焦化換向過(guò)程煙氣脫硝擾動(dòng)建模與前饋控制

李亞寧，王學(xué)雷，譚杰，劉承寶，白熹微

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焦化換向過(guò)程煙氣脫硝擾動(dòng)建模與前饋控制

李亞寧1,2，王學(xué)雷1，譚杰1，劉承寶1,2，白熹微1,2

（1中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化研究所綜合信息系統(tǒng)研究中心，北京 100190；2中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

焦化煙氣脫硫脫硝一體化裝置在煉焦換向過(guò)程中存在大量能源浪費(fèi)，為了解決這一問(wèn)題，針對(duì)焦化獨(dú)有的換向過(guò)程，深入分析此過(guò)程中NO濃度變化的原因；提出一種利用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)辨識(shí)對(duì)換向過(guò)程入口和出口NO濃度的擾動(dòng)進(jìn)行建模的方法，基于某焦化廠2座55孔6 m頂裝焦?fàn)t廢氣的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，并得到入口、出口NO濃度損失的關(guān)系模型；基于所建NO擾動(dòng)模型，針對(duì)不同的NO濃度設(shè)定值，設(shè)計(jì)前饋控制系統(tǒng)并分別求取換向過(guò)程臭氧的前饋控制率，通過(guò)仿真計(jì)算得出節(jié)省的電耗成本，表明了工作的必要性。

過(guò)程控制；動(dòng)態(tài)建模；焦化；換向過(guò)程；脫硝

引 言

我國(guó)是世界上最大的煉焦生產(chǎn)國(guó)[1]，二氧化硫和氮氧化物的年排放量巨大。2015年1月1日起正式實(shí)施的《煉焦化學(xué)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)焦化工業(yè)的二氧化硫及氮氧化物的排放指標(biāo)提出了嚴(yán)格和明確的量化要求[2]。而目前國(guó)內(nèi)焦化工業(yè)在煉焦生產(chǎn)過(guò)程煙氣二氧化硫和氮氧化物治理方面，基本處于空白狀態(tài)——煙氣直接通過(guò)煙囪排放至大氣。此形勢(shì)下，江西某煉焦化工有限公司于國(guó)內(nèi)率先投入并運(yùn)行焦化煙氣脫硫脫硝一體化工程，并已取得一定效果[3]，但存在以下問(wèn)題：

（1）焦?fàn)t存在定時(shí)“換向”操作[4]，換向期間煙氣成分會(huì)呈現(xiàn)大幅度的波動(dòng)。

（2）脫硝過(guò)程中臭氧發(fā)生機(jī)電耗成本占整個(gè)裝置總成本的80%以上[5]。若不能對(duì)換向過(guò)程臭氧的發(fā)生量進(jìn)行控制，而令其始終處于非換向時(shí)的功率運(yùn)行狀態(tài)，將會(huì)造成能源的巨大浪費(fèi)，大大增加企業(yè)成本，不利于裝置的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

（3）煙氣入口與出口相距較遠(yuǎn)，煙氣濃度檢測(cè)過(guò)程存在較大滯后，若采取常規(guī)的反饋控制，勢(shì)必造成控制的不及時(shí)，甚至?xí)鸪隹跓煔鉂舛鹊某瑯?biāo)。

為了解決上述問(wèn)題，需要進(jìn)行焦化換向過(guò)程煙氣NO擾動(dòng)建模與臭氧輸出量前饋控制[6-7]，目前為止，國(guó)內(nèi)外針對(duì)焦化換向過(guò)程煙氣擾動(dòng)方面的研究還未見(jiàn)報(bào)道。本文結(jié)合換向過(guò)程與NO生成機(jī)理，分析其對(duì)NO濃度產(chǎn)生影響的原因；提出了利用連續(xù)脈沖信號(hào)與一階慣性傳遞函數(shù)串聯(lián)的響應(yīng)曲線對(duì)NO擾動(dòng)進(jìn)行建模與辨識(shí)的新方法，基于此焦化廠2座55孔6 m頂裝焦?fàn)t廢氣濃度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)比驗(yàn)證了模型的有效性；設(shè)計(jì)了前饋控制系統(tǒng)并提出不同情況下的控制策略，通過(guò)仿真計(jì)算分別得到單日節(jié)能成本，結(jié)果表明了工作的重要意義。

1 脫硫脫硝過(guò)程描述

脫硫脫硝一體化工藝流程如圖1所示，裝置采用濕式氨法超強(qiáng)湍流脫硫及兩段強(qiáng)制氧化尿素脫硝的一體化脫硫脫硝工藝[3]。

具體為：來(lái)自焦?fàn)t煙道的煉焦過(guò)程煙氣經(jīng)余熱回收鍋爐降溫后，在進(jìn)入脫硫塔之前與臭氧輸入管道匯合，煙氣中的部分NO與臭氧快速反應(yīng)生成NO2。煙氣進(jìn)入脫硫塔濃縮段降溫后經(jīng)氣帽進(jìn)入到脫硫塔的吸收段，與頂部噴淋的脫硫吸收液逆流接觸，煙氣中的SO2與吸收劑中的亞硫酸銨反應(yīng)生成亞硫酸氫銨，SO2得以脫除凈化，此過(guò)程中還有來(lái)自脫硝塔下端輸出的尿素殘液間歇打入以實(shí)現(xiàn)預(yù)脫硝。為了恢復(fù)吸收液的吸收能力，需補(bǔ)充氨水。儲(chǔ)液槽底部鼓入空氣，將儲(chǔ)液槽中的部分(NH4)2SO3氧化為(NH4)2SO4，供濃縮段中硫酸銨的后續(xù)處理。

脫硫后的煙氣管道與臭氧輸入管道連接，煙氣中的部分NO與臭氧快速反應(yīng)生成NO2，隨后進(jìn)入脫硝塔下部并與脫硝塔頂部噴淋的尿素溶液逆流接觸，NO、NO2與溶液中的尿素發(fā)生還原反應(yīng)生成N2、CO2和H2O，完成脫硝。達(dá)到環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)的煙氣在脫硝塔頂部排入大氣，完成煙氣的全部處理過(guò)程。

其中脫硝過(guò)程主要涉及以下反應(yīng)

O3+ NO → NO2+ O2(1)

NO2+ O3→ NO3+ O2(2)

NO2+ O3→ N2O5(3)

CO(NH2)2+ NO2+ NO →CO2+ 2N2+ 2H2O (4)

反應(yīng)(2)、(3)為臭氧過(guò)量下的氧化反應(yīng)，故通常情況下，影響脫硝效果的主要因素是臭氧輸入量、尿素溶液（脫硝吸收液）濃度及循環(huán)量[8-13]。

煙氣脫硝過(guò)程的控制目標(biāo)是在保證安全運(yùn)行的前提下，將脫硝塔出口煙氣NO濃度嚴(yán)格控制在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的限制以內(nèi)(<150～500 mg·m?3)，同時(shí)，盡可能降低臭氧、尿素等消耗。目前脫硝過(guò)程主要依靠人工控制，由于尿素溶液濃度不可測(cè)，通常保持尿素循環(huán)量不變，將臭氧發(fā)生機(jī)功率作為主要操作變量，操作員根據(jù)脫硫塔入口和脫硝塔出口NO濃度確定臭氧發(fā)生機(jī)功率。

2 NOx濃度擾動(dòng)分析與建模

2.1 換向過(guò)程N(yùn)O擾動(dòng)分析

由文獻(xiàn)[14-15]可知，使用貧煤氣加熱，幾乎全部生成溫度熱力型NO，用含N組分的焦?fàn)t煤氣加熱，其燃料型NO所占比例最多不超過(guò)5%。文中焦化廠使用混入少量焦?fàn)t煤氣的混合煤氣，由于①生成的非熱力型NO所占比例極??；②少量的非熱力型NO不影響換向過(guò)程N(yùn)O擾動(dòng)定性分析結(jié)果。故可認(rèn)為生成的全部為熱力型NO。熱力型NO中的N與O均來(lái)自于空氣，而換向過(guò)程中空氣（含氧量）也會(huì)有較大變化。綜上，換向過(guò)程中氮氧化物的濃度主要與煤氣燃燒溫度和空氣量有關(guān)。

換向是焦化特有的生產(chǎn)操作，具體指上升氣流的煤氣和空氣與下降氣流的廢氣由交換傳動(dòng)裝置定時(shí)（一般間隔20 min或30 min）進(jìn)行方向變換。換向前，焦?fàn)t下降氣流蓄熱室吸收廢氣高溫，上升氣流蓄熱室為煤氣和空氣預(yù)熱；換向后，原廢氣經(jīng)過(guò)的下降氣流蓄熱室開(kāi)始為煤氣和空氣預(yù)熱，而原上升氣流蓄熱室現(xiàn)流經(jīng)廢氣，能夠吸收廢氣熱量，由此保證了其熱量的有效利用[16]。換向期間的時(shí)間、拉條運(yùn)行及氣流方向變化關(guān)系如圖2所示[17-18]。下文將結(jié)合圖2與NO濃度影響因素分析換向期間NO變化原因。

交換開(kāi)始，煤氣首先關(guān)閉，空氣過(guò)量，火焰高溫區(qū)的消失和空氣成分增加的雙重因素導(dǎo)致廢氣NO濃度大幅下降，但由于非熱力型NO的存在、焦?fàn)t竄漏及交換時(shí)間較短等原因，NO濃度不會(huì)降至0；經(jīng)過(guò)約40 s，煤氣逐漸供入，而此時(shí)煤氣處于原下降氣流立火道中，在交換時(shí)刻溫度處于最低值，故受周?chē)鷾囟鹊挠绊?，火焰的?shí)際燃燒溫度并不能達(dá)到理論值，故NO并不會(huì)迅速回升至正常值，隨著立火道溫度的不斷累積，火焰溫度逐漸達(dá)到理論值，煙氣NO濃度恢復(fù)到之前平均值。

取焦化廠任1 h的煙氣NO濃度數(shù)據(jù)（圖3），可以看出，當(dāng)前NO平均濃度約為510 mg·m?3，焦?fàn)t在05：15和05：45分別進(jìn)行了換向操作，NO濃度首先急劇下降，后又緩慢回升至平均值，驗(yàn)證了前述分析的正確性。其中圈內(nèi)的拐點(diǎn)為每次換向過(guò)程中O2含量處于最低點(diǎn)時(shí)NO生成量受到影響所致，但可以看出影響極小，可以忽略。

2.2 NO濃度擾動(dòng)建模

將換向過(guò)程對(duì)NO生成濃度的擾動(dòng)稱為入口NO擾動(dòng)，煙氣進(jìn)入脫硫脫硝裝置后，由于各因素作用，導(dǎo)致其擾動(dòng)程度會(huì)有所變化，稱之為出口NO擾動(dòng)。對(duì)入口和出口NO擾動(dòng)分別建模。

由2.1節(jié)可知，NO濃度主要受溫度和空氣含氧量的影響，但交換過(guò)程中燃燒溫度的變化、空氣中氧含量變化較為復(fù)雜，無(wú)法使用數(shù)學(xué)公式描述，且炭化室竄漏亦會(huì)對(duì)NO濃度產(chǎn)生影響，故依靠機(jī)理進(jìn)行換向過(guò)程N(yùn)O擾動(dòng)建模十分困難[19]。

脫硫脫硝現(xiàn)場(chǎng)積累了大量的過(guò)程數(shù)據(jù)和信息，為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的過(guò)程建模方法提供了前提條件[20]。據(jù)此，采用一種數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模的方法，首先構(gòu)造通用擾動(dòng)模型結(jié)構(gòu)，通過(guò)統(tǒng)計(jì)分別得到不同工況下，入口和出口NO濃度的損失關(guān)系模型，利用解析法分別辨識(shí)出各工況下入口和出口擾動(dòng)模型參數(shù)[21]。

2.2.1 入口NO擾動(dòng)建模 經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)其濃度擾動(dòng)過(guò)程與脈沖信號(hào)串聯(lián)一階慣性傳遞函數(shù)的響應(yīng)曲線極其相似，故將周期為od，寬度為th，幅值的矩形脈沖與單位比例系數(shù)的一階慣性環(huán)節(jié)=1/(+1)串聯(lián)。

模型未知系數(shù)od和th的確定方法為：

（1）脈沖周期od即為焦化換向周期，由煤氣種類(lèi)決定，一般不會(huì)改變；

（2）通過(guò)實(shí)測(cè)濃度數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)得到煙氣NO濃度由換向開(kāi)始至下降到最低的平均采樣個(gè)數(shù)min，換向期間煙氣波動(dòng)平均總采樣個(gè)數(shù)to，則有

th=min(5)

令rev代表?yè)Q向期間煙氣擾動(dòng)總時(shí)長(zhǎng)

rev=to(6)

式中，為脫硝過(guò)程DCS系統(tǒng)的采樣周期，s。

文中焦?fàn)t換向周期為30 min，則od=1800 s；現(xiàn)場(chǎng)DCS采樣周期為1 s，計(jì)算得th=40 s，rev=800 s。響應(yīng)曲線如圖4(a)。

依據(jù)入口煙氣NO生成濃度影響因素劃分煉焦過(guò)程工況狀態(tài)集為={1,2, …,S}，不同工況下對(duì)應(yīng)穩(wěn)態(tài)入口NO濃度={1,2, …,C}，對(duì)應(yīng)換向過(guò)程平均最低NO濃度={1,2, …,C'}，為工況種類(lèi)，∈。

定義換向過(guò)程脫硫塔入口煙氣NO濃度損失幅度1=1()=?(>0)，表征換向?qū)Σ煌瑵舛葼顟B(tài)的NO造成影響的程度（圖3）。

由歷史數(shù)據(jù)得到1-的關(guān)系，如圖5所示。

為提高擬合精度，以橫坐標(biāo)的均值為中心、標(biāo)準(zhǔn)差做歸一化因子[22]，辨識(shí)得到系數(shù)矩陣=[36.81 ?43.21 142.7 439.7]，即三次損失模型為

1()=(1)3+(2)2+(3)+(4) (7)

各項(xiàng)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 建模性能指標(biāo)

用解析法辨識(shí)出未知參數(shù)in和in步驟如下。

確定當(dāng)前工況類(lèi)別，即得到平均NO濃度C，由損失模型可得損失幅度1。

濃度擾動(dòng)模型的時(shí)域響應(yīng)公式為[23]

則應(yīng)有如下方程組成立

(9)

式中，∈(0,10]，∈R+，目的是留有一個(gè)較小的裕度，避免式(8)所示的響應(yīng)過(guò)早到達(dá)穩(wěn)態(tài)，而使結(jié)果陷入局部最優(yōu)解。實(shí)際求解過(guò)程中，以0.5為步長(zhǎng)，利用基于最小二乘的trust-region-dogleg迭代優(yōu)化算法分別求取以上非線性隱式方程在∈(0,10]內(nèi)的最優(yōu)解，比較不同裕度下模型的擬合程度，選出最優(yōu)情況下的值作為辨識(shí)出的參數(shù)與。

2.2.2 入口NO擾動(dòng)模型驗(yàn)證 當(dāng)前煉焦工況下，=475 mg·m?3，根據(jù)損失模型可確定損失濃度1=265。經(jīng)計(jì)算并比較，=5時(shí)曲線擬合程度最優(yōu)，此時(shí)in=?1330，in=180。與某一換向過(guò)程實(shí)際濃度曲線進(jìn)行對(duì)比[圖4(b)] ，經(jīng)統(tǒng)計(jì)可得：RMSE=13.6039，平均相對(duì)誤差=3.20%，建模效果令人滿意。

任選10 h的NO濃度數(shù)據(jù)[圖6(a)]，設(shè)定時(shí)長(zhǎng)為900 s的時(shí)間窗口，窗口內(nèi)的數(shù)據(jù)按窗口前一時(shí)刻及后一時(shí)刻的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，每1800 s執(zhí)行一次，去除換向過(guò)程的擾動(dòng)。并利用移動(dòng)平均濾波器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理[24]，去除數(shù)據(jù)噪聲干擾，如圖6(b)。在去除擾動(dòng)并平滑后的濃度數(shù)據(jù)中加入建立的擾動(dòng)模型，如圖6(c)。與圖6(a)相比，擾動(dòng)的趨勢(shì)、幅值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本相符，證實(shí)了所建模型的有效性。

2.2.3 出口NO擾動(dòng)建模 設(shè)不同工況下對(duì)應(yīng)穩(wěn)態(tài)出口NO濃度={1(,),2(,), …,D(,)}，對(duì)應(yīng)換向過(guò)程平均最低NO濃度={1(,),2(,), …,D(,)}。其中，為工況種類(lèi)，∈；(p,, O3,)為脫硫脫硝裝置所處的穩(wěn)定工作點(diǎn)，p為工況p下的脫硫塔入口穩(wěn)態(tài)NO濃度，為入口煙氣流速，O3為每小時(shí)臭氧輸入總量，為脫硝塔尿素循環(huán)量，為尿素溶液濃度、傳感器誤差、環(huán)境因素等不可測(cè)、不可控因素。

定義換向過(guò)程中，脫硝塔出口煙氣NO濃度損失幅度2=2(,)=(,)?(,)(2>0)，表征換向?qū)Σ煌瑵舛葼顟B(tài)的NO造成影響的程度。由于中，p和O3是對(duì)2影響最為顯著的變量，而p與焦化段工況有關(guān)，為不可控變量，故得到如下2-(p, O3)關(guān)系（圖7）。

圖中，不同顏色的曲線代表不同工況（不同）。為工況p下，(p,, O3=0,) (為當(dāng)前循環(huán)量穩(wěn)態(tài)值)時(shí)出口煙氣NO穩(wěn)態(tài)與最低點(diǎn)濃度之差，主要由脫硫塔入口煙氣NO濃度決定，與圖5相似，可表示為=1()。

工況確定后，2與O3有直接相關(guān)性，其隨著O3的增加而減小，但當(dāng)O3為某一臨界值時(shí)，可認(rèn)為煙氣中NO氧化率達(dá)到極限，O3的增加對(duì)2的影響極小。

與入口煙氣相比，除濃度損失幅度外，換向過(guò)程擾動(dòng)的模型結(jié)構(gòu)、od、th均與入口模型相同。

辨識(shí)方程如下

辨識(shí)方法與2.2.1節(jié)相同。

2.2.4 出口NO擾動(dòng)模型驗(yàn)證 選擇與2.2.2節(jié)相同工況下的數(shù)據(jù)，即=475mg·m?3，=10.8～11.3 m·s?1，O3=50 kg·h?1，=150 m3·h?1。

經(jīng)計(jì)算并比較，=0.5時(shí)曲線擬合程度最優(yōu)，此時(shí)out=?530.331，out=127.299。與某一換向過(guò)程實(shí)際濃度曲線進(jìn)行對(duì)比，經(jīng)統(tǒng)計(jì)得：RMSE=20.1178，平均相對(duì)誤差=4.52%，建模效果令人滿意（圖8）。

3 換向過(guò)程臭氧前饋控制

3.1 控制策略

為簡(jiǎn)化計(jì)算，臭氧量為兩塔內(nèi)總量，控制通道模型近似為線性關(guān)系。采用典型的開(kāi)環(huán)動(dòng)態(tài)前饋控制系統(tǒng)[25-26]（圖9），F(xiàn)C為前饋控制器，O31和O32分別為進(jìn)入脫硫塔和脫硝塔的臭氧量。

根據(jù)入口煙氣換向過(guò)程平均最低NO濃度和出口NO濃度設(shè)定值set,N的關(guān)系，分為以下兩種情況進(jìn)行討論（圖10）。

（1）≥set,N

如圖10中綠色曲線所示，此時(shí)在前饋模型完全匹配和控制通道模型為線性的理想情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)擾動(dòng)的完全補(bǔ)償，即NO濃度穩(wěn)定在設(shè)定值上。

前饋控制器根據(jù)當(dāng)前煙氣NO濃度、臭氧總量和尿素循環(huán)量確定換向過(guò)程出口NO擾動(dòng)的模型，從而確定臭氧補(bǔ)償量。

其傳遞函數(shù)描述如圖11所示。將傳感器及調(diào)節(jié)閥特性并入對(duì)象[Gpc()]中，根據(jù)不變性原理[27]得到前饋控制器傳遞函數(shù)為

（2）

如圖10中紅色曲線所示，結(jié)合入口NO濃度藍(lán)色曲線可以看出，換向過(guò)程中即使不對(duì)煙氣進(jìn)行脫硝，NO濃度在Δ3內(nèi)本就會(huì)低于set,N，若按情況1的方法求取前饋控制率進(jìn)行控制，必會(huì)造成此期間大量電能的浪費(fèi)。

故提出針對(duì)此種情況的前饋控制策略如下。

（1）根據(jù)2.2.1節(jié)和2.2.3節(jié)分別建立當(dāng)前工況換向過(guò)程入口和出口NO濃度擾動(dòng)模型。

（2）分別由式(12)～式(14)求解Δ1、Δ2、Δ3

(13)

(14)

（3）估計(jì)所處工況近似控制通道模型，通過(guò)式(11)求取前饋控制器。

（4）實(shí)施控制

換向過(guò)程開(kāi)始后的Δ1時(shí)段內(nèi)利用出口NO擾動(dòng)模型進(jìn)行前饋控制（同情況1）；

之后的Δ3時(shí)段內(nèi)臭氧機(jī)組完全關(guān)閉或保持最低運(yùn)行功率；

再之后臭氧機(jī)組恢復(fù)至換向前穩(wěn)態(tài)功率。

3.2 仿真計(jì)算

由于換向過(guò)程周期固定，前饋控制采用定時(shí)方式，所以控制時(shí)間上的超前與滯后均可實(shí)現(xiàn)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，仿真過(guò)程一律省略純滯后環(huán)節(jié)。

控制效果如圖13所示。

圖13(a)為沒(méi)有進(jìn)行前饋控制時(shí)脫硝塔出口NO的濃度變化，可以看出每次換向時(shí)波動(dòng)較大；圖(b)為前饋補(bǔ)償后出口NO的濃度，可以看出在前饋模型完全匹配和控制通道模型為線性的理想情況下，能夠?qū)崿F(xiàn)擾動(dòng)的完全補(bǔ)償；圖(c)為前饋控制中臭氧輸出量變化。

3.2.2 情況2 在2.2.2節(jié)的入口NO工況參數(shù)下，令set,N為300 mg·m?3，其他工況參數(shù)為=475 mg·m?3，=10.8～11.3 m·s?1，O3=40kg·h?1，=130 m3·h?1。

（1）入口擾動(dòng)模型不變：in=?1330，in=180；辨識(shí)得到當(dāng)前出口NO擾動(dòng)模型參數(shù)：out=?761.314，out=136.812；

（2）解得Δ1=25.4, Δ2=114.7, Δ3=129.3；

（4）實(shí)施相應(yīng)控制，得到結(jié)果如圖14所示。

圖14(a)為沒(méi)有進(jìn)行前饋控制時(shí)脫硝塔出口NO的濃度變化；圖14(b)為應(yīng)用3.1節(jié)所提控制策略所得的臭氧輸出量變化。

3.3 節(jié)能效果

3.3.1 情況1 將圖13(c)中單次換向過(guò)程臭氧輸出量局部放大，得到圖15。圖中陰影部分的面積即為單次換向過(guò)程節(jié)省的臭氧量1。

臭氧發(fā)生機(jī)采用國(guó)林公司變頻控制的空氣源CF-G-2-50型機(jī)組，其運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表2。

單日節(jié)省成本

=電(13)

其中，電為工業(yè)電價(jià)，約0.8 CNY·(kW·h)?1；為單日換向次數(shù)，按半小時(shí)換向一次，即=48；利用數(shù)值積分方法求取圖15陰影部分的面積，得1=0.9301。

表2 臭氧發(fā)生機(jī)運(yùn)行參數(shù)

計(jì)算得1=607.17 CNY，則年節(jié)省成本數(shù)十萬(wàn)元，對(duì)企業(yè)而言意義重大。

3.3.2 情況2 與3.3.1節(jié)相同，求取圖14中陰影部分的面積即為單次換向過(guò)程節(jié)省的臭氧量2，再通過(guò)式(12)計(jì)算單日節(jié)省成本。

經(jīng)計(jì)算，2=1.5271，2=996.89CNY>1，年節(jié)省成本同樣達(dá)數(shù)十萬(wàn)元，且表明所提針對(duì)此種情況下的控制策略能夠進(jìn)一步節(jié)約成本。

4 結(jié) 論

針對(duì)焦化煙氣脫硝在焦?fàn)t換向過(guò)程中存在極大能源浪費(fèi)的問(wèn)題，進(jìn)行了分析、建模與控制方面的研究，結(jié)論如下。

（1）結(jié)合NO生成機(jī)理與焦?fàn)t換向過(guò)程拉條運(yùn)行及氣流方向變化關(guān)系，分析換向操作對(duì)煙氣NO濃度影響的原因，通過(guò)數(shù)據(jù)圖驗(yàn)證了理論分析的正確性。

（2）建立了入口NOx濃度損失與平均NO濃度，及出口NO濃度損失與平均NO濃度、臭氧總量的關(guān)系模型；同時(shí)，提出一種利用連續(xù)脈沖信號(hào)與一階慣性傳遞函數(shù)串聯(lián)的響應(yīng)曲線分別對(duì)入口和出口NO擾動(dòng)進(jìn)行建模與辨識(shí)的方法，基于此焦化廠2座55孔6 m頂裝焦?fàn)t廢氣的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，將所建擾動(dòng)模型與實(shí)際擾動(dòng)進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)RMSE與平均相對(duì)誤差指標(biāo)表明模型具有較高精度。

（3）設(shè)計(jì)前饋控制系統(tǒng)，并給出不同入口煙氣換向過(guò)程最低NO濃度和出口NO濃度設(shè)定值關(guān)系下的前饋控制策略，通過(guò)仿真計(jì)算得出年節(jié)省成本均可達(dá)數(shù)十萬(wàn)元，且所提策略能夠進(jìn)一步節(jié)約成本，表明本工作具有重要的經(jīng)濟(jì)意義。

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Disturbance modeling and feedforwad control of flue gas denitration in coking reverse process

LI Yaning1,2, WANG Xuelei1, TAN Jie1, LIU Chengbao1,2, BAI Xiwei1,2

(1Integrated Information Systems Research Center, Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China;2University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

A large amount of energy is wasted in integrated desulfurization and denitration device of coking flue gas during coking reverse process. In order to solve this problem in the unique coking reverse process, causes to NOconcentration change in the process were thoroughly analyzed. A modeling method for NOconcentration disturbance at inlet and outlet in the reverse process was proposed by data driven identification. Verification was performed from actual data measurement on two 55-hole and 6-meter top charging coke ovens and the relationship model of NOconcentration loss at inlet and outlet was obtained. A feedforward control system was designed for feedforward control rates of O3under different NOconcentration settings. Simulation results provided cost savings of power consumption, which indicates necessity of the work.

process control; dynamic modeling; coking; reversing process; denitration

10.11949/j.issn.0438-1157.20170216

TP 29

A

0438—1157（2017）08—3168—09

王學(xué)雷。第一作者：李亞寧（1991—），男，博士研究生。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（U1201251）。

2017-03-07收到初稿，2017-04-26收到修改稿。

2017-03-07.

WANG Xuelei, xuelei.wang@ia.ac.cn

supported by the National Natural Science Foundation of China (U1201251).