水泥生產(chǎn)線SNCR過(guò)程復(fù)合控制

張峰亮，高雪清（.浙江尖峰水泥有限公司，浙江 金華 3000；.武漢理工大學(xué)光纖傳感國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430070）

0 引言

進(jìn)入二十一世紀(jì)，國(guó)家強(qiáng)調(diào)推進(jìn)綠色產(chǎn)業(yè)可持續(xù)性發(fā)展，加強(qiáng)對(duì)高能產(chǎn)業(yè)環(huán)保排放的監(jiān)控力度。水泥熟料生產(chǎn)中產(chǎn)生的大量NOx，采用選擇性非催化還原反應(yīng)SNCR是水泥企業(yè)目前最常采用的脫硝方法，在保證廢氣排放達(dá)到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，要最大程度避免氨逃逸，以降低生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)成本和氨逃逸所造成的設(shè)備腐蝕及對(duì)大氣的二次污染。SNCR工藝上要求，作為還原劑的濃度為21%的氨水宜在在水泥窯預(yù)熱器C5所具備的900℃左右的環(huán)境下與廢氣中的NOx發(fā)生還原反應(yīng)[1]。由于NOx的檢測(cè)與還原反應(yīng)區(qū)域間流程長(zhǎng)（在SNCR完成后，廢氣經(jīng)由預(yù)熱器、收塵器達(dá)到尾排煙囪，在窯尾煙囪處對(duì)NOx進(jìn)行在線實(shí)時(shí)檢測(cè)），脫硝系統(tǒng)中廢氣排放的NOx信號(hào)存在嚴(yán)重的信號(hào)滯后，采用常規(guī)的PID控制很難達(dá)到好的控制效果[2]。

對(duì)于SNCR脫硝工藝是這樣一個(gè)長(zhǎng)流程、大滯后的控制對(duì)象[3]。通過(guò)建立受控對(duì)象的預(yù)估器是解決控制系統(tǒng)反饋信號(hào)滯后的有效方法[4]，本文中以最小二乘估計(jì)建立一個(gè)初始的多元線性NOx模型，對(duì)廢氣中NOx超前預(yù)估，以NOx反饋值與預(yù)測(cè)值誤差對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，以克服參數(shù)時(shí)變性對(duì)NOx排放預(yù)估的影響，設(shè)計(jì)一種旨在克服預(yù)估殘差的模糊控制器，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)NOx排放的超前控制。系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖1。

圖1 NOx排放控制系統(tǒng)框圖

1 廢氣NOx數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)

水泥熟料生產(chǎn)過(guò)程中，廢氣中的NOx主要有兩種產(chǎn)生類型：燃料型NOx和熱力型NOx[5]。其中，燃料型NOx是燃料和原料中所含的氮氧化物所形成；熱力型NOx是在溫度高于1500℃以上，大量助燃空氣中的氮在高溫下被氧化產(chǎn)生的。在水泥熟料生產(chǎn)過(guò)程中，分解爐內(nèi)主要是原料和燃料產(chǎn)生的燃料型NOx，水泥窯內(nèi)不僅產(chǎn)生燃料型NOx更主要的是產(chǎn)生熱力型NOx。NOx的產(chǎn)生受到諸如窯況、產(chǎn)量、風(fēng)溫、風(fēng)壓、喂煤量等許多因素影響，這些因素相互耦合，具有非線性、慢時(shí)變的特性，實(shí)際中難以對(duì)生產(chǎn)過(guò)程廢氣中的NOx建立一個(gè)確定的數(shù)學(xué)模型加以描述。

不難看出，分解爐內(nèi)的尾煤和產(chǎn)量是燃料型NOx產(chǎn)生的直接因素；窯尾高溫氣體分析儀檢測(cè)的NO則綜合體現(xiàn)了窯內(nèi)燃料型和熱力型NOx產(chǎn)生的狀況；而SNCR還原區(qū)域內(nèi)的CO、O2、溫度及壓力則是表征窯內(nèi)還原氣氛和脫硝效率的主要因素。通過(guò)以上分析，可以得知廢氣中NOx排放是尾煤、產(chǎn)量、高溫氣體分析儀的NO、CO、O2、還原反應(yīng)區(qū)域溫度、壓力的相關(guān)函數(shù)。

1.1 最小二乘估計(jì)參數(shù)估計(jì)

在過(guò)程控制中，即使是連續(xù)生產(chǎn)過(guò)程，操作經(jīng)常是處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此在這種情況下只需要考慮輸入變量和輸出變量之間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系就行了[6]。對(duì)于脫硝過(guò)程，其廢氣中的NOx含量在一定的時(shí)域范圍內(nèi)，是由相關(guān)變量所決定的。廢氣中的NOx含量可由（1）（2）（3）式描述：

（1）式中，y是廢氣中NOx排放值。

（2）式中，M為尾煤給煤量，U為產(chǎn)量，NO，CO，O2為NO，CO，O2氣體分析儀檢測(cè)參數(shù)；T、P為還原反應(yīng)區(qū)域溫度和壓力；（3）式中ai(i=1,2,…7)為相關(guān)系數(shù)。

按照最小二乘估計(jì)方法，可以離線采集N組輸入輸出數(shù)據(jù)，得到：

由式（4）可以得到模型相關(guān)系數(shù)。

實(shí)驗(yàn)中取N=1000，得到相關(guān)系數(shù)

以相關(guān)系數(shù)和生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)獲得的NOx預(yù)測(cè)值=φTθ與實(shí)測(cè)排放值比對(duì)曲線見(jiàn)圖2。

圖2 NOx預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值波形

通過(guò)圖2可見(jiàn)預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值總體趨勢(shì)基本一致，預(yù)測(cè)值趨勢(shì)上超前實(shí)測(cè)值約3min，不足之處是在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，各個(gè)相關(guān)變量對(duì)NOx的產(chǎn)生和影響，存在著不確定的漸變，前期通過(guò)靜態(tài)數(shù)據(jù)記錄得到的相關(guān)系數(shù)逐漸失真。

1.2 遞推預(yù)測(cè)廢氣中NOx

對(duì)于相關(guān)系數(shù)漸變的數(shù)學(xué)模型，采用遞推最小二乘法，每取得一個(gè)NOx排放實(shí)測(cè)值，通過(guò)與排放預(yù)測(cè)值的比較，對(duì)相關(guān)系數(shù)進(jìn)行修正，從而保證修正后的模型不斷逼近真實(shí)情況。通過(guò)理論推導(dǎo)可得（5）：

（7）式中，WN為正定矩陣，表征相關(guān)變量的權(quán)重，在工程中，采用簡(jiǎn)便的處理方法，取：

通過(guò)遞推最小二乘估計(jì)遞推算法得到的預(yù)估參數(shù)，計(jì)算得到對(duì)尾氣中NOx的估算值，與實(shí)際值相比較得到數(shù)據(jù)曲線，見(jiàn)圖3。

圖3 遞推最小二乘估計(jì)對(duì)NOx預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值波形

可見(jiàn)，采用遞推最小二乘估計(jì)預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值趨勢(shì)一致，在時(shí)域上，預(yù)測(cè)值總體超前實(shí)測(cè)值約3～40min，最主要的優(yōu)勢(shì)在于，采用遞推最小二乘估計(jì)可以自適應(yīng)于窯況變化而帶來(lái)的相關(guān)系數(shù)的變化，保證預(yù)估值與實(shí)測(cè)值逼近。

2 模糊控制器

從圖3中可以看出，雖然實(shí)測(cè)值與預(yù)估值總體趨勢(shì)上同步，但或大或小存在著殘差，控制系統(tǒng)單憑預(yù)測(cè)值來(lái)進(jìn)行氨水調(diào)節(jié)無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)NOx排放的精準(zhǔn)控制，對(duì)于難以建立其精確數(shù)學(xué)模型的問(wèn)題，不便于用傳統(tǒng)的控制方法進(jìn)行控制，而采用一類簡(jiǎn)單實(shí)用的模糊控制器，卻能收到相當(dāng)滿意的控制效果[7]。

2.1 隸屬度函數(shù)

將控制偏差E按（0，±50，±100，±150）×10-6將E劃分為7個(gè)等級(jí)，該論域模糊語(yǔ)言描述為NB、NM、NS、O、PS、PM、PB，則有：

對(duì)于實(shí)時(shí)采集的模擬量，通過(guò)對(duì)應(yīng)的隸屬函數(shù)（10）-（11）、（17）-（18）、（29）-（30），完成模擬量由基本論域向模糊論域的轉(zhuǎn)換。

2.2 模糊控制輸出

對(duì)于氨水調(diào)節(jié)增量，歸納出模糊控制規(guī)則，通過(guò)模糊計(jì)算規(guī)則，得到模糊控制器輸入E和?與控制器輸出?C的模糊關(guān)系矩陣?。由模糊控制合成規(guī)則，氨水調(diào)節(jié)增量?C可由（31）式求得：

xi所對(duì)應(yīng)的模糊論域?yàn)椋篘B,NM,NS,O,PS,PM,PB。μ?C是各個(gè)論域?qū)?yīng)的隸屬度，根據(jù)隸屬度最大值原則，?C中最大隸屬度所對(duì)應(yīng)的模糊論域即為當(dāng)前模糊控制器的輸出值。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)論

SNCR復(fù)合控制系統(tǒng)通過(guò)建立廢氣中氮氧化物排放的數(shù)學(xué)模型，即時(shí)感知氮氧化物排放濃度的變化趨勢(shì)，結(jié)合反饋信號(hào)的氮氧化物實(shí)際排放濃度，精準(zhǔn)調(diào)節(jié)氨水噴給量，實(shí)現(xiàn)SNCR生產(chǎn)過(guò)程模糊控制。對(duì)廢氣中的氮氧化物小時(shí)均值排放，以排放期望值為基準(zhǔn)，精度達(dá)到±10×10-6，很好滿足實(shí)際工作的需要。復(fù)合控制系統(tǒng)的實(shí)施，實(shí)現(xiàn)了：

（1）生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化，復(fù)合控制系統(tǒng)的實(shí)施過(guò)程，無(wú)需人工干預(yù)，極大地減小了人員的工作強(qiáng)度；

（2）控制過(guò)程精確化，復(fù)合控制系統(tǒng)的輸出與期望值趨于一致，減少了氨逃逸，避免了生產(chǎn)過(guò)程對(duì)大氣造成的二次污染同時(shí)減少了對(duì)過(guò)程設(shè)備的腐蝕，降低了設(shè)備運(yùn)營(yíng)成本；

（3）產(chǎn)品制造效益化，精準(zhǔn)的控制，降低了環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)控制裕量，使得水泥噸熟料氨水消耗降低，直接帶來(lái)生產(chǎn)成本的降低。

水泥生產(chǎn)中的脫硝處理，從降耗的角度可采取工藝和控制方法加以優(yōu)化，在大力提倡制造業(yè)可持續(xù)性發(fā)展、生產(chǎn)過(guò)程智能化的今天，SNCR復(fù)合控制系統(tǒng)將人工經(jīng)驗(yàn)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，通過(guò)數(shù)學(xué)建模和模糊控制手段，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程精準(zhǔn)控制，達(dá)到降低環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)控制裕量，降低了生產(chǎn)過(guò)程成本。SNCR復(fù)合控制系統(tǒng)所采用的控制方式，對(duì)水泥建材行業(yè)進(jìn)行技術(shù)改造、產(chǎn)業(yè)升級(jí)具有廣闊的應(yīng)用前景。