基于指数预测和时滞预估补偿的脱硝新型串级控制方法
【技术领域】：
[0001] 本发明涉及燃煤电厂污染物排放控制领域，具体涉及一种基于选择催化还原 (SCR，SelectiveCatalyticReduction)技术的烟气脱硝装置的优化控制方法。
【背景技术】：
[0002] 我国以燃煤电站为主的电力供应格局在未来相当长的时间内不会发生根本性改 变，因此燃煤电厂污染物排放问题一直是人们关注的热点。为改善环境质量，防治火电厂 大气污染物排放造成的污染，环保部组织对《火电厂大气污染物排放标准》进行了第三次修 订，被称为史上最严格的火电排放标准（GB13223 - 2011)从2014年7月1日起正式执 行，意味着现有燃煤锅炉二氧化硫、氮氧化物、烟尘排放标准将从400毫克/立方米、450毫 克/立方米、50毫克/立方米，分别提高到200毫克/立方米、100毫克/立方米、30毫克/ 立方米，重点地区提高到50毫克/立方米、100毫克/立方米、20毫克/立方米。
[0003] 选择性催化剂还原（SCR，SelectiveCatalyticReduction)法的烟气脱硝技术因 其脱硝效率高（可达到90%以上）、对锅炉运行影响较小、装置结构简单、反应条件易于控 制、技术成熟、运行可靠、不形成二次污染等优点，是目前国际上应用最为成熟的烟气脱硝 技术，也是国内火电机组普遍采用的脱硝技术。该技术中，氨气作为脱硝剂被喷入高温烟气 流经的脱硝装置中，在催化剂的作用下将烟气中N0X还原成为N2和Η20,SCR烟气脱硝基本 原理图如附图2所不：
[0004] 相关化学反应如下：
[0005] 4ΝΟ+4ΝΗ3+〇2= 4Ν2+6Η20
[0006] 6Ν0+4ΝΗ3= 5Ν2+6Η20
[0007] 4ΝΗ3+2Ν02+02= 3Ν2+6Η20
[0008] Ν02+Ν0+2ΝΗ3= 2Ν2+3Ηζ0
[0009] 6Ν02+8ΝΗ3= 7Ν2+12Ηζ0
[0010] 脱硝系统中的喷氨控制系统性能，直接影响到氨气逃逸量和脱硝系统的经济运行 指标。喷氨量不足，会造成排放烟气中Ν0Χ浓度高于环保部门限值；喷氨过量不仅会增加运 行成本，造成ΝΗ3的二次污染，而且ΝΗ3与烟气中的S0 3反应生成ΝΗ4批04和（NH4) 2S04等物 质，腐蚀下游设备，并增大系统阻力。
[0011] 氨气和N0X存在一定的化学反应时间，而且N0 ^则量系统的20米以上的取样距离 与预处理过程使得脱硝系统的喷氨量控制系统变为典型的纯延迟大惯性系统。目前常规 火电机组脱硝系统的喷氨量控制普遍采用带有前馈信号的单回路PID调节器或串级PID调 节器。由于常规PID控制基于当前控制偏差计算获得当前时刻控制输出，对于克服纯延迟 大惯性存在先天不足；并且目前大型火电机组入炉煤粉煤质的在线实时测量尚不能实现， 风量测量误差大引起的N0xS量不准问题普遍存在，导致喷氨调节器的前馈信号偏差较大。 因此控制系统难以投入自动方式运行，N0X超标排放或氨逃逸量大等情况普遍存在。
[0012] 为解决电站脱硝装置喷氨优化控制问题，必须提高N0X生成量的估计精度，并采用 具有针对大滞后对象的控制方法，实现电站脱硝系统的安全、经济控制。
【发明内容】
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[0013] 本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种基于指数预测和时滞预估补 偿的脱硝新型串级控制方法。
[0014] 为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：
[0015] 基于指数预测和时滞预估补偿的脱硝新型串级控制方法，包括以下步骤：
[0016] 1)通过数据分析系统采集二次风门开度值，SCR系统入口NOx浓度，SCR系统入口 氧含量，SCR系统出口NOx浓度，SCR系统喷氨阀门开度，SCR系统喷氨流量，机组负荷，总风 量，总煤量；将采集的二次风门开度值进行算术平均得到二次风门挡板平均开度；
[0017] 2)通过二次风门平均开度，总风量，总煤量，机组负荷和SCR系统入口烟气氧含 量，构建如下的指数模型：
[0018] (N0x)KaJ =SOdndi))0·025 · ((300/ff2)°·65-〇. 6) · (ff3ao05-〇. 001) · (ff4a〇5-〇. 1) ·( Qfl5/2)OA-〇.1)
[0019] ff!--二次风门平均开度；
[0020] ff2--为机组总风量；
[0021] ff3 为机组负荷；
[0022] ff4--为风/煤比，为总风量除以总煤量；
[0023] ff5--SCR系统入口烟气氧含量；
[0024] 该指数模型所得到的NOx浓度预测值与SCR入口NOx浓度在数值和变化趋势上一 致，但是时间提前，将该NOx浓度预测值替代SCR入口NOx浓度值引入到脱硝串级自动控制 逻辑中，以改善SCR系统的迟延性；
[0025] 3)在SCR脱硝串级自动控制逻辑中，在主调PID输出后引入SMITH预估二阶串级 迟延控制回路，其传递方程为：
[0026]
[0027] 其中，?\，Τ2,τ分别为喷氨流量对应SCR出口NOx浓度回路的一阶惯性时间、二阶 惯性时间和迟延时间，s表示拉普拉斯算子；
[0028] 4)在引入步骤2)和步骤3)SMITH预估二阶串级迟延控制回路的基础上，采用多变 量喷氨前馈，将SCR系统入口N0X浓度进行微分得到SCR系统入口 ^^^变化速率，以及机组 负荷，SCR系统入口氧含量，风/煤比，二次风门平均开度进行喷氨量需求值前馈计算，达到 基于指数预测和时滞预估补偿脱硝控制。
[0029] 本发明进一步的改进在于，步骤3)中，喷氨流量对应SCR出口NOx浓度回路的一 阶惯性时间、二阶惯性时间和迟延时间，通过SCR系统出口NOx浓度，SCR系统喷氨阀门开 度和SCR系统喷氨流量进行标准辨识得到，其具体的数学模型如下：
[0030] 建立时序单进单出动态数学普适模型如下：
[0031] A(zl)z(k) =B(z:)u(k)+v(k)
[0032] 式中，u(k)为SCR系统喷氨流量；z(k)为SCR系统出口NOx浓度；v(k)为均值为 0的随机噪声；多项式A(z4和B(z4分别为传递函数分母项和分子项，其表达式为：
[0033]
[0034] 其中，ay"ana是传递函数分母项参数，bulv"bnb是传递函数分子项参数，将此 模型写成最小二乘格式：
[0035] z(k) =h(k)θ+ν(k)
[0036] 式中，h(k)为可观测的数据向量；θ为由传递函数参数项组成的辨识数据矩阵；
[0037]令k= 1，2,…，^ 则有：
[0038]
[0039]
[0040] 其中，ZASCR出口NOx浓度时间数据列，SCR出口NOx浓度时间数据列和 喷氨流量时间数据列组成的观测数据向量，na、nb均为时序数，于是，式的矩阵形式为：
[0041] ZL= HL Θ +VL
[0042]VL= [v(l)，v(2)，…，v(l)]τ
[0043] \即为白噪声数据向量，根据极致原理和最小损失函数原理，得到Θ的最小二乘 估计#为：
[0044]
[0045] 为达到在非白噪声下的辨识参数误差估计，引入辅助矩阵〃〗如下：
[0046]
[0047] 其中，h*(k)为辅助变量数据序列；则将6改写为下式：
[0048]
[0049] 选取构建纯滞后模型辅助变量，即纯滞后辅助变量X(k)为SCR系统喷氨流量时序 值，
[0050] X(k) =u(k-nb)
[0051] 其中，辅助向量h*(k)为：
[0052] h*(k) = [-u(k_nb-l)，…，-u(k_nb-na)，u(k-l)，…，u(k-nb)]
[0053] 故递推辅助变量最小二乘法的辨识递推算式为：
[0054]
[0055] K(k) =P(k_l)h*T(k)[h(k)P(k_l)h*T (k) +λ(k) ] 1
[0056] P(k) =[P1 (k_l)+hT(k)h(k) ] 1= [I_K(k)h(k)]P(k_l) /λ(k)
[0057] 其中，λ(k) = 0.99,K(k)，P(k)均为递推向量，通过上述三式得到Θ中各项参 数；
[0058] 从新取差分传递函数y(k)如下：
[0059] y(k) =-aj(k_l) _a2y(k_2)+1^11 (k-d-l)+b2u(k-d_2)+b3u(k-d_3)
[0060] 观测向量h(k)及参数矩阵Θ为：
[0061] h(k) = [-y