火电厂脱硝控制系统的积分分离的控制方法与流程

本发明涉及一种火电厂脱硝的控制方法，特别是一种火电厂脱硝控制系统的积分分离的控制方法。

背景技术：

自2006年开始，我国燃煤机组已逐步投运脱硝系统，选择催化还原法(SCR)脱硝是目前国内外电机组应用比较广泛的一种烟气脱氮技术。氨气先与20倍于自己体积的空气混合，再与320-400℃的烟气混合，然后通过催化剂完成脱硝反应，根据脱硝原理通过喷氨流量来控制SCR出口NOx浓度不超标，并且控制氨气逃逸率部超标，因此喷氨自动控制系统调节品质越好，脱硝效果越好，且氨气逃逸率越少。

因而，针对脱硝系统，急需一套科学、实用的脱硝控制系统的积分分离法，用于控制喷氨流量，有效控制火电厂NOx的排放，防止积分饱和，减少厂用电率提高机组发电效率。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种有效控制喷氨流量和火电厂NOx排放的火电厂脱硝控制系统的积分分离的控制方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案如下：

火电厂脱硝控制系统的积分分离的控制方法，包括如下步骤：

S1.最小脱硝效率控制：将脱硝效率设定值输入给第一偏差计算模块，将第一偏差计算模块的输出和入口NOx的测量值分别输入给第一乘法计算模块，将第一乘法计算模块的输出输入给第一惯性延迟模块，第一惯性延迟模块的输出值为出口最大NOx的设定值；

S2.积分分离控制：第二惯性延迟模块的输入为出口NOx的测量值，并输出至第三惯性延迟模块，第三惯性延迟模块输出至第四惯性延迟模块，第四惯性延迟模块输出至第一加法计算模块，第一加法计算模块的输入还包括出口NOx的测量值，并输出至第一系数放大模块，第二加法计算模块的输入为第一系数放大模块的输出和出口NOx的测量值，且第二加法计算模块的输出值为修正后的出口NOx测量值，小值选择模块的输入为出口NOx的设定值和出口最大NOx设定值，第二偏差计算模块的输入为小值选择模块的输出和修正后的NOx测量值，并分别输出至选择模块和第二系数放大模块，选择模块输出至积分模块，第三加法计算模块的输入为积分模块的输出和第二系数放大模块的输出，且第三加法计算模块的输出值为外回路的喷氨校正值；

S3.喷氨流量设定值修正：第三偏差计算模块的输入为入口NOx测量值和出口NOx测量值，第四加法计算模块的输入为第三加法计算模块输出和第三偏差计算模块输出，第二乘法计算模块的输入为第四加法计算模块的输出和函数功能模块的输出，函数功能模块的输入为总燃料量的测量值，输出为理论氨气流量计算值，第三系数放大模块的输入为第二乘法模块的输出，第三系数放大模块的输出为内回路的喷氨流量设定值；其中，函数功能模块用于将燃料量测量值转换为对应的烟气流量；

S4.喷流量前馈控制：第五惯性延迟模块的输入为入口NOx测量值，第五加法计算模块的输入为第五惯性延迟模块的输出和入口NOx测量值，第五加法计算模块输出至第四系数放大模块；第六惯性延迟模块的输入为氧含量，第六加法计算模块的输入为第六惯性延迟模块的输出和氧含量，并输出至第五系数放大模块；控制模块的输入为第四系数放大模块的输出、第五系数放大模块的输出、第三系数放大模块的输出和第七惯性延迟模块的输出，控制模块的输出为喷氨流量控制信号。

本发明采用积分分离的方法，能够有效控制喷氨流量和火电厂NOx的排放，能够防止积分饱和，以及减少厂用电率、提高机组发电效率。

作为优选，步骤S1中，脱硝效率设定值为100％。其优点在于，提高脱硝效率和脱硝效果。

作为优选，步骤S2中，在选择模块处，当出口仪表吹扫信号过来时，选择模块的输出值为0，当吹扫信号未出现时，选择模块的输出值为第二偏差计算模块的输出值。

作为优选，步骤S3中，第三偏差计算模块的输出为实际需要被中和的NOx。

作为优选，第一至第七惯性延时模块分别用于使信号变换缓慢，并有一定时间的延时，传递函数为:其中，G(s)为传递函数是描述线性系统动态特性的基本数学工具，Y(s)为出量的拉普拉斯变化，X(s)为输入量的拉普拉斯变化，k为惯性环节的比例系数，T1、T2为性环节的时间常数，S为复频域。其优点在于，能够改善大惯性控制对象的动态特性，加快系统响应速度。

作为优选，第一至第六加法计算模块分别用于计算出两个输入值的和，计算公式为A＝输入值1*输入值1增益+输入值2*输入值2增益；第一与第二乘法计算模块用于计算两个输入值的积，计算公式为A＝输入值1*输入值2；输入值1增益和输入值2增益的范围分别为0至2。其优点在于，一般系统作用系数为1，个别系统作用系数会产生偏差，考虑到逻辑的一致性，在加法计算模块中设置增益。

作为优选，第一至第五系数放大模块分别用于将输入值根据增益进行缩放，计算公式为A＝输入值*输入值增益；输入值增益的范围为0至2。其优点在于，

作为优选，控制模块用于提供比例积分微分控制器功能，其传递函数为：其中，G(S)为传递函数是描述线性系统动态特性的基本数学工具，U(S)为输出量的拉普拉斯变化，E(S)为输入量的拉普拉斯变化，Kp为控制模块中的比例系数，Ti为控制模块中的积分时间，Td为控制模块中的微分时间，S为复频域。其优点在于，使得整个控制过程更加可控，提高脱硝效率和发电机组效率。

作为优选，积分模块用于计算输入值的积分；第一至第三偏差计算模块用于计算两个输入值的算术差，计算公式为A＝输入值1-输入值2；小值选择模块用于对输入的两个值进行小选择，当输入值1大于输入值2时，模块输出为输入值2；当输入值1小于输入值2时，模块输出为输入值1。

本发明同现有技术相比具有以下优点及效果：

1、由于本发明主要包括四部分内容，最小脱硝效率控制、积分分离控制、喷氨流量设定值修正和喷氨量前馈控制，能够有效防止控制回路积分饱和，有效控制火电机组出口NOx排放，减少氨逃逸率，减少厂用电率，提高机组发电效率。

2、由于本发明采用串级回路控制，喷氨流量设定值修正回路以及氨量前馈控制回路减少了实际运行情况中煤种的变化、燃烧的随机性、等诸多不确定性与扰动性对控制产生的影响。

3、由于本发明采用积分分离控制，当仪表在维护过程中，进入积分功能块的偏差值切换至0，积分作用停止，防止积分作用向饱和方向发展，有利于控制回路获得更好的调节品质

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明火电厂脱硝控制系统的积分分离方法实现逻辑图。

标号说明：

1、最小脱硝效率控制回路 2、积分分离控制回路 3、喷氨流量设定值修正回路 4、喷流量前馈控制回路 102、第一偏差计算模块 103、第一乘法计算模块 104、第一惯性延迟模块 105、小值选择模块 106、第二偏差计算模块 107、第二加法计算模块 108、第二惯性延迟模块 109、第三惯性延迟模块 110、第四惯性延迟模块 111、第一加法计算模块 112、第一系数放大模块 113、选择模块 116、积分模块 117、第三加法计算模块 118、第二系数放大模块 119、第三偏差计算模块 120、第四加法计算模块 121、第五惯性延迟模块 122、第五加法计算模块 123、第四系数放大模块 124、第二乘法计算模块 125、函数功能模块 126、第三系数放大模块 127、第七惯性延迟模块 128、第六惯性延迟模块 129、第六加法计算模块 130、第五系数放大模块 131、控制模块

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例1：

如图1所示，本实施例的火电厂脱硝控制系统的积分分离的控制方法，主要以下四部分：

第一部分：最小脱硝效率控制回路1部分。将脱硝效率设定值100％(即脱硝效率的最大值100％)输入给第一偏差计算模块102，将第一偏差计算模块102的输出和入口NOx的测量值输入分别给第一乘法计算模块103，将第一乘法计算模块103的输出输入给第一惯性延迟模块104，该第一惯性延迟模块104的输出值为出口最大NOx的设定值。

第二部分：积分分离控制回路2部分。第二惯性延迟模块108的输入为出口NOx的测量值，并输出至第三惯性延迟模块109，第三惯性延迟模块109输出至第四惯性延迟模块110，第四惯性延迟模块110输出至第一加法计算模块111，第一加法计算模块111的输入还包括出口NOx的测量值，并输出至第一系数放大模块112，第二加法计算模块107的输入为第一系数放大模块112的输出和出口NOx的测量值，且第二加法计算模块107的输出值为修正后的出口NOx测量值，小值选择模块105的输入为出口NOx的设定值和出口最大NOx设定值，第二偏差计算模块106的输入为小值选择模块105的输出和修正后的NOx测量值，并分别输出至选择模块113和第二系数放大模块118，选择模块113输出至积分模块116，第三加法计算模块117的输入为积分模块116的输出和第二系数放大模块118的输出，且第三加法计算模块117的输出值为外回路的喷氨校正值。

在选择模块113处，当吹扫信号未出现时，选择模块113的输出值为第二偏差计算模块106的输出值；当出口仪表吹扫信号过来时，选择模块113的输出值为0，积分作用停止，防止积分作用向饱和方向发展。

上述的修正后的NOx测量值为通过第二加法计算模块107、第二至第四惯性延迟模块108-110、第一加法计算模块111和系数放大模块112形成的修正回路获得的，采用超前滞后补偿方法的修正回路，具有响应速度快的特点，修正了进入PID(下一环节的运算回路)运算的出口NOx测量值，改善了大惯性控制对象的动态特性。

第三部分：喷氨流量设定值修正回路3部分。第三偏差计算模块119的输入为入口NOx测量值和出口NOx测量值，第四加法计算模块120的输入为第三加法计算模块117输出和第三偏差计算模块119输出，第二乘法计算模块124的输入为第四加法计算模块120的输出和函数功能模块125的输出，函数功能模块125的输入为总燃料量的测量值，函数功能模块125的输出为理论氨气流量计算值，第三系数放大模块126的输入为第二乘法模块的输出，第三系数放大模块126的输出为内回路的喷氨流量设定值。其中，函数功能模块125用于将燃料量测量值转换为对应的烟气流量。第三偏差计算模块119的输出为实际需要被中和的NOx。

上述的函数功能模块125的作用是将燃料量测量值转换为对应的烟气流量，函数功能模块125算法可生成分段线性函数。

第四部分：喷流量前馈控制回路4部分。第五惯性延迟模块121的输入为入口NOx测量值，第五加法计算模块122的输入为第五惯性延迟模块121的输出和入口NOx测量值，第五加法计算模块122输出至第四系数放大模块123；第六惯性延迟模块128的输入为氧含量，第六加法计算模块129的输入为第六惯性延迟模块128的输出和氧含量，并输出至第五系数放大模块130；控制模块131的输入为第四系数放大模块123的输出、第五系数放大模块130的输出、第三系数放大模块126的输出和第七惯性延迟模块127的输出，控制模块131的输出为喷氨流量控制信号。

第一至第七惯性延时模块分别用于使输入信号经过惯性延时模块后，使信号变换缓慢，并有一定时间的延时，传递函数为:，其中，G(s)为传递函数是描述线性系统动态特性的基本数学工具，Y(s)为出量的拉普拉斯变化，X(s)为输入量的拉普拉斯变化，k为惯性环节的比例系数，T1、T2为性环节的时间常数，S为复频域。

在上述积分分离控制回路2部分中，因为是大惯性对象，一个惯性延迟模块延迟响应不够缓慢，需要三个惯性延迟环节同时作用，使输入惯性延迟模块的信号变化产生一定的延迟，从而改善大惯性控制对象的动态特性。

第一至第六加法计算模块129分别用于计算出两个输入值的和，计算公式为A＝输入值1*输入值1增益+输入值2*输入值2增益；第一与第二乘法计算模块124用于计算两个输入值的积，计算公式为A＝输入值1*输入值2；输入值1增益和输入值2增益的范围分别为0至2。

第一至第五系数放大模块130分别用于将输入值根据增益进行缩放，计算公式为A＝输入值*输入值增益；输入值增益的范围为0至2。

控制模块131用于提供比例积分微分控制器功能，其传递函数为：其中，G(S)为传递函数是描述线性系统动态特性的基本数学工具，U(S)为输出量的拉普拉斯变化，E(S)为输入量的拉普拉斯变化，Kp为控制模块131中的比例系数，Ti为控制模块131中的积分时间，Td为控制模块131中的微分时间，S为复频域。

积分模块116用于计算输入值的积分。

第一至第三偏差计算模块用于计算两个输入值的算术差，计算公式为A＝输入值1-输入值2。

小值选择模块105用于对输入的两个值进行小选择，当输入值1大于输入值2时，模块输出为输入值2；当输入值1小于输入值2时，模块输出为输入值1。

本发明的原理如下：

由于NOx与NH3的反应是较慢的过程，为了提高控制系统的调节效果，需要脱硝机理来设计控制系统。在烟气中，NOx主要以NO形式存在，可得到相关的喷按量如下式：

$Q_L=Q_g*\{{\[{\mathrm{NO}}_x\]}_{in}-{\[{\mathrm{NO}}_x\]}_{out}\}*\frac{1}{{10}^6}*\frac{17}{46}$

其中，Q_L为理论喷氨充流量，单位kg/h。Q_g为烟气流速，单位Nm³/h。[NO_x]_in为脱硝系统入口烟气NOx含量，单位mg/Nm³。[NO_x]_out为脱硝装置出口烟气NOx含量，单位mg/Nm³。17/46是NH₃与NOx的分子量之比。

如果以上的烟气流量测量点未安装或者其相应测点误差较大，可以通过煤量计算得到，那么上式可变为：

$Q_L=f\left(Q_c\right)*\{{\[{\mathrm{NO}}_x\]}_{in}-{\[{\mathrm{NO}}_x\]}_{out}\}*\frac{1}{{10}^6}*\frac{17}{46}$

其中，Q_c为实际燃煤量，单位t/h。相应的函数f(Q_c)可以通过锅炉设计说明书或采用下面公式计算得到：

f(Q_c)＝1000*V_gy*Q_c

其中，V_gy为燃烧每kg煤所产生的干烟气流量，单位Nm³/kg。相应的计算公式如下：

V_gy＝0.01866*(C_ar+0.375S_ar)+(0.79V°+0.008*N_ar)+(α-1)V°

其中，C_ar、S_ar、N_ar分别为收到基的碳、硫、氮等成分数量，与燃烧的煤种有关，单位％。α为过量空气系数，一般取1.1-1.4之间的常数。V°为每燃烧1kg煤所需的理论空气量，单位Nm³/kg。相应的计算公式如下：

V°＝0.0889*(C_ar+0.375S_ar)+0.2643H_ar-0.0333O_ar

其中，H_ar、O_ar分别为收到基的氢、氧等成分数量，与燃烧的煤种有关，单位％。

如果仅仅通过上述理论计算所得的喷氨量，可作为控制回路的喷氨量设定值，进入单回路PID控制，用以调节喷氨流量，最后控制NOx的排放。这种控制方案并未考虑实际运行情况中煤种的变化、燃烧的随机性、等诸多不确定性与扰动性，必然无法实现真正的闭环控制。因此，本发明提出将出口NOx引入另外一个PID进行闭环校正喷氨流量回路。因而需采用相应的串级控制回路，控制逻辑图如图1。

如图1所示，控制回路由主副PID组成，外回路用以控制出口NOx在设定值附近范围波动；内回路通过喷氨调节阀用以控制喷氨流量；其中最小脱硝效率控制回路1限制了出口NOx设定值的最大值，保证了脱销控制回路的效率。喷氨流量设定值修正回路3中计算的理论喷氨流量与外回路的喷氨校正值叠加生成了内回路的喷氨流量设定值。且理论氨气流量计算是通过燃烧煤量经由函数功能模块125得到。

由于测量烟气成分的仪表经常会进入维护、吹扫工作状态，且每隔2小时探头需吹扫一次，每次持续时间为7-10分钟。实际工程设计控制系统过程中，还必须考虑这种状况下带来的积分饱和现象。

如图1所示，为了防止仪表探头吹扫过程中，NOx的数值不变导致长期出现PID入口偏差存在，在控制回路中采用了积分分离的方法。在图1所示的积分分离控制回路2中实现，这种设计方案有利于控制回路获得更好的调节品质，一定程度上减少了氨逃逸量。另外，在喷流量前馈控制回路4中，采用了超前滞后补偿环节以并联模式引入系统，主要为了改善大惯性控制对象的动态特性。另外，考虑到NOx的生成量与烟气中的含氧量有关，在控制回路中还将氧量的作为前馈引入至控制系统，以期超前消除燃烧过程中的部分扰动带来的NOx变化。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。