CN117398840A - 一种双闭环快慢协同脱硝控制方法及控制系统 - Google Patents

一种双闭环快慢协同脱硝控制方法及控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双闭环快慢协同脱硝控制方法及控制系统，利用快慢协同调节思想设计相应的控制回路，包括外回路，或外回路与内回路。通过快慢协同调节的设计，本发明控制方法和控制系统，在防止NOx排放超标的同时，可以有效抑制NOx浓度波动振荡等短时发生的问题，同时通过实现氨氮比自适应修正，可以解决由催化剂性能变化引起的SCR特性变化等长时间运行后系统发生的问题，从而弥补了现有技术的不足，显著提高了火电机组脱硝控制系统的性能，体现出设计方案的先进性。

Description

一种双闭环快慢协同脱硝控制方法及控制系统
技术领域
本发明属于电厂热能动力工程领域，具体涉及一种双闭环快慢协同脱硝控制方法及控制系统。
背景技术
火电机组SCR脱硝控制系统是火电机组保证烟气排放达标的关键控制系统之一。所述火电机组SCR脱硝控制系统的控制目标为SCR出口的NOx浓度，SCR出口的NOx浓度通过喷氨阀门在SCR反应器中喷入氨气来进行控制的。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(如附图1所示)，其内外回路均采用的是传统PID调节器。
传统的SCR脱硝控制方法，存在以下问题：
随着负荷的变化，脱硝系统本身特性会发生变化，采用传统固定的串级控制策略仅根据SCR反应器出口NOx浓度与设定值偏差进行线性控制调节，调节准确度差；随着催化剂性能的消弱，导致脱硝反应器的氨氮比发生变化，传统串级控制无法进行自适应。
发明内容
本发明的设计目的在于，提供一种双闭环快慢协同脱硝控制方法及控制系统，将主调节器设计为根据负荷变参数的PID调节器，同时增加慢速自适应修正PID调节器，以通过快慢协同解决以上问题。
本发明提供的技术方案包括：
方案一：
一种双闭环快慢协同脱硝控制方法，应用于包含内回路和外回路的双回路串级结构，其特征在于，在外回路中实施快慢协同的综合计算获得内回路喷氨量设定值的步骤，包括以下步骤：
1)快速调节计算
采集脱硝入口NOx浓度测量值和总风量，计算脱硝入口NOx浓度测量值与脱硝出口NOx浓度设定值的差值，将所述差值乘以总风量，再乘以预设的氨氮摩尔比得到理论喷氨需求量；
设置实施闭环控制的第一PID调节器，实时采集负荷信号，在负荷动态变化时，依据当前的负荷信号所处的负荷段，对第一PID调节器进行变参，结合变参后的控制参数，以脱硝出口NOx浓度设定值和脱硝出口实际NOx浓度反馈值作为第一PID调节器的输入，计算并输出负荷动态变化时的喷氨补偿量；
2)慢速调节计算
设置实施闭环控制的第二PID调节器，以实际NOx浓度反馈值和脱硝出口NOx浓度设定值为输出，判断当前脱硝出口实际NOx浓度反馈值偏离脱硝出口NOx浓度设定值的时间是否超过预设的时间，超过时，基于预设的积分(I)调节规律，计算并输出氨氮摩尔比修正系数；
3)计算内回路的喷氨量设定值
将所述理论喷氨需求量乘上当前的氨氮摩尔比修正系数，再叠加上负荷动态变化时的喷氨补偿量，获得综合喷氨量需求值，将所述综合喷氨量需求值作为内回路的喷氨量设定值，向内回路输出。
在上述方案的基础上，本发明控制方法还包括：
进一步的，在内回路中实施快慢协同的综合计算获得最终的喷氨阀门开度指令，包括以下步骤：
设置实施闭环控制的第三PID调节器，以喷氨量设定值和实际喷氨量反馈值为输入，基于喷氨量设定值与实际喷氨量反馈值的偏差，利用第三PID调节器计算并输出第一喷氨阀门开度值；
结合历史数据，通过高阶函数拟合出现场实际运行工况与喷氨阀门流量的关系，将外回路输出的喷氨量设定值作为反应现场实际运行工况的参数，基于喷氨阀门与流量的比例关系，计算出并输出第二喷氨阀门开度值；
将所述第二喷氨阀门开度值线性叠加到所述PID闭环调节模块的输出值上，生成最终的喷氨阀门开度指令。
进一步的，采用四阶多项式构成的高阶函数拟合出现场实际运行工况与喷氨阀门流量关系。
进一步的，定义最终的喷氨阀门开度指令为W(k)，其表达式为：
W(k)＝PID(Msp(k)-M(k))+y(Msp(k))
式中，Msp(k)、M(k)分别为当前时刻k的喷氨量设定值及实际喷氨量反馈值，y(Msp(k))为高阶函数，定义x＝Msp(k)-M(k)，则第三PID调节器的传递函数PID(x)的计算表达式为：其中，Kp为第三PID调节器的比例增益，Ti为第三PID调节器的积分时间，t表示时间。
进一步的，所述第二PID调节器，设置的积分时间为不小于3600s。
方案二：
一种双闭环快慢协同脱硝控制系统，设有包含内回路和外回路的双回路串级结构，其特征在于，所述外回路包含以下模块：
理论喷氨需求量计算模块，其输入为脱硝入口NOx浓度测量值、脱硝出口NOx浓度设定值和总风量，用于计算出脱硝反应所需的理论喷氨需求量，所述理论喷氨需求量是由脱硝入口NOx浓度测量值与脱硝出口NOx浓度设定值之差，乘以总风量，再乘以预设的氨氮摩尔比得到；
负荷动态补偿模块，设有实施闭环控制的第一PID调节器，其输入为脱硝出口NOx浓度设定值和脱硝出口实际NOx浓度反馈值，同时接收负荷信号，在负荷动态变化时，根据当前负荷信号所处的负荷段进行调参，之后基于调参后的控制参数，结合脱硝出口NOx浓度设定值和脱硝出口实际NOx浓度反馈值的偏差，计算并输出负荷动态变化时的喷氨补偿量；
氨氮摩尔比系数修正模块，设有实施闭环控制的第二PID调节器，其输入为脱硝出口NOx浓度设定值和脱硝出口实际NOx浓度反馈值，用于判断脱硝出口实际NOx浓度反馈值是否偏离脱硝出口NOx浓度设定值，以及判断偏离时间是否超过预设时间，当超过预设时间时，针对当前的氨氮摩尔比，计算并输出氨氮摩尔比修正系数；
喷氨量设定值计算模块，用于计算向内回路输出的喷氨量设定值，所述喷氨量设定值为外回路计算出的综合喷氨量需求值，所述综合喷氨量需求值为所述理论喷氨需求量乘上当前的氨氮摩尔比修正系数，再叠加上负荷动态变化时的喷氨补偿量的综合结果。
在上述方案的基础上，本发明控制系统中，内回路包含以下模块：
PID闭环调节模块，设有实施闭环控制的第三PID调节器，其输入为喷氨量设定值和实际喷氨量反馈值，用于根据喷氨量设定值与实际喷氨量反馈值的偏差，计算并输出第一喷氨阀门开度值；
快调高阶函数计算模块，通过高阶函数拟合出现场实际运行工况与喷氨阀门流量的关系，并将喷氨量设定值作为反应现场实际运行工况的参数，基于喷氨阀门与流量的比例关系，计算出并输出第二喷氨阀门开度值，并将第二喷氨阀门开度值线性叠加到所述PID闭环调节模块的输出值上，生成最终的喷氨阀门开度指令。
进一步的，所述快调高阶函数计算模块采用的高阶函数为四阶多项式。
进一步的，定义最终的喷氨阀门开度指令为W(k)，其表达式为：
W(k)＝PID(Msp(k)-M(k))+y(Msp(k))
式中，Msp(k)、M(k)分别为当前时刻k的喷氨量设定值及实际喷氨量反馈值，y(Msp(k))为高阶函数，定义x＝Msp(k)-M(k)，则第三PID调节器的传递函数PID(x)的计算表达式为：其中，Kp为第三PID调节器的比例增益，Ti为第三PID调节器的积分时间，t表示时间。
进一步的，所述第二PID调节器仅采用积分(I)调节规律，其积分时间设置为不小于3600s。
有益效果：
本发明双闭环快慢协同脱硝控制方法及控制系统，利用快慢协同调节思想设计相应的控制回路，包括外回路，或外回路与内回路。通过快慢协同调节的设计，本发明控制方法和控制系统，在防止NOx排放超标的同时，可以有效抑制NOx浓度波动振荡等短时发生的问题，同时通过实现氨氮比自适应修正，可以解决由催化剂性能变化引起的SCR特性变化等长时间运行后系统发生的问题，从而弥补了现有技术的不足，显著提高了火电机组脱硝控制系统的性能，体现出设计方案的先进性。
附图说明
图1为燃煤电厂常规脱硝控制方案；
图2为采用本发明控制方法的火电机组脱硝控制方案。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
实施例1：
一种双闭环快慢协同脱硝控制方法，应用于包含内回路和外回路的双回路串级结构，其实施过程如下：
步骤S1.在外回路中实施快慢协同的综合计算获得内回路喷氨量设定值的步骤，包括：
1)快速调节计算
采集脱硝入口NOx浓度测量值和总风量，计算脱硝入口NOx浓度测量值与脱硝出口NOx浓度设定值的差值，将所述差值乘以总风量，再乘以预设的氨氮摩尔比得到理论喷氨需求量；
设置实施闭环控制的第一PID调节器，实时采集负荷信号，在负荷动态变化时，依据当前的负荷信号所处的负荷段，对第一PID调节器进行变参，结合变参后的控制参数，以脱硝出口NOx浓度设定值和脱硝出口实际NOx浓度反馈值作为第一PID调节器的输入，计算并输出负荷动态变化时的喷氨补偿量；
2)慢速调节计算
设置实施闭环控制的第二PID调节器，以实际NOx浓度反馈值和脱硝出口NOx浓度设定值为输出，判断当前脱硝出口实际NOx浓度反馈值偏离脱硝出口NOx浓度设定值的时间是否超过预设的时间，超过时，基于预设的积分(I)调节规律，计算并输出氨氮摩尔比修正系数；
3)计算内回路的喷氨量设定值
将所述理论喷氨需求量乘上当前的氨氮摩尔比修正系数，再叠加上负荷动态变化时的喷氨补偿量，获得综合喷氨量需求值，将所述综合喷氨量需求值作为内回路的喷氨量设定值，向内回路输出。
步骤S2.在内回路中实施快慢协同的综合计算获得最终的喷氨阀门开度指令，包括:
设置实施闭环控制的第三PID调节器，以喷氨量设定值和实际喷氨量反馈值为输入，基于喷氨量设定值与实际喷氨量反馈值的偏差，利用第三PID调节器计算并输出第一喷氨阀门开度值；
结合历史数据，通过高阶函数拟合出现场实际运行工况与喷氨阀门流量的关系，将外回路输出的喷氨量设定值作为反应现场实际运行工况的参数，基于喷氨阀门与流量的比例关系，计算出并输出第二喷氨阀门开度值；
将所述第二喷氨阀门开度值线性叠加到所述PID闭环调节模块的输出值上，生成最终的喷氨阀门开度指令。
本实施例涉及的火电机组脱硝控制方案如附图2所示，本实施例提供的控制方法中，外回路和内回路均体现出快慢协同调节思想，具体设计原理如下：
外回路的基础喷氨需求量计算模块和氨氮摩尔比系数修正模块计算结果相乘，该部分为外回路慢速调节部分，氨氮摩尔比系数修正模块闭环调节部分的调节器为PID调节器，该调节器只采用积分(I)调节规律当出口NOx浓度长期偏离设定值时，修正氨氮摩尔比系数，对喷氨需求量进行补偿，用于消除诸如催化剂长期运行部分失效，脱硝反应器特性变化等慢性因素的影响，其传递函数式中，s为拉式算子，Ti1为积分时间，可做偏大取值，如取值3600s；外回路的负荷动态补偿模块为快速调节部分，机组负荷动态变化时，风量和煤量动态调节，氧量不断变化，计算出的喷氨需求量和脱销反应实际喷氨需求量不能较好的匹配，造成实际脱硝出口NOx浓度不停波动甚至超标，因此用负荷动态补偿模块计算出喷氨补偿量，叠加在经氨氮摩尔比系数修正后的喷氨需求量计算值上，快速调节送往内回路的喷氨量设定值；负荷动态补偿模块的PID根据负荷信号进行变参，不同负荷段适合的PID整定参数可通过分析历史数据中不同负荷下的实际脱硝运行数据获得。
内回路的第三PID调节回路(为慢速调节部分，内回路的快调高阶函数计算部分为快速调节部分，内回路两部分的结果线性叠加输出作为喷氨阀门开度指令。内回路采用快慢协同调节的二自由度PID控制方式可以有效增强前馈及弱化反馈，改善控制效果。
定义最终的喷氨阀门开度指令为W(k)，其表达式为：
W(k)＝PID(Msp(k)-M(k))+y(Msp(k))
式中，Msp(k)、M(k)分别为当前时刻k的喷氨量设定值及实际喷氨量反馈值，y(Msp(k))为高阶函数，定义x＝Msp(k)-M(k)，则第三PID调节器的传递函数PID(x)的计算表达式为：其中，Kp为第三PID调节器的比例增益，Ti为第三PID调节器的积分时间。
快调高阶函数计算部分根据现场实际运行工况拟合出阀门开度与流量的关系，一般可采用四阶多项式。以某600MW火电机组现场具体设置为例，将y(Msp(k))四阶多项式函数设置为：y(Msp(k))＝429.69(Msp(k))^4-888.31(Msp(k))^3+576.22(Msp(k))^2-59.69(Msp(k))+13.05。
实施例2：
一种双闭环快慢协同脱硝控制系统，设有包含内回路和外回路的双回路串级结构，其特征在于，所述外回路包含以下模块：
理论喷氨需求量计算模块，其输入为脱硝入口NOx浓度测量值、脱硝出口NOx浓度设定值和总风量，用于计算出脱硝反应所需的理论喷氨需求量，所述理论喷氨需求量是由脱硝入口NOx浓度测量值与脱硝出口NOx浓度设定值之差，乘以总风量，再乘以预设的氨氮摩尔比得到；
负荷动态补偿模块，设有实施闭环控制的第一PID调节器，其输入为脱硝出口NOx浓度设定值和脱硝出口实际NOx浓度反馈值，同时接收负荷信号，在负荷动态变化时，根据当前负荷信号所处的负荷段进行调参，之后基于调参后的控制参数，结合脱硝出口NOx浓度设定值和脱硝出口实际NOx浓度反馈值的偏差，计算并输出负荷动态变化时的喷氨补偿量；
氨氮摩尔比系数修正模块，设有实施闭环控制的第二PID调节器，其输入为脱硝出口NOx浓度设定值和脱硝出口实际NOx浓度反馈值，用于判断脱硝出口实际NOx浓度反馈值是否偏离脱硝出口NOx浓度设定值，以及判断偏离时间是否超过预设时间，当超过预设时间时，针对当前的氨氮摩尔比，计算并输出氨氮摩尔比修正系数；
喷氨量设定值计算模块，用于计算向内回路输出的喷氨量设定值，所述喷氨量设定值为外回路计算出的综合喷氨量需求值，所述综合喷氨量需求值为所述理论喷氨需求量乘上当前的氨氮摩尔比修正系数，再叠加上负荷动态变化时的喷氨补偿量的综合结果。
所述内回路包含以下模块：
PID闭环调节模块，设有实施闭环控制的第三PID调节器，其输入为喷氨量设定值和实际喷氨量反馈值，用于根据喷氨量设定值与实际喷氨量反馈值的偏差，计算并输出第一喷氨阀门开度值；
快调高阶函数计算模块，通过高阶函数拟合出现场实际运行工况与喷氨阀门流量的关系，并将喷氨量设定值作为反应现场实际运行工况的参数，基于喷氨阀门与流量的比例关系，计算出并输出第二喷氨阀门开度值，并将第二喷氨阀门开度值线性叠加到所述PID闭环调节模块的输出值上，生成最终的喷氨阀门开度指令。
外回路中，所述第二PID调节器仅采用积分(I)调节规律，其积分时间设置为不小于3600s，一般可取值3600s。第二PID调节器的传递函数式中Ti1为积分时间，s为拉式算子。
内回路中，定义最终的喷氨阀门开度指令为W(k)，其表达式为：
W(k)＝PID(Msp(k)-M(k))+y(Msp(k))
式中，Msp(k)、M(k)分别为当前时刻k的喷氨量设定值及实际喷氨量反馈值，y(Msp(k))为高阶函数，定义x＝Msp(k)-M(k)，则第三PID调节器的传递函数PID(x)的计算表达式为：其中，Kp为第三PID调节器的比例增益，Ti为第三PID调节器的积分时间。
所述快调高阶函数计算模块采用的高阶函数为四阶多项式，以某600MW火电机组现场具体设置为例，y(Msp(k))四阶多项式函数设置为：y(Msp(k))＝429.69(Msp(k))^4-888.31(Msp(k))^3+576.22(Msp(k))^2-59.69(Msp(k))+13.05。
本实施例与实施例1属于一个总的发明构思下的两项设计，其方案的设计原理可参照实施例1，此处即不再赘述。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种双闭环快慢协同脱硝控制方法，应用于包含内回路和外回路的双回路串级结构，其特征在于，在外回路中实施快慢协同的综合计算获得内回路喷氨量设定值的步骤，包括以下步骤：
1)快速调节计算
采集脱硝入口NOx浓度测量值和总风量，计算脱硝入口NOx浓度测量值与脱硝出口NOx浓度设定值的差值，将所述差值乘以总风量，再乘以预设的氨氮摩尔比得到理论喷氨需求量；
设置实施闭环控制的第一PID调节器，实时采集负荷信号，在负荷动态变化时，依据当前的负荷信号所处的负荷段，对第一PID调节器进行变参，结合变参后的控制参数，以脱硝出口NOx浓度设定值和脱硝出口实际NOx浓度反馈值作为第一PID调节器的输入，计算并输出负荷动态变化时的喷氨补偿量；
2)慢速调节计算
设置实施闭环控制的第二PID调节器，以实际NOx浓度反馈值和脱硝出口NOx浓度设定值为输出，判断当前脱硝出口实际NOx浓度反馈值偏离脱硝出口NOx浓度设定值的时间是否超过预设的时间，超过时，基于预设的积分(I)调节规律，计算并输出氨氮摩尔比修正系数；
3)计算内回路的喷氨量设定值
将所述理论喷氨需求量乘上当前的氨氮摩尔比修正系数，再叠加上负荷动态变化时的喷氨补偿量，获得综合喷氨量需求值，将所述综合喷氨量需求值作为内回路的喷氨量设定值，向内回路输出。
2.根据权利要求1所述的一种双闭环快慢协同脱硝控制方法，其特征在于，在内回路中实施快慢协同的综合计算获得最终的喷氨阀门开度指令，包括以下步骤：
设置实施闭环控制的第三PID调节器，以喷氨量设定值和实际喷氨量反馈值为输入，基于喷氨量设定值与实际喷氨量反馈值的偏差，利用第三PID调节器计算并输出第一喷氨阀门开度值；
结合历史数据，通过高阶函数拟合出现场实际运行工况与喷氨阀门流量的关系，将外回路输出的喷氨量设定值作为反应现场实际运行工况的参数，基于喷氨阀门与流量的比例关系，计算出并输出第二喷氨阀门开度值；
将所述第二喷氨阀门开度值线性叠加到所述PID闭环调节模块的输出值上，生成最终的喷氨阀门开度指令。
3.根据权利要求2所述的一种双闭环快慢协同脱硝控制方法，其特征在于，采用四阶多项式构成的高阶函数拟合出现场实际运行工况与喷氨阀门流量关系。
4.根据权利要求2所述的一种双闭环快慢协同脱硝控制方法，其特征在于，定义最终的喷氨阀门开度指令为W(k)，其表达式为：
W(k)＝PID(Msp(k)-M(k))+y(Msp(k))
式中，Msp(k)、M(k)分别为当前时刻k的喷氨量设定值及实际喷氨量反馈值，y(Msp(k))为高阶函数，定义x＝Msp(k)-M(k)，则第三PID调节器的传递函数PID(x)的计算表达式为：其中，Kp为第三PID调节器的比例增益，Ti为第三PID调节器的积分时间，t表示时间。
5.根据权利要求1所述的一种双闭环快慢协同脱硝控制方法，其特征在于，所述第二PID调节器，设置的积分时间为不小于3600s。
6.一种双闭环快慢协同脱硝控制系统，设有包含内回路和外回路的双回路串级结构，其特征在于，所述外回路包含以下模块：
理论喷氨需求量计算模块，其输入为脱硝入口NOx浓度测量值、脱硝出口NOx浓度设定值和总风量，用于计算出脱硝反应所需的理论喷氨需求量，所述理论喷氨需求量是由脱硝入口NOx浓度测量值与脱硝出口NOx浓度设定值之差，乘以总风量，再乘以预设的氨氮摩尔比得到；
负荷动态补偿模块，设有实施闭环控制的第一PID调节器，其输入为脱硝出口NOx浓度设定值和脱硝出口实际NOx浓度反馈值，同时接收负荷信号，在负荷动态变化时，根据当前负荷信号所处的负荷段进行调参，之后基于调参后的控制参数，结合脱硝出口NOx浓度设定值和脱硝出口实际NOx浓度反馈值的偏差，计算并输出负荷动态变化时的喷氨补偿量；
氨氮摩尔比系数修正模块，设有实施闭环控制的第二PID调节器，其输入为脱硝出口NOx浓度设定值和脱硝出口实际NOx浓度反馈值，用于判断脱硝出口实际NOx浓度反馈值是否偏离脱硝出口NOx浓度设定值，以及判断偏离时间是否超过预设时间，当超过预设时间时，针对当前的氨氮摩尔比，计算并输出氨氮摩尔比修正系数；
喷氨量设定值计算模块，用于计算向内回路输出的喷氨量设定值，所述喷氨量设定值为外回路计算出的综合喷氨量需求值，所述综合喷氨量需求值为所述理论喷氨需求量乘上当前的氨氮摩尔比修正系数，再叠加上负荷动态变化时的喷氨补偿量的综合结果。
7.根据权利要求6所述的一种双闭环快慢协同脱硝控制系统，其特征在于，所述内回路包含以下模块：
PID闭环调节模块，设有实施闭环控制的第三PID调节器，其输入为喷氨量设定值和实际喷氨量反馈值，用于根据喷氨量设定值与实际喷氨量反馈值的偏差，计算并输出第一喷氨阀门开度值；
快调高阶函数计算模块，通过高阶函数拟合出现场实际运行工况与喷氨阀门流量的关系，并将喷氨量设定值作为反应现场实际运行工况的参数，基于喷氨阀门与流量的比例关系，计算出并输出第二喷氨阀门开度值，并将第二喷氨阀门开度值线性叠加到所述PID闭环调节模块的输出值上，生成最终的喷氨阀门开度指令。
8.根据权利要求7所述的一种双闭环快慢协同脱硝控制系统，其特征在于，所述快调高阶函数计算模块采用的高阶函数为四阶多项式。
9.根据权利要求7所述的一种双闭环快慢协同脱硝控制系统，其特征在于，定义最终的喷氨阀门开度指令为W(k)，其表达式为：
W(k)＝PID(Msp(k)-M(k))+y(Msp(k))
式中，Msp(k)、M(k)分别为当前时刻k的喷氨量设定值及实际喷氨量反馈值，y(Msp(k))为高阶函数，定义x＝Msp(k)-M(k)，则第三PID调节器的传递函数PID(x)的计算表达式为：其中，Kp为第三PID调节器的比例增益，Ti为第三PID调节器的积分时间，t表示时间。
10.根据权利要求6所述的一种双闭环快慢协同脱硝控制系统，其特征在于，所述第二PID调节器仅采用积分(I)调节规律，其积分时间设置为不小于3600s。
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