基于DMC的SCR煙氣脫硝系統(tǒng)的預測控制探析

摘"要：自工業(yè)快速發(fā)展以來，環(huán)境污染問題日益嚴峻，特別是氮氧化物（NOx）排放量持續(xù)增加，對大氣環(huán)境造成嚴重影響。為積極響應國家環(huán)保政策，推動工業(yè)綠色發(fā)展，SCR煙氣脫硝系統(tǒng)的廣泛應用已成為趨勢，實現(xiàn)SCR系統(tǒng)的精確控制與高效運行、提升脫硝效率并減少氨逃逸等問題已迫在眉睫?；诖?，本文將簡要探討基于DMC的SCR煙氣脫硝系統(tǒng)預測控制策略，從基于DMC的SCR脫硝工藝著手分析，探討基于DMC的SCR煙氣脫硝系統(tǒng)數(shù)據(jù)預處理流程，并對預測控制詳細探尋，旨在為SCR煙氣脫硝系統(tǒng)的智能化、精準化控制提供理論依據(jù)，以促進工業(yè)綠色轉(zhuǎn)型。

關(guān)鍵詞：DMC；SCR煙氣脫硝；系統(tǒng)預測

Abstract：Since"the"rapid"development"of"industry，environmental"pollution"has"become"increasingly"severe，especially"the"continuous"increase"in"nitrogen"oxide（NOx）emissions，which"have"a"serious"impact"on"the"atmospheric"environment.In"order"to"actively"respond"to"national"environmental"policies"and"promote"green"industrial"development，the"widespread"application"of"SCR"flue"gas"denitrification"systems"has"become"a"trend.It"is"urgent"to"achieve"precise"control"and"efficient"operation"of"SCR"systems，improve"denitrification"efficiency，and"reduce"ammonia"escape.Based"on"this，the"predictive"control"strategy"of"DMC"based"SCR"flue"gas"denitrification"system"will"be"briefly"discussed.Starting"from"the"analysis"of"DMC"based"SCR"denitrification"process，the"data"preprocessing"process"of"DMC"based"SCR"flue"gas"denitrification"system"will"be"explored，and"the"predictive"control"will"be"explored"in"detail.The"aim"is"to"provide"theoretical"basis"for"the"intelligent"and"precise"control"of"SCR"flue"gas"denitrification"system，and"promote"industrial"green"transformation.

Keywords：DMC;SCR"flue"gas"denitrification;System"prediction

氮氧化物（NOx）作為大氣中主要污染物，其排放量控制已成為焦點問題。DMC作為一種先進預測控制算法，通過模型預測、滾動優(yōu)化和反饋校正等機制，可有效應對SCR系統(tǒng)中非線性、時變性及不確定性，實現(xiàn)對噴氨量等關(guān)鍵參數(shù)的準確控制。通過在線滾動優(yōu)化和實時反饋校正，實現(xiàn)對控制變量的動態(tài)調(diào)整，使系統(tǒng)在不同工況下均可保持良好的脫硝性能。為此，通過系統(tǒng)闡述DMC控制原理及其在SCR系統(tǒng)中的應用，分析其在提升脫硝效率等方面的作用機制，以實現(xiàn)社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展［1］。

1"基于DMC的SCR脫硝工藝

SCR（選擇性催化還原）脫硝系統(tǒng)在融入DMC（動態(tài)矩陣控制）策略后，對氨氣噴射量脫硝效果進行準確控制。借助催化劑，在200～450℃范圍內(nèi)，將煙氣中氮氧化物（NOx）及噴入還原劑，如氨氣（NH3）選擇性還原成無害的氮氣（N2）和水（H2O）。DMC控制策略通過對預測模型進行構(gòu)建，對每個控制周期內(nèi)滾動優(yōu)化氨氣噴射量進行合理控制，將NOx排放控制在最低數(shù)值，使系統(tǒng)高效穩(wěn)定運行。通過實時反饋校正，DMC還可對預測模型進行修正處理，以便SCR脫硝系統(tǒng)可應對不同工況變化，從而實現(xiàn)精準脫硝。SCR反應過程如表1所示：

在SCR脫硝系統(tǒng)實際運行過程中，主要是借助催化劑促進氨氣與氮氧化物（NOx）的高效還原反應，生成無害氮氣和水，但存在一定副反應，將削弱系統(tǒng)對NOx的脫除能力，降低了脫硝效率，還會產(chǎn)生N2O、N2、O3等污染物。

在SCR脫硝過程中，除生成氮氣及水外，還會產(chǎn)生如NH14HSO4和（NH4）2SO4等銨鹽副產(chǎn)品，銨鹽在催化劑層上的沉積會形成堵塞，限制反應氣體與催化劑活性位點接觸，降低催化劑的轉(zhuǎn)化效率，表明系統(tǒng)需更多氨氣或更高反應條件方可達到同樣脫硝效果，還將增加運行成本。

2"基于DMC的SCR煙氣脫硝系統(tǒng)數(shù)據(jù)預處理流程

2.1"異常點檢測

在SCR脫硝裝置上安裝高精度傳感器，可對煙氣溫度、NOx濃度、氨氣噴射量、煙氣流量等參數(shù)數(shù)據(jù)實時掌握。其中煙氣溫度如350℃、400℃等，NOx濃度如100mg/Nm3、150mg/Nm3等，氨氣噴射量為20kg/h、30kg/h等，煙氣流量如10000Nm3/h、12000Nm3/h等。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)數(shù)據(jù)特性及系統(tǒng)要求，可選擇Zscore等方法，并設(shè)置閾值，將預處理后的數(shù)據(jù)輸入選定異常點檢測算法中，執(zhí)行檢測過程。算法會根據(jù)設(shè)定參數(shù)及數(shù)據(jù)特性，對異常點進行準確識別。

可直接從數(shù)據(jù)集中處將異常點刪除，以免對數(shù)據(jù)分析或控制策略產(chǎn)生影響；還可在數(shù)據(jù)集中處將異常點標注出來，為數(shù)據(jù)分析及核對審查提供便利；還可對異常點進行修正處理，使其控制在正常操作范圍，以免出現(xiàn)誤差。在異常點檢測過程中，檢測到煙氣溫度為550℃，此時溫度超出工作溫度范圍，當NOx濃度為1500mg/Nm3時，遠高于排放標準，此類異常數(shù)據(jù)點將被系統(tǒng)準確識別、標記，以便準確剔除［2］。

2.2"濾波去噪

在濾波開始前，需對所采集到的數(shù)據(jù)進行噪聲分析，以準確掌握噪聲類型、頻率分布及強度等特性，結(jié)合噪聲分析情況，選擇濾波算法。在SCR煙氣脫硝系統(tǒng)中，還需將系統(tǒng)狀態(tài)低頻變化趨勢進行保留，并去除高頻噪聲，設(shè)置截止頻率，如5Hz，以濾除高于該頻率的噪聲成分。將采集到的數(shù)據(jù)輸入選定濾波算法中，進行濾波去噪處理。濾波算法會根據(jù)設(shè)置參數(shù)及噪聲特性，對數(shù)據(jù)進行平滑處理，以消除或減弱噪聲成分。經(jīng)過濾波去噪處理后的數(shù)據(jù)，將輸出到DMC控制算法中，為脫硝控制予以便利，可反映SCR脫硝系統(tǒng)的實際運行狀態(tài)，從而提高控制算法效果。濾波去噪如表2所示：

從表2中可以看出，原始煙氣溫度數(shù)據(jù)存在微小波動，但通過濾波處理后，溫度數(shù)據(jù)變得更為穩(wěn)定，每個數(shù)據(jù)點均調(diào)整為350℃。原始NOx濃度數(shù)據(jù)也存在一定波動，但在濾波去噪后，所有濃度值均被調(diào)整為100mg/Nm3，使數(shù)據(jù)準確性得到保證。

2.3"數(shù)據(jù)標準化

按照數(shù)據(jù)特性及系統(tǒng)要求，選擇Minmax標準化或是Zscore標準化等方法，其中Minmax標準化是指將數(shù)據(jù)縮放到0～1區(qū)間內(nèi)。Minmax、Zscore標準化公式為：

式（10）中，μ為原始數(shù)據(jù)均值，σ為原始數(shù)據(jù)標準差，將采集到的原始數(shù)據(jù)按照選定標準化方法進行轉(zhuǎn)換。對于Minmax標準化，需要找出數(shù)據(jù)集中最小值和最大值，對于Zscore標準化，則需要計算數(shù)據(jù)均值及標準差。將標準化后的數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)分析或控制策略優(yōu)化流程中，要求標準化后的數(shù)據(jù)具有統(tǒng)一分布特性，以便進行跨時間、跨設(shè)備的數(shù)據(jù)比較及分析。且標準化后的數(shù)據(jù)應保存相應參數(shù)信息，以便對數(shù)據(jù)進行還原或重新標準化處理［3］。

3"基于DMC的SCR煙氣脫硝系統(tǒng)預測控制分析

3.1"預測模型構(gòu)建

從SCR脫硝系統(tǒng)實際運行中采集大量數(shù)據(jù)，如噴氨流量、煙氣溫度、催化劑活性、煙氣流量以及凈煙氣NOx濃度等。對收集到的數(shù)據(jù)進行清洗，去除異常值和噪聲，清洗后煙氣流量在500000～1500000Nm3/h區(qū)間內(nèi)，煙氣溫度范圍在280～420℃范圍內(nèi)，入口NOx濃度在300～600mg/Nm3區(qū)間內(nèi)，噴氨量在50～200kg/h范圍內(nèi)，出口NOx濃度在40～80mg/Nm3范圍內(nèi)。

使用驗證數(shù)據(jù)集對構(gòu)建的預測模型進行驗證，按照驗證結(jié)果對模型參數(shù)及結(jié)構(gòu)進行調(diào)試，以提高預測準確性。還可采用系統(tǒng)辨識方法構(gòu)建SCR脫硝系統(tǒng)預測模型，將辨識得到的預測模型與實際數(shù)據(jù)進行對比驗證，對模型預測精度及泛化能力進行評估預測，如果模型預測誤差較大，需對模型參數(shù)優(yōu)化調(diào)整，或重復進行優(yōu)化操作。

3.2"滾動優(yōu)化

在滾動優(yōu)化階段，DMC算法需根據(jù)預測模型對SCR脫硝系統(tǒng)輸出情況進行預測，設(shè)預測時域N為10個采樣周期，控制時域M為3個采樣周期（M≤N），將凈煙氣NOx濃度控制在設(shè)定值范圍內(nèi)。將采樣時刻看作是k，DMC算法可根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)及預測模型，對k+1—k+10采樣周期凈煙氣NOx濃度進行確認。在此基礎(chǔ)上，算法會構(gòu)建一個優(yōu)化問題，在滿足系統(tǒng)標準前提下，對k、k+1、k+2這3個采樣周期噴氨流量進行計算，使得預測輸出值與設(shè)定值相近［4］。

DMC算法會得到Δu（k）、Δu（k+1）、Δu（k+2）這3個采樣周期內(nèi)最優(yōu)噴氨流量增量序列，算法將當前采樣周期最優(yōu)噴氨流量增量Δu（k）加到上一采樣周期噴氨流量上，從而可準確得到當前采樣周期噴氨流量設(shè)定值，并將其應用于SCR脫硝系統(tǒng)。在k+1采樣時刻，DMC算法會重復計算步驟，根據(jù)新的系統(tǒng)狀態(tài)及最新預測信息，重新進行預測及優(yōu)化，以得到新的最優(yōu)控制輸入量，通過滾動優(yōu)化機制使得DMC算法可有效適應系統(tǒng)動態(tài)變化，提高控制精度。

3.3"反饋校正

在基于DMC的SCR煙氣脫硝系統(tǒng)預測控制中，反饋校正環(huán)節(jié)是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性及優(yōu)化性能的主要環(huán)節(jié)。反饋校正通過實時采集SCR出口NOx濃度，與模型預測值進行比較，以此為依據(jù)調(diào)整如噴氨量等控制輸入，以減小模型預測誤差，提高控制精度?；陬A測誤差及系統(tǒng)動態(tài)特性，結(jié)合預設(shè)校正策略計算反饋校正量，可體現(xiàn)反饋校正準確性，可按照系統(tǒng)實際表現(xiàn)與預期目標的差距，動態(tài)調(diào)整控制輸入，以趨近目標值。將計算得到的反饋校正量加入原控制輸入中，得到新的控制輸入。這一操作可實現(xiàn)對控制輸入實時調(diào)整，使系統(tǒng)可快速響應實際工況的變化，以提高控制穩(wěn)定性［5］。

預測誤差作為反饋校正依據(jù)，可體現(xiàn)模型預測與實際輸出之間存在的偏差。為消除這一偏差并優(yōu)化控制性能，DMC控制器會利用一定的校正策略，如引入增益系數(shù)k來計算反饋校正量，得到反饋校正量后，DMC控制器會將其加入原控制輸入中，得到新的控制輸入。這一過程實現(xiàn)了對控制輸入的動態(tài)調(diào)整，旨在使系統(tǒng)輸出更接近設(shè)定目標。新的控制輸入被應用于SCR脫硝系統(tǒng)，以調(diào)整噴氨量等控制參數(shù)，從而優(yōu)化系統(tǒng)脫硝性能。滾動預測和實時校正的機制，使DMC控制策略可持續(xù)適應系統(tǒng)動態(tài)變化，以實現(xiàn)高效控制。

結(jié)語

在對基于DMC的SCR煙氣脫硝系統(tǒng)預測控制進行分析時，明確了解到先進控制策略對于提升脫硝效率、優(yōu)化資源利用及保障環(huán)境質(zhì)量尤為重要。然而，DMC控制以其模型預測、滾動優(yōu)化和反饋校正的核心機制，可有效應對SCR系統(tǒng)中復雜多變的工況條件，實現(xiàn)對噴氨量等關(guān)鍵控制參數(shù)的精準調(diào)節(jié)。通過實施控制策略，SCR煙氣脫硝系統(tǒng)還可靈活應對煙氣流量、NOx濃度等輸入變量波動，以便在保證脫硝效率基礎(chǔ)上，減少能耗消耗，使整體經(jīng)濟性及環(huán)保性得到提升。未來，隨著控制理論、算法優(yōu)化，基于DMC的SCR煙氣脫硝系統(tǒng)預測控制將更加智能化、精準化，以便為推動工業(yè)綠色轉(zhuǎn)型及可持續(xù)發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。

參考文獻：

［1］李博航，盧志民，廖永進，等.SCR煙氣脫硝系統(tǒng)氨氮雙控新方法［J］.熱力發(fā)電，2023，52（11）：150158.

［2］陳笛，常慶明，王澤政.新型短流程SCR煙氣脫硝系統(tǒng)的模擬分析及優(yōu)化［J］.天然氣化工—C1化學與化工，2022，47（03）：118124.

［3］陳靜，洪喬，姜媛媛.基于改進動態(tài)矩陣算法的SCR煙氣脫硝系統(tǒng)［J］.哈爾濱商業(yè)大學學報（自然科學版），2022，38（02）：171176.

［4］覃紹亮.基于電廠鍋爐煙氣脫硝系統(tǒng)噴氨的優(yōu)化方案［J］.能源化工，2020，41（4）：3236.

［5］侯鵬飛，賈新春，白建云，等.SCR煙氣脫硝系統(tǒng)多模切換DMCPID串級預測控制［J］.控制工程，2020，27（2）：355360.

作者簡介：宋志恒（1993—"），男，漢族，廣東化州人，本科，助理工程師，研究方向：熱能動力工程。