一種基于數(shù)學模型的煙氣脫硝的控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及自動控制領(lǐng)域，尤其涉及一種基于數(shù)學模型的煙氣脫硝的控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 氮氧化物（N0X)排放治理被列為我國現(xiàn)階段的減排重點。在此背景下，新裝火力發(fā) 電機組將配套安裝脫硝裝置，而已經(jīng)建成投產(chǎn)的老機組也陸續(xù)通過設(shè)備工藝改造加裝SCR 或SNCR脫硝系統(tǒng)。選擇性催化還原法SCR工藝是一項成熟的工業(yè)脫硝技術(shù)，它的原理是， 在煙氣溫度為300-400°C、催化劑作用下，有選擇地將N0和N0 X還原成N2，而幾乎不發(fā)生NH3 和〇2的氧化反應。理論上，通過合理地控制反應區(qū)溫度及噴氨量，可確保NH 3逃逸量較低的 同時，脫硝效率維持在90%以上。
[0003] 在SCR工藝中，最重要的控制當屬噴氨控制。當順3與N0,合反應區(qū)摩爾比為1 時，脫硝效率達到最高。如果噴氨量過低，SCR出口 N0X含量相對升高，脫硝效率降低，達不 到環(huán)保部門的減排要求；噴氨量過高，則氨逃逸量會升高，不僅不經(jīng)濟，還會在SCR反應區(qū) 后的低溫區(qū)域(空氣預熱器）同煙氣中的酸性物質(zhì)反應生成結(jié)晶導致空氣預熱器堵塞，更會 造成有毒物質(zhì)氨排放二次污染。
[0004] 噴氨流量的精確、合理控制是SCR工藝高效運行的前提。但是，由于見^與勵,的反 應是一個大遲延、大慣性的過程，加之N0X在線監(jiān)測儀表CEMS的過濾-連續(xù)抽樣-冷凝-二 次過濾_化學分析過程也具有顯著的遲延性，在此類大遲延的系統(tǒng)中，噴氨流量調(diào)節(jié)門改 變后，總需要經(jīng)過一個漫長的遲延時間，才能波及N0X監(jiān)測量改變，因此傳統(tǒng)的PID控制總 是發(fā)生明顯的滯后性超調(diào)甚至呈發(fā)散特性；不僅如此，鍋爐排煙NCV#量的變化是一個很復 雜的過程，受到來自機組負荷、風量、煤量、煤種、低氮燃燒器頂部燃盡風SOFA風門開度等 參數(shù)影響很大，且都具有不同的遲延特性；在調(diào)峰機組乃至AGC調(diào)峰機組中，由于給煤量和 風量的時變性及對煙氣N0X變化的強擾動特性，導致來自系統(tǒng)內(nèi)外擾動極大，傳統(tǒng)的手動控 制、PID自動控制等現(xiàn)場控制手段難以解決此類工業(yè)控制難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提供一種基于數(shù)學模型的煙氣脫硝 的控制系統(tǒng)，以解決目前基于PI、PID控制算法的控制策略中，脫硝控制無法提前預判并準 確控制噴氨量的問題。
[0006] 本發(fā)明所述的一種基于數(shù)學模型的煙氣脫硝的控制系統(tǒng)，用執(zhí)行器驅(qū)動噴氨調(diào)節(jié) 門控制噴氨量，氨與空氣混合后噴入SCR與^^進行充分反應，CEMS分析裝置檢測到N0，的 實時排放量，進而通過一系列計算方法確定噴氨調(diào)節(jié)門執(zhí)行器的開度指令，然后在控制系 統(tǒng)中構(gòu)造并利用噴氨調(diào)節(jié)門開度與N0 X排放量的數(shù)學模型，連續(xù)計算出執(zhí)行器開度變化造 成勵以勺排放量的實時理論值。以上二者通過連續(xù)比較，計算出腸)(理論排放量與實際排放 量的偏差。執(zhí)行器控制指令運算單元設(shè)置為數(shù)學模型的逆模型，將此排放偏差值與N0 xS 定值之間再次求差，然后送入執(zhí)行器控制指令運算單元，經(jīng)連續(xù)計算獲取噴氨執(zhí)行器的開 度指令。然后構(gòu)建基于數(shù)學模型的脫硝控制系統(tǒng)的煙氣脫硝控制SAM圖以實現(xiàn)現(xiàn)場應用 并且需完善無擾切換和跟隨功能。
[0007] 脫硝自動控制系統(tǒng)中引入N0X排放量的數(shù)學模型，目的是利用可測量的N0X實測值 及可跟蹤監(jiān)視的噴氨執(zhí)行器實時開度，預測N0X排放量在未來的演變，從而提前改變執(zhí)行器 開度，獲得N0 X的精準控制。數(shù)學模型可以利用控制理論中的系統(tǒng)辨識方法求得。
[0008] 執(zhí)行器的控制指令運算單元，設(shè)置為數(shù)學模型的逆模型。脫硝控制為單輸入、單輸 出（SIS0)的系統(tǒng)，因此控制函數(shù)與上述數(shù)學模型的傳遞函數(shù)互為倒數(shù)關(guān)系。
[0009] 為了使調(diào)節(jié)過程比較平穩(wěn)又不失精準性、便于在工業(yè)過程控制中實現(xiàn)，在指令運 算單元前增加一個N階慣性濾波器，配合指令運算單元進行執(zhí)行器開度指令計算。
[0010] 進一步地，為了提高噴氨控制系統(tǒng)響應機組負荷、鍋爐燃燒及風量的能力、增強抗 擾性能，將控制系統(tǒng)設(shè)計為隨動控制系統(tǒng)，N0xs定值通過運行人員手操指令疊加鍋爐主控 指令的函數(shù)及鍋爐總風量的函數(shù)來實現(xiàn)。具體函數(shù)過程可以采用N階慣性-遲延傳遞函數(shù)。
[0011] 以上便構(gòu)成了一個基于模型的脫硝自動控制系統(tǒng)。在理論上，其閉環(huán)傳遞函數(shù)為：
其中，ypv(s)為系統(tǒng)輸出狀態(tài)， 、⑷為系統(tǒng)給定，n(s)為系統(tǒng)擾動，Gc為模型控制器。Gm為數(shù)學模型。G p為控制N0X排放 量的工業(yè)過程。Gf為模型控制的濾波器。Gn為造成N0X排放量發(fā)生擾動的過程，SP為 放量的設(shè)定值，PV為N0 X排放量的采樣實際值。當濾波器Gf=l時，假定過程環(huán)節(jié)Gp、Gm和G。 都是穩(wěn)定的，哪怕G p#Gm，只要控制器增益Ge(0)和模型增益Gm(0)互為倒數(shù)，則控制偏差：
，說明無論有任何偏差或擾動，系統(tǒng)在響應 輸入偏差和擾動后仍能夠消除靜態(tài)偏差，實現(xiàn)PV對SP的跟蹤。因此過程數(shù)學模型近似于 現(xiàn)場控制規(guī)律即可?；跀?shù)學模型的煙氣脫硝自動控制系統(tǒng)控制過程如下： 1、 SP由運行人員根據(jù)需求輸入； 2、 噴氨執(zhí)行器指令由模型控制器G。運算給出。模型控制器的算法就是NO x模型的逆運 算過程。運算過程數(shù)據(jù)輸入G。后，經(jīng)過內(nèi)部設(shè)置的算法進行計算，輸出執(zhí)行器開度指令； 3、 65與G n二者相疊加為PV。G 5與G n表征現(xiàn)場的工業(yè)過程規(guī)律，這個反應過程不能直 接觀測，但它們的疊加量PV是可觀測的，可以用傳感器或者變送器經(jīng)檢測得到PV的數(shù)據(jù)； 4、 Gm通過系統(tǒng)辨識可以求得。噴氨執(zhí)行器指令送入Gm經(jīng)過運算后得到NOx排放量的理 論值； 5、 N〇J_放量的設(shè)計值與理論值之差，經(jīng)過濾波后得到NO x排放量設(shè)定值SP的修正值， 對N0X排放量的設(shè)定值進行修正，然后送入模型控制器G。進行下一步噴氨執(zhí)行器開度指令 的運算； 6、 投入自動控制方式時，整個控制結(jié)構(gòu)圖表示的運算和控制的過程是隨時間連續(xù)進行 的。
[0012] 上述所有的模型與函數(shù)，均可采用任意品牌的DCS系統(tǒng)SAMA編譯軟件中的延遲傳 遞功能塊和超前滯后慣性功能塊實現(xiàn)。
[0013] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所述的一種基于數(shù)學模型的煙氣脫硝的控制系統(tǒng)的優(yōu)勢 在于：傳統(tǒng)的基于PI、PID的自動控制方法，執(zhí)行器輸出及獲得的N0X排放量總是表現(xiàn)出滯 后性，在強擾動的生產(chǎn)現(xiàn)場，NOJf以控制，而本發(fā)明所述的一種基于數(shù)學模型的煙氣脫硝 的控制系統(tǒng)基于預測模型，因此可以預判N0 X排放量的變化，從而在CEMS裝置采集到NO，的 變化之前，提前對執(zhí)行器輸出指令進行精確的修正、控制，在表現(xiàn)為強擾動的生產(chǎn)現(xiàn)場，依 然能夠連續(xù)獲得穩(wěn)定而精準的放量。
【附圖說明】
[0014] 附圖1是基于數(shù)學模型的自動控制原理圖。附圖2是運用本發(fā)明所述的一種基于 數(shù)學模型的脫硝控制方法的煙氣脫硝控制SAMA圖。附圖3是本發(fā)明所述的一種基于數(shù)學 模型的脫硝控制方法基于0C6000E平臺的實施例應用SAMA圖。
[0015] 圖1中，SP為N0X排放量的設(shè)定值，PV為NO，排放量的采樣實際值，G。為模型控制 器，G m為數(shù)學模型，G p為控制NO x排放量的工業(yè)過程，G f為模型控制的濾波器，G n為造成NO x 排放量發(fā)生擾動的過程，STEP1為擾動源。
[0016] 圖2中，B0為鍋爐主控輸出，F(xiàn)T為總風量，AT為N0xS_放量，A為運行人員對NO x 排放量的設(shè)定值，F(xiàn)(X)為函數(shù)，+為相加，A為求偏差功能，F(xiàn)ILTER為慣性濾波器，MC為模 型控制器，MI為數(shù)學模型，C為噴氨調(diào)門指令。
[0017] 圖3中，ADD為加法功能塊，MUL為乘法功能塊，TW0SEL為求平均功能塊，SFT為選 通算法塊，DELAY為慣性遲延算法塊，LEAD/LAG為零極點算法塊(超前滯后算法塊)，HLLMT 為限幅功能塊，ES/MA為噴氨調(diào)節(jié)門的軟手操功能塊。
【具體實施方式】
[0018] 下面，將參考附圖1、附圖2和附圖3,結(jié)合實施例詳細說明如下： 圖1中，其閉環(huán)傳遞函數(shù)為
，其 中，ypv(s)為系統(tǒng)輸出狀態(tài)，rsp(s)為系統(tǒng)給定，n(s)為系統(tǒng)擾動，當濾波器G f=l時，假定過 程環(huán)節(jié)Gp、Gm和G。都是穩(wěn)定的，哪怕G，G m，只要控制器增益G。(0)和模型增益Gm (0)互為 倒數(shù)，則控制偏差：
，說明無論有任何偏差 或擾動，系統(tǒng)在響應輸入偏差和擾動后仍能夠消除靜態(tài)偏差，實現(xiàn)PV對SP的跟蹤。因此過 程數(shù)學模型近似于現(xiàn)場控制規(guī)律即可。其控制過程如下：