内模随动控制在电厂脱硝控制系统中的应用

2016-02-05陈亮

山东电力技术 2016年12期

关键词：迟延内模被控

陈亮

（华能济宁运河发电有限公司，山东济宁272100）

内模随动控制在电厂脱硝控制系统中的应用

陈亮

（华能济宁运河发电有限公司，山东济宁272100）

根据电厂锅炉烟气氮氧化物（NOx）的控制特点，辨识出锅炉烟气NOx被控对象的数学模型，设计应用SCR脱硝内模随动控制系统并应用在OC6000e分散控制系统组态中。实践应用表明SCR脱硝内模随动控制系统具有良好的抗扰能力及对象时变适应性。

内模控制；脱硝；喷氨控制

0 引言

我国2011年通过的“十二五”规划纲要中，氮氧化物（NOx）排放治理被列为现阶段减排重点。在此背景下，新装火力发电机组将配套安装脱硝装置，而已经建成投产的机组也陆续通过设备工艺改造加装SCR或SNCR脱硝系统。

1 SCR烟气脱硝原理及传统控制方法

选择性催化还原法（SCR）工艺是一项成熟的工业脱硝技术，它的原理是，在烟气温度为300～400℃、催化剂作用下，有选择地将NO和NO2还原成N2，而几乎不发生NH3和O2的氧化反应。理论上，通过合理地控制反应区温度及喷氨量，可确保NH3逃逸量较低的同时，脱硝效率维持在90%以上。SCR工艺主要化学反应

在SCR工艺中，最重要的控制当属喷氨控制。当NH3与NOx混合反应区摩尔比为1时，脱硝效率达到最高。如果喷氨量过低，SCR出口NOx含量相对升高，脱硝效率降低，达不到减排要求；喷氨量过高，则氨逃逸量会升高，不仅不经济，还会在SCR反应区后的低温区域（空气预热器）同烟气中的酸性物质反应生成结晶导致空气预热器堵塞，更会造成有毒物质氨排放二次污染［1］。

喷氨流量的精确、合理控制是SCR工艺高效运行的前提。但是，由于NH3与NOx的反应是一个大迟延、大惯性的过程，加之NOx在线监测仪表CEMS的过滤—连续抽样—冷凝—二次过滤—化学分析过程也具有显著的迟延性，在此类大迟延的系统中，喷氨流量调节门改变后，总需要经过一个漫长的迟延时间，才能波及NOx监测量改变，因此传统的PID控制总是发生明显的滞后性超调甚至呈发散特性；不仅如此，火力燃煤发电机组锅炉中的燃烧及风量变化都会对NOx的生成产生影响，在调峰机组乃至AGC调峰机组中，由于给煤量和风量的时变性及对烟气NOx变化的强扰动特性，导致来自系统内外扰动极大，传统的手动控制、PID自动控制等现场控制手段难以解决此类工业控制难题［2］。

2 烟气脱硝系统内模控制原理

内模控制（IMC）是一种基于过程数学模型进行控制设计的新型控制策略，原理是将实际被控对象同被控对象的数学模型之间的误差同系统设定值相比较，由被控对象的逆模型求得实时控制量。IMC的结构如图1所示。

图1 IMC结构

图1中，PV为被控对象过程量，SP为被控对象设定值，Gp为现场过程，Gm为现场过程仿真模型，Gn为扰动过程，Gc为现场过程内模控制器，Gf为滤波器。滤波器的意义在于，可以配合Gc共同改善系统的稳定性和鲁棒性。

由图1可得系统输出为

式中：ypv（s）为系统输出状态；rsp（s）为系统给定；n（s）为系统扰动。假定过程环节Gp，Gm和Gc都是稳定的，当模型与被控对象传递函数相等时，若控制器Gc为模型Gm的逆，且滤波器传递函数为1，则有， Gf=1，那么

在给定值扰动下，ypv（s）=rsp（s）

在外部扰动时，ypv（s）=0

这说明，若辨识所得过程数学模型同现场过程完全相等，那么内模控制系统在任何时间内都能消除任何外部扰动，且能够消除同设定值的静态偏差。

内模控制性质：

1）Gp=Gm时的内模控制具有对偶稳定特性，控制系统相当于开环控制，只要开环部分Gp稳定，控制器Gc稳定，则整个系统稳定。

3）内模控制系统具有零稳态偏差特性，只要Gp稳定，即使Gp≠Gm，只要控制器传递函数的增益为模型增益的倒数，则系统在响应输入偏差及扰动后仍能够消除静态偏差［3］。

3 烟气脱硝内模控制系统设计

燃煤发电机组NOx排放量属于传统PID控制器难以控制被控对象，通过阶跃扰动动态特性试验可以明显看出该对象的大迟延、大惯性、强扰动特点。结合动态特性试验，根据系统辨识法，求得了两台机组NOx排放量在偏差为阶跃输入、工况平稳无扰动时的近似数学模型，其降阶后传递函数为

事实上，锅炉排烟NOx含量的变化是一个很复杂的过程，受到来自机组负荷、风量、煤量、煤种、低氮燃烧器顶部燃尽风SOFA风门开度等参数影响很大，且都具有不同的迟延特性，因此对所有扰动逐一解耦是难以实现的；另外NOx在线监测分析系统CEMS具有自动防堵取样管吹扫功能，吹扫过程中NOx检出值被闭锁防止大幅波动，但系统NOx真实值是实时变化的，吹扫结束后NOx检出值存在无法预期的趋势，因此NOx被控对象还具有一定的非线性特性。因此选用内模控制是非常合适的，因为根据IMC理论，内模控制的性质决定了当过程数学模型与实际控制对象失配时，内模控制的PV仍逼近SP，具有高度自适应性［4］。

NOx排放量的内模控制系统中不使用经典的PID控制器，而采用NOx被控对象的过程辨识模型及其内模控制器进行实时处理。利用工业现场任何品牌DCS都具有的DELAY迟延功能块和LEAD／LAG超前滞后功能块即可实现。由于被控对象的最小相位部分近似为二阶惯性环节，因此内模控制器采用其最小相位部分的逆模型串接二阶惯性滤波器来实现。此时，系统需要整定的参数只有二阶惯性滤波器的时间常数，参数选取合适时便可以大大提高系统的快速性和鲁棒性，在工业现场非常便于实现。另外针对NOx含量扰动影响较大的风、煤因素，以锅炉主控输出及总风量作为NOx的设定值偏置，组成NOx内模随动控制系统以提高负荷响应的能力。SAMA图设计如图2所示。

图2 IMC脱硝控制SAMA图

4 烟气脱硝内模控制在OC6000e分散控制系统中的应用

OC6000e分散控制系统中提供了DELAY迟延功能块和LEAD/LAG超前滞后功能块。利用其搭建NOx被控对象的过程控制策略。构建SAMA图如图3所示。

图3 IMC脱硝控制在OC6000e中的逻辑组态

过程数学模型及逆模型控制器参数根据系统辨识求取的传递函数进行设置。惯性滤波器参数同逆模型控制器参数一并设置在控制器LEAD/LAG功能块中。锅炉主控输出及总风量随动环节的增益和时间常数分别根据锅炉主控扰动及风量阶跃扰动试验求得。

5 烟气脱硝内模控制效果分析

排放量内模控制在华能华能济宁运河发电公司1号、2号机组投运后，NOx烟气含量在锅炉负荷、风量无扰动时的试验趋势如图4～6所示。

在锅炉负荷、风量、煤量扰动存在且大幅波动时，NOx控制的动态特性如图7所示。

Internal Model Servo Control System Used in Power Plant Denitrification Control System

CHEN Liang
（Huaneng Jining Yunhe Power Generation Co.，Ltd.，Jining 272100，China）

According to characteristics of the power plant boiler flue gas control of nitrogen oxides，the mathematical model of the controlled object of the boiler flue gas NOxis identified，then the SCR denitration internal model servo control system is designed and applied in OC6000e distributed control system.Practical application shows the SCR denitration internal model servo control system has good immunity and adaptability.

internal model control；denitration；ammonia injection control