一種基于前饋預測的脫硝自動控制裝置的制作方法

本實用新型涉及火電機組鍋爐脫硝過程的自動控制領域，更具體地說，涉及一種基于前饋預測的脫硝自動控制裝置。

背景技術：

目前，國內火電機組的SCR脫硝控制策略基本采用固定摩爾比控制方式（Constant Mole Ratio Control）進行設計的，這種脫硝控制策略基本沿用國外廠家的原始設計方案。在該控制方式下，脫硝控制系統的設定值為氨氮摩爾比或者是鍋爐的脫硝效率，控制系統根據當前的煙氣流量、SCR反應器入口的NOx濃度以及控制算法預先設定的氨氮摩爾比計算出脫硝反應所需的氨氣耗量，最后通過后方的流量PID控制系統控制氨氣閥門的開度調節氨氣的實際噴射量。該控制方案為開環控制，脫硝系統的氨氣耗量僅根據穩態時的物理特性計算得出，當機組的運行工況改變，比如鍋爐燃燒時所用的煤質發生變化，則該控制方案的控制效果將會變差。

部分發電廠發現了采用固定摩爾比控制方式的不足，采取了固定SCR反應器出口NOx濃度的控制方案，這種控制方案為閉環控制。該方案下，鍋爐脫硝控制系統的設定值為SCR反應器出口的NOx濃度，并根據其與實際出口的NOx濃度之間的偏差來進行氨氮摩爾比的動態修正，達到閉環控制SCR反應器出口NOx濃度的效果。但鍋爐的脫硝過程是一個大遲延、大慣性并且具有一定非線性的過程，由于遲延及慣性的存在，使得噴氨量的改變不能及時地反應到SCR反應器中，使得該方案下脫硝控制的動態過程常常具有較大的超調量及較大的調節時間。

除此以外，在火電機組鍋爐脫硝系統長期的運行過程中，還發現以下的問題：

⑴、控制目標與考核指標不對應。國家的環保考核機構對火電廠NOx排放的考核指標是以煙囪入口處（即脫硫出口處）的NOx濃度測量值為準的，而固定摩爾比控制方式僅僅控制氨氮摩爾比，是最簡單的開環控制，其控制的目標與考核指標僅有一定程度的關聯；而采用PID閉環控制SCR出口NOx濃度的控制方案，其SCR出口的NOx濃度與考核指標間還存在著氧量的折算，即氧量的擾動也能影響考核指標的大小，而該閉環控制方案并不能對氧量的擾動進行修正，因此也無法獲得較好的考核結果。

⑵、控制策略設計簡單，不適合脫硝對象的特性。根據現場的運行曲線，噴氨量改變到SCR反應器出口改變的響應純遲延時間，在負荷較高時接近3分鐘，在負荷較低時為2分鐘左右。因此，脫硝對象是一個具有大遲延、大慣性、非線性的被控對象。而目前采用的PID閉環控制策略，前饋開環控制策略，其均使用于慣性較小的線性對象。因此使用上述方案必然無法獲得良好的脫硝控制效果。

⑶、脫硝控制策略較多考慮機組穩態時的情況，缺乏對動態過程的設計。國內火電機組使用的鍋爐脫硝控制系統，大部分考慮了機組的當前負荷、SCR反應器入口的NOx含量，但是這些關系僅僅是穩態工況下的靜態物理特性。當機組以變負荷的速率升、降負荷，或者是燃料量、總風量變化時，控制器的響應動作往往不及時，在這個過程中常常導致脫硝考核指標超過標準。

⑷、控制系統缺乏一定的自適應性。當機組燃燒所使用的煤質發生變化，或者在運行過程中某一測點處于吹掃狀態下，目前的脫硝控制策略均無法對這些狀態進行響應，在機組的長期運行中往往會導致鍋爐脫硝的控制品質下降，需要進行控制策略參數的重新調試。

⑸、對火電廠NOx排放量的控制，不僅僅關系到環保的考核問題，同時與SCR反應器后方空預器的結晶程度有著很大的關系。較差的NOx排放量控制，容易引起SCR反應器后方空預器的結晶，易造成空預器堵塞，使得空預器的吹掃、清灰次數頻繁，降低其使用壽命。空預器堵塞嚴重時甚至會影響機組的安全穩定運行，導致機組停機，最終影響到整個電網的穩定性。

顯然，火電廠的鍋爐脫硝過程是一個存在著大遲延、非線性的對象。在這樣的一種對象特性下，傳統的控制方法已經難以獲得良好的控制品質。同時，鍋爐的脫硝過程受到很多因素的影響，很難用準確的模型去描述。因此本實用新型將預測控制應用到鍋爐脫硝的過程當中,發揮其對模型要求低，魯棒性好，能有效克服系統的大遲延和易于實現的特點，從而滿足鍋爐脫硝過程的控制要求。

技術實現要素：

鑒于以上情形，為了解決現有的鍋爐脫硝自動控制策略存在以下幾個問題：

（1）、在相同的脫銷效率但不同的穩定機組負荷狀態下，原脫硝控制方案的氨氣耗量計算不準確，導致尿素設定值的計算量也不準確，高負荷時尿素設定值計算量大，使得空預器結晶嚴重，測點堵塞，嚴重影響設備的正常運行及使用壽命。而低負荷時又出現尿素設定值計算量小，迫使運行人員需要通過增加脫銷效率的方式進行手動干預，才能使SCR的NOx排放量滿足環保考核要求。

（2）、當機組負荷處在升負荷或者降負荷的狀態時，原脫硝控制方案無法及時跟上負荷變化所帶來的脫硝入口處NOx含量的變化，常常導致機組在變負荷時NOx的排放量超過國家標準。

（3）、由于沒有采用SCR輸出NOx排放量信號作為反饋參與閉環控制，SCR出口NOx排放量變化范圍較寬，受負荷、鍋爐燃燒、煙氣含氧量等因素的影響較大，對于提高機組運行效率和滿足環保指標都是不利的。

本實用新型提出一種基于前饋預測的脫硝自動控制裝置，包括DCS分布式控制系統上位機，所述DCS分布式控制系統上位機的 FBM224通訊卡件與脫硝自動控制裝置的PLC可編程控制器通訊連接，所述DCS分布式控制系統上位機還通過若干閥門與SCR脫硝反應器信號連接。

在根據本實用新型實施例的基于前饋預測的脫硝自動控制裝置中，優選地，所述PLC可編程控制器通過鎧裝電纜與220V交流電路供電連接，安裝所述PLC可編程控制器的PLC底板與其所安裝的機柜底板間設有絕緣隔離塑料板，PLC底板接地。

在根據本實用新型實施例的基于前饋預測的脫硝自動控制裝置中，優選地，所述FBM224通訊卡件通過Modbus RTU主站方式與PLC可編程控制器通訊連接，所述FBM224通訊卡件具有工作方式設定為RS-485的Rx/Tx+和Rx/Tx-兩個引腳，所述PLC可編程控制器設有CPU中央處理器，CPU中央處理器具有支持RS-485通訊協議的PORT0端口，所述Rx/Tx+引腳端與PORT0端口的3號引腳連接，所述Rx/Tx-引腳端與PORT0端口的8號引腳連接。

在采取本實用新型提出的技術后，根據本實用新型實施例的基于前饋預測的脫硝自動控制裝置具有以下有益效果。

1. 在負荷變化時，有效避免了脫硝反應器出口氮氧化物排放量的超標；

2. 在負荷穩定時，有效地降低了氨氣（還原劑）的噴入量，有效地降低了空預器的結晶程度，提高了空預器的使用壽命，提高了火電機組運行的安全性；

3. 提高了控制器的控制效果，提高了控制器的響應速度以及控制精度；

4. 降低了氨氣（還原劑）的使用量，降低了生產成本。

該裝置能夠快速、準確地預測出脫硝過程所需要的氨氣（還原劑）的量，保證機組在負荷變化時脫硝反應器出口的氮氧化物排放量符合國家排放標準，在機組負荷穩定時噴入適量的氨氣（還原劑），在保證脫硝反應器出口的氮氧化物排放量符合國家排放標準的前提下降低空預器的結晶程度，提高空預器的使用壽命，降低生產成本，節約還原劑的使用量。

附圖說明

圖1示出了根據本實用新型實施例的基于前饋預測的脫硝自動控制裝置脫硝優化策略總體硬件結構示意圖

圖2示出了根據本實用新型實施例的基于前饋預測的脫硝自動控制裝置PLC安裝示意圖

圖3示出了根據本實用新型實施例的基于前饋預測的脫硝自動控制裝置通訊接線示意圖

圖4示出了根據本實用新型實施例的基于前饋預測的脫硝自動控制裝置鍋爐脫硝優化算法原理圖

圖5示出了根據本實用新型實施例的基于前饋預測的脫硝自動控制裝置鍋爐脫硝噴氨量預測方法步驟圖

具體實施方式

下面將參照附圖對本實用新型的各個優選的實施方式進行描述。提供以下參照附圖的描述，以幫助對由權利要求及其等價物所限定的本實用新型的示例實施方式的理解。其包括幫助理解的各種具體細節，但它們只能被看作是示例性的。因此，本領域技術人員將認識到，可對這里描述的實施方式進行各種改變和修改，而不脫離本實用新型的范圍和精神。而且，為了使說明書更加清楚簡潔，將省略對本領域熟知功能和構造的詳細描述。

如圖1至圖3所示，一種基于前饋預測的脫硝自動控制裝置，包括DCS分布式控制系統上位機10，所述DCS分布式控制系統上位機10的 FBM224通訊卡件11與脫硝自動控制裝置的PLC可編程控制器20通訊連接，所述DCS分布式控制系統上位機10還通過若干閥門30與SCR脫硝反應器40信號連接。

作為根據本實用新型一個實施例的基于前饋預測的脫硝自動控制裝置，所述PLC可編程控制器20通過鎧裝電纜與220V交流電路供電連接，安裝所述PLC可編程控制器20的PLC底板21與其所安裝的機柜底板間設有絕緣隔離塑料板，PLC底板21接地。

作為根據本實用新型一個實施例的基于前饋預測的脫硝自動控制裝置，所述FBM224通訊卡件11通過Modbus RTU主站方式與PLC可編程控制器20通訊連接，所述FBM224通訊卡件11具有工作方式設定為RS-485的Rx/Tx+和Rx/Tx-兩個引腳，所述PLC可編程控制器20設有CPU中央處理器22，CPU中央處理器22具有支持RS-485通訊協議的PORT0端口，所述Rx/Tx+引腳端與PORT0端口的3號引腳連接，所述Rx/Tx-引腳端與PORT0端口的8號引腳連接。

如圖1所示，作為根據本實用新型一個實施例的基于前饋預測的脫硝自動控制裝置，使用預測控制簡化算法進行基于前饋預測的脫硝自動控制裝置。該裝置的上位機DCS生產廠商為Foxbro，其通訊卡件為FBM224；該裝置所使用的PLC供應商為Siemens，PLC的型號為S7-200 CN，CPU型號為224XP CN。在該裝置中，優化算法采用西門子S7-200 PLC進行實現，其以外接PLC控制站的方式與DCS的通訊卡件FBM224通過工業標準的Modbus485通訊協議進行連接，實現測量數據的采集與控制量的傳輸。

如圖2所示，PLC安裝在設備間的輔機機柜內，使用鎧裝電纜引入220V交流電對其進行供電。由于安裝機柜底板帶有110V電壓，所以PLC的底板與機柜底板間需要加裝塑料板進行絕緣隔離，同時PLC底板需要進行接地處理。

如圖3所示，DCS側使用的通訊卡件為Foxbro公司生產的FBM224，該通訊卡件以Modbus RTU主站方式與Modbus從站設備進行通訊，最多可以連接64個從站設備。FBM224上有4個端口，既可以單獨使用，也可以把1和2端口、3和4端口作為冗余端口使用，每個端口均可設置為RS-232、RS-422或RS-485通信鏈路。PLC使用的是Siemens S7-200CN，CPU的型號為224XP CN，其帶有兩個RS-485通訊端口，可同時實現數據的在線監控及收發。FBM224為主站通訊設備，PLC為通訊從站設備。通訊接線采用通訊電纜，使用兩線制接線，DCS側接FBM224上的1號端口，其具有Rx/Tx+和Rx/Tx-兩個引腳，工作方式設定為RS-485；PLC側接CPU上的PORT0端口，支持RS-485通訊協議，其為九針口，Rx/Tx+端接九針口的3號引腳，Rx/Tx-端接九針口的8號引腳。

PLC與DCS的通訊參數為：波特率為19200bit/s，數據位8，停止位1，無奇偶校驗。DCS側的通訊參數則較為復雜，具體步驟如下：

⑴、在CONFIG選項下選擇MODBUS PORT對MODBUS端口進行定義，其中Port Mode 選擇RS-232，Baud Rate選擇19200，Parity選擇None，Redundant Port選擇None，設定完成后點擊“保存”鍵，生成 .MSL文件；

⑵、在ECB內對FBM224進行設定，主要將第⑴步中的文件引入ECB中，同時設定FBM224端口的啟用情況。本實用新型設定PORTEX參數為15，即打開所有4個通訊端口；

⑶、對站內需要讀取的數據進行分段定義。第一段，讀數字量，功能碼設定為01(Read Coil Status)，變量讀取的起始地址為1，連續地址數目為10。第二段，寫模擬量，功能碼設定為06(Preset Single Register)，變量寫入的起始地址為1，連續地址數目為100。第三段，讀模擬量，功能碼設定為03(Read Holding Registers)，變量讀取的起始地址為101，連續地址數目為10；

⑷、對站信息進行設定，需要到ICC的ECB內建立一個BLOCK，填入相應的FBM224的ECB地址、站號地址、FBM224端子讀取的端口號以及MODBUS DEVICE所生成的MSL文件；

⑸、設定DCS內所測量數據的MODBUS地址，該地址與PLC中的MODBUS地址一一對應；

⑹、對相應的FBM224模塊進行設定。在對應的FBM224模塊啟動界面上，選擇EQUIP CHG按鈕，先將模塊狀態打到OFF-LINE，然后再點擊DB DOWNLOAD按鍵，系統會將用戶設定的MMA文件的數據下載到FBM224內，下載完成后再將模塊打到ON-LINE模式，FBM224模塊上線后通訊即可正常工作。

如圖4所示，由于整個脫硝系統屬于大遲延、大慣性、非線性強的系統，當采用傳統的脫硝控制方案時，控制品質很難達到滿意的效果。然而，預測控制算法具有在線優化計算簡單、抗干擾性強、魯棒性強、對模型要求低的優點，非常適合用于對此類大遲延、大慣性的非線性對象的控制。本實用新型在前饋控制結構中結合預測控制技術，使其能快速、準確地預估出SCR反應器中所需的氨氣耗量，在保證煙氣中NOx排放量達到國家標準的同時降低多余的氨氣噴入量，以達到減少氨逃逸的目的，降低對SCR后方空預器的腐蝕與堵塞程度，保證機組的安全、穩定、經濟運行。

在圖4中，機組負荷和入口NOx含量為噴氨量的基礎計算值，預測控制器的輸出作為基礎計算值的修正，這三個量的乘積為當前時刻噴氨量的計算值，該值作為給定值輸入到后方的噴氨執行系統中。噴氨執行系統采用單回路PID控制器，控制進入SCR脫硝反應器中的氨氣量。SCR脫硝反應器出口的NOx排放量使用空預器入口煙氣含氧量進行氧量修正，將氧量對NOx考核指標的影響引入到控制回路當中，更有效地提升控制品質。

如圖5所示，作為根據本實用新型一個實施例的基于前饋預測的脫硝自動控制裝置，用來優化火電廠脫硝噴氨系統的摩爾比控制策略。該算法包含了機組負荷對氨氣耗量計算值的校正作用，包含了變負荷過程中升降負荷對氨氣耗量計算值的校正作用，包含了SCR入口實測NOx含量對氨氣耗量計算值的校正作用，包含了SCR出口實測NOx含量與空預器入口處煙氣含氧量對氨氣耗量計算值的校正作用。同時采用預測控制算法對整體控制結構實現閉環控制，能夠有效地實現對鍋爐脫硝噴氨量的預測。

在圖5中，F1(x)為機組負荷的修正系數，其輸入是機組負荷及其經過一階慣性環節后的計算值，輸出是兩者間的較大值；F2(x)的輸出為負荷上升時的修正系數，當負荷穩定及下降時該函數的輸出值為1；F3(x)的輸出為負荷下降時的修正系數，當負荷穩定及上升時該函數的輸出值為1；F(x)為F2(x)和F3(x)的無擾切換函數，能夠保證負荷在升負荷、降負荷、負荷穩定這三個狀態間變化時，F2(x)和F3(x)兩個系數之間的無擾切換；F4(x)為入口NOx含量的標準化函數，用以修正因為煤質改變而引起的氨氣耗量的改變；F5(x)為入口NOx含量的修正系數，其輸入是入口NOx含量與其經過一階慣性環節后的計算值間的較大值和兩者的平均值，當負荷變化時，其輸出為入口NOx含量與其經過一階慣性環節后的計算值間的較大值，當負荷穩定時，其輸出為為入口NOx含量與其經過一階慣性環節后的計算值間的平均值；F6(x)為出口NOx含量與空預器入口煙氣含氧量的折算函數，其輸出是經過氧量折算的出口NOx含量，將煙氣含氧量的變化對排放考核指標的影響引入控制策略中；F7(x)為預測控制算法的輸出折算函數，將預測控制器的輸出值折算成修正系數，作為前饋中的一個修正系數使用；F8(x)為氨氣耗量計算函數，其能將估算得到的出口NOx含量計算出氨氣耗量；圖中標1處為預測控制器，其為基于黃金分割法的有約束動態矩陣預測控制算法，能夠有效地預測出口NOx的變化情況，實現整體結構的閉環控制。

根據上述本實用新型一個實施例的基于前饋預測的脫硝自動控制裝置，具有以下有益效果。

1. 在負荷變化時，有效避免了脫硝反應器出口氮氧化物排放量的超標；

2. 在負荷穩定時，有效地降低了氨氣（還原劑）的噴入量，有效地降低了空預器的結晶程度，提高了空預器的使用壽命，提高了火電機組運行的安全性；

3. 提高了控制器的控制效果，提高了控制器的響應速度以及控制精度；

4. 降低了氨氣（還原劑）的使用量，降低了生產成本。

根據上述本實用新型一個實施例的基于前饋預測的脫硝自動控制裝置，能夠快速、準確地預測出脫硝過程所需要的氨氣（還原劑）的量，保證機組在負荷變化時脫硝反應器出口的氮氧化物排放量符合國家排放標準，在機組負荷穩定時噴入適量的氨氣（還原劑），在保證脫硝反應器出口的氮氧化物排放量符合國家排放標準的前提下降低空預器的結晶程度，提高空預器的使用壽命，降低生產成本，節約還原劑的使用量。

以上對本實用新型進行了詳細介紹，本文中應用了具體個例對本實用新型的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本實用新型的方法及其核心思想；同時，對于本領域的一般技術人員，依據本實用新型的思想，在具體實施方式及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本實用新型的限制。

通過以上的實施方式的描述，本領域的技術人員可以清楚地了解到本實用新型可實施。當然，以上所列的情況僅為示例，本實用新型并不僅限于此。本領域的技術人員應該理解，根據本實用新型技術方案的其他變形或簡化，都可以適當地應用于本實用新型，并且應該包括在本實用新型的范圍內。