火電廠脫硝控制系統的積分分離的控制方法與流程

2023-04-29 10:30:01 2

本發明涉及一種火電廠脫硝的控制方法，特別是一種火電廠脫硝控制系統的積分分離的控制方法。

背景技術：

自2006年開始，我國燃煤機組已逐步投運脫硝系統，選擇催化還原法(SCR)脫硝是目前國內外電機組應用比較廣泛的一種煙氣脫氮技術。氨氣先與20倍於自己體積的空氣混合，再與320-400℃的煙氣混合，然後通過催化劑完成脫硝反應，根據脫硝原理通過噴氨流量來控制SCR出口NOx濃度不超標，並且控制氨氣逃逸率部超標，因此噴氨自動控制系統調節品質越好，脫硝效果越好，且氨氣逃逸率越少。

因而，針對脫硝系統，急需一套科學、實用的脫硝控制系統的積分分離法，用於控制噴氨流量，有效控制火電廠NOx的排放，防止積分飽和，減少廠用電率提高機組發電效率。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是提供一種有效控制噴氨流量和火電廠NOx排放的火電廠脫硝控制系統的積分分離的控制方法。

本發明解決上述技術問題所採用的技術方案如下：

火電廠脫硝控制系統的積分分離的控制方法，包括如下步驟：

S1.最小脫硝效率控制：將脫硝效率設定值輸入給第一偏差計算模塊，將第一偏差計算模塊的輸出和入口NOx的測量值分別輸入給第一乘法計算模塊，將第一乘法計算模塊的輸出輸入給第一慣性延遲模塊，第一慣性延遲模塊的輸出值為出口最大NOx的設定值；

S2.積分分離控制：第二慣性延遲模塊的輸入為出口NOx的測量值，並輸出至第三慣性延遲模塊，第三慣性延遲模塊輸出至第四慣性延遲模塊，第四慣性延遲模塊輸出至第一加法計算模塊，第一加法計算模塊的輸入還包括出口NOx的測量值，並輸出至第一係數放大模塊，第二加法計算模塊的輸入為第一係數放大模塊的輸出和出口NOx的測量值，且第二加法計算模塊的輸出值為修正後的出口NOx測量值，小值選擇模塊的輸入為出口NOx的設定值和出口最大NOx設定值，第二偏差計算模塊的輸入為小值選擇模塊的輸出和修正後的NOx測量值，並分別輸出至選擇模塊和第二係數放大模塊，選擇模塊輸出至積分模塊，第三加法計算模塊的輸入為積分模塊的輸出和第二係數放大模塊的輸出，且第三加法計算模塊的輸出值為外迴路的噴氨校正值；

S3.噴氨流量設定值修正：第三偏差計算模塊的輸入為入口NOx測量值和出口NOx測量值，第四加法計算模塊的輸入為第三加法計算模塊輸出和第三偏差計算模塊輸出，第二乘法計算模塊的輸入為第四加法計算模塊的輸出和函數功能模塊的輸出，函數功能模塊的輸入為總燃料量的測量值，輸出為理論氨氣流量計算值，第三係數放大模塊的輸入為第二乘法模塊的輸出，第三係數放大模塊的輸出為內迴路的噴氨流量設定值；其中，函數功能模塊用於將燃料量測量值轉換為對應的煙氣流量；

S4.噴流量前饋控制：第五慣性延遲模塊的輸入為入口NOx測量值，第五加法計算模塊的輸入為第五慣性延遲模塊的輸出和入口NOx測量值，第五加法計算模塊輸出至第四係數放大模塊；第六慣性延遲模塊的輸入為氧含量，第六加法計算模塊的輸入為第六慣性延遲模塊的輸出和氧含量，並輸出至第五係數放大模塊；控制模塊的輸入為第四係數放大模塊的輸出、第五係數放大模塊的輸出、第三係數放大模塊的輸出和第七慣性延遲模塊的輸出，控制模塊的輸出為噴氨流量控制信號。

本發明採用積分分離的方法，能夠有效控制噴氨流量和火電廠NOx的排放，能夠防止積分飽和，以及減少廠用電率、提高機組發電效率。

作為優選，步驟S1中，脫硝效率設定值為100％。其優點在於，提高脫硝效率和脫硝效果。

作為優選，步驟S2中，在選擇模塊處，當出口儀表吹掃信號過來時，選擇模塊的輸出值為0，當吹掃信號未出現時，選擇模塊的輸出值為第二偏差計算模塊的輸出值。

作為優選，步驟S3中，第三偏差計算模塊的輸出為實際需要被中和的NOx。

作為優選，第一至第七慣性延時模塊分別用於使信號變換緩慢，並有一定時間的延時，傳遞函數為:其中，G(s)為傳遞函數是描述線性系統動態特性的基本數學工具，Y(s)為出量的拉普拉斯變化，X(s)為輸入量的拉普拉斯變化，k為慣性環節的比例係數，T1、T2為性環節的時間常數，S為復頻域。其優點在於，能夠改善大慣性控制對象的動態特性，加快系統響應速度。

作為優選，第一至第六加法計算模塊分別用於計算出兩個輸入值的和，計算公式為A＝輸入值1*輸入值1增益+輸入值2*輸入值2增益；第一與第二乘法計算模塊用於計算兩個輸入值的積，計算公式為A＝輸入值1*輸入值2；輸入值1增益和輸入值2增益的範圍分別為0至2。其優點在於，一般系統作用係數為1，個別系統作用係數會產生偏差，考慮到邏輯的一致性，在加法計算模塊中設置增益。

作為優選，第一至第五係數放大模塊分別用於將輸入值根據增益進行縮放，計算公式為A＝輸入值*輸入值增益；輸入值增益的範圍為0至2。其優點在於，

作為優選，控制模塊用於提供比例積分微分控制器功能，其傳遞函數為：其中，G(S)為傳遞函數是描述線性系統動態特性的基本數學工具，U(S)為輸出量的拉普拉斯變化，E(S)為輸入量的拉普拉斯變化，Kp為控制模塊中的比例係數，Ti為控制模塊中的積分時間，Td為控制模塊中的微分時間，S為復頻域。其優點在於，使得整個控制過程更加可控，提高脫硝效率和發電機組效率。

作為優選，積分模塊用於計算輸入值的積分；第一至第三偏差計算模塊用於計算兩個輸入值的算術差，計算公式為A＝輸入值1-輸入值2；小值選擇模塊用於對輸入的兩個值進行小選擇，當輸入值1大於輸入值2時，模塊輸出為輸入值2；當輸入值1小於輸入值2時，模塊輸出為輸入值1。

本發明同現有技術相比具有以下優點及效果：

1、由於本發明主要包括四部分內容，最小脫硝效率控制、積分分離控制、噴氨流量設定值修正和噴氨量前饋控制，能夠有效防止控制迴路積分飽和，有效控制火電機組出口NOx排放，減少氨逃逸率，減少廠用電率，提高機組發電效率。

2、由於本發明採用串級迴路控制，噴氨流量設定值修正迴路以及氨量前饋控制迴路減少了實際運行情況中煤種的變化、燃燒的隨機性、等諸多不確定性與擾動性對控制產生的影響。

3、由於本發明採用積分分離控制，當儀表在維護過程中，進入積分功能塊的偏差值切換至0，積分作用停止，防止積分作用向飽和方向發展，有利於控制迴路獲得更好的調節品質

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本發明火電廠脫硝控制系統的積分分離方法實現邏輯圖。

標號說明：

1、最小脫硝效率控制迴路 2、積分分離控制迴路 3、噴氨流量設定值修正迴路 4、噴流量前饋控制迴路 102、第一偏差計算模塊 103、第一乘法計算模塊 104、第一慣性延遲模塊 105、小值選擇模塊 106、第二偏差計算模塊 107、第二加法計算模塊 108、第二慣性延遲模塊 109、第三慣性延遲模塊 110、第四慣性延遲模塊 111、第一加法計算模塊 112、第一係數放大模塊 113、選擇模塊 116、積分模塊 117、第三加法計算模塊 118、第二係數放大模塊 119、第三偏差計算模塊 120、第四加法計算模塊 121、第五慣性延遲模塊 122、第五加法計算模塊 123、第四係數放大模塊 124、第二乘法計算模塊 125、函數功能模塊 126、第三係數放大模塊 127、第七慣性延遲模塊 128、第六慣性延遲模塊 129、第六加法計算模塊 130、第五係數放大模塊 131、控制模塊

具體實施方式

下面結合實施例對本發明做進一步的詳細說明，以下實施例是對本發明的解釋而本發明並不局限於以下實施例。

實施例1：

如圖1所示，本實施例的火電廠脫硝控制系統的積分分離的控制方法，主要以下四部分：

第一部分：最小脫硝效率控制迴路1部分。將脫硝效率設定值100％(即脫硝效率的最大值100％)輸入給第一偏差計算模塊102，將第一偏差計算模塊102的輸出和入口NOx的測量值輸入分別給第一乘法計算模塊103，將第一乘法計算模塊103的輸出輸入給第一慣性延遲模塊104，該第一慣性延遲模塊104的輸出值為出口最大NOx的設定值。

第二部分：積分分離控制迴路2部分。第二慣性延遲模塊108的輸入為出口NOx的測量值，並輸出至第三慣性延遲模塊109，第三慣性延遲模塊109輸出至第四慣性延遲模塊110，第四慣性延遲模塊110輸出至第一加法計算模塊111，第一加法計算模塊111的輸入還包括出口NOx的測量值，並輸出至第一係數放大模塊112，第二加法計算模塊107的輸入為第一係數放大模塊112的輸出和出口NOx的測量值，且第二加法計算模塊107的輸出值為修正後的出口NOx測量值，小值選擇模塊105的輸入為出口NOx的設定值和出口最大NOx設定值，第二偏差計算模塊106的輸入為小值選擇模塊105的輸出和修正後的NOx測量值，並分別輸出至選擇模塊113和第二係數放大模塊118，選擇模塊113輸出至積分模塊116，第三加法計算模塊117的輸入為積分模塊116的輸出和第二係數放大模塊118的輸出，且第三加法計算模塊117的輸出值為外迴路的噴氨校正值。

在選擇模塊113處，當吹掃信號未出現時，選擇模塊113的輸出值為第二偏差計算模塊106的輸出值；當出口儀表吹掃信號過來時，選擇模塊113的輸出值為0，積分作用停止，防止積分作用向飽和方向發展。

上述的修正後的NOx測量值為通過第二加法計算模塊107、第二至第四慣性延遲模塊108-110、第一加法計算模塊111和係數放大模塊112形成的修正迴路獲得的，採用超前滯後補償方法的修正迴路，具有響應速度快的特點，修正了進入PID(下一環節的運算迴路)運算的出口NOx測量值，改善了大慣性控制對象的動態特性。

第三部分：噴氨流量設定值修正迴路3部分。第三偏差計算模塊119的輸入為入口NOx測量值和出口NOx測量值，第四加法計算模塊120的輸入為第三加法計算模塊117輸出和第三偏差計算模塊119輸出，第二乘法計算模塊124的輸入為第四加法計算模塊120的輸出和函數功能模塊125的輸出，函數功能模塊125的輸入為總燃料量的測量值，函數功能模塊125的輸出為理論氨氣流量計算值，第三係數放大模塊126的輸入為第二乘法模塊的輸出，第三係數放大模塊126的輸出為內迴路的噴氨流量設定值。其中，函數功能模塊125用於將燃料量測量值轉換為對應的煙氣流量。第三偏差計算模塊119的輸出為實際需要被中和的NOx。

上述的函數功能模塊125的作用是將燃料量測量值轉換為對應的煙氣流量，函數功能模塊125算法可生成分段線性函數。

第四部分：噴流量前饋控制迴路4部分。第五慣性延遲模塊121的輸入為入口NOx測量值，第五加法計算模塊122的輸入為第五慣性延遲模塊121的輸出和入口NOx測量值，第五加法計算模塊122輸出至第四係數放大模塊123；第六慣性延遲模塊128的輸入為氧含量，第六加法計算模塊129的輸入為第六慣性延遲模塊128的輸出和氧含量，並輸出至第五係數放大模塊130；控制模塊131的輸入為第四係數放大模塊123的輸出、第五係數放大模塊130的輸出、第三係數放大模塊126的輸出和第七慣性延遲模塊127的輸出，控制模塊131的輸出為噴氨流量控制信號。

第一至第七慣性延時模塊分別用於使輸入信號經過慣性延時模塊後，使信號變換緩慢，並有一定時間的延時，傳遞函數為:，其中，G(s)為傳遞函數是描述線性系統動態特性的基本數學工具，Y(s)為出量的拉普拉斯變化，X(s)為輸入量的拉普拉斯變化，k為慣性環節的比例係數，T1、T2為性環節的時間常數，S為復頻域。

在上述積分分離控制迴路2部分中，因為是大慣性對象，一個慣性延遲模塊延遲響應不夠緩慢，需要三個慣性延遲環節同時作用，使輸入慣性延遲模塊的信號變化產生一定的延遲，從而改善大慣性控制對象的動態特性。

第一至第六加法計算模塊129分別用於計算出兩個輸入值的和，計算公式為A＝輸入值1*輸入值1增益+輸入值2*輸入值2增益；第一與第二乘法計算模塊124用於計算兩個輸入值的積，計算公式為A＝輸入值1*輸入值2；輸入值1增益和輸入值2增益的範圍分別為0至2。

第一至第五係數放大模塊130分別用於將輸入值根據增益進行縮放，計算公式為A＝輸入值*輸入值增益；輸入值增益的範圍為0至2。

控制模塊131用於提供比例積分微分控制器功能，其傳遞函數為：其中，G(S)為傳遞函數是描述線性系統動態特性的基本數學工具，U(S)為輸出量的拉普拉斯變化，E(S)為輸入量的拉普拉斯變化，Kp為控制模塊131中的比例係數，Ti為控制模塊131中的積分時間，Td為控制模塊131中的微分時間，S為復頻域。

積分模塊116用於計算輸入值的積分。

第一至第三偏差計算模塊用於計算兩個輸入值的算術差，計算公式為A＝輸入值1-輸入值2。

小值選擇模塊105用於對輸入的兩個值進行小選擇，當輸入值1大於輸入值2時，模塊輸出為輸入值2；當輸入值1小於輸入值2時，模塊輸出為輸入值1。

本發明的原理如下：

由於NOx與NH3的反應是較慢的過程，為了提高控制系統的調節效果，需要脫硝機理來設計控制系統。在煙氣中，NOx主要以NO形式存在，可得到相關的噴按量如下式：

<![CDATA[ Q L = Q g * { NO x i n - NO x o u t } * 1 10 6 * 17 46 ]]>

其中，QL為理論噴氨充流量，單位kg/h。Qg為煙氣流速，單位Nm3/h。[NOx]in為脫硝系統入口煙氣NOx含量，單位mg/Nm3。[NOx]out為脫硝裝置出口煙氣NOx含量，單位mg/Nm3。17/46是NH3與NOx的分子量之比。

如果以上的煙氣流量測量點未安裝或者其相應測點誤差較大，可以通過煤量計算得到，那麼上式可變為：

<![CDATA[ Q L = f ( Q c ) * { NO x i n - NO x o u t } * 1 10 6 * 17 46 ]]>

其中，Qc為實際燃煤量，單位t/h。相應的函數f(Qc)可以通過鍋爐設計說明書或採用下面公式計算得到：

f(Qc)＝1000*Vgy*Qc

其中，Vgy為燃燒每kg煤所產生的幹煙氣流量，單位Nm3/kg。相應的計算公式如下：

Vgy＝0.01866*(Car+0.375Sar)+(0.79V°+0.008*Nar)+(α-1)V°

其中，Car、Sar、Nar分別為收到基的碳、硫、氮等成分數量，與燃燒的煤種有關，單位％。α為過量空氣係數，一般取1.1-1.4之間的常數。V°為每燃燒1kg煤所需的理論空氣量，單位Nm3/kg。相應的計算公式如下：

V°＝0.0889*(Car+0.375Sar)+0.2643Har-0.0333Oar

其中，Har、Oar分別為收到基的氫、氧等成分數量，與燃燒的煤種有關，單位％。

如果僅僅通過上述理論計算所得的噴氨量，可作為控制迴路的噴氨量設定值，進入單迴路PID控制，用以調節噴氨流量，最後控制NOx的排放。這種控制方案並未考慮實際運行情況中煤種的變化、燃燒的隨機性、等諸多不確定性與擾動性，必然無法實現真正的閉環控制。因此，本發明提出將出口NOx引入另外一個PID進行閉環校正噴氨流量迴路。因而需採用相應的串級控制迴路，控制邏輯圖如圖1。

如圖1所示，控制迴路由主副PID組成，外迴路用以控制出口NOx在設定值附近範圍波動；內迴路通過噴氨調節閥用以控制噴氨流量；其中最小脫硝效率控制迴路1限制了出口NOx設定值的最大值，保證了脫銷控制迴路的效率。噴氨流量設定值修正迴路3中計算的理論噴氨流量與外迴路的噴氨校正值疊加生成了內迴路的噴氨流量設定值。且理論氨氣流量計算是通過燃燒煤量經由函數功能模塊125得到。

由於測量煙氣成分的儀表經常會進入維護、吹掃工作狀態，且每隔2小時探頭需吹掃一次，每次持續時間為7-10分鐘。實際工程設計控制系統過程中，還必須考慮這種狀況下帶來的積分飽和現象。

如圖1所示，為了防止儀表探頭吹掃過程中，NOx的數值不變導致長期出現PID入口偏差存在，在控制迴路中採用了積分分離的方法。在圖1所示的積分分離控制迴路2中實現，這種設計方案有利於控制迴路獲得更好的調節品質，一定程度上減少了氨逃逸量。另外，在噴流量前饋控制迴路4中，採用了超前滯後補償環節以並聯模式引入系統，主要為了改善大慣性控制對象的動態特性。另外，考慮到NOx的生成量與煙氣中的含氧量有關，在控制迴路中還將氧量的作為前饋引入至控制系統，以期超前消除燃燒過程中的部分擾動帶來的NOx變化。

此外，需要說明的是，本說明書中所描述的具體實施例，其零、部件的形狀、所取名稱等可以不同。凡依本發明專利構思所述的構造、特徵及原理所做的等效或簡單變化，均包括於本發明專利的保護範圍內。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或採用類似的方式替代，只要不偏離本發明的結構或者超越本權利要求書所定義的範圍，均應屬於本發明的保護範圍。