智能脫硝控制系統(tǒng)應(yīng)用

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摘要：針對目前選擇性還原脫硝控制系統(tǒng)延遲大、慣性大，調(diào)控精確性差的不足，提出了一種新的智能脫硝控制系統(tǒng)，利用自適應(yīng)前饋控制的理論實現(xiàn)了對噴氨量的精確調(diào)整，根據(jù)仿真分析表明，該控制系統(tǒng)能夠?qū)⒖刂品磻?yīng)時間提高了66.7%，顯著提升了脫硝的控制精確性和經(jīng)濟性。

關(guān)鍵詞：脫硝；控制系統(tǒng)；自適應(yīng)前饋控制；噴氨誤差

引言

目前以選擇性催化還原為主體的煙氣脫硝系統(tǒng)已經(jīng)在化工行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用，在脫硝的過程中主要是通過控制噴氨量來提高脫硝效率，但由于其控制系統(tǒng)的局限性，在實際應(yīng)用過程中存在著延遲大、慣性大等不足，特別是當(dāng)脫硝系統(tǒng)的運行工況出現(xiàn)大范圍波動時，無法精確控制噴氨量，導(dǎo)致了脫硝效率和經(jīng)濟性均不足，難以滿足精確脫硝的控制需求。本文提出了一種新的智能脫硝控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)的核心是采用了自適應(yīng)自適應(yīng)前饋控制理論對脫硝過程中的噴氨量進行控制，對該自適應(yīng)前饋控制理論進行了分析，同時采用仿真分析的方式對該智能脫硝控制系統(tǒng)的實際應(yīng)用情況進行了研究，結(jié)果表明，該新控制系統(tǒng)能夠?qū)⒖刂品磻?yīng)時間提高66.7%，對提升脫硝效率和經(jīng)濟性具有十分重要的意義。

1脫硝機理分析

目前最常用的脫硝系統(tǒng)為選擇性催化還原脫硝系統(tǒng)，俗稱SCR脫銷系統(tǒng)，具有脫硝效率高、經(jīng)濟性好的優(yōu)點，其脫硝原理如圖1所示[1]。由圖1可知，選擇性催化還原脫硝系統(tǒng)采用了高灰布置結(jié)構(gòu)，將催化還原裝置設(shè)置到了省煤器和去空預(yù)熱器之間，在反應(yīng)過程中通常利用V2O5作為催化還原劑。當(dāng)反應(yīng)裝置開始工作時，從入口處通入氨氣（目前主要是通過尿素水解的方式來產(chǎn)生）并和稀釋空氣在混合器內(nèi)充分混合后進入到煙道，在煙道內(nèi)和省煤器出口處噴出的煙氣充分混合后再進入反應(yīng)器，在反應(yīng)器內(nèi)和催化劑接觸后發(fā)生催化還原反應(yīng)，實現(xiàn)將氮化物轉(zhuǎn)換為水和氮氣，滿足對廢氣內(nèi)脫硝凈化的目的。選擇性催化還原脫硝的化學(xué)反應(yīng)可表示為式（1）、式（2）。4NH2+H2O+O24N2+6H2O（1）4NH3+2NO2+O23N2+6H2O（2）在實際反應(yīng)過程中，由于受環(huán)境和煙氣內(nèi)其他氣體成分的影響，也會發(fā)生一些副產(chǎn)物反應(yīng)，見式（3）。NH3+SO3+H2ONH4HSO4（3）由于該反應(yīng)存在一定的惰性，因此其實際上反應(yīng)順序是發(fā)生在式（1）和式（2）順序之后的，其產(chǎn)生的副產(chǎn)物具有較大的腐蝕性，會對管道系統(tǒng)進行腐蝕和堵塞，影響反應(yīng)安全性。因此需要嚴(yán)格控制在反應(yīng)過程中氨氣的量，氨氣過多會導(dǎo)致副產(chǎn)物過多，影響系統(tǒng)長期運行的安全性，氨氣不足則容易導(dǎo)致氮化物還原不完全，影響脫硝的效率和經(jīng)濟性[2]。

2噴氨控制系統(tǒng)優(yōu)化

針對現(xiàn)有噴氨控制系統(tǒng)采用非閉環(huán)控制所存在的調(diào)節(jié)速度慢、可靠性差的不足，提出了一種新的智能脫硝控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)采用了前饋閉環(huán)控制理論，通過自適應(yīng)前饋控制，實現(xiàn)了對調(diào)控過程中波動信號的快速屏蔽處理，能夠解決傳統(tǒng)脫硝控制系統(tǒng)在使用過程中負(fù)荷變化大、波動大的不足，同時該系統(tǒng)還能夠及時反饋核心輸入量變化的情況，進行數(shù)據(jù)提前預(yù)判分析，實現(xiàn)了對控制系統(tǒng)的快速、精確調(diào)整，確保了噴氨控制的精確性。該噴氨控制系統(tǒng)調(diào)控結(jié)構(gòu)如圖2所示[3]。由圖2可知，在該控制系統(tǒng)中，輸入的調(diào)節(jié)量為氮化物的濃度，然后主PID根據(jù)系統(tǒng)的誤差水平和要求，來設(shè)置系統(tǒng)的噴氨量，然后將其作為副PID的控制值，由副PID對噴氨系統(tǒng)進行控制，根據(jù)煙道內(nèi)的氮化物含量對噴氨量進行精確調(diào)整。通過前饋反饋調(diào)整方案，有效避免了由于測量失真導(dǎo)致的調(diào)節(jié)失效情況，提升了調(diào)節(jié)反應(yīng)速度的控制精度。

3智能控制系統(tǒng)仿真分析

為了對該系統(tǒng)的控制效果進行分析，利用simulink仿真分析軟件建立該控制系統(tǒng)的仿真分析模型[4]，對其實際控制效果進行仿真分析，系統(tǒng)設(shè)定工作時的反饋系數(shù)為0.2，反饋切除時間設(shè)置為5min，設(shè)置入口位置的氮化物質(zhì)量濃度為300mg/m3，出口處的氮化物質(zhì)量濃度要低于50g/m3，煙道內(nèi)的氣流量為6.5×105m3/h，系統(tǒng)仿真分析時的采樣時間設(shè)定為1min，仿真的總時長設(shè)置為50min。仿真分析結(jié)果如圖3所示。由仿真分析結(jié)果可知，在實際控制過程中采用普通串級PID控制的情況下由于系統(tǒng)檢測反應(yīng)速度滿足，從第3min的時候才開始進行噴氨，而采用前饋控制和自適應(yīng)前饋控制的情況下，從第1分鐘處就開始控制噴氨，其反應(yīng)時間比優(yōu)化前降低了66.7%，顯著提升了在脫硝過程中的反應(yīng)速度和靈敏性。在出口位置的氮化物濃度隨著噴氨量的調(diào)整也不斷發(fā)生變化，前3min的氮化物濃度為零，主要是煙氣尚未達(dá)到出口位置導(dǎo)致，從第3分鐘起出口處的氮化物濃度急劇上升，主要是由于噴氨量不足以滿足脫硝的需求導(dǎo)致。從仿真分析結(jié)果可知，采用串級PID控制的情況下整個調(diào)節(jié)時間約為20min，而采用新的自適應(yīng)前饋調(diào)節(jié)的情況下，調(diào)節(jié)時間約為16min，而且在調(diào)節(jié)過程中的時效性和降幅明顯高于傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)方案，顯著提升了噴氨調(diào)節(jié)的精度和可靠性。目前該智能脫硝控制系統(tǒng)，在實際應(yīng)用過程中表現(xiàn)出了極高的反應(yīng)速度，其對噴氨量的控制精度能保持在1%的誤差范圍內(nèi)，對提升整個脫硝控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度，降低大氣污染具有十分重要的意義。

4結(jié)論

為了解決目前選擇性還原脫硝控制系統(tǒng)延遲大、慣性大，調(diào)控精確性差的不足，提出了一種新的智能脫硝控制系統(tǒng)，通過前饋控制的方法提升了系統(tǒng)調(diào)節(jié)時的控制精度，同時利用仿真分析的方式，對該系統(tǒng)的實際應(yīng)用情況進行了分析，結(jié)果表明：氨氣過多會導(dǎo)致副產(chǎn)物過多，影響系統(tǒng)長期運行的安全性，氨氣不足則容易導(dǎo)致氮化物還原不完全，影響脫硝的效率和經(jīng)濟性。通過自適應(yīng)前饋控制，能夠?qū)崿F(xiàn)對調(diào)控過程中波動信號的快速屏蔽處理，解決了傳統(tǒng)脫硝控制系統(tǒng)在使用過程中負(fù)荷變化大、波動大的不足。該控制系統(tǒng)能夠?qū)⒖刂品磻?yīng)時間提高66.7%，將噴氨量的控制精度保持在1%的誤差范圍內(nèi)。

參考文獻

[1]李昌海，馮慧山，田金海，等.串級前饋方法在SNCR煙氣脫硝系統(tǒng)上的應(yīng)用[J].自動化與儀表，2016，31（2）：47-49，53.

[2]秦天牧，林道鴻，楊婷婷，等.SCR煙氣脫硝系統(tǒng)動態(tài)建模方法比較[J].中國電機工程學(xué)報，2017，37（10）：2913-2919.

[3]紀(jì)煜，姚翠霞，祁海旺，等.基于煤量預(yù)測前饋的協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)[J].熱力發(fā)電，2017，46（7）：131-136.

[4]黃宇，張偉婷，金秀章，等.SCR脫硝系統(tǒng)的線性自抗擾串級控制研究[J].中國電機工程學(xué)報，2018，38（18）：5518-5526.

作者:郭培祥 單位:山西興新安全生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)有限公司