本發(fā)明涉及熱能動力工程和自動控制，尤其涉及一種基于變約束多模型預(yù)測控制技術(shù)的火電機(jī)組SCR脫硝優(yōu)化控制方法。

背景技術(shù)：

我國是煤炭大國，火電機(jī)組的裝機(jī)重量占了約70％，在電力行業(yè)中發(fā)揮著主導(dǎo)作用。高效、節(jié)能、環(huán)保的火電發(fā)電技術(shù)研究也是關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重中之重。而隨著霧霾等環(huán)境問題的不斷突出，環(huán)保部門對火電機(jī)組的NOx排放標(biāo)準(zhǔn)提出了更高的要求(50mg/Nm³)。傳統(tǒng)的SCR出口NOx濃度控制方式為PID+前饋的調(diào)節(jié)方式，而SCR脫硝這一化學(xué)反應(yīng)過程具有較強(qiáng)的非線性和大滯后特性，而且隨著催化劑的消耗，SCR反應(yīng)區(qū)的特性會發(fā)生較大的變化。采用傳統(tǒng)的控制策略，SCR出口NOx波動較大。若要達(dá)到環(huán)?？己艘?，則必須降低NOx濃度的設(shè)定值，平均氨蒸汽消耗量增加，這會造成：(1)制氨的尿素耗量增加，經(jīng)濟(jì)性不佳；(2)易造成煙道后期的空預(yù)器堵塞，危害機(jī)組安全；(3)，氨逃逸率增加，造成環(huán)境的二次污染。因此，研究設(shè)計新型的SCR出口NOx濃度控制方法具有特別重大的意義。

前人在這些方面做出過很多努力，嘗試通過預(yù)測控制算法來處理SCR反應(yīng)的的大滯后特性，提升出口NOx的抗擾動能力。已公開的這方面專利存在以下兩個問題：1、預(yù)測控制算法對所用模型的精度要求較高，而SCR的特性隨負(fù)荷區(qū)段的變化而變化劇烈。若采用非線性預(yù)測控制算法方法，在仿真過程中呈現(xiàn)出較好的結(jié)果。然而卻因為算法復(fù)雜、計算量大等問題，很難在工程應(yīng)用中實現(xiàn)。而后人們采用多模型切換預(yù)測控制算法，這種方法雖然降低了算法的復(fù)雜度，但模型切換時采用的是對多個模型線性加權(quán)，模型的精度有限，這容易造成調(diào)節(jié)的不穩(wěn)定。2、約束條件的范圍設(shè)置的過于寬泛。在已公布專利中，直接根據(jù)設(shè)備的實際最大供氨能力，和實際氨蒸汽流量最大變化速率作為全工況下的約束條件。約束條件的寬泛，增加了求解控制指令的計算量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是針對燃煤發(fā)電機(jī)組中SCR脫硝過程的大滯后和非線性的對象特征，提供一種基于變約束多模型預(yù)測控制的火電機(jī)組SCR脫硝優(yōu)化控制方法。

技術(shù)方案：本發(fā)明所述的一種基于變約束多模型預(yù)測控制的SCR脫硝控制方法，所述方法將多模型預(yù)測控制算法、智能模型加權(quán)算法和變約束條件相結(jié)合，包括如下步驟：

(A)由智能模型加權(quán)算法得到精確NOx預(yù)測模型；

(B)由多模型預(yù)測控制算法不斷滾動優(yōu)化；輔以與工況隨動的約束條件計算出最佳的實時氨需量。

步驟(A)中，具體包括：

(A1)在高、中、低三個負(fù)荷點通過噴氨流量的擾動實驗，并記錄試驗數(shù)據(jù)；將100％MCR選為高負(fù)荷點、75％MCR選為中負(fù)荷點、50％MCR選為低負(fù)荷點；采用常規(guī)的最小二乘擬合算法對試驗數(shù)據(jù)處理，得到噴氨流量對反應(yīng)器出口NOx濃度的三個基本模型。

其中，MCR為機(jī)組最大連續(xù)出力。

(A2)在每個計算周期內(nèi)，根據(jù)實際NOx濃度與模型預(yù)測NOx濃度的偏差程度來決定，每個模型的權(quán)值表述如下

λ＝(Y(k)-Y₁(k))/(Y₂(k)-Y₁(k))

其中，Y(k)為當(dāng)前NOx濃度實際值，Y₁(k)為高負(fù)荷段模型的輸出值，Y₂(k)為中負(fù)荷段模型的輸出值，λ為模型權(quán)值。這樣可以利用有限的三個線性模型，得到精確地全工況NOx預(yù)測模型，提高預(yù)測精度。

步驟(B)中，具體包括：

(B1)通過全工況的NOx模型，根據(jù)過去的模型輸出值和未來的輸入值來預(yù)測未來各個采樣周期的過程輸出值；

(B2)通過最小化性能指標(biāo)J，得到最優(yōu)的控制率，性能指標(biāo)J表述如下：

J＝E{(Y-Y_r)^T(Y-Y_r)+ΔU^TΓΔU}

其中：Y為NOx濃度設(shè)定值曲線，Y_r為NOx濃度預(yù)測值，Γ為控制權(quán)值；通過求解該帶約束的二次優(yōu)化的解，即得最終的氨汽流量指令。

采用與工況隨動的變約束條件，約束條件有上下限與變化速率的雙重限制，具體如下

其中，U(k)為第k時刻的氨汽流量指令，U_min為氨汽流量指令下限，U_max為噴氨汽流量指令上限，各自表述為：

U_min＝(c_in-c_sp)×Q-A；U_min＝(c_in-c_sp)×Q+A

其中，c_in為反應(yīng)器入口NOx濃度，c_sp為反應(yīng)器出口NOx濃度設(shè)定值，Q為煙氣流量，A為正的常數(shù)；

其中，ΔU_min為氨汽流量變化速率的下限，ΔU_max為氨汽流量變化速率的上限。更小的約束范圍能大幅度降低控制率求解的計算量和復(fù)雜度。

有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點為：本發(fā)明解決了現(xiàn)有預(yù)測控制策略在SCR脫硝系統(tǒng)中應(yīng)用的突出問題模型精度與控制算法復(fù)雜度之間的矛盾；首先基于多模型預(yù)測控制算法，使用的對象模型有別于傳統(tǒng)的多個線性模型簡單的線性加權(quán)方法，通過實時判斷當(dāng)前被控對象的輸出值與各個線性模型之間的偏差，決定各個模型的加權(quán)權(quán)值，提高了算法的模型精度；其次，將傳統(tǒng)的定約束條件改為，與工況隨動的變約束條件，約束調(diào)節(jié)更加準(zhǔn)確，以此減小求解控制指令的計算負(fù)擔(dān)，易于工程實現(xiàn)，克服SCR系統(tǒng)的大滯后特性，顯著改善了NOx濃度的調(diào)節(jié)品質(zhì)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的系統(tǒng)原理示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

具體的實施步驟如下：

步驟1：在SCR脫硝系統(tǒng)投用的100％MCR、75％MCR、50％MCR三個負(fù)荷點下，分別進(jìn)行噴氨流量的階躍擾動試驗。試驗過程中，機(jī)組燃料主控切入手動方式保持恒定，所有的二次風(fēng)小風(fēng)門也切至手動方式保持恒定，以防止實驗過程中的擾動；SCR的噴氨調(diào)門至于手動，運行人員手動操作調(diào)門，給予階躍信號，采集實驗數(shù)據(jù)通過最小二乘法擬合出反應(yīng)器出口NOx濃度與噴氨流量之間的傳遞函數(shù)模型。并離散化，得到三個基準(zhǔn)模型，寫成標(biāo)準(zhǔn)的CARIMA模型。

其中，Y(k)為第k個采樣周期的NO_x濃度，U(k)為第k個采樣周期的氨蒸汽流量，ξ(k)(i＝1,2,3)為均值為0的白噪聲。A_i(z^-1)和B_i(z^-1)表述如下：

其中，z^-k為時間算子，a_i,k、b_i,k分別為A_i(z^-1)、B_i(z^-1)多項式中z^-k的系數(shù)，na_i、nb_i分別為多項式A_i(z^-1)、B_i(z^-1)的階次(i＝1,2,3)；

步驟2：根據(jù)當(dāng)前采樣周期計算當(dāng)前共所處的負(fù)荷段，選取相鄰的兩個基準(zhǔn)對象模型，計算當(dāng)前對象輸出與相鄰兩個基準(zhǔn)模型輸出的偏差，并依據(jù)偏差對相鄰基準(zhǔn)模型加權(quán)得到當(dāng)前采樣時刻的計算模型。以當(dāng)前負(fù)荷處于高、中負(fù)荷之間為例，算式如下：

A(z^-1)Y(k)＝B(z^-1)U(k)+ξ(k)/Δ

其中：

λ＝(Y(k)-Y₁(k))/(Y₂(k)-Y₁(k))

式中a_k、b_k分別為A(z^-1)、B(z^-1)多項式中z^-k的系數(shù)，Y(k)為當(dāng)前反應(yīng)器出口NOx濃度實際值，Y₁(k)為高負(fù)荷段模型的輸出值，Y₂(k)為中負(fù)荷段模型的輸出值，λ為模型權(quán)值。

步驟3：以加權(quán)后的計算模型為基礎(chǔ)，預(yù)測未來一段時間的對象的輸出，可表示為

Y_r(k+j)＝F_jΔU(k+j-1)+G_jY(k)+E_jξ(k+j)

其中Y_r(k+j)為未來第j時刻的預(yù)測值；F_j、G_j和E_j為多項式，須滿足下述丟番方程：

其中

其中e_j,k、g_j,k、f_j,k分別為E_j(z^-1)、G_j(z^-1)、F_j(z^-1)多項式中z^-k的系數(shù)。預(yù)測表達(dá)式說明，在預(yù)測模型的基礎(chǔ)上，可以根據(jù)過去n_g個時刻的模型輸出值和未來n_f個時刻的模型輸入值來預(yù)測未來的模型輸出值。由于步驟2所建模型擁有較高的模型精度，所以預(yù)測準(zhǔn)確性亦很高。

步驟4：根據(jù)即定的性能指標(biāo)和約束條件求解控制指令?？刂频哪繕?biāo)是最小化反應(yīng)器出口NOx濃度與NOx濃度設(shè)定值之間的偏差。同時噴氨流量是不可能無窮大或無窮小，所以也要對噴氨流量的變化進(jìn)行限制。

二次型性能指標(biāo)表述如下：

J＝E{(Y-Y_r)^T(Y-Y_r)+ΔU^TΓΔU}

其中：Y為NOx濃度設(shè)定值，Y_r為NOx濃度預(yù)測值，ΔU為控制量增量，Γ為控制權(quán)值。該性能指標(biāo)中的(Y-Y_r)^T(Y-Y_r)表征了NOx濃度的預(yù)測值Y_r與NOx設(shè)定值Y之間的偏差，ΔU^TΓΔU表征了噴氨流量的變化量，Γ表征了該性能指標(biāo)中對噴氨流量的參考程度。通過最小化該性能指標(biāo)，即可得到無約束狀態(tài)下的控制率ΔU。然而本發(fā)明討論的對象因設(shè)備本身的限制存在約束，需要對該二次型性能指標(biāo)增加約束條件。約束條件表達(dá)如下：

其中，U(k)為第k時刻的氨汽流量指令，U_min為氨汽流量指令下限，U_max為噴氨汽流量指令上限，各自可表述為：

U_min＝A(c_in-c_sp)×Q-B；U_min＝A(c_in-c_sp)×Q+B

其中，c_in為反應(yīng)器入口NOx濃度(mg/Nm³)，c_sp為反應(yīng)器出口NOx濃度設(shè)定值(mg/Nm³)，Q為煙氣流量(t/h)，A和B為正的常數(shù)。(c_in-c_sp)×Q表征是煙氣通過SCR反應(yīng)器后總的NOx變化量，乘以系數(shù)A后可表示的是噴氨流量的基準(zhǔn)值，B表示的是噴氨流量的動態(tài)調(diào)節(jié)范圍。本文的約束條件不同于傳統(tǒng)定約束條件，這樣處理后噴氨流量的約束范圍與SCR運行工況隨動而大大縮小。這樣能較大程度的縮小控制率求解時的時間成本。此外，約束條件還包含變化速率的約束，如下：

其中，ΔU_min為氨汽流量變化速率的下限，ΔU_max為氨汽流量變化速率的上限。變化速率的約束取決于設(shè)備本體的實際動作速率，可由噴氨調(diào)門的階躍擾動實驗得到。結(jié)合性能指標(biāo)與約束條件，通過求解該帶約束的二次優(yōu)化問題，即可得到噴氨流量指令。

步驟5：將氨流量指令做為噴氨流量控制回路的設(shè)定值，該回路的控制器采用PI調(diào)節(jié)器，根據(jù)噴氨流量指令與實際噴氨流量指令的偏差計算出最終的噴氨調(diào)開度指令。由于噴氨流量與噴氨調(diào)門的開度之間是一個快過程，用簡單的PI調(diào)節(jié)器即可保證較好的噴氨流量跟蹤性能。

實施例：

某電廠1000MW超臨界機(jī)組，采用本發(fā)明的控制方法，基于本應(yīng)用場景，上式的相關(guān)參數(shù)選為：

在1000MW、750MW、500MW三個負(fù)荷點上，進(jìn)行了噴氨調(diào)門開度對煙囪入口NOx濃度的階躍特性試驗，通過模型擬合獲得相關(guān)的數(shù)學(xué)模型。

以5s為采樣周期，離散化上述模型；選擇最大預(yù)測步數(shù)N＝40，控制量權(quán)值Γ＝(0.6 … 0.6)^T；約束條件中，噴氨流量上下限的計算系數(shù)A＝0.001，B＝15t/h,噴氨流量變化速率的上下限為ΔU_min＝-5t/h,ΔU_max＝5t/h；噴氨流量回路的PI控制器參數(shù)，比例K_p＝2.0，積分T_i＝60sec。

應(yīng)用結(jié)果顯示：在負(fù)荷穩(wěn)定的工況下，反應(yīng)器出口NOx濃度動態(tài)偏差控制在5mg/Nm³之內(nèi)；在大幅度快速變負(fù)荷工況下，反應(yīng)器出口NOx濃度動態(tài)偏差控制在10mg/Nm³以內(nèi)；在啟停磨煤機(jī)計這種擾動劇烈的工況下，反應(yīng)器出口NOx濃度動態(tài)偏差控制在15mg/Nm³以內(nèi)。NOx的排放值在全工況下能滿足環(huán)保考核要求。由于反應(yīng)器出口NOx濃度波動的大幅減小，平均運行設(shè)定值由25mg/Nm3提升至35mg/Nm3，氨氣使用量減少了約15％，空預(yù)器差壓降低5％，堵塞情況減小。證明本發(fā)明所述方法能有效提高SCR脫硝系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，經(jīng)濟(jì)性和安全性。