人工智能耦合燃煤火電機組SCR系統噴氨控制關鍵技術應用

張欣懿 牛興陽 陳夢娟 祝慶耀 劉國富

齊魯工業大學（山東省科學院）能源與動力工程學院，中國·山東 濟南 250353

關鍵字 SCR系統；人工智能；噴氨控制；流速傳感

1 引言

燃煤火電機組是大氣污染物-氮氧化物（NOx）的重要排放源，SCR 系統以其技術成熟度高、脫硝效率高等優勢已成為主流的煙氣脫硝技術，在超低排放改造完成后普遍存在盲目過量噴氨的共性技術問題亟待解決[1]。已有研究表明，SCR 系統大截面煙道煙氣流場分布特性不明確、噴氨總量控制存在遲滯、噴氨支管盲目控制甚至手動調整的運行現狀是引發上述問題的根源[2-4]。

論文以感知層、決策層與執行層三個方面為出發點研究了人工智能+燃煤機組SCR 系統噴氨關鍵技術：

首先，提出可以開發適用于高溫、高塵環境的煙氣流速傳感技術（感知層），通過探明煙氣流場分布特性為SCR 系統精準噴氨控制提供數據基礎。

其次，提出開發基于大數據模型預測控制的多模塊耦合的智能噴氨控制器以實現噴氨總量的超前、精準控制，同時開發基于煙氣流速監測結果的“動態配氨”控制器以優化煙道內的氨氮混合當量比（分析層）。

最后，配套開發Modbus 通訊組件完成控制器的DCS系統嵌入，完成現場相關設備改造以在工業應用條件下實現預期的智能噴氨控制功能（執行層）。

2 從人工智能應用角度分析SCR 系統精準噴氨關鍵技術

2.1 基于煙氣流場監測的感知層架構

煙氣流速測量技術較為成熟，不過其總體上可以分為接觸式測速與非接觸式測速兩大類。接觸式測速以傳統的畢托管測速、熱線（球）風速儀測速等為代表，顯然不適應于高溫、高灰的SCR 系統煙氣環境，存在易堵塞、易磨損的致命缺陷。近期，吳曄等人[5]提出了一種基于靜電互相關原理的靜電流速傳感的非接觸流速測量技術，其已經開發了多種不同結構的靜電傳感器用于監測氣固兩相流中的流動參數，尤其適用于高塵環境的煙氣流速測量。由此推斷，可以使用靜電流速傳感技術實現SCR 系統煙氣流場分布特性的在線監測，進而為SCR 系統精準噴氨控制提供數據基礎。

2.2 基于人工智能算法與熱工自動控制的分析層架構

燃煤火電機組SCR 系統噴氨控制具體可以細分為噴氨總量控制、噴氨支管控制兩大類。傳統的工業應用條件下，SCR 系統噴氨總量控制難以實現穩定自動投入，歸其根本是傳統的熱工控制算法（即簡單PID 控制+多前饋反饋控制）無法實現對大遲滯變量的預估與超前調控；同樣地，傳統工業應用條件下的噴氨支管控制多為手動，歸其根本是確實支管自動控制的實施自動調整依據。

2.2.1 噴氨總量控制分析層

傳統的SCR 系統噴氨總量控制邏輯大多簡單根據電廠CEMS 系統實際測量得到的關鍵運行參數（如入口NOx 濃度、煙氣流量等）及期望的出口NOx 濃度，計算得到所需噴氨總量并完成噴射，不能針對性克服系統所具有的大遲滯特性。在此領域內，Xie 等人[6]已經提出可以基于神經網絡模型等人工智能算法參與NOx 排放及噴氨控制動態建模，顯著提升了SCR 系統噴氨控制的精準性。由此推斷，可以基于神經網絡模型、支持向量機等大數據模型建立預測性控制單元，并在傳統熱工自動控制單元的基礎上，實現噴氨總量的精準智能控制。

2.2.2 噴氨支管控制分析層

實現SCR 系統AIG 截面各噴氨支管的優化控制，是保證SCR 系統內良好氨氮混合當量比的關鍵因素。最新的研究結果表明，SCR 系統煙道內，尤其是某些區域內的NOx 通量分布特性已被證實是具有顯著連續波動特性[7]，如果能夠在煙氣流場監測結果的基礎上，開發建立噴氨支管自動控制先進算法，有效診斷噴氨區域控制的波動特性，實現SCR 系統噴氨支管閥的“動態配氨”控制，預期可以顯著提升系統內的氨氮混合當量比，有助于提高系統的氨利用率。

2.3 基于通訊組件開發與設備改造的執行層架構

分析層完成了人工智能算法與傳統熱工自動控制策略的耦合集成，預期能夠開發得到相應的噴氨總量及噴氨支管自動控制器，但是其工程應用的前提是必須穩定嵌入DCS系統。對此，可以借助通用的Modbus 通訊協議完成通訊組件開發。此外，自動控制算法的功能實現必須要求控制對象具有自動控制的基本功能。在傳統的工業應用條件下，噴氨總閥對應的噴氨調節閥可以滿足自動控制要求，無需改造；而噴氨支管閥原來多為手動閥，要實現“動態配氨”控制必須進行自動化改造，其中必然涉及到相關DCS 卡件的硬件改造。據此，才可以實現人工智能在燃煤火電機組SCR 系統噴氨過程的成功應用。

3 結論

①通過布置適用于高溫、高塵環境的靜電流速傳感系統可以探明系統內的煙氣流場分布特性，能夠為SCR 系統精準噴氨控制提供數據基礎。

②開發基于大數據模型預測控制的多模塊耦合的智能噴氨控制器以實現噴氨總量的超前、精準控制。

③基于煙氣流場監測結果實現噴氨支管閥的“動態配氨”控制，可以優化SCR 系統內的氨氮混合當量比，提高氨利用率。

④人工智能算法耦合精準噴氨控制功能的實現依賴于通訊組件的開發及相關設備的改造。