CN114326387A - 一种火电机组脱硝控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种火电机组脱硝控制装置及控制方法，该方法将脱硝反应器出口NOx浓度偏差值数据输入自适应PID调节器进行反馈控制得出反馈控制指令，将入口和出口的NOx浓度偏差值数据输入简化预测控制单元计算得出前馈控制指令；前馈反馈指令叠加后计算获得喷氨流量的设定值，结合喷氨流量的设定值、喷氨流量的实测值计算生成喷氨流量指令，内回路副调节器接收喷氨流量指令后换算输出控制喷氨阀开度的比例调节指令，从而在脱硝反应器脱硝过程中对喷氨阀喷氨流量的过流面积进行实时的比例控制，避免喷氨流量过调从而引起脱硝反应器出口NOx浓度的波动振荡问题，有效减小出口NOx浓度的最大动态偏差，提高火电机组脱硝控制系统的控制性能。

Description

一种火电机组脱硝控制装置及控制方法

技术领域

本发明属于电厂热能动力工程领域，具体涉及一种火电机组脱硝控制装置及控制方法。

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脱硝控制方法均采用传统的串级控制技术存在以下两个问题：(1)脱硝系统被控对象在不同负荷工况下，对象动态特性差异较大，系统动态特性呈非线性。(2)传统控制策略仅根据当前SCR反应器出口NOx浓度与设定值偏差进行事后控制调节，调节性能滞后，控制效果差，在扰动大幅变化时，出口NOx浓度波动大易超标。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种火电机组脱硝控制装置及控制方法，针对脱硝系统被控对象在不同负荷工况下，该方法将脱硝反应器出口NOx浓度偏差值数据输入自适应PID调节器进行反馈控制得出反馈控制指令，将入口和出口的NOx浓度偏差值数据输入简化预测控制单元计算得出前馈控制指令；前馈反馈指令叠加后计算后生成喷氨流量指令，内回路副调节器接收喷氨流量指令后换算输出控制喷氨阀开度的比例调节指令，从而在脱硝反应器脱硝过程中对喷氨阀喷氨流量的过流面积进行实时的比例控制，避免喷氨流量过调从而引起脱硝反应器出口NOx浓度的波动振荡问题，有效减小出口NOx浓度的最大动态偏差，提高火电机组脱硝控制系统的控制性能。

技术方案：第一方面本发明提供一种火电机组脱硝控制装置，包括：

简化预测控制单元：用于根据脱硝反应器出口和入口的NOx浓度实测值生成前馈控制指令；

自适应PID调节器：用于接收脱硝反应器出口NOx浓度的实测值，将实测值与预设值进行差值运算得出NOx浓度偏差值，并将NOx浓度偏差值送入反馈控制系统计算得出反馈控制指令；

计算单元：用于接收同一采样时刻下反馈控制指令和前馈控制指令叠加计算获得喷氨流量的设定值，结合喷氨流量的设定值、喷氨流量的实测值计算生成喷氨流量指令，

内回路副调节器：用于根据喷氨流量指令调节内回路中喷氨阀的开度，从而在脱硝反应器脱硝过程中对经过喷氨阀的喷氨过流面积进行比例控制。

在进一步的实施例中，自适应PID调节器的传递函数公式为：

式中，K_p(D_air)为控制器的比例增益，T_i(D_air)为控制器的积分时间，D_air为总风量函数，APID为自适应PID调节器。

第二方面本发明提供一种具有带简化预测控制单元前馈的火电机组脱硝控制方法，包括：

接收脱硝反应器出口的NOx浓度实测值和入口的NOx浓度实测值，出口的NOx浓度实测值和入口的NOx浓度实测值分别与各自的预设值进行差值计算，分别获得出口的NOx浓度偏差值和入口的NOx浓度偏差值；

将出口的NOx浓度偏差值输入反馈控制系统计算得出反馈控制指令；

将出口的NOx浓度偏差值和入口的NOx浓度偏差值输入简化预测控制单元计算得出前馈控制指令；

将同一采样时刻下生成的反馈控制指令与前馈控制指令叠加计算，从而获得喷氨流量的设定值；

,采集脱硝反应器的喷氨流量的实测值，结合喷氨流量的设定值、喷氨流量的实测值计算生成喷氨流量指令，并将喷氨流量指令发送给内回路副调节器；

喷氨流量指令经内回路副调节器换算得出喷氨阀门开度指令，开度指令控制喷氨阀的开度，从而在脱硝反应器脱硝过程中对喷氨阀喷氨流量的过流面积进行实时的比例控制。

在进一步的实施例中，喷氨流量的设定值的计算公式如下：

D'_nsp(k)＝APID(C_o(k)-C_osp(k))；

式中，C_o(k)为控制器当前计算周期内的脱硝反应器出口实际NOx浓度，C_osp(k)为自适应PID调节器当前计算周期内的脱硝反应器出口NOx浓度设定值，k为当前时刻；D'_nsp(k)为自适应PID调节器当前k时刻计算的喷氨流量的设定值。

在进一步的实施例中，输入简化预测控制单元计算得出前馈控制指令包括：

结合之前时刻获得的多个喷氨流量指令，提取出喷氨流量指令的波动区间，从而确定喷氨流量指令增量的可行空间；

在确定喷氨流量指令增量的可行空间中计算喷氨流量基本增量指令单元，获得喷氨流量基本增量指令单元向量；

将喷氨流量基本增量指令单元向量逐一代入脱硝系统的预测模型中，从而得出未来各个采样时刻脱硝反应器出口NOx浓度预测值；

根据多个时刻的脱硝反应器出口NOx浓度预测值，定义对应的简化预测控制单元计算的性能指标；

将多个时刻NOx浓度预测值定义的性能指标进行对比，选择作为下限值的性能指标，并将作为下限值的性能指标中所代入的喷氨流量基本增量指令单元向量输出为前馈控制指令。

在进一步的实施例中，喷氨流量指令增量的可行空间的计算公式为：

max(D^L _nsp-D_nsp(k-1),ΔD^L _nsp)≤ΔD_nsp(k)≤min(D^H _nsp-D_nsp(k-1),ΔD^H _nsp)；

式中，ΔD_nsp(k)为确定喷氨流量指令增量的可行空间，D^L _nsp为喷氨流量指令的下限值，D^H _nsp为喷氨流量指令的上限值，ΔD^L _nsp为采样周期内可达的喷氨流量指令最小增量与ΔD^H _nsp为采样周期内可达的喷氨流量指令最大增量，D_nsp(k-1)为k-1时刻喷氨流量指令。

在进一步的实施例中，计算喷氨流量基本增量指令单元的公式为：

max(D^L _nsp-D_nsp(k-1),ΔD^L _nsp)≤ΔD_i·n≤min(D^H _nsp-D_nsp(k-1),ΔD^H _nsp)；

式中，ΔD_i·n为基本增量指令单元进行整数倍定点取值；n的取值为整数。

在进一步的实施例中，所述预测模型预设脱硝反应器在未来脱硝过程的各项控制元件的控制作用为恒定不变的，计算未来各个采样时刻脱硝反应器出口NOx浓度预测值；

其中，NOx浓度预测值的计算公式为：

式中，u为已知实际喷氨流量；y为反应器出口NOx浓度实测值，d为扰动量，np为未来的最大预测步数，f[y,u,d]为非线性函数，

为将来k+i时刻脱硝反应器出口NOx浓度预测值。

在进一步的实施例中，所述扰动量包括：负荷、风煤比、以及脱硝反应器入口NOx浓度。

在进一步的实施例中，定义对应的简化预测控制单元计算性能指标的公式为：

式中，r为脱硝反应器出口NOx浓度设定值；np为未来的最大预测步数；

为将来k+i时刻脱硝反应器出口NOx浓度预测值。

有益效果：本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)该控制方法可有效抑制由于喷氨流量过调从而引起脱硝反应器出口NOx浓度的波动振荡问题，有效减小出口NOx浓度的最大动态偏差，提高火电机组脱硝控制系统的控制性能；

(2)采用自适应PID调节器和简化预测控制单元进行复合控制，使得前馈系统前馈精确且实时，避免网络延迟误差。

附图说明

图1为现有SCR脱硝控制方法均采用传统的串级控制方法的结构图；

图2为本发明简化预测控制单元前馈的火电机组脱硝控制方法的结构图。

具体实施方式

为了更充分理解本发明的技术内容，下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步介绍和说明，但不局限于此。

结合图1进一步说明现有SCR脱硝控制方法均采用传统的串级控制方法的结构；附图1中K₁、K₂为比例模块调试参数；PID为主调节器；PI-副调节器；

现有的SCR脱硝控制方法均采用传统的串级控制技术，所控制的喷氨阀门开度指令U_PA0为：

U_PA0(n)＝PI[K₂(C_asp(n)-C_a(n))]

式中，K₂为调试参数；C_a(n),C_asp(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；U_PA0(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C_asp(n)即为外回路主调节器PID的计算输出：

C_asp(n)＝PID[K₁(C(n)-C_sp(n))]

式中，K₁为调试参数；C(n),C_sp(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；C_asp(n)为当前控制器计算周期的喷氨流量的设定值；PID是传统串级SCR脱硝控制系统的主调节器(比例积分微分控制器)，其传递函数计算表达式为：

其中，K_p为控制器的比例增益；T_iv为控制器的积分周期；K_D为微分系数；T_D为微分周期；

进而通过图1中的结构传统控制策略仅根据当前SCR反应器出口NOx浓度与设定值偏差进行事后控制调节，调节性能滞后，控制效果差，在扰动大幅变化时，出口NOx浓度波动大易超标，其次脱硝系统被控对象在不同负荷工况下，对象动态特性差异较大，系统动态特性呈非线性。

图2中APID-自适应PID调节器；P内回路副调节器；结合图2进一步说明本发明提供一种火电机组脱硝控制装置包括：

简化预测控制单元：用于根据脱硝反应器出口和入口的NOx浓度实测值生成前馈控制指令；

自适应PID调节器：用于接收脱硝反应器出口NOx浓度的实测值，将实测值与预设值进行差值运算得出NOx浓度偏差值，并将NOx浓度偏差值送入反馈控制系统计算得出反馈控制指令；

计算单元：用于接收同一采样时刻下反馈控制指令和前馈控制指令叠加计算获得喷氨流量的设定值，结合喷氨流量的设定值、喷氨流量的实测值计算生成喷氨流量指令，

内回路副调节器：用于根据喷氨流量指令调节内回路中喷氨阀的开度，从而在脱硝反应器脱硝过程中对经过喷氨阀的喷氨过流面积进行比例控制。

自适应PID调节器的传递函数公式为：

式中，K_p(D_air)为控制器的比例增益，T_i(D_air)为控制器的积分时间，D_air为总风量函数，APID为自适应PID调节器。

本发明提供一种具有带简化预测控制单元前馈的火电机组脱硝控制方法包括如下步骤：

接收脱硝反应器出口的NOx浓度实测值和入口的NOx浓度实测值，出口的NOx浓度实测值和入口的NOx浓度实测值分别与各自的预设值进行差值计算，分别获得出口的NOx浓度偏差值和入口的NOx浓度偏差值；

将出口的NOx浓度偏差值输入反馈控制系统计算得出反馈控制指令；

将出口的NOx浓度偏差值和入口的NOx浓度偏差值输入简化预测控制单元计算得出前馈控制指令；

将同一采样时刻下生成的反馈控制指令与前馈控制指令叠加计算，从而获得喷氨流量的设定值；

,采集脱硝反应器的喷氨流量的实测值，结合喷氨流量的设定值、喷氨流量的实测值计算生成喷氨流量指令，并将喷氨流量指令发送给内回路副调节器；

喷氨流量指令经内回路副调节器换算得出喷氨阀门开度指令，开度指令控制喷氨阀的开度，从而在脱硝反应器脱硝过程中对喷氨阀喷氨流量的过流面积进行实时的比例控制。

喷氨流量的设定值的计算公式如下：

D'_nsp(k)＝APID(C_o(k)-C_osp(k))；

式中，C_o(k)为控制器当前计算周期内的脱硝反应器出口实际NOx浓度，C_osp(k)为自适应PID调节器当前计算周期内的脱硝反应器出口NOx浓度设定值，k为当前时刻；D'_nsp(k)为自适应PID调节器当前k时刻计算的喷氨流量的设定值。

输入简化预测控制单元计算得出前馈控制指令包括：

结合之前时刻获得的多个喷氨流量指令，提取出喷氨流量指令的波动区间，从而确定喷氨流量指令增量的可行空间；

在确定喷氨流量指令增量的可行空间中计算喷氨流量基本增量指令单元，获得喷氨流量基本增量指令单元向量；

将喷氨流量基本增量指令单元向量逐一代入脱硝系统的预测模型中，从而得出未来各个采样时刻脱硝反应器出口NOx浓度预测值；

根据多个时刻的脱硝反应器出口NOx浓度预测值，定义对应的简化预测控制单元计算的性能指标；

将多个时刻NOx浓度预测值定义的性能指标进行对比，选择作为下限值的性能指标，并将作为下限值的性能指标中所代入的喷氨流量基本增量指令单元向量输出为前馈控制指令。

喷氨流量指令增量的可行空间的计算公式为：

max(D^L _nsp-D_nsp(k-1),ΔD^L _nsp)≤ΔD_nsp(k)≤min(D^H _nsp-D_nsp(k-1),ΔD^H _nsp)；

式中，ΔD_nsp(k)为确定喷氨流量指令增量的可行空间；D^L _nsp为喷氨流量指令的下限值；D^H _nsp为喷氨流量指令的上限值；ΔD^L _nsp为采样周期内可达的喷氨流量指令最小增量与ΔD^H _nsp为采样周期内可达的喷氨流量指令最大增量；D_nsp(k-1)为k-1时刻喷氨流量指令。

计算喷氨流量基本增量指令单元的公式为：

max(D^L _nsp-D_nsp(k-1),ΔD^L _nsp)≤ΔD_i·n≤min(D^H _nsp-D_nsp(k-1),ΔD^H _nsp)；

式中，ΔD_i·n为基本增量指令单元进行整数倍定点取值；n的取值为整数。

预测模型预设脱硝反应器在未来脱硝过程的各项控制元件的控制作用为恒定不变的，计算未来各个采样时刻脱硝反应器出口NOx浓度预测值；

其中，NOx浓度预测值的计算公式为：

式中，u为已知实际喷氨流量；y为反应器出口NOx浓度实测值，d为扰动量，np为未来的最大预测步数，f[y,u,d]为非线性函数，

为将来k+i时刻脱硝反应器出口NOx浓度预测值。

定义对应的简化预测控制单元计算性能指标的公式为：

式中，r为脱硝反应器出口NOx浓度设定值；np为未来的最大预测步数；

为将来k+i时刻脱硝反应器出口NOx浓度预测值。

在优选地实际生产实施例中该方法已成功应用于某超临界1000MW机组；在未采用本发明之前，脱硝反应器出口NOx浓度的最大偏差达45mg/Nm³；在采用本发明的方法后，在变负荷及各种扰动情况下，将出口NOx浓度的最大偏差控制在13mg/Nm³之内。

本发明该控制方法可有效抑制由于喷氨流量过调从而引起脱硝反应器出口NOx浓度的波动振荡问题，有效减小出口NOx浓度的最大动态偏差，提高火电机组脱硝控制系统的控制性能；采用自适应PID调节器和简化预测控制单元进行复合控制，使得前馈系统前馈精确且实时，避免网络延迟误差。

本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，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 (10)

1.一种火电机组脱硝控制装置，其特征在于，包括：

自适应PID调节器：用于接收脱硝反应器出口NOx浓度的实测值，将实测值与预设值进行差值运算得出NOx浓度偏差值，并将NOx浓度偏差值送入反馈控制系统计算得出反馈控制指令；

简化预测控制单元：用于根据脱硝反应器出口和入口的NOx浓度实测值生成前馈控制指令；

计算单元：用于接收同一采样时刻下反馈控制指令和前馈控制指令叠加计算获得喷氨流量的设定值，结合喷氨流量的设定值、喷氨流量的实测值计算生成喷氨流量指令；

内回路副调节器：用于根据喷氨流量指令调节内回路中喷氨阀的开度，从而在脱硝反应器脱硝过程中对经过喷氨阀的喷氨过流面积进行比例控制。

2.根据权利要求1所述的一种火电机组脱硝控制装置，其特征在于，自适应PID调节器的传递函数公式为：

式中，K_p(D_air)为控制器的比例增益，T_i(D_air)为控制器的积分时间，D_air为总风量函数，APID为自适应PID调节器。

3.一种火电机组脱硝控制方法，其特征在于，包括：

接收脱硝反应器出口的NOx浓度实测值和入口的NOx浓度实测值，出口的NOx浓度实测值和入口的NOx浓度实测值分别与各自的预设值进行差值计算，分别获得出口的NOx浓度偏差值和入口的NOx浓度偏差值；

将出口的NOx浓度偏差值输入反馈控制系统计算得出反馈控制指令；

将出口的NOx浓度偏差值和入口的NOx浓度偏差值输入简化预测控制单元计算得出前馈控制指令；

将同一采样时刻下生成的反馈控制指令与前馈控制指令叠加计算，从而获得喷氨流量的设定值；

采集脱硝反应器的喷氨流量的实测值，结合喷氨流量的设定值、喷氨流量的实测值计算生成喷氨流量指令，并将喷氨流量指令发送给内回路副调节器；

喷氨流量指令经内回路副调节器换算得出喷氨阀门开度指令，开度指令控制喷氨阀的开度，从而在脱硝反应器脱硝过程中对喷氨阀喷氨流量的过流面积进行实时的比例控制。

4.根据权利要求3所述的火电机组脱硝控制方法，其特征在于，喷氨流量的设定值的计算公式如下：

D'_nsp(k)＝APID(C_o(k)-C_osp(k))；

式中，C_o(k)为控制器当前计算周期内的脱硝反应器出口实际NOx浓度，C_osp(k)为自适应PID调节器当前计算周期内的脱硝反应器出口NOx浓度设定值，k为当前时刻；D'_nsp(k)为自适应PID调节器当前k时刻计算的喷氨流量的设定值。

5.根据权利要求3所述的火电机组脱硝控制方法，其特征在于，输入简化预测控制单元计算得出前馈控制指令的方法包括：

结合之前时刻获得的多个喷氨流量指令，提取出喷氨流量指令的波动区间，从而确定喷氨流量指令增量的可行空间；

在确定喷氨流量指令增量的可行空间中计算喷氨流量基本增量指令单元，获得喷氨流量基本增量指令单元向量；

将喷氨流量基本增量指令单元向量逐一代入脱硝系统的预测模型中，从而得出未来各个采样时刻脱硝反应器出口NOx浓度预测值；

根据多个时刻的脱硝反应器出口NOx浓度预测值，定义对应的简化预测控制单元计算的性能指标；

将多个时刻NOx浓度预测值定义的性能指标进行对比，选择作为下限值的性能指标，并将作为下限值的性能指标中所代入的喷氨流量基本增量指令单元向量输出为前馈控制指令。

6.根据权利要求4所述的一种具有带简化预测控制单元前馈的火电机组脱硝控制方法，其特征在于，喷氨流量指令增量的可行空间的计算公式为：

max(D^L _nsp-D_nsp(k-1),ΔD^L _nsp)≤ΔD_nsp(k)≤min(D^H _nsp-D_nsp(k-1),ΔD^H _nsp)；

式中，ΔD_nsp(k)为确定喷氨流量指令增量的可行空间，D^L _nsp为喷氨流量指令的下限值，D^H _nsp为喷氨流量指令的上限值，ΔD^L _nsp为采样周期内可达的喷氨流量指令最小增量与ΔD^H _nsp为采样周期内可达的喷氨流量指令最大增量，D_nsp(k-1)为k-1时刻喷氨流量指令。

7.根据权利要求4所述的一种具有带简化预测控制单元前馈的火电机组脱硝控制方法，其特征在于，计算喷氨流量基本增量指令单元的公式为：

max(D^L _nsp-D_nsp(k-1),ΔD^L _nsp)≤ΔD_i·n≤min(D^H _nsp-D_nsp(k-1),ΔD^H _nsp)；

式中，ΔD_i·n为基本增量指令单元进行整数倍定点取值；n的取值为整数。

8.根据权利要求4所述的一种具有带简化预测控制单元前馈的火电机组脱硝控制方法，其特征在于，所述预测模型预设脱硝反应器在未来脱硝过程的各项控制元件的控制作用为恒定不变的，计算未来各个采样时刻脱硝反应器出口NOx浓度预测值；

其中，NOx浓度预测值的计算公式为：

式中，u为已知实际喷氨流量；y为反应器出口NOx浓度实测值，d为扰动量，np为未来的最大预测步数，f[y,u,d]为非线性函数，

为将来k+i时刻脱硝反应器出口NOx浓度预测值。

9.根据权利要求8所述的一种具有带简化预测控制单元前馈的火电机组脱硝控制方法，其特征在于，所述扰动量包括：负荷、风煤比、以及脱硝反应器入口NOx浓度。

10.根据权利要求4所述的一种具有带简化预测控制单元前馈的火电机组脱硝控制方法，其特征在于，定义对应的简化预测控制单元计算性能指标的公式为：

式中，r为脱硝反应器出口NOx浓度设定值。

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