论文部分内容阅读
摘 要： 本文主要介绍了某电厂利用曲线拟合技术对脱硝控制系统的阀门做出了流量特性曲线，并对控制策略进行了进一步的优化，提高了控制品质。
关键词： 阀门流量特性曲线;SCR;曲线拟合;控制策略;积分饱和。
1.引言
近年来，随着国家对环境保护日益重视及各种政策陆续出台，各个电厂脱硝项目正在逐步实施。SCR脱硝法由于其技术成熟脱硝效率较高而成为了火电厂脱硝系统改造的首选。为了将烟气中的NOX浓度控制在一定的范围内，各个机组都使用了相应的控制策略。然而所采用的控制策略在实际运行过程中是否合适，能否满足各方面的要求却关系到脱硝的效果。尤其是在硬件条件都达标的情况下，如果控制策略使用不合理就会成为整个系统的瓶颈，影响整个系统的运行效率。这时对控制策略做出优化就显得尤为重要。
2.某电厂脱硝系统简介
某电厂脱硝系统采用单炉体双SCR结构体布置。分别设置氨喷射系统、稀释风机、烟道、催化剂吹灰系统等，公用部分主要包括液氨储存和供应系统、事故排放系统、工艺水系统及气源、水源等引接系统、空气吹扫系统。脱硝装置采用选择性催化还原法（SCR），初期安装2层催化剂，后又扩充至3层。脱硝剂为纯氨。
3.某电厂脱硝系统控制策略介绍及存在问题
3.1某电厂脱硝系统控制策略介绍
根据目前国内脱硝系统的运行情况，脱硝氨气流量控制一般采用固定摩尔比控制方式。该控制方式是基于脱硝效率和催化剂脱硝能力的控制方式，在该控制方式下系统按照固定的氨氮摩尔比及脱硝效率设定值脱除烟气中NOX。某电厂脱硝系统原设计提供的就是这种控制策略，控制原理框图如图1所示。
控制系统为典型的前馈串级控制系统。依据脱硝入口烟气NOx浓度和烟气流量的乘积得到NOx的流量，此信号乘上所需NH3/NOx摩尔比就是反应所需NH3的流量。根据烟气脱硝反应的化学反应式，一摩尔氨和一摩尔NOx进行反应，在调试过程中根据二者实际物质的量进行微调修正。将经过摩尔比修正后的NH3的物质量折算成质量即可作为整个反应过程中所需氨的质量流量，将这一信号作为前馈信号。主回路根据脱硝入口烟气NOx浓度的设定值和实际值之间的偏差，通过PID控制器来修正所需的氨气流量。副回路将主回路和前馈信号共同作用得出的氨气流量作为设定值，根据与实测氨气流量的偏差通过PID控制器的输出来控制加氨调节阀的开度，从而达到调节氨气流量的目的。
3.2该控制策略目前存在的问题
脱硝喷氨自动系统具有较大的延迟性，对于系统的控制品质有较大的影响，容易造成较大的超调。通过观察副回路发现设定值和实际值之间有至少120秒的滞后（见图2）。也就是说，从流量指令信号发出到实际流量达到需求至少有120秒延时，这对于整个系统的控制品质恶化造成了雪上加霜的影响。
4.对控制策略做出的优化
4.1利用曲线拟合技术替代副回路的调节作用
副回路的作用只是根据氨气流量的需求值来调节阀门的开度。由于供氨母管的压力通常维持在一个恒定值，因此阀门的开度和流量就呈现出一定的对应关系。根据这一对应关系可以直接由氨气需求量得到阀门开度的值而不用经过副回路的调节，从将系统的滞后时间减少了大约120秒，从而大大提高了控制品质。图3为优化后的控制原理图。关键问题就是如何得到这一对应关系。
从机组运行的历史数据中查阅氨气流量调节阀开度与对应氨气流量的相关关系，从中抽取一定数量的点利用最小二乘法进行曲线拟合。在实际工程中我们抽取了1000点进行了曲线拟合，由于篇幅所限为了描述方便从中选了10个点进行原理性说明。这10个点如下（其中X表示氨气流量，Y表示对应的阀门开度）：
随着计算机技术的发展，有很多计算软件可以帮我们完成曲线拟合所需的繁琐的数学运算，如matlab、CurveExpert、Origin和Excel等。由于要处理大量的数据，考虑到DCS导出数据格式的兼容性及后续推广时的普遍性，我们选择了微软公司的Excel软件进行曲线拟合。
三种拟合均能较好地拟合原始数据，其中一阶线性拟合的误差最小。因此选定一阶线性拟合结果做为阀门流量特性曲线的表达式，即F（x） = 0.6102x + 16.206。
4.2利用限幅模块防止积分饱和
F（x）的输出范围为（0，100），与主回路的修正作用叠加后其输出范围超出（0，100）。这超出了阀门能够接收的指令范围。这种情况下很容易出现积分饱和现象，影响控制系统的品质。为了消除积分饱和，可在系统输出时增加限幅模块。系统输出大于100时实际输出100，同时产生跟踪指令，该信号传递到PID调节器后调节器触发闭锁增，从而防止指令进一步增大。系统输出小于0时情況类似，不在此赘述。在实际工程中阀门开度达到80%左右氨气流量便已达到最大值，若指令进一步增大也可能产生积分饱和现象。为了消除这一现象可将限幅模块上限设置为80%，不同的阀门有不同的值，具体值需要查阅历史数据确定。
5.控制策略应用效果
从优化前（图4）后（图5）的历史曲线中随机各抽取一段，通过对比表明优化之后的调节品质得到了大幅的提高。
参考文献
[1] 脱硝喷氨自动控制在大型火电厂中应用案例分析 马 瑞。河南华润电力首阳山有限公司
[2] 火电厂热工自动控制技术及应用 刘禾，白焰，李新利著。 中国电力出版社，2009年
[3] 自动控制原理 侯加林主编。 中国电力出版社，2008年
[4] SCR烟气脱硝氨流量控制策略及优化介绍 朱玉辉，潘喜良。华能重庆珞璜电厂
关键词： 阀门流量特性曲线;SCR;曲线拟合;控制策略;积分饱和。
1.引言
近年来，随着国家对环境保护日益重视及各种政策陆续出台，各个电厂脱硝项目正在逐步实施。SCR脱硝法由于其技术成熟脱硝效率较高而成为了火电厂脱硝系统改造的首选。为了将烟气中的NOX浓度控制在一定的范围内，各个机组都使用了相应的控制策略。然而所采用的控制策略在实际运行过程中是否合适，能否满足各方面的要求却关系到脱硝的效果。尤其是在硬件条件都达标的情况下，如果控制策略使用不合理就会成为整个系统的瓶颈，影响整个系统的运行效率。这时对控制策略做出优化就显得尤为重要。
2.某电厂脱硝系统简介
某电厂脱硝系统采用单炉体双SCR结构体布置。分别设置氨喷射系统、稀释风机、烟道、催化剂吹灰系统等，公用部分主要包括液氨储存和供应系统、事故排放系统、工艺水系统及气源、水源等引接系统、空气吹扫系统。脱硝装置采用选择性催化还原法（SCR），初期安装2层催化剂，后又扩充至3层。脱硝剂为纯氨。
3.某电厂脱硝系统控制策略介绍及存在问题
3.1某电厂脱硝系统控制策略介绍
根据目前国内脱硝系统的运行情况，脱硝氨气流量控制一般采用固定摩尔比控制方式。该控制方式是基于脱硝效率和催化剂脱硝能力的控制方式，在该控制方式下系统按照固定的氨氮摩尔比及脱硝效率设定值脱除烟气中NOX。某电厂脱硝系统原设计提供的就是这种控制策略，控制原理框图如图1所示。
控制系统为典型的前馈串级控制系统。依据脱硝入口烟气NOx浓度和烟气流量的乘积得到NOx的流量，此信号乘上所需NH3/NOx摩尔比就是反应所需NH3的流量。根据烟气脱硝反应的化学反应式，一摩尔氨和一摩尔NOx进行反应，在调试过程中根据二者实际物质的量进行微调修正。将经过摩尔比修正后的NH3的物质量折算成质量即可作为整个反应过程中所需氨的质量流量，将这一信号作为前馈信号。主回路根据脱硝入口烟气NOx浓度的设定值和实际值之间的偏差，通过PID控制器来修正所需的氨气流量。副回路将主回路和前馈信号共同作用得出的氨气流量作为设定值，根据与实测氨气流量的偏差通过PID控制器的输出来控制加氨调节阀的开度，从而达到调节氨气流量的目的。
3.2该控制策略目前存在的问题
脱硝喷氨自动系统具有较大的延迟性，对于系统的控制品质有较大的影响，容易造成较大的超调。通过观察副回路发现设定值和实际值之间有至少120秒的滞后（见图2）。也就是说，从流量指令信号发出到实际流量达到需求至少有120秒延时，这对于整个系统的控制品质恶化造成了雪上加霜的影响。
4.对控制策略做出的优化
4.1利用曲线拟合技术替代副回路的调节作用
副回路的作用只是根据氨气流量的需求值来调节阀门的开度。由于供氨母管的压力通常维持在一个恒定值，因此阀门的开度和流量就呈现出一定的对应关系。根据这一对应关系可以直接由氨气需求量得到阀门开度的值而不用经过副回路的调节，从将系统的滞后时间减少了大约120秒，从而大大提高了控制品质。图3为优化后的控制原理图。关键问题就是如何得到这一对应关系。
从机组运行的历史数据中查阅氨气流量调节阀开度与对应氨气流量的相关关系，从中抽取一定数量的点利用最小二乘法进行曲线拟合。在实际工程中我们抽取了1000点进行了曲线拟合，由于篇幅所限为了描述方便从中选了10个点进行原理性说明。这10个点如下（其中X表示氨气流量，Y表示对应的阀门开度）：
随着计算机技术的发展，有很多计算软件可以帮我们完成曲线拟合所需的繁琐的数学运算，如matlab、CurveExpert、Origin和Excel等。由于要处理大量的数据，考虑到DCS导出数据格式的兼容性及后续推广时的普遍性，我们选择了微软公司的Excel软件进行曲线拟合。
三种拟合均能较好地拟合原始数据，其中一阶线性拟合的误差最小。因此选定一阶线性拟合结果做为阀门流量特性曲线的表达式，即F（x） = 0.6102x + 16.206。
4.2利用限幅模块防止积分饱和
F（x）的输出范围为（0，100），与主回路的修正作用叠加后其输出范围超出（0，100）。这超出了阀门能够接收的指令范围。这种情况下很容易出现积分饱和现象，影响控制系统的品质。为了消除积分饱和，可在系统输出时增加限幅模块。系统输出大于100时实际输出100，同时产生跟踪指令，该信号传递到PID调节器后调节器触发闭锁增，从而防止指令进一步增大。系统输出小于0时情況类似，不在此赘述。在实际工程中阀门开度达到80%左右氨气流量便已达到最大值，若指令进一步增大也可能产生积分饱和现象。为了消除这一现象可将限幅模块上限设置为80%，不同的阀门有不同的值，具体值需要查阅历史数据确定。
5.控制策略应用效果
从优化前（图4）后（图5）的历史曲线中随机各抽取一段，通过对比表明优化之后的调节品质得到了大幅的提高。
参考文献
[1] 脱硝喷氨自动控制在大型火电厂中应用案例分析 马 瑞。河南华润电力首阳山有限公司
[2] 火电厂热工自动控制技术及应用 刘禾，白焰，李新利著。 中国电力出版社，2009年
[3] 自动控制原理 侯加林主编。 中国电力出版社，2008年
[4] SCR烟气脱硝氨流量控制策略及优化介绍 朱玉辉，潘喜良。华能重庆珞璜电厂