[發(fā)明專利]基于變約束多模型預(yù)測控制的SCR脫硝控制方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710239768.8
• 申請(qǐng)日: 2017-04-13
• 公開（公告）號(hào): CN106842962A
• 公開（公告）日: 2017-06-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 呂劍虹;周帆
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 東南大學(xué)
• 主分類號(hào): G05B13/04
• 分類號(hào): G05B13/04
• 代理公司: 南京蘇高專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙)32204
• 代理人: 柏尚春

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及熱能動(dòng)力工程和自動(dòng)控制，尤其涉及一種基于變約束多模型預(yù)測控制技術(shù)的火電機(jī)組SCR脫硝優(yōu)化控制方法。

背景技術(shù)

我國是煤炭大國，火電機(jī)組的裝機(jī)重量占了約70％，在電力行業(yè)中發(fā)揮著主導(dǎo)作用。高效、節(jié)能、環(huán)保的火電發(fā)電技術(shù)研究也是關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重中之重。而隨著霧霾等環(huán)境問題的不斷突出，環(huán)保部門對(duì)火電機(jī)組的NOx排放標(biāo)準(zhǔn)提出了更高的要求(50mg/Nm³)。傳統(tǒng)的SCR出口NOx濃度控制方式為PID+前饋的調(diào)節(jié)方式，而SCR脫硝這一化學(xué)反應(yīng)過程具有較強(qiáng)的非線性和大滯后特性，而且隨著催化劑的消耗，SCR反應(yīng)區(qū)的特性會(huì)發(fā)生較大的變化。采用傳統(tǒng)的控制策略，SCR出口NOx波動(dòng)較大。若要達(dá)到環(huán)保考核要求，則必須降低NOx濃度的設(shè)定值，平均氨蒸汽消耗量增加，這會(huì)造成：(1)制氨的尿素耗量增加，經(jīng)濟(jì)性不佳；(2)易造成煙道后期的空預(yù)器堵塞，危害機(jī)組安全；(3)，氨逃逸率增加，造成環(huán)境的二次污染。因此，研究設(shè)計(jì)新型的SCR出口NOx濃度控制方法具有特別重大的意義。

前人在這些方面做出過很多努力，嘗試通過預(yù)測控制算法來處理SCR反應(yīng)的的大滯后特性，提升出口NOx的抗擾動(dòng)能力。已公開的這方面專利存在以下兩個(gè)問題：1、預(yù)測控制算法對(duì)所用模型的精度要求較高，而SCR的特性隨負(fù)荷區(qū)段的變化而變化劇烈。若采用非線性預(yù)測控制算法方法，在仿真過程中呈現(xiàn)出較好的結(jié)果。然而卻因?yàn)樗惴◤?fù)雜、計(jì)算量大等問題，很難在工程應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)。而后人們采用多模型切換預(yù)測控制算法，這種方法雖然降低了算法的復(fù)雜度，但模型切換時(shí)采用的是對(duì)多個(gè)模型線性加權(quán)，模型的精度有限，這容易造成調(diào)節(jié)的不穩(wěn)定。2、約束條件的范圍設(shè)置的過于寬泛。在已公布專利中，直接根據(jù)設(shè)備的實(shí)際最大供氨能力，和實(shí)際氨蒸汽流量最大變化速率作為全工況下的約束條件。約束條件的寬泛，增加了求解控制指令的計(jì)算量。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是針對(duì)燃煤發(fā)電機(jī)組中SCR脫硝過程的大滯后和非線性的對(duì)象特征，提供一種基于變約束多模型預(yù)測控制的火電機(jī)組SCR脫硝優(yōu)化控制方法。

技術(shù)方案：本發(fā)明所述的一種基于變約束多模型預(yù)測控制的SCR脫硝控制方法，所述方法將多模型預(yù)測控制算法、智能模型加權(quán)算法和變約束條件相結(jié)合，包括如下步驟：

(A)由智能模型加權(quán)算法得到精確NOx預(yù)測模型；

(B)由多模型預(yù)測控制算法不斷滾動(dòng)優(yōu)化；輔以與工況隨動(dòng)的約束條件計(jì)算出最佳的實(shí)時(shí)氨需量。

步驟(A)中，具體包括：

(A1)在高、中、低三個(gè)負(fù)荷點(diǎn)通過噴氨流量的擾動(dòng)實(shí)驗(yàn)，并記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)；將100％MCR選為高負(fù)荷點(diǎn)、75％MCR選為中負(fù)荷點(diǎn)、50％MCR選為低負(fù)荷點(diǎn)；采用常規(guī)的最小二乘擬合算法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理，得到噴氨流量對(duì)反應(yīng)器出口NOx濃度的三個(gè)基本模型。

其中，MCR為機(jī)組最大連續(xù)出力。

(A2)在每個(gè)計(jì)算周期內(nèi)，根據(jù)實(shí)際NOx濃度與模型預(yù)測NOx濃度的偏差程度來決定，每個(gè)模型的權(quán)值表述如下

λ＝(Y(k)-Y₁(k))/(Y₂(k)-Y₁(k))

其中，Y(k)為當(dāng)前NOx濃度實(shí)際值，Y₁(k)為高負(fù)荷段模型的輸出值，Y₂(k)為中負(fù)荷段模型的輸出值，λ為模型權(quán)值。這樣可以利用有限的三個(gè)線性模型，得到精確地全工況NOx預(yù)測模型，提高預(yù)測精度。

步驟(B)中，具體包括：

(B1)通過全工況的NOx模型，根據(jù)過去的模型輸出值和未來的輸入值來預(yù)測未來各個(gè)采樣周期的過程輸出值；

(B2)通過最小化性能指標(biāo)J，得到最優(yōu)的控制率，性能指標(biāo)J表述如下：

J＝E{(Y-Y_r)^T(Y-Y_r)+ΔU^TΓΔU}

其中：Y為NOx濃度設(shè)定值曲線，Y_r為NOx濃度預(yù)測值，Γ為控制權(quán)值；通過求解該帶約束的二次優(yōu)化的解，即得最終的氨汽流量指令。

采用與工況隨動(dòng)的變約束條件，約束條件有上下限與變化速率的雙重限制，具體如下

其中，U(k)為第k時(shí)刻的氨汽流量指令，U_min為氨汽流量指令下限，U_max為噴氨汽流量指令上限，各自表述為：