人工智能耦合燃煤火电机组SCR系统喷氨控制关键技术应用

张欣懿 牛兴阳 陈梦娟 祝庆耀 刘国富

齐鲁工业大学（山东省科学院）能源与动力工程学院，中国·山东 济南 250353

关键字 SCR系统；人工智能；喷氨控制；流速传感

1 引言

燃煤火电机组是大气污染物-氮氧化物（NOx）的重要排放源，SCR 系统以其技术成熟度高、脱硝效率高等优势已成为主流的烟气脱硝技术，在超低排放改造完成后普遍存在盲目过量喷氨的共性技术问题亟待解决[1]。已有研究表明，SCR 系统大截面烟道烟气流场分布特性不明确、喷氨总量控制存在迟滞、喷氨支管盲目控制甚至手动调整的运行现状是引发上述问题的根源[2-4]。

论文以感知层、决策层与执行层三个方面为出发点研究了人工智能+燃煤机组SCR 系统喷氨关键技术：

首先，提出可以开发适用于高温、高尘环境的烟气流速传感技术（感知层），通过探明烟气流场分布特性为SCR 系统精准喷氨控制提供数据基础。

其次，提出开发基于大数据模型预测控制的多模块耦合的智能喷氨控制器以实现喷氨总量的超前、精准控制，同时开发基于烟气流速监测结果的“动态配氨”控制器以优化烟道内的氨氮混合当量比（分析层）。

最后，配套开发Modbus 通讯组件完成控制器的DCS系统嵌入，完成现场相关设备改造以在工业应用条件下实现预期的智能喷氨控制功能（执行层）。

2 从人工智能应用角度分析SCR 系统精准喷氨关键技术

2.1 基于烟气流场监测的感知层架构

烟气流速测量技术较为成熟，不过其总体上可以分为接触式测速与非接触式测速两大类。接触式测速以传统的毕托管测速、热线（球）风速仪测速等为代表，显然不适应于高温、高灰的SCR 系统烟气环境，存在易堵塞、易磨损的致命缺陷。近期，吴晔等人[5]提出了一种基于静电互相关原理的静电流速传感的非接触流速测量技术，其已经开发了多种不同结构的静电传感器用于监测气固两相流中的流动参数，尤其适用于高尘环境的烟气流速测量。由此推断，可以使用静电流速传感技术实现SCR 系统烟气流场分布特性的在线监测，进而为SCR 系统精准喷氨控制提供数据基础。

2.2 基于人工智能算法与热工自动控制的分析层架构

燃煤火电机组SCR 系统喷氨控制具体可以细分为喷氨总量控制、喷氨支管控制两大类。传统的工业应用条件下，SCR 系统喷氨总量控制难以实现稳定自动投入，归其根本是传统的热工控制算法（即简单PID 控制+多前馈反馈控制）无法实现对大迟滞变量的预估与超前调控；同样地，传统工业应用条件下的喷氨支管控制多为手动，归其根本是确实支管自动控制的实施自动调整依据。

2.2.1 喷氨总量控制分析层

传统的SCR 系统喷氨总量控制逻辑大多简单根据电厂CEMS 系统实际测量得到的关键运行参数（如入口NOx 浓度、烟气流量等）及期望的出口NOx 浓度，计算得到所需喷氨总量并完成喷射，不能针对性克服系统所具有的大迟滞特性。在此领域内，Xie 等人[6]已经提出可以基于神经网络模型等人工智能算法参与NOx 排放及喷氨控制动态建模，显著提升了SCR 系统喷氨控制的精准性。由此推断，可以基于神经网络模型、支持向量机等大数据模型建立预测性控制单元，并在传统热工自动控制单元的基础上，实现喷氨总量的精准智能控制。

2.2.2 喷氨支管控制分析层

实现SCR 系统AIG 截面各喷氨支管的优化控制，是保证SCR 系统内良好氨氮混合当量比的关键因素。最新的研究结果表明，SCR 系统烟道内，尤其是某些区域内的NOx 通量分布特性已被证实是具有显著连续波动特性[7]，如果能够在烟气流场监测结果的基础上，开发建立喷氨支管自动控制先进算法，有效诊断喷氨区域控制的波动特性，实现SCR 系统喷氨支管阀的“动态配氨”控制，预期可以显著提升系统内的氨氮混合当量比，有助于提高系统的氨利用率。

2.3 基于通讯组件开发与设备改造的执行层架构

分析层完成了人工智能算法与传统热工自动控制策略的耦合集成，预期能够开发得到相应的喷氨总量及喷氨支管自动控制器，但是其工程应用的前提是必须稳定嵌入DCS系统。对此，可以借助通用的Modbus 通讯协议完成通讯组件开发。此外，自动控制算法的功能实现必须要求控制对象具有自动控制的基本功能。在传统的工业应用条件下，喷氨总阀对应的喷氨调节阀可以满足自动控制要求，无需改造；而喷氨支管阀原来多为手动阀，要实现“动态配氨”控制必须进行自动化改造，其中必然涉及到相关DCS 卡件的硬件改造。据此，才可以实现人工智能在燃煤火电机组SCR 系统喷氨过程的成功应用。

3 结论

①通过布置适用于高温、高尘环境的静电流速传感系统可以探明系统内的烟气流场分布特性，能够为SCR 系统精准喷氨控制提供数据基础。

②开发基于大数据模型预测控制的多模块耦合的智能喷氨控制器以实现喷氨总量的超前、精准控制。

③基于烟气流场监测结果实现喷氨支管阀的“动态配氨”控制，可以优化SCR 系统内的氨氮混合当量比，提高氨利用率。

④人工智能算法耦合精准喷氨控制功能的实现依赖于通讯组件的开发及相关设备的改造。