SNCR煙氣脫硝系統(tǒng)多模型GPC-PID串級(jí)預(yù)測(cè)控制

白建云，雷秀軍

(1.山西大學(xué) 自動(dòng)化系，山西 太原 030013；2.山西大唐國(guó)際神頭發(fā)電有限責(zé)任公司，山西 朔州 036001)

0 引 言

選擇性非催化還原(SNCR)脫硝技術(shù)是循環(huán)流化床(CFB)機(jī)組煙氣脫硝(NOX)的主要方法。

在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，現(xiàn)有的SNCR脫硝控制策略存在還原劑的過(guò)量噴射、在變工況和受到干擾的情況下自動(dòng)控制策略不能快速響應(yīng)、氨逃逸增加以及空氣預(yù)熱器的腐蝕等問(wèn)題[1]。因此，對(duì)現(xiàn)有的SNCR脫硝控制策略進(jìn)行優(yōu)化是非常必要的。

目前，對(duì)于脫硝過(guò)程控制優(yōu)化的研究大多數(shù)集中在SCR脫硝系統(tǒng)上。賈斌等人針對(duì)SCR脫硝系統(tǒng)變工況運(yùn)行現(xiàn)狀，提出了基于內(nèi)?？刂婆c分階數(shù)PID(IMC-FOPID)控制器的多模型控制方法[2]。馮建榮等人通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)脫硝系統(tǒng)中的總噴氨閥門(mén)和各分管的閥門(mén)開(kāi)度進(jìn)行優(yōu)化，使脫硝系統(tǒng)更加穩(wěn)定經(jīng)濟(jì)運(yùn)行[3]。李勇等人采用三級(jí)串級(jí)復(fù)合控制系統(tǒng)，通過(guò)使用預(yù)測(cè)控制提高了系統(tǒng)的自動(dòng)投入率，實(shí)現(xiàn)了SCR脫硝系統(tǒng)的自動(dòng)控制[4]。蔣穎俊等人利用前饋方法與預(yù)測(cè)控制策略相結(jié)合，對(duì)SCR脫硝過(guò)程的噴氨量進(jìn)行優(yōu)化控制[5]。我國(guó)有大量學(xué)者將先進(jìn)的模型預(yù)測(cè)控制算法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法應(yīng)用到SCR脫硝系統(tǒng)中，并取得了可佳的效果，值得考慮將其控制思路用到SNCR脫硝系統(tǒng)上[6-8]。有較少數(shù)的學(xué)者研究了SNCR系統(tǒng)的控制策略優(yōu)化?？准t利用傳統(tǒng)邏輯算法對(duì)某垃圾焚燒發(fā)電廠的SNCR脫硝系統(tǒng)所用噴槍優(yōu)化控制[9]。斛亞旭針對(duì)SNCR脫硝系統(tǒng)，提出了基于子空間辨識(shí)的預(yù)測(cè)控制策略，為現(xiàn)場(chǎng)脫硝系統(tǒng)的自動(dòng)控制奠定基礎(chǔ)[10]。目前有絕大多數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行人員往往從SNCR脫硝系統(tǒng)的裝置、還原劑以及噴槍等的選擇方面進(jìn)行優(yōu)化脫硝系統(tǒng)[11-13]。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種多模型GPC-PID串級(jí)預(yù)測(cè)控制方法，解決了SNCR脫硝系統(tǒng)在變工況和受到干擾時(shí)，不能很好控制NOX濃度和氨逃逸等問(wèn)題。

1 多模型GPC-PID串級(jí)預(yù)測(cè)控制

本文針對(duì)各典型工況下SNCR脫硝系統(tǒng)，設(shè)計(jì)不同的廣義預(yù)測(cè)控制策略，其中：內(nèi)回路采用常規(guī)PID控制器對(duì)閥門(mén)開(kāi)度到尿素流量進(jìn)行控制，被控對(duì)象是尿素流量調(diào)節(jié)閥H(s)；外回路從尿素溶液流量到NOX排放濃度這一過(guò)程采用廣義預(yù)測(cè)控制器進(jìn)行控制，此過(guò)程用G(s)表示。多模型GPC-PID串級(jí)預(yù)測(cè)控制框圖如圖1所示。

圖1 多模型GPC-PID串級(jí)預(yù)測(cè)控制框圖

基于CARIMA模型GPC算法具有很強(qiáng)的魯棒性，適用于對(duì)變參數(shù)時(shí)變系統(tǒng)的控制[14]，其模型可以表達(dá)為：

A(z-1)y(k)=B(z-1)u(k-1)+C(z-1)ξ(k)/Δ

(1)

式中:y(k)、u(k)以及ξ(k)分別為系統(tǒng)的輸出、輸入和零均值的白噪聲序列;A(z-1)、B(z-1)和C(z-1)分別為z-1的多項(xiàng)式；Δ=1-z-1。

廣義預(yù)測(cè)控制算法中，通過(guò)在目標(biāo)函數(shù)中加入系統(tǒng)下一時(shí)刻與當(dāng)前時(shí)刻控制量u(k)之間的函數(shù)關(guān)系，提高了控制系統(tǒng)的魯棒性，考慮了后者對(duì)前者的影響，用式(2)表示目標(biāo)函數(shù)：

(2)

式中:n為最大的預(yù)測(cè)時(shí)域值，通常是大于B(z-1)的階數(shù)；m為控制時(shí)域(m≤n)；λ(j)為是控制加權(quán)系數(shù)。在控制的過(guò)程中，為了控制更加平滑，讓控制目標(biāo)變?yōu)檩敵鲋蹈檯⒖架壽E，而不是跟蹤設(shè)定值，其中參考軌跡的計(jì)算通過(guò)式(3)來(lái)完成。

w(k+j)=αjy(k)+(1-αj)yr(j=1,2,…,n)

(3)

式中:yr為設(shè)定值；y(k)和w(k)分別為控制器輸出和參考軌跡；α為柔化系數(shù),α的范圍是0<α<1。

y(k+j)=Ej(z-1)B(z-1)Δu(k+j-1)

+Fj(z-1)y(k)+Ej(z-1)ξ(k+j)

(4)

式(4)中包含了未來(lái)噪聲，在預(yù)測(cè)前一時(shí)刻輸出的時(shí)候可將其忽略，從而得出式(5)：

y(k+j)=Gj(z-1)Δu(k+j-1)+Fj(z-1)y(k)

(j=1,2,…,n)

(5)

將式(5)寫(xiě)成矩陣形式為:

除了高校自行創(chuàng)作藝術(shù)文化作品以外，還有受到地方政府或國(guó)家政策扶持的藝術(shù)文化作品創(chuàng)作。以河北農(nóng)業(yè)大學(xué)為例，2017年繼李保國(guó)教授去世后，電影《李保國(guó)》、電視連續(xù)劇《太行赤子李保國(guó)》在河北農(nóng)業(yè)大學(xué)相繼開(kāi)始拍攝。在拍攝過(guò)程中，我校學(xué)生通過(guò)參與影片的拍攝以及對(duì)李保國(guó)教授所帶來(lái)的影響的學(xué)習(xí)和感受，使得學(xué)校眾多學(xué)生，對(duì)李保國(guó)精神有了更深層次的理解，對(duì)“太行山精神”“太行山道路”與我校的聯(lián)系有了更深刻的認(rèn)識(shí)和感觸。

f=HΔu(k)+Fy(k)

(6)

其中:

F=[F1,F2,…,Fn]T

控制器在進(jìn)行滾動(dòng)優(yōu)化的過(guò)程中，每一個(gè)時(shí)刻都有一個(gè)局部最優(yōu)的目標(biāo)，每一次控制量的優(yōu)化都要進(jìn)行實(shí)際輸出與預(yù)測(cè)輸出之間的比較，然后進(jìn)行修正預(yù)測(cè)的不確定性。

2 仿真研究

通過(guò)采集試驗(yàn)機(jī)組連續(xù)3 d的負(fù)荷運(yùn)行數(shù)據(jù)，利用核密度估計(jì)法得出了試驗(yàn)機(jī)組的典型工況分別是170 MW、200 MW和260 MW。對(duì)試驗(yàn)機(jī)組SNCR脫硝系統(tǒng)做階躍擾動(dòng)試驗(yàn)，再?gòu)默F(xiàn)場(chǎng)DCS系統(tǒng)中采集開(kāi)環(huán)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用自適應(yīng)權(quán)重粒子群算法辨識(shí)出內(nèi)回路和外回路的傳遞函數(shù)模型，如表1所示。

表1 根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)得到的副對(duì)象和主對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性

從尿素溶液流量到NOX排放濃度的過(guò)程為SNCR脫硝系統(tǒng)的主回路，采用廣義預(yù)測(cè)控制器對(duì)其進(jìn)行控制。由于利用廣義預(yù)測(cè)控制算法必須采用CARIMA模型，因此必須將所得的傳遞函數(shù)模型進(jìn)行離散化，其采樣時(shí)間為1 s。離散后得到的CARIMA模型分別為：

(1)170 MW主回路模型

y(k)-3.964 7y(k-1)+5.920 5y(k-2)-3.948 5y(k-3)

+0.99y(k-4)=-0.302 4×10-7u(k-197)+0.147 9

×10-7u(k-198)+0.229 3×10-7u(k-199)

-0.101 5×10-7u(k-120)

(2)200 MW主回路模型

y(k)-3.964 8y(k-1)+5.920 5y(k-2)-3.948 6y(k-3)

+0.99y(k-4)=-0.314 5×10-7u(k-186)+0.147 5

×10-7u(k-187)+0.256 3×10-7u(k-188)

-0.101 6×10-7u(k-189)

(3)260 MW主回路模型

y(k)-3.964 5y(k-1)+5.920 8y(k-2)-3.949 2y(k-3)

+0.89y(k-4)=-0.324 5×10-7u(k-166)+0.157 2

×10-7u(k-167)+0.257 3×10-7u(k-168)

-0.101 1×10-7u(k-169)

2.1 各典型工況GPC-PID串級(jí)預(yù)測(cè)控制

利用MATLAB軟件編寫(xiě)算法程序以及控制框圖對(duì)主回路中各個(gè)典型工況的廣義預(yù)測(cè)控制器參數(shù)進(jìn)行不斷調(diào)整，最后得到最優(yōu)的控制器參數(shù)如表2所示。

表2 各個(gè)典型工況下GPC主控制器最優(yōu)參數(shù)

利用MATLAB軟件在Simulink里搭建串級(jí)PID控制框圖，副回路采用之前已經(jīng)設(shè)計(jì)好的PI控制器，之后對(duì)主回路的PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，最后經(jīng)過(guò)多次調(diào)整得到了主回路上PID的參數(shù)，結(jié)果如表3所示。

表3 各典型工況下PID主控制器最優(yōu)參數(shù)

利用MATLAB軟件下的Simulink環(huán)境，分別搭建170 MW、200 MW以及260 MW三種工況下的SNCR脫硝系統(tǒng)控制框圖，將兩種控制策略的NOX排放目標(biāo)都設(shè)為45 mg/Nm3。三種典型工況下兩種控制策略仿真曲線如圖2～圖4所示。

圖2 170 MW兩種控制策略對(duì)比曲線圖

圖3 200 MW兩種控制策略對(duì)比曲線圖

圖4 260 MW兩種控制策略對(duì)比曲線圖

從圖4可以看出，在工況為170 MW下利用GPC+PI串級(jí)控制器對(duì)SNCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)行控制的過(guò)程中不存在超調(diào)量，且上升時(shí)間也比常規(guī)串級(jí)控制PID要小。在系統(tǒng)運(yùn)行大約700 s時(shí)曲線趨于穩(wěn)定，而傳統(tǒng)串級(jí)PID控制策略在系統(tǒng)運(yùn)行大于2 000 s時(shí)曲線才趨于穩(wěn)定。同理，從200 MW、260 MW的仿真曲線看出，GPC+PI串級(jí)控制都優(yōu)于傳統(tǒng)插串級(jí)PID控制策略。綜上所述，GPC+PI控制策略可以快速響應(yīng)運(yùn)行工況的變化，與常規(guī)串級(jí)PID控制策略相比減少了超調(diào)量，縮短了上升時(shí)間和穩(wěn)定時(shí)間。

2.2 GPC-PID串級(jí)預(yù)測(cè)控制抗干擾性研究

將旋風(fēng)分離器的溫度、煤種以及尿素溶液與煙氣的混合程度等因素作為SNCR脫硝系統(tǒng)在控制過(guò)程中的內(nèi)部干擾。下面以煤種為例對(duì)兩種控制策略分別做擾動(dòng)試驗(yàn)，把煤種的變化轉(zhuǎn)化為階躍響應(yīng)為5的內(nèi)部干擾，在系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后的3 000 s時(shí)加入，觀察不同控制方法在各個(gè)典型工況的響應(yīng)曲線，如圖5～圖7所示。

圖5 170 MW SNCR脫硝系統(tǒng)抗內(nèi)擾響應(yīng)曲線

圖6 200 MW SNCR脫硝系統(tǒng)抗內(nèi)擾響應(yīng)曲線

圖7 260 MW SNCR脫硝系統(tǒng)抗內(nèi)擾響應(yīng)曲線

在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，可能存在對(duì)設(shè)定值的擾動(dòng)情況。因此，分別對(duì)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的三種典型工況SNCR脫硝控制系統(tǒng)，在3 000 s時(shí)將設(shè)定值突然增加5 mg/Nm3，觀察各個(gè)工況下系統(tǒng)的響應(yīng)曲線。三種典型工況下的設(shè)定值擾動(dòng)輸出曲線如圖8～圖10所示。

圖8 170 MW SNCR脫硝系統(tǒng)設(shè)定值擾動(dòng)響應(yīng)曲線

從圖6～圖8得出，常規(guī)控制方法的超調(diào)量大和調(diào)節(jié)時(shí)間比GPC+PI控制策略要慢，基于GPC+PI的控制方法具有更小的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間，SNCR脫硝過(guò)程的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能較好。從圖8～圖10可以看出，不管哪種典型工況，當(dāng)系統(tǒng)受到設(shè)定值干擾時(shí)，GPC+PI控制策略在調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量都優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制策略。

圖9 200 MW SNCR脫硝系統(tǒng)設(shè)定值擾動(dòng)響應(yīng)曲線

圖10 260 MW SNCR脫硝系統(tǒng)設(shè)定值擾動(dòng)響應(yīng)曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于GPC+PI的控制策略，并在MATLAB軟件中構(gòu)建離線仿真系統(tǒng)，對(duì)SNCR脫硝系統(tǒng)進(jìn)行研究。結(jié)果表明：GPC+PI控制策略具有較強(qiáng)的抗干擾能力和對(duì)模型的適配能力，使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能和動(dòng)態(tài)性能優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制方法；使帶有大慣性、大遲延和時(shí)變特性的SNCR脫硝系統(tǒng)有了一種快速穩(wěn)定的控制能力，并且控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)。對(duì)實(shí)際運(yùn)行的350 MW循環(huán)流化床機(jī)組SNCR脫硝系統(tǒng)控制策略的改進(jìn)具有指導(dǎo)意義。