模糊PID在SCR烟气脱硝系统中的仿真与应用

韩希昌,马 阳,魏 莱,刘志鹏

(1.沈阳工程学院 自动化学院,辽宁 沈阳 110136;2.沈阳龙昌管道检测中心,辽宁 沈阳 110036)

目前大多火电厂烟气脱硝采用SCR法,控制算法采用常规PID控制。然而,烟气脱硝过程具有非线性和滞后性,常规PID很难保证最佳控制效果。针对SCR法烟气脱硝的优化控制,很多学者提出多种优化控制方案。文献[1-3]均提出利用Smith预估控制喷氨量,文献[1] 用非线性拟合法建立了脱硝入口NOX浓度指数预测模型,节约喷氨量约15%～20%;文献[2] 将Smith预估器与条件积分型滑模控制相结合,利用滑模控制克服扰动对系统的影响和利用条件积分型滑模面减小波动幅度。文献[4-8] 利用神经网络的方法进行模型辨识,系统在满足NOX排放标准的前提下,其SCR系统运行成本呈降低趋势。但这些控制算法比较复杂,在实际应用过程中实施起来比较困难。

该系统采用模糊PID算法对SCR进氨流量及出口氮氧化物浓度进行优化控制,设计出一种具有模糊自整定特性的PID控制器。

1 SCR脱硝系统对象描述

以600 MW亚临界机组SCR脱硝系统为控制对象,其工艺流程如图1所示。来自氨站的氨气与送风系统输送的空气在混合器中混合稀释,再经喷氨格栅中的喷嘴喷出,与省煤器出口来的烟气混合后,在催化剂的作用下与NOX发生还原反应,将NOX还原成氮气和水。由于SCR反应器中从还原剂的喷入,在催化剂的作用下进行还原反应到反应器出口输出整个过程存在着迟延。因此,可以把SCR脱硝系统当成一个具有较大惯性和滞后的对象。根据实际工程中80%机组负荷下的控制对象相应特性,可以得到两个被控参量所对应的传递函数模型。

氨气流量数学模型为

(1)

出口NOX浓度数学模型为

(2)

图1 SCR烟气脱硝系统

2 模糊PID烟气脱硝控制器的设计

由于考虑变工况对控制品质的影响,设计的主控制器以出口NOX浓度偏差e和机组负荷偏差变化率ec作为输入变量,以PID控制器参数Kp、Ki、Kd的调整值ΔKp、ΔKi、ΔKd作为输出变量。在应用中,为了使控制器参数能够满足不同工况的要求,根据e、ec值和模糊推理规则对Kp、Ki、Kd参数进行在线校正,以达到最佳的控制效果。模糊PID控制器结构如图2所示。

图2 模糊PID控制器结构

Kp、Ki、Kd自整定的计算公式为

(3)

式中,Kp0、Ki0,Kd0分别为比例、积分及微分系数的初始值。

2.1 输入值的模糊化

首先将两个输入变量e和ec定义为模糊集上的论域,选择模糊子集个数m=7,定义为{负大(NB),负中(NM),负小(NS),0(ZO),正小(PS),正中(PM),正大(PB)},对应论域定义为{-6,-4,-2,0,2,4,6},输入量隶属函数选高斯形函数;模糊子集的定义同输入量模糊子集,对应的论域定义为{-3,-2,-1,0,1,2,3),输出量隶属函数选三角函数。

2.2 模糊控制规则表的建立

采用“if…,then…”类型的控制规则。为了改善脱硝控制系统性能,加快系统响应速度,避免出现较大的超调,输出误差尽可能小,再根据PID控制器参数Kp、Ki、Kd各自对控制系统的影响,得到Kp、Ki、Kd参数整定的模糊规则表如表1所示。

2.3 解模糊化

采用重心法得到输出量的精确值为

(4)

式中,μ(Ui)为第i条规则输出控制量模糊集的隶属度;Ui为第i条规则结论部分隶属函数的特征值。

3 系统仿真与实验结果

利用Simulink,建立氨气流量和出口NOX浓度的PID控制仿真模型如图3所示。当主控制器采用模糊PID控制器时,整定得PID初始参数为Kp0=0.15,Ki0=0.005,Kd0=160;量化参数为Ke=0.015,Kec=0.12,ΔKp=ΔKi=ΔKd=0.015。

当主控制器采用常规PID控制器时,整定得参数Kp=0.154，Ki=0.015,Kd=150。副控制器PI的参数为Kp=0.15,Ki=0.032。

图3 氨气流量和出口NOX浓度控制Simulink仿真模型

根据实际经验设置,出口NOX浓度设定值为35 mg/m3,运行Simulink仿真,可得模糊PID控制和常规PID控制的阶跃响应图,如图4所示。普通PID调节时间约为300 s,其稳态误差≤1.2 mg /m3,最大超调量约为11.4%;而模糊PID调节时间约为120 s,稳态误差≤0.5 mg/m3,最大超调量为2.1%。仿真结果表明,模糊PID与常规PID相比,在响应速度、稳态精度以及超调量等性能上都具有明显的优越性。

图4 系统响应曲线

4 应用效果

将设计的模糊PID控制器应用于某厂锅炉SCR脱硝优化控制中,图5、图6分别为应用前后的脱硝系统8 h运行曲线。

图5 应用前8 h 2#炉脱硝系统运行曲线(6月19日)

图6 应用后8 h 2#炉脱硝系统运行曲线(8月6日)

通过曲线分析可得:减少了锅炉烟气氮氧化物浓度波动,基本维持在给定值附近;减少了脱硝系统氨气消耗量,减少量约为20%～30%;大幅提高了喷氨利用率,明显减少了脱硝系统氨逃逸量,提高了脱硝系统催化剂寿命和减少了锅炉空预器堵塞可能。

5 结 论

针对电厂烟气脱硝系统存在的过渡脱硝以及负荷变化大时引起系统较大波动的问题,结合模糊控制算法和常规PID控制的优点,设计出一种具有模糊自整定特性的PID控制器,并将其应用于电站锅炉SCR脱硝控制中。仿真结果表明,相比于传统PID控制器,模糊PID响应速度更快、超调量更小、过渡时间大大缩减;相比于预测控制、神经网路控制和条件积分型滑模控制等控制,模糊PID控制算法简单、实施方便,具有良好的工程应用价值。