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储存在氨罐中的液态氨蒸发汽化后与稀释空气混合均匀,喷入SCR反应器上游的烟气中与NOx发生反应,反应过程如图2所示。烟气中的NOx在还原剂氨和催化剂同时存在的条件下,发生氧化还原反应,将烟气中的NOx还原为氮气(N2)和水(H2O)。
喷氨量是影响脱硝效率的主要因素。控制系统主要根据反应器入口NOx浓度和烟气流量来调节氨气阀门开度,改变喷氨量。喷氨量过少,NOx排放超标;喷氨量过多,经济成本升高,同时会使氨逃逸增大。烟气中SO2在SCR催化剂作用下生成SO3,逃逸的NH3、SO3与水反应生成硫酸铵((NH4)2SO4)和硫酸氢铵(NH4HSO4)。这些副产物会附着在催化剂表面,堵塞催化剂的孔道从而影响催化剂活性,也会造成空气预热器结垢堵塞和腐蚀,烟道阻力增加,严重时可引发引风机失速和机组跳闸。
因此,氨过量不但造成还原剂浪费,也直接影响机组安全稳定运行,需设计合理的多目标优化控制方案对喷氨量进行精准控制。
2 SCR脱硝系统多目标优化方案
SCR脱硝系统反应机理复杂,其受到氨氮摩尔比、烟气温度、反应时间和催化剂活性等因素影响,控制对象具有大迟延大滞后和非线性特性,尤其在机组工况大范围变化时,控制难度较大。预测控制作为一种先进控制算法,其以预测模型为基础,对未来时刻被控对象未来的输出状态进行预判,并以此确定当前时刻的控制动作,即先预测再控制,使得它明显优于传统的先输出后反馈再控制的PID控制系统,具有更好的控制效果。
2.1 构建多目标优化控制方案
预测控制主要包括预测模型、滚动优化、反馈校正3个部分,其原理是根据模型预测的输出相应调整输入量,通过极小化目标函数求解最优喷氨量,从而使实际输出与设定值保持一致。
为了使SCR脱硝系统能在适应机组工况大范围变化的同时降低喷氨成本,本文对DMC预测控制算法进行改进,将神经网络、遗传算法用于预测控制的预测模型、滚动优化,将经济指标加入目标函数构建了脱硝系统的多目标优化控制算法,其控制算法如图3所示。
以脱硝系统为研究对象,图中yr为出口NOx浓度设定值,u为喷氨量,y为SCR出口NOx浓度值,ym为预测模型出口NOx浓度预测值,yp为校正后的出口NOx浓度预测值。在仿真过程中,采用提出的机理建模方法来建立模型作为被控对象,便于对算法进行仿真验证。假设已知喷氨量u(k-1),可以得到机理模型出口NOx浓度值y(k-1)以及神经网络预测模型的出口NOx浓度值ym(k)。相应的,通过u(k)可以得到y(k)和ym(k+1)。将k时刻实际输出y(k)与k-1时刻模型输出ym(k)之间的偏差视为k时刻预测误差的估计值,并将其作为反馈校正信号补偿到k时刻的预测模型输出ym(k+1)中,即反馈校正后的预测值为
反馈校正环节考虑了上一时刻的模型预测误差,一定程度上提高了模型预测精度。将yp(k+1)和yr(k+1)输入目标函数中,在不断地滚动优化过程中,采用遗传算法快速寻优喷氨量u(k-1)。当入口NOx浓度发生大范围改变时,对脱硝系统起到预先控制的作用。
2.2 基于神经网络和遗传算法的改进策略
2.2.1 基于神经网络的预测模型
预测模型的准确性对于预测控制效果非常重要,脱硝系统的对象特性随工况变化呈现非线性和时变特征,传统建模方法难以建立准确模型。本文利用神经网络可以精确描述非线性和不确定性动态过程的特点,将其用于预测模型。
BP神经网络有M个输入节点,L个输出节点,如图4所示。本文通过对脱硝系统输入节点历史数据进行相关性分析,选择以入口NOx浓度、烟气流量、喷氨量和机组负荷作为神经网络的四个输入节点,以出口NOx浓度值,作为一个输出节点,设置神经网络的隐含层数为1,隐含层节点数为5。
建立脱硝系统的神经网络预测模型。
2.2.2 滚动优化算法改进
在预测控制算法中,滚动优化过程的实质为求解非线性优化问题。DMC预测控制通过对目标函数求导计算极值的方法来获取最优变量,计算过程复杂,容易陷入局部“陷阱”。作为全局优化的遗传算法,可在一定程度克服上述缺点。因此,本文采用遗传算法对构建的脱硝系统多目标函数进行滚动寻优。
2.2.3 构建控制优化目标函数
燃煤电厂烟气脱硝应以提高环境质量、维护生态效益、维持经济和社会的可持续发展为基本任务及功能目标,在满足功能目标的前提下追求支出各项费用最小原则。该费用包括了与项目有关的一切费用,如还原剂成本、排污成本和耗电成本等。综合神经网络预测模型输出的出口NOx浓度值与期望轨迹误差以及经济指标,构造如下目标函数:
式中:ym为神经网络模型预测出口NOx浓度;yr为出口 NOx浓度的期望值;yp为校正后的出口NOx浓度预测值;Qgas为烟气流量;CO2为烟气含氧量,6%为标准烟气含氧量,0.95为氮氧化物排污量;M1为排污费价格;QNH3为氨流量;M2为液氨价格;N为机组发电量;M3为电价补贴价格;w为权重系数。鉴于电厂对气体排放达标的关注度大于经济成本,根据指标的重要程度以及操作经验将权重系数设为w1=0.75,w2=0.25。
本文通过遗传算法对目标函数寻优,求出最优喷氨量序列u(k),u(k+1),¼,u(k+d-1)。当对脱硝系统进行控制时,只使用第一个最优控制量u(k)进行实际控制,在下一个采样时刻k+1时,先对当前及历史的信息做更新,然后再次在线执行优化算法,重复k时刻的过程。如此反复,在每个采样时刻,优化算法都更新相关信息,使用第一个优化喷氨量进行控制。利用滚动的有限时段优化取代一成不变的全局优化。
该方法虽然在理想情况下不能得到全局最优,但由于脱硝系统在实际运行过程中,不可避免存在着误差和环境等各种干扰,这种建立在实际反馈信息基础上的反复优化,能不断计入不确定性影响并及时加以校正,与模型一次优化相比,更具鲁棒性。
3 仿真结果
3.1 模型的应用及验证
以某电厂1000MW超超临界锅炉SCR 烟气脱硝系统作为研究对象,在催化剂活性一定时,选择以入口NOx浓度、烟气流量、喷氨量和机组负荷作为神经网络模型的输入量,以出口NOx浓度值作为输出量,采用2.2.1中所述神经网络数据建模方法建立预测模型,选取机组脱硝系统1200组历史运行数据,覆盖机组全运行工况,采样时间间隔为1min,模型效果如图5所示,其中前800组数据为训练集,后400组数据为验证集。
采用均方根误差作为模型精度的评价指标,其计算公式为
由式(3)计算可知,测试样本RMSE=3.4372,模型预测精度较高,可以满足预测控制要求。
另外,仿真所用的被控对象机理模型方法建立,利用本机组历史数据对模型中的参数进行辨识,辨识结果如表1所示。
将确定好的参数输入到机理模型,对比模型的输出值与实际运行数据,验证结果如图6所示。
由式(3)计算可知,该模型验证集与真实运行数据误差较小,RMSE=8.7385。因此,机理模型可以表征火电机组脱硝系统的实时运行工况,具备了良好的动态特性。
3.2 多目标优化控制方法仿真
在上节建立的神经网络预测模型基础上,本文采用遗传算法求解预测控制最优喷氨量。在遗传算法寻优的过程中,设定迭代次数为50,种群大小为30,寻优误差系数为10-6,交配概率为0.85,变异概率为0.2,喷氨量的变化范围设为30~150kg/h。鉴于喷氨反应为空间反应,当入口NOx浓度激增,喷氨阀门短时间内无法骤变,控制出口NOx浓度为某一固定值难度较大,将其控制在某个较小的区间范围内更为合理。根据国家超低排放标准,SCR出口NOx 浓度允许的最大值为 50mg/m3,考虑预测模型与实际模型之间存在偏差,以及受到环境扰动对输出可能造成的影响,同时兼顾经济性原则,设置出口NOx浓度的期望区间范围为40~45mg/m3。由于喷氨阀门不能突变,故对喷氨量的变化进行限速处理,设定其单步最大变化范围为10kg/h。
比较不同控制方式下脱硝系统的输出效果,设定PID控制的参数为Kp=1,Ki=0.5,Kd=0;设定改进前后的预测控制中参数预测步长P=10,控制步长M=6。仿真结果如图7和图8所示,采用传统PID 控制时,SCR出口NOx浓度最大值为68.57mg/m3,平均浓度为54.23mg/m3。采用DMC预测控制时,SCR出口NOx浓度最大值为69.89mg/m3,平均浓度为51. 80mg/m3。与之相比,多目标优化控制方案通过遗传算法进行滚动寻优,具有更高控制精度。对喷氨量进行最优控制后,SCR出口NOx浓度最大值为58.87mg/m3,平均浓度为49.34mg/m3,满足了国家的最低排放要求,并且其值分布更为集中。在第312min时,机组负荷开始发生骤变,由896.4 MW降至814.7 MW,脱硝系统的入口NOx浓度激增,多目标优化控制方案下,出口NOx波动性较小,抗干扰能力较强。
传统PID 控制方法仅利用SCR 出口 NOx浓度进行反馈控制,很难解决工况波动情况下 SCR系统的非线性和大惯性问题。为避免过量喷氨,传统PID控制通常将氨氮摩尔比设置为 0.8,从而导致喷氨量控制精度低,出口NOx浓度偏高。
3种控制方式下的喷氨量、脱硝效率和出口NOx参数分别如图9、图10和图11所示。当脱硝系统采用传统PID控制时,平均喷氨量为59.84kg/h,平均脱硝效率为78.55%。采用DMC预测控制时,平均喷氨量为62.22kg/h,平均脱硝效率为78.12%。采用多目标优化控制后,平均喷氨量为58.25kg/h,平均脱硝效率为84.78%。通过对比可以发现,在第312min时,机组工况发生突变,采用多目标最优控制后,平均喷氨量有所降低,但是脱硝效率得到了提高。仿真说明改进的预测控制优化方法,使得脱硝系统既能满足NOx排放标准又降低了经济成本。
为了在满足电厂NOx超低排放的同时降低经济成本,本文在DMC预测控制的基础上进行了改进,提出了一种脱硝系统多目标优化控制方法。通过神经网络算法构建的全工况数据预测模型可以对出口NOx进行实时预测,构建了兼顾NOx排放和经济成本的多目标优化函数,采用遗传算法进行喷氨量寻优。仿真结果表明,与PID和改进前的DMC预测控制方法相比,改进后的预测控制优化方法用较少的喷氨量实现了较高的脱硝效率,在工况发生变化时有较好的控制性能,实现了脱硝系统的全工况优化控制。
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