基于多变量区间约束预测的scr脱硝优化控制系统及方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及热工自动控制领域，特别是涉及基于多变量区间约束预测的SCR脱硝 优化控制系统及方法。
【背景技术】
[0002] 作为涉及环境问题最多的污染物，氮氧化物成为了燃煤电厂污染物排放治理的一 大重点。燃煤电厂控制NOx排放量的方式主要采用燃烧后脱硝。常见的烟气脱硝技术有以下 两种:选择性非催化还原法(Select ive Non-Cataly tic Reduct ion，SNCR)脱硝及选择性催 化还原法（Selective Catalytic Reduction，SCR)脱硝。与SNCR脱硝技术相比，SCR法还原 反应温度要求低，可安装在锅炉尾部，对炉膛影响小且脱硝效率高，因此SCR法在工业上得 到了广泛应用，也是目前用于固定源NOx治理的一种最好的脱硝工艺。
[0003] SCR反应器氨气流量控制方式通常有两种：固定摩尔比控制方式(标准控制方式） 和出口 NOx定值控制方式。其中出口 NOx定值控制方法是保持出口 NOx恒定，根据环境空气质 量标准，控制反应器NOx为定值比控制固定的脱氮效率更容易监视，同时氨气消耗量更少。 现有的出口 NOx定值控制方式的控制原理如下：
[0004] a)根据入口 NOx实际测量值以及出口 NOx设定值计算出预脱硝效率；
[0005] b)测量SCR反应器出口 NOx浓度值，计算当前效率，通过PID (比例-积分-微分)调节 器的输出作为修正，最终确定控制系统当前需要的喷氨流量。
[0006] c)根据b)中确定的喷氨流量指令，通过PID调节器计算相应的喷氨阀门开度，从而 使反应器出口 NOx浓度维持在设定值。
[0007] 然而，SCR脱硝系统是一个典型的大惯性和大迟延对象，目前多数火电机组SCR脱 硝系统采用常规PID串级控制方案，往往难以取得满意的控制效果；目前对于燃煤电厂NOx 排放的考核取样点在烟囱入口处，从SCR反应器出口到烟囱入口有一段很长的距离，有时候 即使反应器出口 NOx浓度到达了排放标准，在烟囱处，NOx浓度中也会发生变化;此外，为了 将NOx浓度控制在设定值，执行机构频繁动作，难以保证电厂运行的经济性及安全性。
【发明内容】
[0008] 发明目的：本发明的目的是提供一种提高经济性的基于多变量区间约束预测的 SCR脱硝优化控制系统及方法。
[0009] 技术方案:为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
[0010] 本发明所述的基于多变量区间约束预测控制的SCR脱硝优化系统，包括NOx浓度目 标值设置单元、多变量预测控制单元、比例控制单元A、喷氨阀门A、SCR反应器A、反应器A到 烟囱入口的过渡烟道、比例控制单元B、喷氨阀门B、SCR反应器B、反应器B到烟囱入口的烟道 和烟囱入口；
[0011] 所述NOx浓度目标值设置单元与多变量预测控制单元相连，多变量预测控制单元 有两路输出端，其中第一路输出端连接比例控制单元A的输入端，比例控制单元A的输出端 连接喷氨阀门A的输入端、喷氨阀门A的输出端连接SCR反应器A的输入端，SCR反应器A的输 出端连接反应器A到烟囱入口的过渡烟道的输入端;第二路输出端连接比例控制单元B的输 入端、比例控制单元B的输出端连接喷氨阀门B的输入端，喷氨阀门B的输出端连接SCR反应 器B输入端，SCR反应器B输出端连接反应器B到烟囱入口的过渡烟道的输入端;SCR反应器A 输出端的输出NOx浓度与多变量预测控制单元的第一路输出端的输出控制量求和之后连接 比例控制单元A的输入端，SCR反应器B输出端的输出NOx浓度与多变量预测控制单元的第二 路输出端的输出控制量求和之后连接比例控制单元B的输入端;反应器A到烟囱入口的过渡 烟道输出端的输出NOx浓度与SCR反应器昭I」烟囱入口的过渡烟道输出端的输出NOx浓度求 和之后连接烟囱入口的输入端，求和得到的NOx浓度值与NOx浓度目标值设置单元输出端的 输出NOx浓度目标值经过求和之后连接多变量预测控制单元的输入端。
[0012 ]进一步，以烟_入口输入端的NOx浓度值为被控量，喷氨阀门A和喷氨阀门B的开度 为控制量，设计多变量预测控制单元中的多变量预测控制器，利用预测模型提前预测未来 时刻烟囱入口输入端的NOx浓度值，计算求解最优控制量。
[0013] 本发明所述的基于多变量区间约束预测的SCR脱硝优化控制方法，包括以下步骤：
[0014] 1)在稳态工况下，设置所述SCR脱硝优化控制系统为手动控制状态，保持喷氨阀门 B的开度不变，以喷氨阀门A的阀门开度为输入进行NOx浓度的开环阶跃响应试验，得到喷氨 阀门A的模型WQ1(s)、SCR反应器A的模型W Q2(s)以及反应器A到烟囱的模型WQ3(s);保持喷氨 阀门A的开度不变，以喷氨阀门B的开度为输入进行NOx浓度的开环阶跃响应试验，得到喷氨 阀门B的模型Wn(s)、SCR反应器B的模型W 12(s)以及反应器B到烟囱入口的过渡烟道的模型 ffi3(s)；
[0015] 2)在比例控制单元A和比例控制单元B中，确定比例调节器的参数Kpa和Kpb，计算 多变量预测控制单元到烟囱入口输入端的NOx浓度值的总模型W(s)，并得到总模型的阶跃 响应系数为an(l)，an(2)，…， &11(见）以及a12(l)，a12(2)，. . .，a12(N2)，其中，见，犯为阶跃响 应的时域长度；
[0016] 3)设置多变量预测控制单元中的多变量预测控制器的相关参数，包括采样时间 Ts、预测步数P、控制步数M、输出误差权矩阵Q和控制权矩阵R;
[0017] 4)在k时刻，检测实际烟_入口输入端的NOx浓度值y! (k)，在多变量预测控制单元 中，将所述NOx浓度测量值y(k)与所述NOx浓度预测值九αμ-l)进行比较，计算输出误差e (k);用输出误差e(k)修正NOx浓度预测初值向量_?1;|)(}(到々-1),得到修正后的出口 NOx浓度 预测值向量采用公式对烟囱入口输入端的NOx浓度值进行预测：
[0019] 其中，.W幻表示在k时刻对未来P时亥_囱入口输入端的NOx浓度的预测值向量， Λ#㈨表示在k时刻对未来P时刻烟囱入口输入端的NOx浓度的预测初值向量；AUj,M(k)为 多变量预测控制增量向量，也即在k时刻对未来时刻的控制量增量向量;Ai, j为单位阶跃响 应系数组成的动态矩阵；
[0020] 5)计算 AUj,M(k)的约束；
[0021] 6)选取性能指标函数J(k)，将性能指标转化成二次型目标函数的形式，求解二次 型目标函数最优解，得到多变量预测控制增量向量A UiM(k);
[0022] 7)取多变量预测控制单元计算得到的多变量预测控制增量向量ΔΙ^Μ(1〇中的即 时控制增量Δ uj (k)构成实际控制，计算得到最优控制量Uj (k) = Uj (k-Ι) + Δ uj (k)，j = 1，2 将最优控制量W(k)传递到比例控制单元A和比例控制单元B;计算并更新控制后的烟囱入 口输入端的NOx浓度预测初值+= 1，· _ ·;
[0023] 8)在之后的周期中反复执行步骤4)至步骤7)，得到相应的控制量，实现区间控制。
[0024] 进一步，所述步骤3)中，采样时间Ts的选取规则为T95/Ts = 5~15,其中，T95为多变 量预测控制单元到烟囱入口输入端的NOx浓度值的总模型W(s)单位阶跃响应过程上升到 95 %的调节时间；所述预测步数P的选取规则为PTS = tP，其中tP为多变量预测控制单元到烟 囱入口输入端的NOx浓度值的总模型W(s)的阶跃响应上升时间；
[0025] 所述控制步数Μ取值为2~5;
[0026]所述输出误差权矩阵Q为:Q = diag(q(l)，· · ·，q(P));
[0027] 所述控制权矩阵R为:R=[diag(ri(l), · · ·，ri(M));diag(r2(l), ·…，?(Μ))]。
[0028] 进一步，在所述步骤6)中，所述性能指标函数J(k)为：
[0030]
元第一路输出控制量的最小值，mmax为多变量预测控制单元第一路输出控制量的最大值， U2mln为多变量预测控制单元第二路输出控制量的最小值，u2max为多变量预测控制单元第二 路输出控制量的最大值，a mmin为多变量预测控制单元第一路输出控制量变化速率的最小 值，△ ulmax为多变量预测控制单元第一路输出控制量变化速率的最大值，△ u2min为多变量预 测控制单元第二路输出控制量变化速率的最小值，AU2max为多变量预测控制单元第二路输 出控制量变化速率的最大值，y min为烟囱入口输入端的NOx浓度值区间下限，y (k)为k时刻烟 囱入口输入端的NOx浓度值，ymax为烟囱入口输入端的NOx浓度值区间上限，ε (k)为k时刻烟 囱入口输入端的NOx浓度值允许超过上下限的值，AU1,M(k)为k时刻多变量预测控制单元第 一路输出控制量增量，△ U2,M(k)为k时刻多变量预测控制单兀第二路输出控制量增量。
[0031] 有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：通过采用预测-比例串级控制 策略控制SCR脱硝系统的喷氨流量，通过预测烟囱入口输入端的NOx浓度未来的变化趋势并 提前调整喷氨量，能较好地克服系统大惯性、大迟延的缺点，提高喷氨量控制对机组负荷变 化的响应速度；同时考虑了喷氨阀门开度上、下限制、速率限制等实际约束，避免因执行机 构饱和