漸近辨識(shí)建模法在1 000 MW 火電機(jī)組脫硝控制系統(tǒng)優(yōu)化中的應(yīng)用

蔣雄杰，顧奇凱，黃啟東，孫成富，馮曉露，蔣鵬飛

（1.浙江浙能嘉華發(fā)電有限公司，浙江 嘉興 314000；2.浙江大學(xué)能源工程學(xué)院，杭州 310027）

0 引言

目前發(fā)電廠SCR（選擇性催化還原）脫硝控制系統(tǒng)基本采用PID 控制方案，控制變量為氨氮摩爾比或者噴氨量，被控變量為脫硝效率或者出口NOX濃度。由于被控對(duì)象具有較大的時(shí)延性和非線性，而且干擾因素眾多，運(yùn)行過程中SCR 裝置的脫硝效率或出口NOX濃度波動(dòng)較大，有時(shí)SCR控制系統(tǒng)甚至無法在自動(dòng)狀態(tài)下連續(xù)運(yùn)行，運(yùn)行人員經(jīng)常手動(dòng)操作，為了達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，常常把出口NOX濃度設(shè)定值設(shè)得偏低，造成過量噴氨，這很容易導(dǎo)致下游空預(yù)器腐蝕和堵塞，對(duì)機(jī)組的正常運(yùn)行造成不利影響。

本文以某1 000 MW 機(jī)組SCR 自動(dòng)控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用一種獨(dú)特的漸進(jìn)辨識(shí)法建立被控對(duì)象的高精度動(dòng)態(tài)模型，以此為基礎(chǔ)建立先進(jìn)的SCR 模型預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)，解決SCR 裝置運(yùn)行過程中遲延大、噴氨自動(dòng)調(diào)節(jié)跟不上、SCR 出口NOX濃度波動(dòng)大等問題，可以明顯改善SCR出口NOX濃度的控制品質(zhì)，提高SCR 裝置運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

1 ASYM（基于漸近辨識(shí)法）的被控對(duì)象建模方法

ASYM 是一種基于漸近理論的多變量系統(tǒng)辨識(shí)方法，于20 世紀(jì)90 年代初由荷蘭埃因霍溫技術(shù)大學(xué)朱豫才博士提出[14]。ASYM 系統(tǒng)性地解決了辨識(shí)過程中的4 個(gè)主要難題，即測(cè)試信號(hào)設(shè)計(jì)、模型結(jié)構(gòu)選擇、參數(shù)估計(jì)、模型驗(yàn)證。在參數(shù)估計(jì)過程中，ASYM 采用了“兩步估計(jì)法”。首先從過程變量的數(shù)據(jù)中估計(jì)一個(gè)高階的方程誤差模型（ARX 結(jié)構(gòu)）：

式中：t 表示時(shí)間；y（t）與u（t）分別表示被控對(duì)象的輸出與輸入；e（t）為估計(jì)殘差；q-1為單位時(shí)延算子；為經(jīng)過最小二乘估計(jì)得到的高階多項(xiàng)式，有：

運(yùn)用漸進(jìn)理論的結(jié)果，分別將過程模型、擾動(dòng)模型和擾動(dòng)信號(hào)的頻譜表示為：

高階的估計(jì)模型具有無偏性，但由于估計(jì)結(jié)果過于參數(shù)化，需要進(jìn)行模型降階，以減小模型的估計(jì)方差。ASYM 的參數(shù)估計(jì)第二步：運(yùn)用極大似然法對(duì)高階ARX 模型進(jìn)行降階處理，降階過程中使用的漸進(jìn)負(fù)對(duì)數(shù)似然函數(shù)為：

ASYM 辨識(shí)法的優(yōu)勢(shì)主要集中在3 個(gè)方面，即自動(dòng)的多變量閉環(huán)試驗(yàn)、參數(shù)化模型和基于誤差上限的模型檢驗(yàn)。傳統(tǒng)的模型測(cè)試方法是手工的單變量開環(huán)實(shí)驗(yàn)，而ASYM 方法則可以進(jìn)行自動(dòng)的多變量閉環(huán)（也可開環(huán)）試驗(yàn)，ASYM 用頻域的準(zhǔn)則計(jì)算時(shí)域參數(shù)模型，不僅能夠從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中提煉出漸近的極大似然估計(jì)的輸入/輸出模型和不可測(cè)擾動(dòng)模型，而且能夠提供模型誤差的上限矩陣用于模型檢驗(yàn)和魯棒性分析[1]。

2 ASYM 在1 000 MW 機(jī)組SCR 控 制系統(tǒng)建模中的應(yīng)用

本文的建模過程采用的是ASYM 的專用辨識(shí)軟件TAIJI-MPC。ASYM 閉環(huán)模型測(cè)試方法在SCR 原PID 控制系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)進(jìn)行。測(cè)試信號(hào)為GBN（廣義二進(jìn)制噪聲）。在進(jìn)行閉環(huán)測(cè)試前，首先確定測(cè)試信號(hào)的平均切換時(shí)間和幅度，可以通過和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行操作員溝通確定一個(gè)不影響SCR裝置正常運(yùn)行的幅度，而測(cè)試信號(hào)的平均切換時(shí)間需要根據(jù)被控對(duì)象的過程過渡時(shí)間計(jì)算獲得。被控對(duì)象的過程過渡時(shí)間通常是靠測(cè)試人員的經(jīng)驗(yàn)來估計(jì)，如果估計(jì)不合理，會(huì)導(dǎo)致測(cè)試激勵(lì)不足，辨識(shí)出的控制模型的精度將無法保證。當(dāng)測(cè)試人員經(jīng)驗(yàn)不夠時(shí)，就只能通過進(jìn)行多次測(cè)試，嘗試不同的過程過渡時(shí)間來獲得高精度控制模型，但這種多次反復(fù)試驗(yàn)會(huì)使建模成本過高，而且也會(huì)影響到生產(chǎn)過程的正常進(jìn)行。

本文提出了一種新的快速準(zhǔn)確地確定被控對(duì)象過程過渡時(shí)間的方法，即采集機(jī)組以往的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，先進(jìn)行初步模型辨識(shí)，獲取精度不一定高的被控對(duì)象模型，然后根據(jù)此初步模型來估算被控對(duì)象的過渡過程時(shí)間，這樣可以避免現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行多次反復(fù)的測(cè)試，降低建模成本和對(duì)生產(chǎn)的影響。具體方法如下：

根據(jù)機(jī)組的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行初步辨識(shí)獲得的結(jié)果如圖1、圖2 所示。圖1 中縱坐標(biāo)CV1 和CV2 分別表示SCR 裝置A 側(cè)和B 側(cè)出口NOX濃度；橫坐標(biāo)MV1 和MV2 分別表示A 側(cè)和B 側(cè)噴氨流量。由圖1 可見模型質(zhì)量為D，擬合誤差在50%左右，模型精度差，但是模型增益方向正確，圖2 所示的模型擬合曲線，圖中虛線為SCR 出口NOX濃度實(shí)測(cè)值，實(shí)線為對(duì)應(yīng)模型輸出值，通過對(duì)比可以看出，模型擬合的曲線和實(shí)際曲線動(dòng)態(tài)趨勢(shì)基本正確。

圖1 階躍響應(yīng)曲線（根據(jù)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)初步建模）

圖2 模型擬合曲線對(duì)比結(jié)果（根據(jù)歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)初步建模）

根據(jù)SCR 裝置歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)初步建立的模型傳遞函數(shù)如下：

A 側(cè)SCR 出口NOX濃度和噴氨量之間模型為：

B 側(cè)SCR 出口NOX濃度和噴氨量之間模型為：

這里以5 倍的開環(huán)時(shí)間（即上述模型中一階慣性環(huán)節(jié)分母部分S 前面的系數(shù)）加純滯后時(shí)間來計(jì)算該被控對(duì)象的過渡過程時(shí)間，得出A 側(cè)被控對(duì)象的過度過程時(shí)間為1 260 s，B 側(cè)被控對(duì)象的過度過程時(shí)間為1 113 s。

現(xiàn)場(chǎng)正式模型測(cè)試試驗(yàn)仍是在SCR 原PID控制系統(tǒng)閉環(huán)控制下進(jìn)行。圖3 和圖4 顯示的是在噴氨量指令信號(hào)上疊加了GBN 測(cè)試信號(hào)時(shí)的SCR 裝置A 側(cè)和B 兩側(cè)的噴氨流量、SCR 入口NOX濃度和SCR 出口NOX濃度的響應(yīng)曲線。A 側(cè)和B 側(cè)的測(cè)試同時(shí)進(jìn)行，大約進(jìn)行了23 h，此過程中負(fù)荷隨AGC（自動(dòng)發(fā)電控制）指令擺動(dòng)。

圖3 A 側(cè)疊加GBN 測(cè)試信號(hào)時(shí)的響應(yīng)曲線

圖4 B 側(cè)疊加GBN 測(cè)試信號(hào)時(shí)響應(yīng)曲線

此次測(cè)試辨識(shí)結(jié)果如圖5、圖6、圖7 所示，分別是階躍響應(yīng)曲線、頻域響應(yīng)曲線和模型擬合曲線對(duì)比結(jié)果。圖中CV1 和CV2 分別表示A 側(cè)、B 側(cè)SCR 出口NOX濃度；DV1 和DV2 分別表示A 側(cè)、B 側(cè)SCR 入口NOX濃度；MV1 和MV2 分別表示A 側(cè)、B 側(cè)噴氨流量。由圖可見模型質(zhì)量為A或者B，均為高質(zhì)量動(dòng)態(tài)模型。

一般模型擬合誤差在40%以下即可用于MPC（模型預(yù)測(cè)控制）控制器，從圖5 可以看到本次測(cè)試模型擬合誤差均低于20%，完全滿足MPC控制器對(duì)模型的精度需求。

圖5 階躍響應(yīng)曲線

圖6 頻域響應(yīng)曲線

圖7 模型擬合曲線對(duì)比結(jié)果

3 優(yōu)化后的SCR 控制系統(tǒng)投運(yùn)情況分析

通過上述漸近辨識(shí)方法得到了高精度的SCR動(dòng)態(tài)模型，以此為基礎(chǔ)搭建了1 000 MW 機(jī)組SCR 裝置的MPC 系統(tǒng)，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，優(yōu)化后的SCR 控制系統(tǒng)可連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，控制效果明顯優(yōu)于原PID 控制的效果。

在機(jī)組AGC 正常投運(yùn)的情況下，對(duì)采用原來常規(guī)PID 控制和優(yōu)化后的MPC 控制2 種模式下的SCR 控制系統(tǒng)的控制效果進(jìn)行對(duì)比。分別采集上述2 種控制模式下SCR 裝置實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，以A 側(cè)、B 側(cè)SCR 出口NOX濃度的最大動(dòng)態(tài)偏差以及標(biāo)準(zhǔn)差為評(píng)價(jià)指標(biāo)，來對(duì)比其控制效果。

采集在PID 控制模式下SCR 裝置連續(xù)24 h正常投運(yùn)數(shù)據(jù)，負(fù)荷變化范圍為515～781 MW，SCR 出口NOX曲線見圖8、圖9，控制指標(biāo)見表1。

圖8 A 側(cè)PID 控制效果

圖9 B 側(cè)PID 控制效果

表1 PID 控制模式下SCR 出口NOX濃度控制指標(biāo)

同樣采集在MPC 控制模式下SCR 裝置連續(xù)24 h 正常投運(yùn)數(shù)據(jù)，負(fù)荷變化范圍為628～931 MW，SCR 出口NOX曲線見圖10、圖11，控制指標(biāo)見表2。

由表1，表2 可以看出，在MPC 控制模式下，A 側(cè)SCR 出口NOX濃度最大動(dòng)態(tài)偏差較PID 控制模式下降低約60%，標(biāo)準(zhǔn)差降低約50%；B 側(cè)SCR 出口NOX濃度最大動(dòng)態(tài)偏差較PID 控制模式下降低約40%，標(biāo)準(zhǔn)差降低約40%，控制性能提升非常明顯。

圖10 A 側(cè)MPC 控制效果

圖11 B 側(cè)MPC 控制效果

表2 MPC 控制模式下SCR 出口NOX控制指標(biāo)

4 結(jié)語

采用ASYM 的建模方式，在不影響SCR 裝置正常運(yùn)行的前提下，通過一次現(xiàn)場(chǎng)模型測(cè)試，即獲得1 000 MW 機(jī)組SCR 裝置被控對(duì)象的高精度模型，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的SCR 模型預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)投運(yùn)表現(xiàn)出良好的控制品質(zhì)，可長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

對(duì)比ASYM 建模方法的SCR 模型預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)和原PID 控制系統(tǒng)的實(shí)際投運(yùn)情況，可以看到：針對(duì)發(fā)電廠SCR 裝置特性設(shè)計(jì)的基于高精度模型的MPC 控制方案比傳統(tǒng)的PID 控制方案具有更好的控制效果，可以很好地解決復(fù)雜被控對(duì)象的大遲延、非線性、擾動(dòng)多等控制難題，在滿足國(guó)家環(huán)保要求的前提下，可以明顯提高SCR裝置出口NOX濃度設(shè)定值，降低噴氨量，有效抑制氨逃逸，不僅降低了SCR 運(yùn)行成本，還可以減少對(duì)下游空預(yù)器的不利影響。