有研究脱硝系统与锅炉燃烧系统的紧密关系，仅仅针对脱硝系统研究的控制系统和控制策略，无法满足实际运行中机组负荷灵活多变的快速响应要求，无法实现具有非线性、时变性的脱硝系统的优化控制要求。

发明内容

本发明的目的在于解决W火焰锅炉在脱硝控制方面的问题，提供了一种W火焰锅炉脱硝喷氨控制系统及方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种W火焰锅炉脱硝喷氨控制系统，包括SCR入口NO_x浓度模块、SCR出口NO_x浓度设定模块、SCR出口NO_x浓度模块、锅炉实时烟气流量计算模块、氨气流量模块、锅炉燃烧状态变量模块、理论需要脱掉的NO_x量模块、燃烧状态预估控制器、静态偏差控制器、理论氨氮摩尔比模块、算术运算器模块、氨流量控制器、氨流量调节阀；

其中，SCR入口NO_x浓度模块、SCR出口NO_x浓度设定模块和锅炉实时烟气量计算模块的输出与理论需要脱掉的NO_x量模块的输入相连；SCR出口NO_x浓度设定模块和SCR出口NO_x浓度模块的输出均与静态偏差控制器的输入相连；锅炉燃烧状态变量模块的输出与燃烧状态预估控制器的输入相连；理论需要脱掉的NO_x量模块、燃烧状态预估控制器、静态偏差控制器和理论氨氮摩尔比模块的输出与算术运算器模块的输入相连；氨气流量模块、算术运算器模块的输出与氨流量控制器的输入相连；氨流量控制器的输出与氨流量调节阀的控制端子相连。

一种基于上述系统的W火焰锅炉脱硝喷氨控制方法，SCR入口NO_x浓度模块、SCR出口NO_x浓度设定模块、锅炉实时烟气量计算模块、理论需要脱掉的NO_x量模块组成前馈回路，用于计算出理论需要脱掉的NO_x量；

锅炉燃烧状态变量模块和燃烧状态预估控制器组成燃烧状态预估回路，用于预估燃烧状态；

氨气流量模块、理论氨氮摩尔比模块、算术运算器模块、氨流量控制器以及氨流量调节阀组成喷氨流量控制回路，用于根据理论需要脱掉的NO_x量以及燃烧状态控制喷氨流量；

SCR出口NO_x浓度设定模块、SCR出口NO_x浓度模块、静态偏差控制器组成反馈回路，用于消除稳态下喷氨流量控制回路的控制误差。

本发明进一步的改进在于，SCR入口NO_x浓度模块用于计算SCR入口NO_x浓度，SCR入口NO_x浓度＝SCR入口NO_x浓度测量值×(21-6)/(21-SCR入口O₂测量值)。

本发明进一步的改进在于，SCR出口NO_x浓度设定模块用于设定SCR出口NO_x浓度设定值。

本发明进一步的改进在于，SCR出口NO_x浓度模块用于确定SCR出口NO_x浓度，SCR出口NO_x浓度＝SCR出口NO_x浓度测量值×(21-6)/(21-SCR出口O₂测量值)。

本发明进一步的改进在于，锅炉实时烟气量计算模块用于计算锅炉实时烟气量，锅炉实时烟气量＝2.47×机组负荷测量值/机组BMCR工况负荷×f(x)，f(x)为拟合折线值。

本发明进一步的改进在于，氨气流量模块用于确定氨气质量流量。

本发明进一步的改进在于，锅炉燃烧状态变量模块用于确定锅炉燃烧状态变量，锅炉燃烧状态变量包括负荷波动，给煤量，总风量，SOFA风量，炉膛温度，炉膛氧量，磨煤机投运方式以及磨煤机启停。

本发明进一步的改进在于，理论需要脱掉的NO_x量模块用于确定理论需要脱掉的NO_x量，理论需要脱掉的NO_x量＝[SCR入口NO_x浓度-SCR出口NO_x浓度设定]×锅炉实时烟气量。

本发明进一步的改进在于，静态偏差控制器用于控制静态偏差，静态偏差＝kp[e(t)+1/T_I×∫e(t)dt+T_D×de(t)/dt]；

其中，e(t)为偏差计算值，e(t)＝SCR出口NO_x浓度设定值-SCR出口NO_x浓度，kp表示比例常数，T_I表示积分常数，T_D表示微分常数；

算术运算器(11)用于确定算术运算结果，算术运算结果＝[理论需要脱掉的NO_x量+燃烧状态预估量-静态偏差]×理论氨氮摩尔比；

氨流量控制器用于控制氨流量，氨流量＝kp[e(t)+1/T_I×∫e(t)dt+T_D×de(t)/dt]；e(t)为算术运算器输出的偏差值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明所述的W火焰锅炉脱硝喷氨控制方法在具体操作时，依据“前馈回路”、“反馈回路”、“燃烧状态预估回路”以及“喷氨流量控制回路”的功能分工，完成不同工况状态对喷氨精准控制的要求。SCR入口NO_x浓度模块、SCR出口NO_x浓度设定模块、锅炉实时烟气量计算模块、理论需要脱掉的NO_x量模块组成“前馈回路”；SCR出口NO_x浓度设定模块SCR出口NO_x浓度模块、静态偏差控制器组成“反馈回路”；锅炉燃烧状态变量模块和燃烧状态预估控制器组成“燃烧状态预估回路”。“前馈回路”实现对工况变化和控制目标的快速响应；“燃烧状态预估回路”在锅炉燃烧发生剧烈变化时，以燃烧状态预估控制方式实现对模型的准确快速响应，消除因大滞后对控制品质的影响；“反馈回路”实现稳态工况下消除静态误差，与“喷氨流量控制回路”配合实现静态的“零”误差控制，解决了复杂控制对象的高可靠与高品质的控制难题。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

其中，1为SCR入口NO_x浓度模块、2为SCR出口NO_x浓度设定模块、3为SCR出口NO_x浓度模块、4为锅炉实时烟气流量计算模块、5为氨气流量模块、6为锅炉燃烧状态变量模块、7为理论需要脱掉的NO_x量模块、8为燃烧状态预估控制器、9为静态偏差控制器、10为理论氨氮摩尔比模块、11为算术运算器模块、12为氨流量控制器、13为氨流量调节阀。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。

参考图1，本发明所述的W火焰锅炉脱硝喷氨控制系统包括SCR入口NO_x浓度模块1、SCR出口NO_x浓度设定模块2、SCR出口NO_x浓度模块3、锅炉实时烟气流量计算模块4、氨气流量模块5、锅炉燃烧状态变量模块6、理论需要脱掉的NO_x量模块7、燃烧状态预估控制器8、静态偏差控制器9、理论氨氮摩尔比模块10、算术运算器模块11、氨流量控制器12以及氨流量调节阀13。氨气流量模块5、理论氨氮摩尔比模块10、算术运算器模块11、氨流量控制器12以及氨流量调节阀13组成“喷氨流量控制回路”。具体的，SCR入口NO_x浓度模块1、SCR出口NO_x浓度设定模块2、锅炉实时烟气量计算模块4、理论需要脱掉的NO_x量模块7组成“前馈回路”；SCR出口NO_x浓度设定模块2、SCR出口NO_x浓度模块3、静态偏差控制器9组成“反馈回路”；锅炉燃烧状态变量模块6和燃烧状态预估控制器8组成“燃烧状态预估回路”。

燃烧状态变量模块6用于分析并计算燃烧变量集合，并依一定控制算法为状态预估控制器8提供数据支持。

SCR入口NO_x浓度模块1、SCR出口NO_x浓度设定模块2、锅炉实时烟气量计算模块4的输出通过数据流分别连接到理论需要脱掉的NO_x量模块7的输入；SCR出口NO_x浓度设定模块2、SCR出口NO_x浓度模块3的输出通过数据流分别连接到静态偏差控制器9的输入；锅炉燃烧状态变量模块6的输出通过数据流连接到燃烧状态预估控制器8的输入；理论需要脱掉的NO_x量模块7、燃烧状态预估控制器8、静态偏差控制器9、理论氨氮摩尔比模块10的输出通过数据流分表连接到算术运算器模块11的输入；氨气流量模块5、算术运算器模块11的输出通过数据流分表连接到氨流量控制器12的输入；氨流量控制器12的输出通过硬接线连接到氨流量调节阀13的控制端子。

各模块的功能及算法如下。

SCR入口NO_x浓度模块1用于计算SCR入口NO_x浓度，SCR入口NO_x浓度＝SCR入口NO_x浓度测量值×(21-6)/(21-SCR入口O₂测量值)。

SCR出口NO_x浓度设定模块2用于设定SCR出口NO_x浓度设定值，SCR出口NO_x浓度设定值＝运行人员根据环保要求设定的SCR出口NO_x浓度，要求该值小于50mg/m³。

SCR出口NO_x浓度模块3用于确定SCR出口NO_x浓度，SCR出口NO_x浓度＝SCR出口NO_x浓度测量值×(21-6)/(21-SCR出口O₂测量值)

锅炉实时烟气量计算模块4用于计算锅炉实时烟气量，锅炉实时烟气量＝2.47×机组负荷测量值/机组BMCR工况负荷×f(x)；f(x)为由实验及专家库来的拟合折线值。

氨气流量模块5用于确定氨气质量流量，氨气质量流量＝来自氨气质量流量计实时传输数据。

锅炉燃烧状态变量模块6用于确定锅炉燃烧状态变量＝∈{负荷波动，给煤量，总风量，SOFA风量，炉膛温度，炉膛氧量，磨煤机投运方式，磨煤机启停}

理论需要脱掉的NO_x量模块7用于确定理论需要脱掉的NO_x量，理论需要脱掉的NO_x量＝[SCR入口NO_x浓度-SCR出口NO_x浓度设定]×锅炉实时烟气量

燃烧状态预估控制器8用于控制燃烧状态预估量，燃烧状态预估量＝锅炉实时烟气量×[k1×f1{负荷波动，给煤量，总风量，SOFA风量，炉膛温度，炉膛氧量，磨煤机投运方式，磨煤机启停}]

式中：k1为加权比例系数，负荷波动，给煤量，总风量，SOFA风量，炉膛温度，炉膛氧量，磨煤机投运方式以及磨煤机启停的系数由下式确定。

式中：N为历史样本数；x(t)为t时刻状态变量的数值；ρ_NOx(t+m)为t+m时刻NO_x浓度，x₀和ρ_NOx，0分别为状态变量平均值和NO_x浓度的平均值，k_t为变量x对t时间后反应器入口NO_x浓度的影响系数。f1表示加权比例函数。

静态偏差控制器9用于控制静态偏差，静态偏差＝kp[e(t)+1/T_I×∫e(t)dt+T_D×de(t)/dt]。

其中，e(t)为偏差计算值，e(t)＝SCR出口NO_x浓度设定值-SCR出口NO_x浓度。kp表示比例常数，T_I表示积分常数，T_D表示微分常数；理论氨氮摩尔比模块10用于确定理论氨氮摩尔比，理论氨氮摩尔比＝1.03×17/46。

算术运算器11用于确定算术运算结果，算术运算结果＝[理论需要脱掉的NO_x量+燃烧状态预估量-静态偏差]×理论氨氮摩尔比。

氨流量控制器12用于控制氨流量，氨流量＝kp[e(t)+1/T_I×∫e(t)dt+T_D×de(t)/dt]；e(t)为算术运算器11输出的偏差值。

氨流量调节阀13为电动或气动执行机构。

本发明所述的W火焰锅炉脱硝喷氨控制方法为：SCR入口NO_x浓度模块1、SCR出口NO_x浓度设定模块2、锅炉实时烟气量计算模块3、理论需要脱掉的NO_x量模块7组成前馈回路，用于计算出理论需要脱掉的NO_x量；

锅炉燃烧状态变量模块6和燃烧状态预估控制器8组成燃烧状态预估回路，用于预估燃烧状态。

氨气流量模块5、理论氨氮摩尔比模块10、算术运算器模块11、氨流量控制器2以及氨流量调节阀13组成喷氨流量控制回路，用于根据理论需要脱掉的NO_x量以及燃烧状态控制喷氨流量。

SCR出口NO_x浓度设定模块2、SCR出口NO_x浓度模块3、静态偏差控制器9组成反馈回路，用于消除稳态下喷氨流量控制回路的控制误差。

理论上，如果模型准确，由SCR入口NO_x浓度模块1、SCR出口NO_x浓度设定模块2、锅炉实时烟气量计算模块4、理论需要脱掉的NO_x量模块7组成“前馈回路”，可以准确计算出理论需要脱掉的NO_x量，实现喷氨量的准确控制。但在实际SCR脱硝系统中，由于大惯性、大滞后、以及燃烧工况的剧烈波动等原因，理论建模和实际情况千差万别，而影响控制品质的不仅仅脱硝系统本身，更重要的是来自锅炉燃烧系统产生的剧烈扰动，而要消除锅炉燃烧燃动对脱硝喷氨系统的影响，就需要引入锅炉燃烧状态预估的概念，由锅炉燃烧状态变量模块6和燃烧状态预估控制器8组成“燃烧状态预估回路”，在SCR反应器前的锅炉燃烧产生剧烈变化时，其对脱硝喷氨的影响可以通过实验和经验积累及专家库数据，进行建模量化计算，以提前对控制系统干预，提高控制系统的鲁棒性和控制品质。由SCR出口NO_x浓度设定模块2、SCR出口NO_x浓度模块3、静态偏差控制器9组成“反馈回路”，用于消除稳态下的控制误差，实现“0”误差目标跟踪。三种控制器有机结合，协调统一最终实现精准喷氨的目标。

本发明的控制方法可以在任何DCS及其外挂系统中实现，也可采用工业控制计算机、PLC实现独立控制系统，可以实现W火焰锅炉脱硝优化控制及精准喷氨，配合SCR分区，更可以实现分区动态精准喷氨优化。

本发明所述的W火焰锅炉脱硝喷氨控制方法在具体操作时，依据“前馈回路”、“反馈回路”、“燃烧状态预估回路”以及“喷氨流量控制回路”的功能分工，完成不同工况状态对喷氨精准控制的要求。SCR入口NO_x浓度模块1、SCR出口NO_x浓度设定模块2、锅炉实时烟气量计算模块4、理论需要脱掉的NO_x量模块7组成“前馈回路”；SCR出口NO_x浓度设定模块2、SCR出口NO_x浓度模块3、静态偏差控制器9组成“反馈回路”；锅炉燃烧状态变量模块6和燃烧状态预估控制器8组成“燃烧状态预估回路”。“前馈回路”实现对工况变化和控制目标的快速响应；“燃烧状态预估回路”在锅炉燃烧发生剧烈变化时，以燃烧状态预估控制方式实现对喷氨量的准确快速响应，消除因大滞后对控制品质的影响；“反馈回路”实现稳态工况下消除静态误差，与“喷氨流量控制回路”配合实现静态的“零”误差控制。解决了复杂控制对象的高可靠与高品质的控制难题。

需要说明的是，由于控制模型合理，控制策略先进，本发明对“反馈回路”及“喷氨流量控制回路”的控制方案要求更加灵活，“反馈回路”主要是消除静态误差，可以采用自适应最优控制、模糊控制或PID控制均能实现很好的效果。“喷氨流量控制回路”一般采用PID控制。本发明的建模核心是“燃烧状态预估回路”，在具体实施方式中有详尽论述。

Claims (10)

1.一种W火焰锅炉脱硝喷氨控制系统，其特征在于，包括SCR入口NO_x浓度模块(1)、SCR出口NO_x浓度设定模块(2)、SCR出口NO_x浓度模块(3)、锅炉实时烟气流量计算模块(4)、氨气流量模块(5)、锅炉燃烧状态变量模块(6)、理论需要脱掉的NO_x量模块(7)、燃烧状态预估控制器(8)、静态偏差控制器(9)、理论氨氮摩尔比模块(10)、算术运算器模块(11)、氨流量控制器(12)、氨流量调节阀(13)；

其中，SCR入口NO_x浓度模块(1)、SCR出口NO_x浓度设定模块(2)和锅炉实时烟气量计算模块(4)的输出与理论需要脱掉的NO_x量模块(7)的输入相连；SCR出口NO_x浓度设定模块(2)和SCR出口NO_x浓度模块(3)的输出均与静态偏差控制器(9)的输入相连；锅炉燃烧状态变量模块(6)的输出与燃烧状态预估控制器(8)的输入相连；理论需要脱掉的NO_x量模块(7)、燃烧状态预估控制器(8)、静态偏差控制器(9)和理论氨氮摩尔比模块(10)的输出与算术运算器模块(11)的输入相连；氨气流量模块(5)、算术运算器模块(11)的输出与氨流量控制器(12)的输入相连；氨流量控制器(12)的输出与氨流量调节阀(13)的控制端子相连。

2.一种基于权利要求1所述系统的W火焰锅炉脱硝喷氨控制方法，其特征在于，SCR入口NO_x浓度模块(1)、SCR出口NO_x浓度设定模块(2)、锅炉实时烟气量计算模块(4)、理论需要脱掉的NO_x量模块(7)组成前馈回路，用于计算出理论需要脱掉的NO_x量；

锅炉燃烧状态变量模块(6)和燃烧状态预估控制器(8)组成燃烧状态预估回路，用于预估燃烧状态；

氨气流量模块(5)、理论氨氮摩尔比模块(10)、算术运算器模块(11)、氨流量控制器(12)以及氨流量调节阀(13)组成喷氨流量控制回路，用于根据理论需要脱掉的NO_x量以及燃烧状态控制喷氨流量；

SCR出口NO_x浓度设定模块(2)、SCR出口NO_x浓度模块(3)、静态偏差控制器(9)组成反馈回路，用于消除稳态下喷氨流量控制回路的控制误差。

3.根据权利要求2所述的W火焰锅炉脱硝喷氨控制方法，其特征在于，SCR入口NO_x浓度模块(1)用于计算SCR入口NO_x浓度，SCR入口NO_x浓度＝SCR入口NO_x浓度测量值×(21-6)/(21-SCR入口O₂测量值)。

4.根据权利要求2所述的W火焰锅炉脱硝喷氨控制方法，其特征在于，SCR出口NO_x浓度设定模块(2)用于设定SCR出口NO_x浓度设定值。

5.根据权利要求2所述的W火焰锅炉脱硝喷氨控制方法，其特征在于，SCR出口NO_x浓度模块(3)用于确定SCR出口NO_x浓度，SCR出口NO_x浓度＝SCR出口NO_x浓度测量值×(21-6)/(21-SCR出口O₂测量值)。

6.根据权利要求2所述的W火焰锅炉脱硝喷氨控制方法，其特征在于，锅炉实时烟气量计算模块(4)用于计算锅炉实时烟气量，锅炉实时烟气量＝2.47×机组负荷测量值/机组BMCR工况负荷×f(x)，f(x)为拟合折线值。

7.根据权利要求2所述的W火焰锅炉脱硝喷氨控制方法，其特征在于，氨气流量模块(5)用于确定氨气质量流量。

8.根据权利要求2所述的W火焰锅炉脱硝喷氨控制方法，其特征在于，锅炉燃烧状态变量模块(6)用于确定锅炉燃烧状态变量，锅炉燃烧状态变量包括负荷波动，给煤量，总风量，SOFA风量，炉膛温度，炉膛氧量，磨煤机投运方式以及磨煤机启停。

9.根据权利要求2所述的W火焰锅炉脱硝喷氨控制方法，其特征在于，理论需要脱掉的NO_x量模块(7)用于确定理论需要脱掉的NO_x量，理论需要脱掉的NO_x量＝[SCR入口NO_x浓度-SCR出口NO_x浓度设定]×锅炉实时烟气量。

10.根据权利要求2所述的W火焰锅炉脱硝喷氨控制方法，其特征在于，静态偏差控制器(9)用于控制静态偏差，静态偏差＝kp[e(t)+1/T_I×∫e(t)dt+T_D×de(t)/dt]；

其中，e(t)为偏差计算值，e(t)＝SCR出口NO_x浓度设定值-SCR出口NO_x浓度，kp表示比例常数，T_I表示积分常数，T_D表示微分常数；

算术运算器(11)用于确定算术运算结果，算术运算结果＝[理论需要脱掉的NO_x量+燃烧状态预估量-静态偏差]×理论氨氮摩尔比；

氨流量控制器(12)用于控制氨流量，氨流量＝kp[e(t)+1/T_I×∫e(t)dt+T_D×de(t)/dt]；e(t)为算术运算器(11)输出的偏差值。

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