CN112650052A - 一种防主调失效的火电机组scr脱硝控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种防主调失效的火电机组SCR脱硝控制方法，其特征在于，将喷氨流量的控制偏差按照设定的幅值比例回馈叠加到主调节器SCR出口NOx浓度设定值与NOx浓度的测量值的偏差运算中，确保在SCR出口NOx浓度的测量值低于NOx浓度的设定值时能够开启喷氨阀门。

Description

一种防主调失效的火电机组SCR脱硝控制方法
技术领域
本发明涉及一种防主调失效的火电机组SCR脱硝控制方法，属于电厂热能动力工程技术领域。
背景技术
火电机组SCR脱硝控制系统控制目标为SCR出口NOx浓度，SCR出口NOx浓度是通过喷氨阀门在SCR反应器中喷入氨气来进行控制的，它是火电机组保证烟气排放达标的关键控制系统之一。目前最为典型的SCR脱硝控制方法几均采用传统的串级控制技术，如附图1所示，所控制的喷氨阀门开度指令UPA0为：
UPA0(n)＝PI[K2(Casp(n)-Ca(n))]
式中，K2为调试参数；Ca(n),Casp(n)分别为当前控制器计算周期内喷氨流量实测值及其设定值；UPA0(n)为当前控制器计算周期内计算出的喷氨阀门开度指令；PI是SCR脱硝系统串级控制系统的副调节器，为比例积分调节器。
喷氨流量设定值Casp(n)即为外回路主调节器PID的计算输出：
Casp(n)＝PID[K1(C(n)-Csp(n))]
式中，K1为调试参数；C(n),Csp(n)分别为当前控制器计算周期内的SCR出口实际NOx浓度及其设定值；Casp(n)为当前控制器计算周期的喷氨量的设定值；PID是传统串级SCR脱硝控制系统的主调节器，主调节器又名比例积分微分控制器，其传递函数计算表达式为：
Figure BDA0002827814050000011
其中，Kp为控制器的比例增益；Tiv为控制器的积分周期；KD为微分系数；TD为微分周期。
传统的SCR脱硝控制方法，存在以下两个问题：
(1)目前许多机组SCR脱硝系统在实际运行中，随着SCR脱硝系统的投入，SCR脱硝催化剂的性能会变差，个别机组也存在SCR脱硝系统设计中设计不合理，导致在机组高负荷运行时，即使喷氨阀门全开，SCR脱硝出口NOx浓度无法达到设定值，始终存在出口NOx浓度偏差，从而使串级控制系统的主调节器PID输入偏差始终保持正值，在积分作用下，使主调节PID的输出即喷氨量的设定值Casp越来越大并超出喷氨阀门可执行的有效区间，从而使主调节器失效，与此同时，副调节器PI的入口计算偏差K2(Casp-Ca)变为一个很大的正数。若火电机组负荷降低，SCR出口NOx浓度不断降低，当其实际值小于其设定值后，尽管主调节器PID的输出Casp开始减小，但由于内回路副调节器PI入口偏差K2(Casp-Ca)是很大正数，需经过较长时间才能逐渐减小为负数，使喷氨阀门在期间是无法从最大开度进行关小的，从而导致SCR出口NOx浓度严重低于设定值，导致SCR氨逃逸严重，严重的情况会导致空预器堵塞。
⑵对于脱硝系统的外回路主调节器PID，其积分的作用是最终消除出口NOx浓度的稳态误差，从而保证SCR出口NOx浓度值与其设定值想等。然而积分的存在使系统的稳定性恶化，主要原因：
积分计算表达式
Figure BDA0002827814050000021
式中，UI即为PID中积分部分单独计算的输出；∫为积分运算符；e为脱硝系统主调节器PID入口偏差。
从式中可了解到，积分的计算输出只取决于偏差的大小，而与偏差的变化方向无关，在偏差逐渐增大的过程中，喷氨阀门的增大调节是合理的动作过程，而在偏差逐渐减少时，即使偏差为正值，如果继续开大喷氨阀门则会导致喷氨阀门的过调导致SCR出口NOx浓度的波动振荡，使系统不稳定。
针对问题(1)，可将喷氨量的负偏差(Ca-Casp)按照设定的幅值比例回馈叠加到主调节器SCR出口NOx浓度设定值与其测量值的正偏差(C-Csp)通道中，从而实现主调PID入口的偏差，可有效防止主调节器PID超出有效调节范围从而失去调节作用；
针对问题(2)，可将输入偏差的绝对值与微分值综合改变积分强度，使积分作用具备自适应特性。当SCR出口NOx偏差逐渐变大时，增强积分作用，当偏差逐渐减小时，减弱积分作用。通过文献检索，到目前为止，还未见过针对上述问题提出改进措施的方案报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种防主调失效的火电机组SCR脱硝控制方法，特别是一种将喷氨流量的控制偏差，按照设定的幅值比例回馈叠加到主调节器SCR出口NOx浓度设定值与其测量值的偏差运算中和根据SCR出口NOx浓度控制偏差的微分值来自动调整主调节器中的积分作用，有效防止在喷氨阀门全开但SCR出口NOx浓度仍无法达到其设定值时所引发的主调节器控制失效的问题，及防止喷氨量过调从而引起NOx浓度的波动振荡问题的先进控制策略。
为达到上述目的，本发明提供一种防主调失效的火电机组SCR脱硝控制方法，将喷氨流量的控制偏差按照设定的幅值比例回馈叠加到主调节器SCR出口NOx浓度设定值与NOx浓度的测量值的偏差运算中，从而防止在喷氨阀门全开但SCR出口NOx浓度仍无法达到其设定值时所引发的主调节器控制失效的问题，确保在SCR出口NOx浓度的测量值低于NOx浓度的设定值时能够快速开启喷氨阀门，有效抑制SCR出口NOx浓度偏低，造成氨逃逸严重的问题。
优先地，在原有传统DCS串级脱硝控制方法的基础上，根据主调节器入口NOx浓度控制偏差的微分值自动改变修正主调节器中的积分强度，实现当主调节器入口NOx浓度偏差扩大时将积分强度加大，从而提高喷氨量有效防止NOx浓度的最大动态偏差，当主调节器入口NOx浓度偏差较小时消弱积分强度，防止喷氨量过调从而引起NOx浓度的波动振荡问题，提高火电机组脱硝控制系统的控制性能。
优先地，将喷氨流量的控制偏差，按照设定的幅值比例回馈叠加到主调节器SCR出口NOx浓度设定值与NOx浓度的测量值的偏差运算中，包括以下步骤：
喷氨流量的设定值为外回路主调节器PID的计算输出，即：
Casp(n)＝PID{K1[(C(n)-Csp(n))+K4(Ca(n-1)-Casp(n-1))]}，
式中，K1,K4为调试参数；C(n),Csp(n)分别为当前控制器计算周期内的SCR出口实际NOx浓度的测量值和当前控制器计算周期内的NOx浓度的设定值；Ca(n-1)为上一个控制器计算周期内的实际喷氨流量；Casp(n),Casp(n-1)分别为当前控制器计算周期的喷氨量的设定值和上一个计算周期的喷氨量的设定值。
优先地，PID是传统串级SCR脱硝控制系统的比例积分微分控制器，其传递函数计算表达式为：
Figure BDA0002827814050000031
其中，Kp为控制器的比例增益；Tiv为控制器的积分周期；KD为微分系数；TD为微分周期。
优先地，喷氨阀门的开度指令计算表达式为：
UPA0(n)＝PI[K2(Casp(n)-Ca(n))]，
式中，K2为调试参数；Ca(n),Casp(n)分别为当前控制器计算周期内喷氨流量的实测值及当前控制器计算周期内喷氨流量的设定值；UPA0(n)为当前控制器计算周期内计算出的喷氨阀门开度指令；PI是SCR脱硝系统串级控制系统的副调节器，为比例积分调节器。
优先地，根据主调节器入口NOx浓度控制偏差的微分值自动改变修正主调节器中的积分强度，实现当主调节器入口NOx浓度偏差扩大时将积分强度加大，从而提高喷氨量；当主调节器入口NOx浓度偏差较小时消弱积分强度，包括以下步骤：
在DCS串级脱硝控制系统的基础上，在外回路的主调节器PID中，改变传动固定积分时间，将积分时间Tiv设置为SCR出口NOx浓度控制偏差微分值的函数：
Figure BDA0002827814050000041
式中，A1,A2均为预设的切换积分时间常数；K3为调试参数；C,Csp为脱硝系统SCR出口NOx浓度的测量值及NOx浓度的设定值；HL为预设的高限值；LED为微分计算模块，其计算传递函数表达式为：
Figure BDA0002827814050000042
本发明所达到的有益效果：
本发明的具有一种具有防主调失效及自适应积分的火电机组SCR脱硝控制方法可通过目前电厂的控制平台DCS系统组态完成，特别适合应用于某超临界660MW机组。在未采用本发明之前，由于脱硝串级控制系统外回路主调节器失效问题，导致SCR出口NOx浓度降低时无法及时关小喷氨阀门，出口NOx浓度的最大偏差达40mg/Nm3。在采用本发明的方法后，避免了主调节器的失效，在变负荷及各种扰动情况下，消除了汽温主调节器的积分饱和，在各种扰动下，将出口NOx浓度的最大偏差控制在10mg/Nm3之内，另外由于采用了自适应积分方案，有效提高了脱硝控制系统的稳定性。
附图说明
图1为现有技术中的火电机组脱硝控制常规原理框图；
图2本发明的火电机组脱硝控制的原理框图。
具体实施方式
以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
一种防主调失效的火电机组SCR脱硝控制方法，将喷氨流量的控制偏差按照设定的幅值比例回馈叠加到主调节器SCR出口NOx浓度设定值与NOx浓度的测量值的偏差运算中，从而防止在喷氨阀门全开但SCR出口NOx浓度仍无法达到其设定值时所引发的主调节器控制失效的问题，确保在SCR出口NOx浓度的测量值低于NOx浓度的设定值时能够快速开启喷氨阀门，有效抑制SCR出口NOx浓度偏低，造成氨逃逸严重的问题。
进一步地，本实施例中在原有传统DCS串级脱硝控制方法的基础上，根据主调节器入口NOx浓度控制偏差的微分值自动改变修正主调节器中的积分强度，实现当主调节器入口NOx浓度偏差扩大时将积分强度加大，从而提高喷氨量有效防止NOx浓度的最大动态偏差，当主调节器入口NOx浓度偏差较小时消弱积分强度，防止喷氨量过调从而引起NOx浓度的波动振荡问题，提高火电机组脱硝控制系统的控制性能。
进一步地，本实施例中将喷氨流量的控制偏差，按照设定的幅值比例回馈叠加到主调节器SCR出口NOx浓度设定值与NOx浓度的测量值的偏差运算中，包括以下步骤：
喷氨流量的设定值为外回路主调节器PID的计算输出，即：
Casp(n)＝PID{K1[(C(n)-Csp(n))+K4(Ca(n-1)-Casp(n-1))]}，
式中，K1,K4为调试参数；C(n),Csp(n)分别为当前控制器计算周期内的SCR出口实际NOx浓度的测量值和当前控制器计算周期内的NOx浓度的设定值；Ca(n-1)为上一个控制器计算周期内的实际喷氨流量；Casp(n),Casp(n-1)分别为当前控制器计算周期的喷氨量的设定值和上一个计算周期的喷氨量的设定值。
进一步地，本实施例中PID是传统串级SCR脱硝控制系统的比例积分微分控制器，其传递函数计算表达式为：
Figure BDA0002827814050000051
其中，Kp为控制器的比例增益；Tiv为控制器的积分周期；KD为微分系数；TD为微分周期。
进一步地，本实施例中喷氨阀门的开度指令计算表达式为：
UPA0(n)＝PI[K2(Casp(n)-Ca(n))]，
式中，K2为调试参数；Ca(n),Casp(n)分别为当前控制器计算周期内喷氨流量的实测值及当前控制器计算周期内喷氨流量的设定值；UPA0(n)为当前控制器计算周期内计算出的喷氨阀门开度指令；PI是SCR脱硝系统串级控制系统的副调节器，为比例积分调节器。
进一步地，本实施例中根据主调节器入口NOx浓度控制偏差的微分值自动改变修正主调节器中的积分强度，实现当主调节器入口NOx浓度偏差扩大时将积分强度加大，从而提高喷氨量；当主调节器入口NOx浓度偏差较小时消弱积分强度，包括以下步骤：
在DCS串级脱硝控制系统的基础上，在外回路的主调节器PID中，改变传动固定积分时间，将积分时间Tiv设置为SCR出口NOx浓度控制偏差微分值的函数：
Figure BDA0002827814050000061
式中，A1,A2均为预设的切换积分时间常数；K3为调试参数；C,Csp为脱硝系统SCR出口NOx浓度的测量值及NOx浓度的设定值；HL为预设的高限值；LED为微分计算模块，其计算传递函数表达式为：
Figure BDA0002827814050000062
本发明的具有一种具有防主调失效及自适应积分的火电机组SCR脱硝控制方法可通过目前电厂的控制平台DCS系统组态完成，特别适合应用于某超临界660MW机组。在未采用本发明之前，由于脱硝串级控制系统外回路主调节器失效问题，导致SCR出口NOx浓度降低时无法及时关小喷氨阀门，出口NOx浓度的最大偏差达40mg/Nm3。在采用本发明的方法后，避免了主调节器的失效，在变负荷及各种扰动情况下，消除了汽温主调节器的积分饱和，在各种扰动下，将出口NOx浓度的最大偏差控制在10mg/Nm3之内，另外由于采用了自适应积分方案，有效提高了脱硝控制系统的稳定性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种防主调失效的火电机组SCR脱硝控制方法，其特征在于，将喷氨流量的控制偏差按照设定的幅值比例回馈叠加到主调节器SCR出口NOx浓度设定值与NOx浓度的测量值的偏差运算中，确保在SCR出口NOx浓度的测量值低于NOx浓度的设定值时能够开启喷氨阀门。
2.根据权利要求1所述的一种防主调失效的火电机组SCR脱硝控制方法，其特征在于，在原有传统DCS串级脱硝控制方法的基础上，根据主调节器入口NOx浓度控制偏差的微分值自动改变修正主调节器中的积分强度，实现当主调节器入口NOx浓度偏差扩大时将积分强度加大，从而提高喷氨量，当主调节器入口NOx浓度偏差较小时消弱积分强度。
3.根据权利要求1所述的一种防主调失效的火电机组SCR脱硝控制方法，其特征在于，将喷氨流量的控制偏差，按照设定的幅值比例回馈叠加到主调节器SCR出口NOx浓度设定值与NOx浓度的测量值的偏差运算中，包括以下步骤：
喷氨流量的设定值为外回路主调节器PID的计算输出，即：
Casp(n)＝PID{K1[(C(n)-Csp(n))+K4(Ca(n-1)-Casp(n-1))]}，
式中，K1,K4为调试参数；C(n),Csp(n)分别为当前控制器计算周期内的SCR出口实际NOx浓度的测量值和当前控制器计算周期内的NOx浓度的设定值；Ca(n-1)为上一个控制器计算周期内的实际喷氨流量；Casp(n),Casp(n-1)分别为当前控制器计算周期的喷氨量的设定值和上一个计算周期的喷氨量的设定值。
4.根据权利要求3所述的一种防主调失效的火电机组SCR脱硝控制方法，其特征在于，PID是传统串级SCR脱硝控制系统的比例积分微分控制器，其传递函数计算表达式为：
Figure FDA0002827814040000011
其中，Kp为控制器的比例增益；Tiv为控制器的积分周期；KD为微分系数；TD为微分周期。
5.根据权利要求1所述的一种防主调失效的火电机组SCR脱硝控制方法，其特征在于，喷氨阀门的开度指令计算表达式为：
UPA0(n)＝PI[K2(Casp(n)-Ca(n))]，
式中，K2为调试参数；Ca(n),Casp(n)分别为当前控制器计算周期内喷氨流量的实测值及当前控制器计算周期内喷氨流量的设定值；UPA0(n)为当前控制器计算周期内计算出的喷氨阀门开度指令；PI是SCR脱硝系统串级控制系统的副调节器，为比例积分调节器。
6.根据权利要求2所述的一种防主调失效的火电机组SCR脱硝控制方法，其特征在于，根据主调节器入口NOx浓度控制偏差的微分值自动改变修正主调节器中的积分强度，实现当主调节器入口NOx浓度偏差扩大时将积分强度加大，从而提高喷氨量；当主调节器入口NOx浓度偏差较小时消弱积分强度，包括以下步骤：
在DCS串级脱硝控制系统的基础上，在外回路的主调节器PID中，改变传动固定积分时间，将积分时间Tiv设置为SCR出口NOx浓度控制偏差微分值的函数：
Figure FDA0002827814040000021
式中，A1,A2均为预设的切换积分时间常数；K3为调试参数；C,Csp为脱硝系统SCR出口NOx浓度的测量值及NOx浓度的设定值；HL为预设的高限值；LED为微分计算模块，其计算传递函数表达式为：
Figure FDA0002827814040000022
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