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锅炉烟气脱硝控制系统分析

梁孟强 丁婷 吴帅

摘 要 文章運用史密思估计补偿控制的方法，研究了锅炉烟气脱硝控制过程中鲁棒性较差的原因，并将其进行了优化。为了获取更好的控制效应，对史密思预估补偿控制中所采取的PID控制器进行了系数整定。最后通过Matlab仿真得出了速度相对较快，抗干扰较好的史密思预估补偿控制的锅炉烟气脱硝控制系统设计。
关键词 锅炉烟气脱硝控制;史密思估计补偿控制;Matlab
1理论描述
现在的闭环自动控制方法为了减少可变性，大多是基于反馈的原理[1]。反馈理论的要素包括测量，比较和实现三个部分，关键是测量受控变量的实际值。将其与控制变量进行比较，并使用此偏差来校正，运行调节。工程实践中，经常使用的调节器控制法则是比例-积分-微分控制，称为PID调节。
作为工业控制运用中较多出现的信息反馈零部件，PID调节器已有近百年的历史，其主要由比例（proportion）、积分（integral）、微分（derivative）组成。PID控制的基础是比例控制;积分控制可消除稳态误差，但可能增加超调[2]。其输入e（t）与输出u（t）的关系为：
u（t）=kp[e（t）+1/TI∫e（t）dt+TD*de（t）/dt]                   式1-1
其中积分的上下限分别是0和t，因此它的表达函数为
G（s）=U（s）/E（s）=kp[1+1/（TI*s）+TD*s]                      式1-2
其中kp为比例系数;TI为积分时间常数;TD为微分时间常数。
2脱硝模型描述
不同负载下，锅炉烟气脱硝中的数学模型是存在差异的。我们以单位负载为650 MW，氨注入量和输出NOx含量的跃阶响应模型[3]为例。其表达函数为：
式1-3
3史密思预估补偿模型
史密思预测补偿的主要方法是提前建立控制过程的动态关系模型，然后并行连接估计量，使其弥补滞后过程的特性，试图控制延迟时间控制，将该量提前发送给调节器，使其预先做出反应，从而消除了闭环中滞后因素的作用[4]。因此，可以显著降低过程中的超调因素，减小过渡时间值，有效提高控制质量[5]。因此，它是大滞后系统较为合适的控制方法[6]。其原理如下图1所示：
图2中Wc（s）为PID调节器;为控制过程的动态关系模型;Wo（s）为不含滞后时间的模型;Ws（s）—史密思预估补偿器。于是，史密思补偿系统框图可表示为：
4仿真与结果分析
PID、PI、PD响应曲线对比
从图1和图2看出，当PID控制器为PID控制时
（1）PID的最大超调量相比于PI、PID较小，系统过渡相对于平稳，系统的输出量第一次到达输出稳定值的时刻为610s，即上升时间tr=610s。系统的输出量进入并一直保持在稳态输出值附近的允许误差带内所需的时间为800s秒，即调节时间ts=800s、振荡次数也较少。
（2）PI的最大超调量偏大，上升时间tr约为750s，调节时间ts约为2250s，振荡次数多。PD的最大超调量偏小，上升时间tr约为625s，调节时间ts约为1875s，振荡次数多。
（3）当最大超调量越小，说明系统过渡过程越平稳。调节时间ts越小，系统的快速性越好，振荡次数ts越小，说明系统的平稳性越好，综上所述，此次选择的PID控制器为PID控制。
在仿真时，控制器的传递函数选择PID控制，参数设置为Kp=-1.595，Ki=-0.00401，Kd= -158.6.被控对象的模型则根据脱硝模型设定为
式1-4
即W0（s）= 式1-5
脱硝标准要求在70～80 mg/m3，为了简化仿真过程，选择70作为输入设定值，根据被控对象的传递函数，设定时间滞后τ值为166，完成系统的Simulink模型的搭建。
从图5和图6的对比可以看出，仅使用PID控制对系统进行调节的情况下，系统出现了10%的超调，且调节时间相对于史密思预估补偿控制而言较慢，但上升时间较快，史密思预估补偿相对平缓。
为进一步对两者进行对比，在系统中添加一个随机的[-5，+5]范围，干扰频率在500s的干扰量来观察两者在对干扰的处理性能上的差异，通过对比可以得知：当面对相同的干扰下，史密思预估补偿控制抗干扰能力更强。
5结束语
经过仿真测试发现史密思预估补偿控制相对于传统的PID控制在面对具有时滞环节的脱硝控制过程中具有更快的调节速度与稳定性，同时也具有更强的抗干扰能力。采用史密思预估补偿控制的烟气脱硝系统具有更好的控制效果。
参考文献
[1] 孙云，王长安，刘京燕，等.混煤燃烧技术研究进展[J].电站系统工程，2011，27（2）：1-3，7.
[2] 梁川，沈越.1000MW机组SCR烟气脱硝系统优化运行[J].中国电力，2012，45（1）：41-44.
[3] 牛培晦，肖兴军，李国强，等.基于万有引力搜索算法的电厂锅炉NOX排放模型的参数优化[J].动力工程学报，2013，33（2）：100-106.
[4] 陈慧，陈德珍，王娜，等.中温条件下烟气De-NOX技术的研究现状与发展[J].中国电机工程学报，2013，（20）：17-27.
[5] 禾志强，祁利明.SCR烟气脱硝系统的运行方式及控制[J].热力发电，2009，38（11）：93-96.
[6] 马平，李奕杰.一种大迟延系统的控制方法[J].兰州理工大学学报，
2012，38（6）：66-69.
科学与信息化2019年34期
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