加权多模型自适应控制在脱硝系统中的应用

金秀章　尹子剑　张少康　刘　潇

(华北电力大学控制与计算机工程学院，河北 保定　071003)



加权多模型自适应控制在脱硝系统中的应用

金秀章尹子剑张少康刘潇

(华北电力大学控制与计算机工程学院，河北 保定071003)

针对火电厂变负荷运行时SCR脱硝系统出口NOx浓度波动较大的问题，采用加权多模型自适应控制(WMMAC)策略对出口NOx浓度进行控制，建立了能够覆盖不同负荷下被控对象动态特性的模型集。针对每个模型设计相应的PID控制器，给出计算各控制器控制作用权值的指标函数。在脱硝系统出口NOx浓度控制中，通过Matlab仿真，对比变负荷工况下单一PID控制策略和WMMAC控制策略的控制效果，验证了采用WMMAC控制策略能有效提高系统的动态品质。

火电厂加权多模型自适应控制SNCR脱硝浓度控制器模型集指标函数变负荷PID控制

0　引言

火电厂燃煤机组排放的氮氧化物(NOx)是造成大气污染的主要污染物之一，可以形成酸雨和光化学烟雾，是雾霾的主要成分。根据《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)，燃煤锅炉NOx排放浓度不得高于100mg/m3。为了减少NOx的排放量，改善空气质量，脱硝装置成为了电厂必不可少的组成部分。良好的控制系统是保证脱硝装置正常运行和NOx排放浓度的关键。电厂的负荷由电网需求决定，一天之中可能变化较大，而负荷的改变会引起被控对象动态特性的改变。如果采用普通的单一PID控制策略，控制效果往往不理想。

针对变工况和参数不确定性问题，人们提出了多模型自适应控制[1]方法。早在20世纪70年代，Lainiotis提出了基于卡尔曼滤波器的加权多模型控制，以提高状态估计的准确性[2]。多模型自适应控制经历了40余年的发展，已成功应用于各行各业[3-5]。

本文首先简要阐述了脱硝原理和工艺流程，然后给出了典型的脱硝系统出口NOx浓度的控制回路，分析了变负荷时采用单一PID控制效果变差的原因，提出采用加权多模型自适应控制(weightedmultiplemodeladaptivecontrol,WMMAC)方法来满足不同负荷的控制需求。试验结果表明，当系统变负荷运行时，采用WMMAC可以有效减小脱硝系统出口NOx浓度的波动，保证出口NOx浓度不超出允许范围，满足环保要求。

1　脱硝系统原理及工艺流程

目前，火电厂烟气脱硝技术主要有选择性催化还原法(selectivecatalyticreduction,SCR)[6-7]和选择性非催化还原法(selectivenon-catalyticreduce,SNCR)[8-9]。SCR法以其脱硝效率高、氨逃逸量小的优点，得到了广泛的应用。SCR法采用液氨作为还原剂，将NOx还原为N2，并且使用催化剂，以增强反应活性。反应方程式如下：

(1)

(2)

(3)

SCR脱硝工艺系统如图1所示。液氨由氨存储器流入蒸发器中蒸发成30 ℃左右的氨气。氨气经缓冲罐稳压后与稀释风机送来的空气混合，再经过氨喷射格栅与锅炉混合均匀后进入SCR反应器。混合气体流过均流板和催化剂层，完成还原反应，然后经过空气预热器、电除尘器、引风机进入脱硫系统，并排入大气。

图1　SCR脱硝工艺系统示意图

2　氨气流量和出口NOx浓度控制

在脱硝控制系统中，最重要的是进行氨气流量和出口NOx浓度控制，构成串级控制系统，如图2所示。出口NOx浓度为主调节参数；氨气流量为副调节参数。利用出口NOx浓度设定值和实时测量的烟气流量、入口NOx浓度，计算得到喷氨量理论计算值[10-11]。将此值作为前馈信号与主调节器的输出求和，其结果为喷氨量设定值。通过串级控制，可以快速克服由于喷氨调门开度的非线性对喷氨量造成的干扰，能有效地将出口NOx浓度稳定在设定值。

图2　串级控制系统

在实际运行中，锅炉负荷变化会对被控对象，尤其是主对象动态特性产生较大影响。当负荷升高时，烟气流量增加，同等的喷氨量变化所能够造成的出口NOx浓度变化量减小，由此导致被控对象的静态增益和时间常数发生变化；反之亦然。

京隆电厂1#机组通过试验，辨识出不同负荷下对象动态特性，如表1所示。

表1　对象动态特性

由表1可知，被控对象不能用单一的数学模型描述。在这种情况下，若采用单一的PID参数，则很难达到较好的控制效果，会使出口NOx浓度产生较大波动，很可能超出允许的浓度范围。采用WMMAC，可以很好地解决这一问题。

3　WMMAC原理

多模型自适应控制主要分为两类：基于切换的多模型自适应控制和基于加权的多模型自适应控制。由于在模型切换过程中，采用基于切换的多模型自适应控制，系统输出会产生较大跳变，影响系统的稳定性[11]；而加权多模型自适应控制模型变换过程较平滑。因此，本文采用加权多模型自适应控制。

WMMAC原理框图如图3所示。在被控对象传递函数的参数附近选取参数构成模型集，以覆盖不同负荷下被控对象的动态特性。对模型集中的每个模型设计相应的子控制器，将各子控制器控制信号的加权和作为全局控制器的输出up(k)，对被控对象进行控制，同时也将up(k)输出到模型集。计算每个时刻各模型输出与对象输出之间的偏差，通过指标函数得到各子控制器的权值。

图3　WMMAC原理图

3.1模型集的选取

在模型集的选取方面，模型数量不宜过少，否则不足以覆盖整个对象的动态特性；同时模型又不宜过多，以造成模型之间的竞争，导致计算时间的浪费。

首先，对于图2，整定副回路PI参数结果，结果如表2所示。

表2　副回路PI参数整定

然后，将图2虚线框中的整体看作被控对象，得到350 MW、450 MW、550 MW三个负荷下被控对象的传递函数，并分别将其作为模型1、模型3、模型6。由于负荷增加时被控对象的静态增益和时间常数均为单调变化，所以在这三个模型之间再插入模型2、模型4、模型5，使得这六个模型较好地覆盖了350～550 MW负荷下对象的动态特性。对模型集中的每一个模型，整定其对应的主调节器参数，如表3所示。

表3　模型集及其PID参数整定

3.2指标函数的选取

全局控制信号up(k)为各控制器控制信号umi(k)的加权和:

(4)

式中：n为模型个数；wi为权值。

(5)

式中：Jpmi为指标函数。我们采用如下指标函数：

(6)

式中：yp(k)为对象输出；ymi(k)为各模型输出；k0为当前时刻；N为观测周期，且N

4　仿真分析

通过仿真，模拟电厂负荷增加时的情况。在零时刻向系统输入一个阶跃信号，负荷为350MW，运行至2 600s；在接下来的2 000s内，负荷从350MW逐渐增加到550MW。

单一PID控制和WMMAC控制效果对比如图4所示。

图4　控制效果对比图

采用WMMAC策略，通过式(4)～式(6)来计算全局控制信号up(k)，取N=20，得到yp的响应曲线如图4(d)所示。

由图4(a)、图4(b)、图4(c)可见，当采用单一PID控制时，在负荷升高过程中，出口NOx浓度均会产生较大波动。这说明单一PID控制在变负荷情况下，无法实现良好的控制；而采用WMMAC方法，控制器1～控制器6对应的权值w1～w6的变化如图5所示。当机组运行在350MW时，控制器1的权值接近1，其他控制器的权值接近0。在负荷增加的过程中，也就是被控对象的动态特性变化的过程中，当被控对象的动态特性接近模型集中某个模型的动态特性时，此模型对应控制器的权值就会增大，或者说此模型对应的PID控制器起主要作用。最终对象的动态特性与模型6相同，控制器6的权值接近1。

图5　变负荷时WMMAC权值变化对比图

5　结束语

本文在分析脱硝系统的工艺流程和出口NOx浓度的典型控制回路的基础上，提出了运用WMMAC的方法解决锅炉负荷变化造成出口NOx浓度波动较大的问题。具体设计了模型集，给出了计算权值的指标函数，并用Matlab进行仿真，验证了变负荷运行时采用WMMAC的有效性。相比采用单一PID控制，WMMAC能够有效减小脱硝系统出口NOx浓度波动，改善动态品质，保证出口NOx浓度不超出允许范围。WMMAC的基本思想简单，在现场易于实现，具有较强的实用性。

[1] 王伟，李晓理.多模型自适应控制[M].北京：科学出版社，2001.

[2]LAINIOTISDG.Optimaladaptiveestimation:Structureandparameteradaption[J].IEEETransactionsonAutomaticControl,1971,16(2)：160-170.

[3] 董志坤，王昕，王笑波，等.多模型加权自适应控制在中厚板层冷却系统中的应用[J].自动化学报，2010,36(8)：1144-1150.

[4] 许衍泽.具有输入饱和的轧机电液伺服系统多模型切换自适应控制研究[D].秦皇岛：燕山大学，2014.

[5] 刘冰.多模型自适应系统的仿真与应用[D].大庆：东北石油大学，2012.

[6] 李峰，王立，高富春.SCR烟气脱硝自动控制系统及其在国华三河电厂的应用[J].热力发电，2009,38(5)：91-93.

[7] 咸士龙.660MW机组烟气脱硝控制系统分析及应用[D].保定：华北电力大学，2014.

[8] 孟庆杭.大型循环流化床锅炉SNCR脱硝提效分析[J].青海电力，2015,34(4)：26-28.

[9] 钟祎勍,姚国鹏，王剑钊，等.CFB锅炉SNCR烟气脱硝系统控制策略研究[J].热力发电，2014,43(7)：101-103.

[10]武宝会，崔利.火电厂SCR烟气脱硝控制方式及其优化[J].热力发电，2013，42(10)：116-119.

[11]孙利.多模型切换自适应控制系统的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.

ApplicationofWeightedMultipleModelAdaptiveControlinDenitrationSystem

AimingattheproblemthatthelargerfluctuationofNOxconcentrationoccursattheoutletofSCRdenitrationsystemduringthethermalpowerplantisoperatingundervariableloadmode,aweightedmultiplemodeladaptivecontrol(WMMAC)strategyisappliedtocontroltheNOxconcentrationatoutlet.Themodelsetisdeveloped,whichcancoverthedynamiccharacteristicsofcontrolledobjectunderdifferentload.AppropriatePIDcontrollerisdesignedforeachmodel,andtheindexfunctionforcalculatingtheweightofcontrolactionisgiven.ThecontroleffectsofsinglePIDcontrolstrategyandWMMACstrategyundervariableloadoperatingconditionarecomparedthroughMatlabsimulation.ItisverifiedthatinNOxconcentrationcontrolatoutletofdenitrationsystemusingWMMACcontrolstrategycaneffectivelyimprovethedynamicqualityofthesystem.

ThermalpowerplantWeightedmultiplemodeladaptivecontrol(WMMAC)Selectivenon-catalyticreduce(SNCR)DenitrationConcentrationControllerModelsetIndexfunctionVariableloadPIDcontrol

金秀章(1969—)，男，2006年毕业于华北电力大学控制理论与工程专业，获博士学位，副教授;主要从事大型发电机组先进控制策略的研究。

TH-39;TP273

ADOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201609021

修改稿收到日期：2016-04-28。