一种基于脱硝反应动力学方程的电站SCR喷氨控制方法技术

本发明专利技术属于热工自动控制领域，并具体公开了一种基于脱硝反应动力学方程的电站SCR喷氨控制方法，其具体步骤为：将SCR系统等分为n个反应区域并建立模型，对其未知参数进行确定获得实际反应模型，根据当前时刻的工况参数对未来p个时刻进行预测，并通过优化性能指标获得最佳喷氨量变化率，执行下一时刻的喷氨量后重复上述步骤实现滚动优化。本发明专利技术通过建立反应模型和优化性能指标，实现了对喷氨流量的在线滚动优化，从而解决SCR系统的大惯性、不确定性问题，提高了SCR喷氨控制的精度、速度以及稳定能力，有效避免NOx排放超标或氨逃逸的问题，因而尤其适用于负荷频繁波动的机组。

A Kinetic Equation of Denitrification Reaction Based Ammonia Injection Control Method for Power Station SCR

The invention belongs to the field of thermal automatic control and specifically discloses an ammonia injection control method for power plant SCR based on the kinetic equation of denitrification reaction. The specific steps are as follows: dividing SCR system into n reaction areas and establishing a model, determining its unknown parameters to obtain the actual reaction model, predicting the future p times according to the working parameters at the current time, and optimizing the control method. The performance index obtains the best ammonia injection rate, and then repeats the above steps to achieve rolling optimization after executing the ammonia injection rate at the next moment. The invention realizes on-line rolling optimization of ammonia injection flow rate by establishing reaction model and optimizing performance index, thereby solving the problems of large inertia and uncertainty of SCR system, improving the accuracy, speed and stability of SCR ammonia injection control, effectively avoiding the problem of excessive emission of NOx or ammonia escape, and is especially suitable for units with frequent load fluctuation.

【技术实现步骤摘要】
一种基于脱硝反应动力学方程的电站SCR喷氨控制方法
本专利技术属于热工自动控制领域，更具体地，涉及一种基于脱硝反应动力学方程的电站SCR喷氨控制方法。
技术介绍
为减少氮氧化物的排放，目前燃煤电站主要采用选择性催化还原技术(selectivecatalyticreduction,SCR)进行控制。电站锅炉SCR脱硝系统高效安全运行的关键是进行高速精准的喷氨控制，喷氨量过少会导致出口NOx浓度超标，而喷氨量过大则会导致氨逃逸，增加硫酸氢铵的生成，造成空预器堵塞，危及电厂安全生产。稳定工况下，电站锅炉SCR脱硝系统内烟气流量、烟气温度及烟气中NOx浓度等参数变化幅度较小，采用传统PID控制即可获得较好的脱硝效果。但随着可再生能源入网比例升高，燃煤机组将承担更多的调峰任务，因此变工况运行的时间会越来越多。机组负荷频繁变动会导致入口NOx浓度、烟气温度、烟气流量频繁且大幅变化，而电站锅炉SCR脱硝系统又具有大惯性的特点，因此现有的喷氨控制方法难以胜任，会导致出口NOx浓度频繁波动，影响机组正常运行。基于上述缺陷和不足，本领域亟需对现有的电站锅炉SCR脱硝系统的喷氨控制方法做出进一步改进，避免系统大惯性导致的出口NOx浓度频繁波动的问题。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于脱硝反应动力学方程的电站SCR喷氨控制方法，其中从电站锅炉SCR脱硝系统的化学反应机理出发，建立SCR反应过程的动力学方程模型，并通过逼近法求解模型，实现在线滚动优化控制喷氨量，因而尤其适用于具有大惯性、不确定性的SCR喷氨控制系统。为实现上述目的，本专利技术提出了一种基于脱硝反应动力学方程的电站SCR喷氨控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：S1将电站锅炉SCR脱硝系统等分为n个反应区域，基于化学反应动力学方程对每个反应区域内部建立反应模型；S2对步骤S1建立的反应模型中的未知参数进行确定，并选取最佳参数从而获得实际反应模型；S3利用该实际反应模型，根据当前时刻的工况参数对未来p个时刻的反应器出口NOx浓度、NH3逃逸浓度和吸附态NH3在催化剂上的覆盖率进行预测，并通过上述预测值构建优化性能指标，获得使该优化性能指标取得最小值或达到最大迭代次数的最佳喷氨量变化率，从而确定并执行下一时刻的喷氨量；S4根据下一时刻的工况参数重复步骤S3，实现滚动优化。作为进一步优选地，所述步骤S1中划分的各反应区域内部烟气浓度一致，烟气从第1个反应区域进入从第n个反应区域流出。作为进一步优选地，所述步骤S1建立的反应模型如下：式中，ra(i)为第i个反应区域NH3的吸附速率，为吸附反应的初始指前因子，Ea为NH3吸附反应的活化能，Ea取为零，R为气体常数，R取8.317，T为烟气温度，为第i个反应区域NH3的浓度，为第i个反应区域表面吸附态NH3在催化剂上的覆盖率，rd(i)为第i个反应区域NH3的脱附速率，为NH3发生脱附反应的初始指前因子，Ed为NH3发生脱附反应的活化能，α为吸附态NH3对脱附反应活化能的影响常数，rNOx(i)第i个反应区域NOx被还原的反应速率，为NOx被还原的初始指前因子，ENOx为NOx被还原的反应活化能，CNOx(i)为第i个反应区域NOx的浓度，为NH3在催化剂核心反应区域的覆盖率，ri-s(i)为第i个反应区域内部吸附态NH3转换为表面吸附态NH3的反应速率，为NH3发生表面-内部交换的初始指前因子，Esi为NH3发生表面-内部交换的反应活化能，为第i个反应区域内部吸附态NH3在催化剂上的覆盖率，rs-i(i)为第i个反应区域表面吸附态NH3转换为内部吸附态NH3的反应速率，Ωsurf为催化剂对表面吸附态NH3的吸附能力，VSCR为SCR反应器内各催化剂层烟气流通体积的总和，Qn为n个反应区域烟气的体积流量，Ωinter为催化剂对内部吸附态NH3的吸附能力，为第i+1个反应区域NH3的浓度，CNOx(i+1)为第i+1个反应区域NOx的浓度，为第i+1个反应区域表面吸附态NH3在催化剂上的覆盖率，为第i+1个反应区域内部吸附态NH3在催化剂上的覆盖率，i为1～n。作为进一步优选地，所述步骤S2中需要确定的未知参数为ENOx、Ed、Esi、α、Ωsurf、Ωinter。作为进一步优选地，和优选为e0～e10，优选为e0～e20，ENOx优选为40000～60000，Ed优选为70000～90000，Esi优选为50000～70000，优选为0.1～0.6，Ωsurf优选为0～0.2，Ωinter优选为0～10，α优选为0.3～0.4。作为进一步优选地，所述步骤S3具体如下：S31将当前时刻的喷氨量、反应器入口NOx浓度、烟气温度、烟气流量和吸附态NH3在催化剂上的覆盖率作为该实际反应模型的输入，计算得到下一时刻反应器出口NOx浓度、NH3逃逸浓度和吸附态NH3在催化剂上的覆盖率的预测值，其中所述吸附态NH3分为表面吸附态NH3和内部吸附态NH3；S32将下一时刻的工况参数作为该实际反应模型的输入，计算得到再下一时刻反应器出口NOx浓度、NH3逃逸浓度和吸附态NH3在催化剂上的覆盖率的预测值；所述下一时刻的工况参数中，所述吸附态NH3在催化剂上的覆盖率为所述步骤S31计算得到的预测值，所述喷氨量为根据最佳喷氨量变化率计算得到的预测值，其他工况参数为当前时刻的工况参数；S33重复步骤S32，得到未来p个时刻反应器出口NOx浓度、NH3逃逸浓度和吸附态NH3在催化剂上的覆盖率的预测值；S34通过步骤S33中的预测值构建优化性能指标，计算得到使该优化性能指标取得最小值或达到最大迭代次数的最佳喷氨量变化率，从而确定并执行下一时刻的喷氨量。作为进一步优选地，所述步骤S34中优化性能指标如下：式中，wNOx为SCR反应器出口NOx浓度的目标值，为自k时刻起h时刻后反应器出口NOx浓度的预测值，wθ为吸附态NH3在催化剂上覆盖率的目标值，为自k时刻起h时刻后吸附态NH3在催化剂上覆盖率的预测值，为自k时刻起h时刻后氨逃逸的预测值，为氨逃逸的限制值，为喷氨量的变化率，qh、rh、sh为h时刻的权重系数，tj为j时刻的权重系数，h为1～p，j为1～p-1。作为进一步优选地，所述取得最小值的判断标准为：连续计算10步～30步，若该优化性能指标不再下降，则认为其取得最小值。作为进一步优选地，所述最大迭代次数优选为100步～2000步。作为进一步优选地，所述喷氨量为喷液氨流量或喷尿素流量。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：1.本专利技术通过建立电站锅炉SCR喷氨脱硝反应过程的动力学方程模型，并通过逼近法求解模型，实现了对反应器出口NOx浓度、吸附态NH3在催化剂上的覆盖率以及氨逃逸量的预测，并以此为据实现对喷氨流量/阀门开度的在线滚动优化，从而解决SCR系统的大惯性、不确定性问题，提高了SCR喷氨控制的精度、速度以及稳定能力，有效避免NOx排放超标或氨逃逸的问题，因而尤其适用于负荷频繁波动的机组；2.此外，本专利技术通过将吸附在催化剂上的NH3分为表面吸附态NH3和内部吸附态NH3，从而将选择性催化NH3还原NOx的反应进行细化，能够更加精准地预测出口NOx的浓度，从而确定最本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于脱硝反应动力学方程的电站SCR喷氨控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：S1将电站锅炉SCR脱硝系统等分为n个反应区域，基于化学反应动力学方程对每个反应区域内部建立反应模型；S2对步骤S1建立的反应模型中的未知参数进行确定，并选取最佳参数从而获得实际反应模型；S3利用该实际反应模型，根据当前时刻的工况参数对未来p个时刻的反应器出口NOx浓度、NH3逃逸浓度和吸附态NH3在催化剂上的覆盖率进行预测，并通过上述预测值构建优化性能指标，获得使该优化性能指标取得最小值或达到最大迭代次数的最佳喷氨量变化率，从而确定并执行下一时刻的喷氨量；S4根据下一时刻的工况参数重复步骤S3，从而实现滚动优化。

【技术特征摘要】
1.一种基于脱硝反应动力学方程的电站SCR喷氨控制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：S1将电站锅炉SCR脱硝系统等分为n个反应区域，基于化学反应动力学方程对每个反应区域内部建立反应模型；S2对步骤S1建立的反应模型中的未知参数进行确定，并选取最佳参数从而获得实际反应模型；S3利用该实际反应模型，根据当前时刻的工况参数对未来p个时刻的反应器出口NOx浓度、NH3逃逸浓度和吸附态NH3在催化剂上的覆盖率进行预测，并通过上述预测值构建优化性能指标，获得使该优化性能指标取得最小值或达到最大迭代次数的最佳喷氨量变化率，从而确定并执行下一时刻的喷氨量；S4根据下一时刻的工况参数重复步骤S3，从而实现滚动优化。2.如权利要求1所述的基于脱硝反应动力学方程的电站SCR喷氨控制方法，其特征在于，所述步骤S1中划分的各反应区域内部烟气浓度一致，烟气从第1个反应区域进入从第n个反应区域流出。3.如权利要求1或2所述的基于脱硝反应动力学方程的电站SCR喷氨控制方法，其特征在于，所述步骤S1建立的反应模型如下：式中，ra(i)为第i个反应区域NH3的吸附速率，为吸附反应的初始指前因子，Ea为NH3吸附反应的活化能，Ea取为零，R为气体常数，R取8.317，T为烟气温度，为第i个反应区域NH3的浓度，为第i个反应区域表面吸附态NH3在催化剂上的覆盖率，rd(i)为第i个反应区域NH3的脱附速率，为NH3发生脱附反应的初始指前因子，Ed为NH3发生脱附反应的活化能，α为吸附态NH3对脱附反应活化能的影响常数，rNOx(i)第i个反应区域NOx被还原的反应速率，为NOx被还原的初始指前因子，ENOx为NOx被还原的反应活化能，CNOx(i)为第i个反应区域NOx的浓度，为NH3在催化剂核心反应区域的覆盖率，ri-s(i)为第i个反应区域内部吸附态NH3转换为表面吸附态NH3的反应速率，为NH3发生表面-内部交换的初始指前因子，Esi为NH3发生表面-内部交换的反应活化能，为第i个反应区域内部吸附态NH3在催化剂上的覆盖率，rs-i(i)为第i个反应区域表面吸附态NH3转换为内部吸附态NH3的反应速率，Ωsurf为催化剂对表面吸附态NH3的吸附能力，VSCR为SCR反应器内各催化剂层烟气流通体积的总和，Qn为n个反应区域烟气的体积流量，Ωinter为催化剂对内部吸附态NH3的吸附能力，为第i+1个反应区域NH3的浓度，CNOx(i+1)为第i+1个反应区域NOx的浓度，为第i+1个反应区域表面吸附态NH3在催化剂上的覆盖率，为第i+1个反应区域内部吸附态NH3在催化剂上的覆盖率，i为1～n。4.如权利要求1～3任意一项所述的基于脱硝反应动力学方程的电站SCR喷氨控制方法，其特征在于，所述步骤S2中需要确定的未知参数为ENO...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭鹏，张成，饶德备，李胜男，方庆艳，陈刚，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42