基于NO_x預測與均衡脫硝的智能噴氨系統(tǒng)優(yōu)化控制及應用

摘要：針對目前基于釩鈦型催化劑的脫硝技術(shù)存在的局限性，基于NOx預測與均衡脫硝的預測控制算法，對脫硝噴氨控制系統(tǒng)進行了優(yōu)化，提高了噴氨控制對脫硝煙氣來流NOx變化的抗干擾能力，具備精細化調(diào)整噴氨量的能力，通過噴氨總量的控制優(yōu)化和噴氨分區(qū)的精細控制，減少SCR出口NOx在時間上的波動和空間上的濃度分布偏差，降低用氨量，延長催化劑使用壽命，提高機組運行的安全可靠性。

關(guān)鍵詞：噴氨預測;均衡脫硝;總量優(yōu)化;先進控制

1 研究背景

隨著我國環(huán)保要求的日益嚴格以及執(zhí)法力度的不斷加強，相關(guān)企業(yè)對燃煤鍋爐NOx進行深度脫除控制勢在必行。目前基于釩鈦型催化劑的脫硝技術(shù)存在以下問題：

（1）鑒于NOx測量的時變性和滯后性，傳統(tǒng)PID控制方法總有延遲，容易導致機組工況大幅變化時SCR出口NOx波動劇烈，運行人員為避免由于SCR出口NOx不穩(wěn)定造成環(huán)?？己顺瑯?，往往采用降低出口NOx濃度控制目標值的方式，這樣將導致過量噴氨，不僅增加了氨消耗量，而且使整個脫硝SCR系統(tǒng)各設(shè)備長期超負荷運行。

（2）由于煙氣濃度場、速度場分布不均勻，以單一噴氨調(diào)閥為主的分布式格柵無法實現(xiàn)精細化噴氨，局部區(qū)域氨逃逸偏大，硫酸氫氨不僅粘結(jié)在催化劑表面影響脫硝效率，而且容易引起空氣預熱器腐蝕和堵塞，導致引風機運行存在安全隱患，增加耗電量。此外，由于出口NOx濃度不均勻，無法代表整個反應器截面氮氧化物的濃度值，對脫硝控制產(chǎn)生不利影響。

本文著重研究兩個問題：一是根據(jù)工況變化精準預測SCR出口NOx濃度;二是實現(xiàn)分區(qū)域精細化均衡噴氨控制。

2 技術(shù)路線

2.1? ? 噴氨總量先進控制算法

首先建立精準的入口NOx預測模型，在表計之前預測出入口的NOx濃度值。通過入口NOx軟測量技術(shù)，預測入口NOx濃度變化情況，并作為噴氨前的重要參數(shù)參與到噴氨總量的閉環(huán)控制中，解決了入口NOx測量滯后的問題。此外，通過試驗得到不同負荷下的SCR反應器的傳遞函數(shù)，進而有針對性地實施控制算法模型。該算法能逐步累積測試得到的數(shù)據(jù)，自動學習，實現(xiàn)工況變化時的快速判斷調(diào)整，能夠根據(jù)數(shù)據(jù)變化趨勢及時發(fā)現(xiàn)SCR裝置的堵塞、磨損、失效等問題，并及時調(diào)整運行方式，最終實現(xiàn)SCR系統(tǒng)的智能、精準控制。

2.2? ? 高可靠、低維護量的NOx分區(qū)測量系統(tǒng)

超低排放項目投運后，出口NOx濃度很低，基于紅外原理的分析儀由于檢出限、測量精度等問題，根本無法保障測量數(shù)值的準確性。因此，必須采用更先進的NOx測量技術(shù)，才能為噴氨控制提供準確可靠的數(shù)據(jù)支持。

2.3? ? 基于歷史數(shù)據(jù)分析的智能噴氨格柵均衡脫硝控制算法

智能噴氨格柵均衡脫硝控制算法不僅考慮了出口NOx的實時測量值，還結(jié)合出口NOx的歷史數(shù)據(jù)，提出了基于噴氨擴散模型、催化劑性能場模型的最佳出口NOx均衡控制模型。構(gòu)建噴氨格柵調(diào)門與出口NOx濃度分布的數(shù)值關(guān)系，優(yōu)化服務器將均衡控制算法得到的控制策略通過以太網(wǎng)通信方式傳輸給DCS系統(tǒng)，由DCS系統(tǒng)發(fā)出各分區(qū)調(diào)節(jié)閥門的開度調(diào)節(jié)指令，從而實現(xiàn)分區(qū)調(diào)平的控制要求。

整體方案示意圖如圖1所示。

3 建立模型和生成控制方案

在SPSS-PSO-SVM混合模型中，SPSS對數(shù)據(jù)進行篩選處理，以SVM為預測模型，并結(jié)合粒子群優(yōu)化算法尋找最優(yōu)參數(shù)，以獲得較好的預測精度。SPSS-PSO-SVM模型由三個部分組成，分別為：SPSS主成分提取，以消除變量之間的相關(guān)性，同時去除影響較小的變量，以免造成結(jié)論偏差;粒子群優(yōu)化PSO，獲得最優(yōu)參數(shù)組合，以達到最優(yōu)的預測精度;SVM的Matlab仿真，旨在預測當前時刻鍋爐出口的NOx含量，進而制定噴氨量。SPSS-PSO-SVM模型如圖2所示。

3.1? ? SPSS主成分分析

設(shè)原始變量矩陣X是由p個向量組合而成，記為X=（X1，X2，…，Xp），則主成分矩陣Y由下列向量組成，滿足公式Y(jié)i=bi1X1+bi2X2+…+bipXp。

主成分的提取系數(shù)并不能通過SPSS直接得到，但是可得到基于主成分分析的因子載荷矩陣ξ=（ξi1，ξi2，…，ξip），設(shè)提取q個公因子，提取的因子模型可表示為：

3.4? ? 控制方案生成

經(jīng)過SPSS-PSO-SVM混合模型數(shù)據(jù)篩選和算法尋優(yōu)，該系統(tǒng)逐步累積測試得到的數(shù)據(jù)，結(jié)合燃燒器組合、燃料變化時的快速判斷調(diào)整，能夠根據(jù)數(shù)據(jù)變化趨勢及時發(fā)現(xiàn)SCR裝置的堵塞和磨損失效等問題，不斷完善入口NOx軟測量技術(shù)，作為前饋參與到噴氨總量的閉環(huán)控制中，及時調(diào)整運行方式，最終實現(xiàn)SCR系統(tǒng)的智能、精細控制。噴氨總量先進控制系統(tǒng)原理如圖3所示。

3.5? ? 均衡控制系統(tǒng)的研發(fā)

因SCR出口測點布置位置總體與上游現(xiàn)有的噴氨格柵物理位置對應，各個分區(qū)與相鄰區(qū)域因噴氨流場擴散存在一定的交錯重疊區(qū)域，則根據(jù)動態(tài)調(diào)試試驗的結(jié)果確定各分區(qū)噴氨格柵開度對下游各個對應測點和相鄰測點的影響因子，實現(xiàn)分區(qū)SCRMIMO系統(tǒng)調(diào)平時的控制解耦。根據(jù)一年的歷史數(shù)據(jù)分析催化劑局部損壞、失效等問題的同時，對于NOx濃度不隨噴氨流量變化的NOx濃度分區(qū)進行失效模式判斷并報警，要求人工介入分析處理。均衡控制原理如圖4所示。

4 應用效果及展望

實施噴氨總量先進控制后，在全負荷工況下有效降低了出口NOx和總排口NOx的波動性，本控制系統(tǒng)通過不同負荷下建立多模型，增強了對于低負荷運行情況下SCR出口NOx的適應性，能夠有效保證低負荷下SCR自動投入率，實現(xiàn)了在預測控制下的節(jié)能效果。噴氨總量優(yōu)化控制前如圖5所示，噴氨總量優(yōu)化控制后如圖6所示。

根據(jù)江蘇方天電力技術(shù)有限公司現(xiàn)場做的《江蘇國信靖江發(fā)電有限公司#1機組脫硝系統(tǒng)性能試驗報告》顯示，實施了本項技術(shù)改造后，#1機組脫硝相關(guān)參數(shù)（表1）均達到了預期效果。

#1機組在600 MW、500 MW、400 MW、330 MW 4個負荷工況下，脫硝系統(tǒng)A側(cè)反應器出口NOx濃度相對標準偏差分別為10.79%、9.5%、7.76%、11.68%，均低于噴氨系統(tǒng)改造前的18.81%;脫硝系統(tǒng)B側(cè)反應器出口NOx濃度相對標準偏差分別為10.55%、9.54%、8.26%、11.89%，均低于噴氨系統(tǒng)改造前的45.36%，脫硝噴氨系統(tǒng)改造后A、B側(cè)反應器出口NOx濃度分布比較均勻，相對標準偏差均低于15%。在4個負荷下測得的氨逃逸量均低于3×10-6，未出現(xiàn)氨逃逸超標區(qū)域。脫硝噴氨系統(tǒng)改造后，脫硝系統(tǒng)A、B側(cè)反應器出口NOx流場均勻性有較大提高，減少了局部噴氨量過高的現(xiàn)象，從而有效降低了氨逃逸量。

5 結(jié)語

在中國電力企業(yè)聯(lián)合會組織的科技成果鑒定會上，與會專家一致認為本文介紹的技術(shù)利用SPSS-PSO-SVM混合方法構(gòu)建了精準的SCR入口NOx濃度預測模型，實現(xiàn)了出口NOx濃度精準控制;該技術(shù)研究了分區(qū)噴氨控制閥門與SCR出口NOx濃度均衡性之間的耦合關(guān)系，能在大范圍工況變動情況下將SCR出口截面NOx濃度不均勻度控制在12%以內(nèi)，氨逃逸低于3×10-6，經(jīng)濟效益顯著。目前此技術(shù)已在我集團內(nèi)部進行推廣，取得了良好的綜合效益。

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收稿日期：2020-03-08

作者簡介：錢勇武（1973—），男，江蘇泰州人，高級工程師，研究方向：大型燃煤發(fā)電機組生產(chǎn)自動化管理。