基于预测控制的脱硝控制策略研究

马锃曌　毛金虎　叶江　徐锐

摘要：针对火电机组SCR脱硝控制系统存在的大滞后、大惯性问题，采用带扰动抑制的广义预测控制方法设计了先进脱硝控制策略，基于该策略可实现更优的SCR出口NOx浓度设定值跟踪性能，同时保障更优的扰动抑制性能。与传统脱硝串级控制系统的仿真比较表明，所提先进脱硝控制策略在设定值跟踪与扰动抑制方面，其稳定性、快速性以及准确性均得到了提升，且算法简单，易于工程实现，具有较高的工程应用价值。

关键词：SCR脱硝;NOx浓度;抗扰;广义预测控制

0 引言

选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction，SCR）由于工艺成熟，脱硝效率高，已成为目前火电机组应用最为广泛的脱硝技术。然而在SCR实际运行过程中，自动控制系统难以投入，个别电厂虽然能够投入自动控制系统，但调节品质较差，SCR反应器出口NOx浓度波动较大，同时喷氨经常处于过量状态，严重的还会造成空预器堵塞问题[1]。究其原因，主要是脱硝系统存在非线性、大惯性、大滞后等特点，另外脱硝控制系统所涉及的相关测量参数存在测量滞后与失真问题。为此，优化脱硝系统控制技术，实现脱硝系统稳定、经济、可靠运行，成为目前国内的研究热点。

传统脱硝控制方法主要包括两种：一是最为常见的串级控制系统，主回路为NOx浓度控制，内回路为喷氨流量控制;二是最为基本的单闭环PID控制，仅采用单回路实现NOx浓度的闭环控制，无法避免喷氨流量调节的非线性问题。上述两种常规控制策略在实际投运过程中存在自动控制效果差、抗扰动能力弱的问题，甚至无法投入自动运行。火电机组投入AGC后，存在负荷变动频繁、变化幅度大等问题，烟气流量的大幅变化会使脱硝系统无法较好地跟踪烟气流量的变化，造成NOx浓度控制滞后，波动幅度大[2]。

传统脱硝控制策略在面临一些外部扰动时（负荷的变化、启停磨的变化等），无法取得满意的控制效果。本文采用前馈+反馈的控制策略进行脱硝控制设计，与传统前馈+反馈控制设计不同的是，本文基于广义预测控制框架将前馈与反馈控制相互融合，即采用带有前馈控制的预测控制策略。基于抗扰广义预测控制策略设计SCR脱硝先进控制系统，可解决脱硝系统存在的大惯性、大滞后以及抗扰动能力差的问题，该控制系统结构简单，易于工程实现，为提高脱硝系统控制精度提供了方向，而脱硝系统的仿真比较证明了该算法的有效性。

1 SCR脱硝技术

氮氧化物作为火力发电厂主要污染物之一，需要严格进行排放控制。2015年12月，国家环保部、发改委与能源局联合发布了《关于印发<全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案>的通知》，该通知全文对目前火电机组的主要污染物排放提出了较为严格的要求，制订了具体的排放标准，其中对于氮氧化物NOx的排放要求为50 mg/Nm3，这就对脱硝设备及相应的脱硝控制系统提出了更高的要求。为实现超低排放标准，火电厂大多采用燃烧过程脱硝与燃烧后烟气脱硝相结合的组合脱硝方式[3]。燃烧过程脱硝大多采用低氮燃烧器方式，燃烧后烟气脱硝基本采用选择性催化还原法（SCR）与选择性非催化还原法（Selective Non-Catalytic Reduction，SNCR）两种方式，其中SCR由于具有脱硝效率高、氨逃逸量小等优点，被广泛应用于火电机组烟气氮氧化物脱除。现以SCR为研究对象，首先介绍其工艺流程，然后对目前采用的主流控制策略进行说明。

1.1    系统工艺介绍

SCR工艺系统流程图如图1所示，液态氨从存储罐经过蒸发器蒸发为30 ℃左右的氨气，氨气经过缓冲罐稳定压力后，通过稀释风机送来的空气以一定比例在混合器中进行混合，混合后的氨气空气混合物从混合器流出进入喷氨格栅，经过喷氨格栅后均匀地与锅炉排放的烟气进行混合并进入带有催化剂的SCR反应器，在反应器中流经均流板与多层催化剂层，进行化学反应，反应后的烟气流经空气预热器加热送风，然后流经除尘器、脱硫FGD系统，最后通过引风机将烟气送入烟囱排入大气。

氨气流量通过两侧的喷氨阀门控制调节，进入SCR反应器与烟气发生还原反应，氨气为化学反应的还原剂，在多层催化剂条件下将氮氧化物还原成氮气，具体反应见以下方程式：

4NO+4HNH3+Q2→4N2+6H2O

2NO2+4NH3+O2→3N2+6H2O

6NO2+8NH3→7N2+12H2O

1.2    常规脱硝控制方案

目前电厂较多采用烟气流量、SCR入口NOx浓度以及SCR出口NOx浓度3个基本参量开环计算所需NH3流量设定值[4]，将该设定值送入单PID氨气流量闭环控制，实现氨气流量的調节，从而实现SCR出口NOx浓度的粗调。常规脱硝控制方案具体结构示意图如图2所示。

对脱硝系统进行阶跃响应仿真试验，对比传统串级控制与先进控制两种控制策略在设定值跟踪及抗扰动性能方面的差异，对出口NOx浓度设定在200 s时进行正向阶跃，阶跃幅度为5 mg/Nm3，在2 000 s时进行扰动阶跃试验，阶跃幅度为0.2 mg/Nm3。仿真结果如图3、图4所示。图3为出口NOx浓度设定值跟踪响应与扰动阶跃响应对比曲线，从图中可以看出，先进脱硝控制系统在调节时间方面优于传统脱硝控制系统，另外在扰动抑制方面，先进脱硝控制系统几乎不受外扰的影响，接近理想的扰动消除特性，而传统脱硝控制在扰动抑制方面特性较差，风煤比扰动发生后，造成了接近3 mg/Nm3的动态偏差。图4为两种控制系统喷氨阀门动作对比图，可以看出先进控制阀门动作稳定速度快，在外扰发生时，无须等待被调量变化，可快速响应外扰对脱硝系统的影响。

综合上述仿真结果，可以看出先进控制策略控制效果明显优于传统串级控制策略，对于设定跟踪性能，先进脱硝控制策略调节时间优于传统串级控制策略;抗扰动性能方面，先进控制策略可完美消除扰动影响，抗扰动能力更强。基于带扰动抑制的广义预测控制可以明显提高脱硝控制系统的控制质量，对于保障SCR脱硝系统的稳定、经济、运行具有重要作用。

4 结语

本文基于抗扰广义预测控制方法，提出了一种SCR脱硝系统先进控制策略，该策略与传统串级脱硝控制方法相比，在稳定性、快速性及准确性方面均有明显优势，且计算结构简单，易于工程实现，对提高脱硝系统出口NOx浓度跟踪能力及抗扰动能力具有重要意义，因而有较高的推广价值。

[参考文献]

[1] 王琦，王树荣，闫志勇，等.燃煤电厂SCR脱硝技术催化剂的特性及进展[J].电站系统工程，2005，21（3）：4-6.

[2] 李恩家，顾杨杨，关心，等.SCR脱硝喷氨自动控制优化研究[J].电站系统工程，2018，34（1）：65-66.

[3] 李博，赵锦洋，吕俊复.燃煤电厂超低排放技术方案应用[J].中国电力，2016，49（8）：144-147.

[4] 王天堃.基于神经网络模型及预测控制DMC的火电机组脱硝控制策略[J].中国电力，2019，52（12）：140-145.

[5] 胡耀华，贾欣乐.广义预测控制的直接算法[J].控制与决策，2000，15（2）：221-223.

[6] ZHENG S Q，FENG R.Feedforward compensation control of rotor imbalance for high-speed magnetically suspended centrifugal compressors using a novel adaptive notch filter[J].Journal of Sound and Vibration，2016，366：1-14.

收稿日期：2021-07-23

作者简介：马锃曌（1981—），男，河南淮阳人，工程师，研究方向：电气工程及其自动化。