基于預測控制的脫硝控制策略研究

馬锃曌　毛金虎　葉江　徐銳

摘要：針對火電機組SCR脫硝控制系統存在的大滯后、大慣性問題，采用帶擾動抑制的廣義預測控制方法設計了先進脫硝控制策略，基于該策略可實現更優的SCR出口NOx濃度設定值跟蹤性能，同時保障更優的擾動抑制性能。與傳統脫硝串級控制系統的仿真比較表明，所提先進脫硝控制策略在設定值跟蹤與擾動抑制方面，其穩定性、快速性以及準確性均得到了提升，且算法簡單，易于工程實現，具有較高的工程應用價值。

關鍵詞：SCR脫硝;NOx濃度;抗擾;廣義預測控制

0 引言

選擇性催化還原（Selective Catalytic Reduction，SCR）由于工藝成熟，脫硝效率高，已成為目前火電機組應用最為廣泛的脫硝技術。然而在SCR實際運行過程中，自動控制系統難以投入，個別電廠雖然能夠投入自動控制系統，但調節品質較差，SCR反應器出口NOx濃度波動較大，同時噴氨經常處于過量狀態，嚴重的還會造成空預器堵塞問題[1]。究其原因，主要是脫硝系統存在非線性、大慣性、大滯后等特點，另外脫硝控制系統所涉及的相關測量參數存在測量滯后與失真問題。為此，優化脫硝系統控制技術，實現脫硝系統穩定、經濟、可靠運行，成為目前國內的研究熱點。

傳統脫硝控制方法主要包括兩種：一是最為常見的串級控制系統，主回路為NOx濃度控制，內回路為噴氨流量控制;二是最為基本的單閉環PID控制，僅采用單回路實現NOx濃度的閉環控制，無法避免噴氨流量調節的非線性問題。上述兩種常規控制策略在實際投運過程中存在自動控制效果差、抗擾動能力弱的問題，甚至無法投入自動運行?；痣姍C組投入AGC后，存在負荷變動頻繁、變化幅度大等問題，煙氣流量的大幅變化會使脫硝系統無法較好地跟蹤煙氣流量的變化，造成NOx濃度控制滯后，波動幅度大[2]。

傳統脫硝控制策略在面臨一些外部擾動時（負荷的變化、啟停磨的變化等），無法取得滿意的控制效果。本文采用前饋+反饋的控制策略進行脫硝控制設計，與傳統前饋+反饋控制設計不同的是，本文基于廣義預測控制框架將前饋與反饋控制相互融合，即采用帶有前饋控制的預測控制策略?；诳箶_廣義預測控制策略設計SCR脫硝先進控制系統，可解決脫硝系統存在的大慣性、大滯后以及抗擾動能力差的問題，該控制系統結構簡單，易于工程實現，為提高脫硝系統控制精度提供了方向，而脫硝系統的仿真比較證明了該算法的有效性。

1 SCR脫硝技術

氮氧化物作為火力發電廠主要污染物之一，需要嚴格進行排放控制。2015年12月，國家環保部、發改委與能源局聯合發布了《關于印發<全面實施燃煤電廠超低排放和節能改造工作方案>的通知》，該通知全文對目前火電機組的主要污染物排放提出了較為嚴格的要求，制訂了具體的排放標準，其中對于氮氧化物NOx的排放要求為50 mg/Nm3，這就對脫硝設備及相應的脫硝控制系統提出了更高的要求。為實現超低排放標準，火電廠大多采用燃燒過程脫硝與燃燒后煙氣脫硝相結合的組合脫硝方式[3]。燃燒過程脫硝大多采用低氮燃燒器方式，燃燒后煙氣脫硝基本采用選擇性催化還原法（SCR）與選擇性非催化還原法（Selective Non-Catalytic Reduction，SNCR）兩種方式，其中SCR由于具有脫硝效率高、氨逃逸量小等優點，被廣泛應用于火電機組煙氣氮氧化物脫除?，F以SCR為研究對象，首先介紹其工藝流程，然后對目前采用的主流控制策略進行說明。

1.1 ? ?系統工藝介紹

SCR工藝系統流程圖如圖1所示，液態氨從存儲罐經過蒸發器蒸發為30 ℃左右的氨氣，氨氣經過緩沖罐穩定壓力后，通過稀釋風機送來的空氣以一定比例在混合器中進行混合，混合后的氨氣空氣混合物從混合器流出進入噴氨格柵，經過噴氨格柵后均勻地與鍋爐排放的煙氣進行混合并進入帶有催化劑的SCR反應器，在反應器中流經均流板與多層催化劑層，進行化學反應，反應后的煙氣流經空氣預熱器加熱送風，然后流經除塵器、脫硫FGD系統，最后通過引風機將煙氣送入煙囪排入大氣。

氨氣流量通過兩側的噴氨閥門控制調節，進入SCR反應器與煙氣發生還原反應，氨氣為化學反應的還原劑，在多層催化劑條件下將氮氧化物還原成氮氣，具體反應見以下方程式：

4NO+4HNH3+Q2→4N2+6H2O

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

6NO2+8NH3→7N2+12H2O

1.2 ? ?常規脫硝控制方案

目前電廠較多采用煙氣流量、SCR入口NOx濃度以及SCR出口NOx濃度3個基本參量開環計算所需NH3流量設定值[4]，將該設定值送入單PID氨氣流量閉環控制，實現氨氣流量的調節，從而實現SCR出口NOx濃度的粗調。常規脫硝控制方案具體結構示意圖如圖2所示。

對脫硝系統進行階躍響應仿真試驗，對比傳統串級控制與先進控制兩種控制策略在設定值跟蹤及抗擾動性能方面的差異，對出口NOx濃度設定在200 s時進行正向階躍，階躍幅度為5 mg/Nm3，在2 000 s時進行擾動階躍試驗，階躍幅度為0.2 mg/Nm3。仿真結果如圖3、圖4所示。圖3為出口NOx濃度設定值跟蹤響應與擾動階躍響應對比曲線，從圖中可以看出，先進脫硝控制系統在調節時間方面優于傳統脫硝控制系統，另外在擾動抑制方面，先進脫硝控制系統幾乎不受外擾的影響，接近理想的擾動消除特性，而傳統脫硝控制在擾動抑制方面特性較差，風煤比擾動發生后，造成了接近3 mg/Nm3的動態偏差。圖4為兩種控制系統噴氨閥門動作對比圖，可以看出先進控制閥門動作穩定速度快，在外擾發生時，無須等待被調量變化，可快速響應外擾對脫硝系統的影響。

綜合上述仿真結果，可以看出先進控制策略控制效果明顯優于傳統串級控制策略，對于設定跟蹤性能，先進脫硝控制策略調節時間優于傳統串級控制策略;抗擾動性能方面，先進控制策略可完美消除擾動影響，抗擾動能力更強?；趲_動抑制的廣義預測控制可以明顯提高脫硝控制系統的控制質量，對于保障SCR脫硝系統的穩定、經濟、運行具有重要作用。

4 結語

本文基于抗擾廣義預測控制方法，提出了一種SCR脫硝系統先進控制策略，該策略與傳統串級脫硝控制方法相比，在穩定性、快速性及準確性方面均有明顯優勢，且計算結構簡單，易于工程實現，對提高脫硝系統出口NOx濃度跟蹤能力及抗擾動能力具有重要意義，因而有較高的推廣價值。

[參考文獻]

[1] 王琦，王樹榮，閆志勇，等.燃煤電廠SCR脫硝技術催化劑的特性及進展[J].電站系統工程，2005，21（3）：4-6.

[2] 李恩家，顧楊楊，關心，等.SCR脫硝噴氨自動控制優化研究[J].電站系統工程，2018，34（1）：65-66.

[3] 李博，趙錦洋，呂俊復.燃煤電廠超低排放技術方案應用[J].中國電力，2016，49（8）：144-147.

[4] 王天堃.基于神經網絡模型及預測控制DMC的火電機組脫硝控制策略[J].中國電力，2019，52（12）：140-145.

[5] 胡耀華，賈欣樂.廣義預測控制的直接算法[J].控制與決策，2000，15（2）：221-223.

[6] ZHENG S Q，FENG R.Feedforward compensation control of rotor imbalance for high-speed magnetically suspended centrifugal compressors using a novel adaptive notch filter[J].Journal of Sound and Vibration，2016，366：1-14.

收稿日期：2021-07-23

作者簡介：馬锃曌（1981—），男，河南淮陽人，工程師，研究方向：電氣工程及其自動化。