Smith預(yù)估補(bǔ)償控制在燃煤電廠煙氣脫硝控制系統(tǒng)的應(yīng)用

楊晉萍，劉靜偉，白建云，段寶和，楊　波

(1.山西大學(xué) 自動(dòng)化系，太原　030013； 2.山西平朔煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 朔州　066003；3.山西大學(xué) 數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院，太原　030013)

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Smith預(yù)估補(bǔ)償控制在燃煤電廠煙氣脫硝控制系統(tǒng)的應(yīng)用

楊晉萍1，劉靜偉1，白建云1，段寶和2，楊波3

(1.山西大學(xué) 自動(dòng)化系，太原030013； 2.山西平朔煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 朔州066003；3.山西大學(xué) 數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院，太原030013)

電站鍋爐的煙氣脫硝過(guò)程同其他電站熱工過(guò)程一樣存在一定遲延性和慣性；根據(jù)目前煙氣脫硝系統(tǒng)運(yùn)行情況，總結(jié)分析了氮氧化物(NOX)排放控制過(guò)程的特點(diǎn)、影響因素以及控制系統(tǒng)；為解決鍋爐運(yùn)行過(guò)程中系統(tǒng)呈現(xiàn)出的大遲延和大慣性問(wèn)題對(duì)整個(gè)煙氣脫硝控制品質(zhì)產(chǎn)生的影響，以及實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性，在原有的串級(jí)回路系統(tǒng)中，加入了Smith預(yù)估補(bǔ)償控制器提前預(yù)估系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性并對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償；根據(jù)煙氣脫硝系統(tǒng)對(duì)象的傳遞函數(shù)，設(shè)計(jì)了Smith預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)，采用Matlab中的Simulink對(duì)控制系統(tǒng)的對(duì)象和改進(jìn)前后的控制系統(tǒng)響應(yīng)曲線進(jìn)行仿真分析，可以看出改進(jìn)后系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)變好，系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性也明顯提高。

電站鍋爐；煙氣脫硝；預(yù)估補(bǔ)償器；仿真分析

0　引言

2012年后霧霾頻發(fā)，燃煤包括燃煤電站被認(rèn)為是霧霾產(chǎn)生的重要來(lái)源。近幾年，我國(guó)的“節(jié)能減排”戰(zhàn)略日益深入，電站鍋爐的氮氧化物的排放標(biāo)準(zhǔn)也日趨嚴(yán)格。2015年兩會(huì)后，部分省市出臺(tái)政策，加快推進(jìn)燃煤發(fā)電機(jī)組超低排放改造工作。

在熱工過(guò)程中，不少的過(guò)程特性(對(duì)象特性)除了具有容積遲延外，往往不同程度地存在純遲延[2]。一般過(guò)程擾動(dòng)通道純遲延對(duì)系統(tǒng)的控制質(zhì)量沒(méi)有影響，只是使系統(tǒng)響應(yīng)曲線推遲了一個(gè)遲延τ。但是當(dāng)過(guò)程控制通道或者測(cè)量環(huán)節(jié)存在純遲延時(shí)，會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性；另外純遲延會(huì)導(dǎo)致增大被控制量的最大偏差增大，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)質(zhì)量下降。因此本文在原有煙氣脫硝控制系統(tǒng)上加入Smith預(yù)估控制器[1]來(lái)減小系統(tǒng)產(chǎn)生的超調(diào)和加快調(diào)節(jié)過(guò)程，對(duì)煙氣脫硝控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

1　脫硝控制系統(tǒng)

燃煤電站的煙氣脫硝[5]過(guò)程和其他熱工過(guò)程一樣存在大遲延和大慣性。煙氣脫硝控制系統(tǒng)中被調(diào)量是煙道出口NOX濃度，而控制量是氨水流量調(diào)節(jié)閥，當(dāng)改變氨水流量調(diào)節(jié)閥后，對(duì)煙道出口NOX濃度的影響必然要延遲一段時(shí)間，包括還原反應(yīng)時(shí)間和煙氣在煙道中停留時(shí)間[3]等等。在整個(gè)的過(guò)程中，由于純遲延的存在，使得被調(diào)量不能快速及時(shí)地反映系統(tǒng)所承受的擾動(dòng)，即使測(cè)量信號(hào)到達(dá)調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)接收信號(hào)后立即動(dòng)作，也需要經(jīng)過(guò)純遲延時(shí)間τ以后，才能對(duì)被調(diào)量產(chǎn)生影響，使之受到控制。煙氣脫硝控制系統(tǒng)一般是帶有前饋的串級(jí)反饋控制。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，煙氣中NOx濃度PID控制作為主回路，氨水的PID控制器為副回路。當(dāng)出口NOx濃度與設(shè)定的濃度值比較出現(xiàn)偏差時(shí)，NOx濃度調(diào)節(jié)器(主調(diào))根據(jù)偏差調(diào)節(jié)噴氨流量信號(hào)，氨水流量由噴氨流量信號(hào)調(diào)節(jié)氨氣流量調(diào)節(jié)閥，改變噴氨流量使反應(yīng)器出口NOx濃度等于給定值，控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　煙氣脫硝控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2　Smith預(yù)估補(bǔ)償控制在煙氣脫硝系統(tǒng)上的應(yīng)用設(shè)計(jì)

由于熱工控制系統(tǒng)普遍存在大遲延、大滯后的特性，因此在煙氣脫硝控制系統(tǒng)中加入Smith預(yù)估補(bǔ)償控制器，可以預(yù)估系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，提前對(duì)之進(jìn)行補(bǔ)償，可以將延遲的超調(diào)量提前反映到控制器上?？刂破魈崆皠?dòng)作，可以提前修正控制器的參數(shù)，將系統(tǒng)的超調(diào)量提前反映到控制器上，可以加快系統(tǒng)的控制過(guò)程同時(shí)降低系統(tǒng)的超調(diào)量。

2.1Smith預(yù)估補(bǔ)償原理

一般煙氣脫硝系統(tǒng)采用的是比較簡(jiǎn)單的單回路控制系統(tǒng)，如圖2所示。在回路系統(tǒng)中控制器的傳遞函數(shù)是GC(S)，控制對(duì)象的傳遞函數(shù)是W(S)=Kg(S)e-τDs，其中無(wú)純遲延環(huán)節(jié)時(shí)對(duì)象的傳遞函數(shù)是Kg(S)。假設(shè)W1(S)=K1g1(S)是Smith預(yù)估補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)。

圖2　Smith預(yù)估補(bǔ)償控制原理圖

未加Smith預(yù)估補(bǔ)償器時(shí)，簡(jiǎn)單回路系統(tǒng)的控制器輸出U(S)和被調(diào)量Y(S)的傳遞函數(shù)是：

(1)

通過(guò)式(1)可以看出，被控量在控制作用下要經(jīng)過(guò)遲延時(shí)間τD才能反饋到系統(tǒng)的控制器上，會(huì)造成系統(tǒng)的遲延。

增加Smith預(yù)估補(bǔ)償器后，控制器的輸出U(S)與反饋回路的信號(hào)Y′(S)的傳遞函數(shù)是并連通道的和，通過(guò)簡(jiǎn)化之后得

(2)

若消去控制器采集到信號(hào)的Y′(S)的遲延τD，則需將上式轉(zhuǎn)換為：

(3)

因此可以通過(guò)式(2)和式(3)可以得出Smith預(yù)估補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)為：

(4)

2.2基于Smith預(yù)估補(bǔ)償?shù)目刂葡到y(tǒng)

分析Smith預(yù)估補(bǔ)償?shù)脑砜梢缘玫絊mith預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)就是：在原來(lái)回路系統(tǒng)的基礎(chǔ)上添加與對(duì)象除去純遲延環(huán)節(jié)后相同的傳遞函數(shù)為Kg(S)的環(huán)節(jié)和一個(gè)遲延時(shí)間為τD的純遲延環(huán)節(jié)組成的回路系統(tǒng)。Smith預(yù)估補(bǔ)償[7]主要是在增加系統(tǒng)回路的基礎(chǔ)上消去遲延環(huán)節(jié)對(duì)整個(gè)控制過(guò)程的影響，將控制系統(tǒng)的品質(zhì)調(diào)節(jié)到與無(wú)遲延環(huán)節(jié)時(shí)一樣。圖3所示為Smith預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)圖。

圖3　Smith預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng)圖

由上面的系統(tǒng)圖可以推導(dǎo)出整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

(5)

加入Smith預(yù)估補(bǔ)償環(huán)節(jié)后系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的特征方程中不再包含e-τDs項(xiàng)，滯后環(huán)節(jié)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)控制品質(zhì)的影響可以消除。

3　利用Smith預(yù)估補(bǔ)償控制對(duì)煙氣脫硝控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)并對(duì)其仿真

對(duì)煙氣脫硝系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)，做控制對(duì)象的階躍響應(yīng)曲線，可以得到氨氣流量響應(yīng)曲線和出口NOx濃度對(duì)氨氣流量的響應(yīng)曲線[4]。噴氨量控制的傳遞函數(shù)表達(dá)式如下所示：

氨氣流量響應(yīng)函數(shù)：

(6)

出口NOx濃度響應(yīng)函數(shù)：

(7)

3.1串級(jí)反饋控制響應(yīng)

利用Matlab中的Simulink 對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行仿真分析。如圖4所示氨氣流量響應(yīng)曲線和出口NOx濃度對(duì)氨氣流量的響應(yīng)曲線?？梢钥闯霭睔饬髁吭陔A躍輸入下能夠快速響應(yīng)，出口NOx濃度在階躍輸入下存在13 s的遲延，同時(shí)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間比較長(zhǎng)，說(shuō)明煙氣脫硝系統(tǒng)是大慣性和大遲延的控制對(duì)象。

圖4　噴氨量控制響應(yīng)曲線

利用Matlab中Simulink建立如圖5所示的煙氣脫硝系統(tǒng)的噴氨量控制的模型。通過(guò)整定PID控制器參數(shù)，對(duì)煙氣脫硝的噴氨量控制系統(tǒng)分別進(jìn)行無(wú)擾動(dòng)和在1 000 s時(shí)加入單位階躍擾動(dòng)的仿真試驗(yàn)。

圖5　噴氨量控制的擾動(dòng)仿真模型

通過(guò)仿真試驗(yàn)可以得到如圖6所示的曲線圖。實(shí)線是沒(méi)有擾動(dòng)的仿真曲線，虛線是在1 000 s時(shí)加入階躍擾動(dòng)的曲線。通過(guò)兩組曲線可以看出，沒(méi)有擾動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)能夠快速反應(yīng)但是存在一定的超調(diào)量。增加擾動(dòng)后，煙氣中NOx濃度迅速變化，超調(diào)量變大同時(shí)調(diào)節(jié)過(guò)程加長(zhǎng)。這是因?yàn)闊煔饷撓跸到y(tǒng)具有大慣性和大遲延性，調(diào)節(jié)時(shí)間比較長(zhǎng)，難以在變工況或其他因素影響下準(zhǔn)確快速地調(diào)節(jié)噴氨量。

圖6　串級(jí)控制響應(yīng)曲線

3.2Smith預(yù)估補(bǔ)償控制擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)

利用Smith預(yù)估補(bǔ)償控制[8]對(duì)原有的串級(jí)控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，在原來(lái)串級(jí)控制的基礎(chǔ)上加入Smith預(yù)估補(bǔ)償控制器。加入Smith預(yù)估補(bǔ)償控制的控制方針模型如圖7所示，在Simulink 對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行仿真分析，可以得到如圖8所示在階躍輸入下的仿真曲線 和如圖9所示在原有控制系統(tǒng)加入單位擾動(dòng)下的仿真曲線。

圖7　Smith預(yù)估補(bǔ)償控制仿真模型

圖8　兩種控制系統(tǒng)比較

圖9　擾動(dòng)下系統(tǒng)響應(yīng)曲線圖

通過(guò)圖8和圖9的仿真曲線可以看出，與常規(guī)的串級(jí)控制系統(tǒng)相比，加入Smith預(yù)估補(bǔ)償控制后系統(tǒng)控制品質(zhì)變好。未加擾動(dòng)時(shí)，改進(jìn)后的控制系統(tǒng)的穩(wěn)定時(shí)間也比原來(lái)減少。加入擾動(dòng)后系統(tǒng)能夠快速的進(jìn)行反應(yīng)，在穩(wěn)定過(guò)程中改進(jìn)后的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)明顯優(yōu)于原來(lái)簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)。

4　結(jié)論

1)在超低排放政策的推動(dòng)下，采用煙氣脫硝來(lái)降低NOX的排放已經(jīng)成為我國(guó)燃煤電站的發(fā)展趨勢(shì)。在控制NOX排放的過(guò)程中，控制策略的改進(jìn)顯得尤為重要[6]。

2)通過(guò)對(duì)煙氣脫硝串級(jí)控制系統(tǒng)加入Smith預(yù)估補(bǔ)償控制后進(jìn)行仿真試驗(yàn)，改進(jìn)后的系統(tǒng)改善了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，在控制過(guò)程取得滿意的控制品質(zhì)。

3)隨著工業(yè)自動(dòng)化程度的提高，計(jì)算機(jī)控制在工業(yè)過(guò)程中越來(lái)越起著舉足輕重的作用。

[1] 黃德先，王京春，金以慧，等．過(guò)程控制系統(tǒng)[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2011．

[2] 邊立秀，周俊霞，趙勁松，等．熱工控制系統(tǒng)[M]．北京：中國(guó)電力出版社，2012．

[3] 段傳和．選擇性非催化還原法(SNCR)煙氣脫硝[M]．北京：中國(guó)電力出版社，2012．

[4] 李峰，王立，高富春． SCR煙氣脫硝自動(dòng)控制系統(tǒng)及其在國(guó)華三河電廠的應(yīng)用[J]．熱力發(fā)電，2009(5)：91-93.

[5] 李競(jìng)岌，楊海瑞，李穹,等．循環(huán)流化床鍋爐煙氣脫硝系統(tǒng)優(yōu)化模擬[J]．中國(guó)電力，2013，46(9):1-5．

[6] 李穹，吳玉新,等． SNCR脫硝特性的模擬及優(yōu)化[J]．化工學(xué)報(bào)，2013(64):1789-1796．

[7] 張彥軍． 基于模型預(yù)測(cè)的Smith預(yù)估補(bǔ)償控制系統(tǒng) [J]．測(cè)控技術(shù)，2002，21(11)．

[8] 曹順安，謝學(xué)軍，劉光臨． 基于Smith預(yù)估器的PID自適應(yīng)控制及其應(yīng)用 [J]．化工自動(dòng)化及儀表，2004，31(1):28-31．

Application of Smith Predictor Control in Coal-fired Power Plant Flue Gas Denitrification Control System

Yang Jinping1,Liu Jingwei1,Bai Jianyun1,Duan Baohe2,Yang Bo3

(1.Department of Automation，Shanxi University，Taiyuan030013,China；2.Shanxi Pingshuo Gangue Power Generation Company Limited，Shuozhou066003,China；3.School of Mathematical Sciences,Shanxi University，Taiyuan030013,China)

Power plant boiler flue gas denitrification process exist certain delay and inertia like other power plant thermal process. Based on the current flue gas denitrification system operation,analyzed the nitrogen oxide (NOX) emissions control process characteristics,influencing factors and control system. In order to solve the certain delay and inertia problem for the entire flue gas denitrification control affect the quality of produce during boiler operation,and the realization of the system stability and fast,added ahead of Smith Predictor Controller estimate the dynamic characteristics of the system and its compensation in the original cascade loop system. According to the transfer function of flue gas denitrification system objects,design of Smith Predictor Control System,analysis the control system objects and the response before and after improved control system by Simulink of Matlab,as can be seen dynamic quality better of the improved system,speed and stability of the system has improved markedly.

power plant boiler; flue gas denitrification; predictor compensation; simulation

1671-4598(2016)04-0065-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.04.020

TP273

A

2015-08-19；

2015-11-03。

山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目(20140313002-1);山西省煤基重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(MD2014-03-06-3)。

楊晉萍(1965-)，女，山西太原人，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事大型發(fā)電機(jī)組智能優(yōu)化控制方向的研究。