论文部分内容阅读
摘要：利用控制技术调节电厂烟气脱硝系统，设定出口NOX目标值，根据入口NOX的含量，后台计算出所需NH3的需求量，调节喷氨调阀的开度，能够实现自动化控制目的。通过整定两级PID参数大小，能够优化调节效果，迅速、精确、有效的控制出口NOX实际值，提高烟气脱硝系统稳定性。
关键字：控制理论；PID；自动化调节；烟气脱硝
中图分类号：O659 文献标识码：A 文章编号：
引言
烟气含有大量NOX、SO2等有毒气体，对大气、环境、气候等具有严重污染，而我国NOX的年排放量仅次于美国，且以煤炭为主的能源结构在目前及今后很长一段时间内不会发生根本改变，而实行烟气脱硝工程可以有效控制NOX排放，实现燃煤电厂成为绿色企业、环保企业的目标。本文根据某发电厂某机组烟气脱硝工程的喷氨系统，对自动控制调节阀门的两级PID参数进行整定、分析，从而更加迅速、精确、有效的控制出口NOX实际值，提高烟气脱硝系统稳定性。
脱硝系统自动控制简介
以某电厂某机组烟气脱硝系统为例，烟气自省煤器出来，在烟道中与空气、氨气混合气体相遇，共同进入SCR反应区，在催化剂下发生化学反应，生成N2和H2O。化学方程式如下：
在一级PID优化算模块中，通过将CEMS系统采集自省煤器出来的烟气中NOX含量的数据，传输到DCS系统并通过后台计算，得出所需NH3的量，与质量流量计测量传输到DCS系统的实际喷NH3量进行计算，将差值作为跟踪值。在投入自动、设定好出口NOX目标值的前提下，将CEMS系统采集的从SCR反应区出来的NOX含量数据作为实际值（过程变量），自动计算出NH3的量，并加上需求的NH3量，作为二级PID的设定值。
在二级PID中，引入一级PID的模拟量输出与需求的NH3量之和作为设定值，将质量流量计测量传输的实际喷NH3量作为实际值（过程变量），气氨进口调阀开度为跟踪值，自动调节喷氨调阀控制喷氨量，以达到实际出口NOX含量数值与设定出口NOX目标值相同的目的。
由于CEMS系统从烟气管道中取样时带入大量灰尘及其他杂质，可能堵塞取样仪器，于是加入吹扫环节。但在吹扫期间，系统分析出烟气中NOX的含量很低，致使计算后的氨气需求量大大减少，调阀误动作，所以加入吹扫保持模块，在吹扫信号来到的短时间内保持一级PID的过程变量为吹扫前那刻的数值，对系统实际情况影响很小，忽略吹扫环节对系统稳定性的影响。
由于过剩NH3也会对环境造成污染，NH3还可以与SO3和H2O反应生成易堵塞催化剂的（NH4）2SO4或NH4HSO4，所以添加强制手动，在出口NH3大于3.3PPM（该电厂该机组设计方给定）时，自动切换手动输入。
为避免硬件、软件或其他因素导致的调阀大幅度波动，设置气氨进口调阀开度反馈与开度控制偏差过大时，强制手动。
由设计要求的联锁致使气氨进口切断阀关闭时，亦设置气氨进口调阀强制手动，避免在系统已经停止喷氨的情况下，调阀始终保持全开。
脱硝喷氨系统SAMA图
该电厂该机组脱硝自动控制系统实现连续控制功能的核心部分是SAMA图组态，图1为喷氨调阀页面，由两个PID优化算法块、M/A站优化算法块及其他算法块构成。
圖1某电厂某炉脱硝系统SAMA图喷氨调阀页面
PID优化算法块的算法说明为：在自动时，
其中Y（s）为输出信号，x为输入偏差信号，σ为比例带，Ti为积分时间，Td为微分时间。喷氨系统PID不需要微分环节，所以只调节比例带和积分时间以满足运行要求。
M/A站优化算法块的作用是实现喷氨系统自动与手动间切换，在自动方式下，手动输出增减按钮不起作用，目标值为手动设定，即为一级PID的SP值。输入参数MRE为强制手动信号，在某些条件下，直接切换成手动方式。
其他算法块作用为脱硝系统自动控制简介中说明。
PID参数初步设定
PID参数的设定一般多为试凑法和经验法，在系统动态运行下修改参数，直到系统趋于稳定。两级PID属于串级PID类，一级PID（串级的主PID）输出作为二级PID（串级的副PID）的给定值，笔者调试过程时，采取的是设定目标值为50mg/Nm3（允许输出的60%～70%），用经验法先将一级PID的比例带σ设定为15，积分时间Ti设定为600s。先整定二级PID，在调阀波动相对稳定后再整定一级PID。
二级PID整定如同普通PID整定，先调整比例带σ，再整定积分时间Ti，微分环节不作用，微分时间Td总为零。将整定积分时间Ti直接取零，取消积分环节作用，仅用比例环节控制，找到最优值；再将整定积分时间Ti由小到大增加，找到最优值。
整定过程及系统画面
两级PID的所有参数都设定好后，系统只是相对稳定，需要进一步调整，使系统稳定性提升。
图2为笔者在调试期间将两级PID初步设定后的曲线，一级PID参数：比例带σ为15，积分时间Ti为600s；二级PID参数: 比例带σ为8，积分时间Ti为80s。
图2两级PID初步设定后的曲线
图2中，黄色曲线为入口NOX分析，突然骤降是由于CEMS系统取样吹扫，周期为一小时；红色曲线为两级PID控制的喷氨调阀开度反馈曲线，波动周期也为一小时左右，但与吹扫无关，需要更改PID参数进一步整定；橙色曲线为气氨流量，随喷氨调阀开度改变而改变；紫色曲线为出口NOX分析，是最终脱硝的实际值，由于CEMS采集系统的取样、分析、传输等，会出现短暂的滞后，所以以喷氨调阀开度反馈曲线为准，进行下一步调整。
喷氨调阀开度反馈曲线出现的问题主要是绕大弯，导致出口NOX曲线随之绕弯，需要减小放大比例，增加比例带σ；而且出口NOX曲线在逐渐往目标值收敛时，速度太慢，即“曲线偏离回复慢”，需要减小积分时间Ti。
针对初步设定中出现的问题，将一级PID参数中的比例带σ调整为17后，喷氨调阀的开度反馈曲线依旧绕大弯；将其调整为20后，喷氨调阀的开度反馈曲线开始频繁振荡，出现过调现象，于是将一级PID的比例带σ调整回15。尝试更改二级PID的比例带σ，将其调整为10，发现喷氨调阀的开度反馈曲线振荡相对稳定，出口NOX曲线随之稳定。
再将一级PID参数中的积分时间Ti逐步减小调整，出口NOX曲线回复速度提高，当积分时间Ti减小到300s时，出口NOX曲线逐渐收敛于目标值，再进一步降低积分时间Ti时，发现出口NOX曲线需要经过长时间的波动后，才能逐渐回到目标值上，于是将一级PID的积分时间Ti调整回300s。尝试更改二级PID的积分时间Ti，发现增大或者减小积分时间都会明显干扰曲线稳定，再将其定回80s。
最终，一级PID参数：比例带σ为15，积分时间Ti为300s；二级PID参数: 比例带σ为10，积分时间Ti为80s。经过几天观察发现这些参数符合该机组烟气脱硝系统要求，在高负荷、低负荷以及变化负荷的情况下，出口NOX的含量都能在设定目标值附近波动，满足国家、行业的规范标准。
图3为两级PID参数最终版结果，图4为两级PID参数调整后的曲线。
图3最终版参数
图4PID参数整定后的曲线
图4中绿色曲线为该电厂该机组的负荷，夜晚稳定在400MW左右；黄色曲线为入口NOX分析，稳定在500Nmg/m3左右；红色曲线为两级PID控制的喷氨调阀开度反馈曲线，周期调整到30分钟左右，波动平缓；橙色曲线为气氨流量，随喷氨调阀开度改变而改变；紫色曲线为出口NOX分析，是最终脱硝的实际值，波动平缓，在目标值附近收敛，且回复速度快。
结语
如图4所示，最终实际值曲线已达到烟气脱硝系统自动化调节要求，两级PID参数整定合格，提高了烟气脱硝系统运行的稳定性，为发电厂该系统日常顺利生产提供软件保障。
就发电厂烟气脱硝系统而言，两级PID中，二级PID（副PID）具有粗调效果，一级PID（主PID）具有微调效果。这是由于二级PID直接作用到输出变量上，所以按经验设定好一级PID参数后再调整二级PID参数，最后再调整两个PID的比例带σ和积分时间Ti。
本文对发电厂烟气脱硝系统控制喷氨调阀的两级PID参数整定进行了分析，提出了在整定过程中的步骤，可为类似系统调试人员提供参考。
参考文献
《自动控制原理》 谢克明 电子工业出版社 2009
《燃煤电站SCR烟气脱硝工程技术》 中国大唐集团科技工程有限公司 中国电力出版社
关键字：控制理论；PID；自动化调节；烟气脱硝
中图分类号：O659 文献标识码：A 文章编号：
引言
烟气含有大量NOX、SO2等有毒气体，对大气、环境、气候等具有严重污染，而我国NOX的年排放量仅次于美国，且以煤炭为主的能源结构在目前及今后很长一段时间内不会发生根本改变，而实行烟气脱硝工程可以有效控制NOX排放，实现燃煤电厂成为绿色企业、环保企业的目标。本文根据某发电厂某机组烟气脱硝工程的喷氨系统，对自动控制调节阀门的两级PID参数进行整定、分析，从而更加迅速、精确、有效的控制出口NOX实际值，提高烟气脱硝系统稳定性。
脱硝系统自动控制简介
以某电厂某机组烟气脱硝系统为例，烟气自省煤器出来，在烟道中与空气、氨气混合气体相遇，共同进入SCR反应区，在催化剂下发生化学反应，生成N2和H2O。化学方程式如下：
在一级PID优化算模块中，通过将CEMS系统采集自省煤器出来的烟气中NOX含量的数据，传输到DCS系统并通过后台计算，得出所需NH3的量，与质量流量计测量传输到DCS系统的实际喷NH3量进行计算，将差值作为跟踪值。在投入自动、设定好出口NOX目标值的前提下，将CEMS系统采集的从SCR反应区出来的NOX含量数据作为实际值（过程变量），自动计算出NH3的量，并加上需求的NH3量，作为二级PID的设定值。
在二级PID中，引入一级PID的模拟量输出与需求的NH3量之和作为设定值，将质量流量计测量传输的实际喷NH3量作为实际值（过程变量），气氨进口调阀开度为跟踪值，自动调节喷氨调阀控制喷氨量，以达到实际出口NOX含量数值与设定出口NOX目标值相同的目的。
由于CEMS系统从烟气管道中取样时带入大量灰尘及其他杂质，可能堵塞取样仪器，于是加入吹扫环节。但在吹扫期间，系统分析出烟气中NOX的含量很低，致使计算后的氨气需求量大大减少，调阀误动作，所以加入吹扫保持模块，在吹扫信号来到的短时间内保持一级PID的过程变量为吹扫前那刻的数值，对系统实际情况影响很小，忽略吹扫环节对系统稳定性的影响。
由于过剩NH3也会对环境造成污染，NH3还可以与SO3和H2O反应生成易堵塞催化剂的（NH4）2SO4或NH4HSO4，所以添加强制手动，在出口NH3大于3.3PPM（该电厂该机组设计方给定）时，自动切换手动输入。
为避免硬件、软件或其他因素导致的调阀大幅度波动，设置气氨进口调阀开度反馈与开度控制偏差过大时，强制手动。
由设计要求的联锁致使气氨进口切断阀关闭时，亦设置气氨进口调阀强制手动，避免在系统已经停止喷氨的情况下，调阀始终保持全开。
脱硝喷氨系统SAMA图
该电厂该机组脱硝自动控制系统实现连续控制功能的核心部分是SAMA图组态，图1为喷氨调阀页面，由两个PID优化算法块、M/A站优化算法块及其他算法块构成。
圖1某电厂某炉脱硝系统SAMA图喷氨调阀页面
PID优化算法块的算法说明为：在自动时，
其中Y（s）为输出信号，x为输入偏差信号，σ为比例带，Ti为积分时间，Td为微分时间。喷氨系统PID不需要微分环节，所以只调节比例带和积分时间以满足运行要求。
M/A站优化算法块的作用是实现喷氨系统自动与手动间切换，在自动方式下，手动输出增减按钮不起作用，目标值为手动设定，即为一级PID的SP值。输入参数MRE为强制手动信号，在某些条件下，直接切换成手动方式。
其他算法块作用为脱硝系统自动控制简介中说明。
PID参数初步设定
PID参数的设定一般多为试凑法和经验法，在系统动态运行下修改参数，直到系统趋于稳定。两级PID属于串级PID类，一级PID（串级的主PID）输出作为二级PID（串级的副PID）的给定值，笔者调试过程时，采取的是设定目标值为50mg/Nm3（允许输出的60%～70%），用经验法先将一级PID的比例带σ设定为15，积分时间Ti设定为600s。先整定二级PID，在调阀波动相对稳定后再整定一级PID。
二级PID整定如同普通PID整定，先调整比例带σ，再整定积分时间Ti，微分环节不作用，微分时间Td总为零。将整定积分时间Ti直接取零，取消积分环节作用，仅用比例环节控制，找到最优值；再将整定积分时间Ti由小到大增加，找到最优值。
整定过程及系统画面
两级PID的所有参数都设定好后，系统只是相对稳定，需要进一步调整，使系统稳定性提升。
图2为笔者在调试期间将两级PID初步设定后的曲线，一级PID参数：比例带σ为15，积分时间Ti为600s；二级PID参数: 比例带σ为8，积分时间Ti为80s。
图2两级PID初步设定后的曲线
图2中，黄色曲线为入口NOX分析，突然骤降是由于CEMS系统取样吹扫，周期为一小时；红色曲线为两级PID控制的喷氨调阀开度反馈曲线，波动周期也为一小时左右，但与吹扫无关，需要更改PID参数进一步整定；橙色曲线为气氨流量，随喷氨调阀开度改变而改变；紫色曲线为出口NOX分析，是最终脱硝的实际值，由于CEMS采集系统的取样、分析、传输等，会出现短暂的滞后，所以以喷氨调阀开度反馈曲线为准，进行下一步调整。
喷氨调阀开度反馈曲线出现的问题主要是绕大弯，导致出口NOX曲线随之绕弯，需要减小放大比例，增加比例带σ；而且出口NOX曲线在逐渐往目标值收敛时，速度太慢，即“曲线偏离回复慢”，需要减小积分时间Ti。
针对初步设定中出现的问题，将一级PID参数中的比例带σ调整为17后，喷氨调阀的开度反馈曲线依旧绕大弯；将其调整为20后，喷氨调阀的开度反馈曲线开始频繁振荡，出现过调现象，于是将一级PID的比例带σ调整回15。尝试更改二级PID的比例带σ，将其调整为10，发现喷氨调阀的开度反馈曲线振荡相对稳定，出口NOX曲线随之稳定。
再将一级PID参数中的积分时间Ti逐步减小调整，出口NOX曲线回复速度提高，当积分时间Ti减小到300s时，出口NOX曲线逐渐收敛于目标值，再进一步降低积分时间Ti时，发现出口NOX曲线需要经过长时间的波动后，才能逐渐回到目标值上，于是将一级PID的积分时间Ti调整回300s。尝试更改二级PID的积分时间Ti，发现增大或者减小积分时间都会明显干扰曲线稳定，再将其定回80s。
最终，一级PID参数：比例带σ为15，积分时间Ti为300s；二级PID参数: 比例带σ为10，积分时间Ti为80s。经过几天观察发现这些参数符合该机组烟气脱硝系统要求，在高负荷、低负荷以及变化负荷的情况下，出口NOX的含量都能在设定目标值附近波动，满足国家、行业的规范标准。
图3为两级PID参数最终版结果，图4为两级PID参数调整后的曲线。
图3最终版参数
图4PID参数整定后的曲线
图4中绿色曲线为该电厂该机组的负荷，夜晚稳定在400MW左右；黄色曲线为入口NOX分析，稳定在500Nmg/m3左右；红色曲线为两级PID控制的喷氨调阀开度反馈曲线，周期调整到30分钟左右，波动平缓；橙色曲线为气氨流量，随喷氨调阀开度改变而改变；紫色曲线为出口NOX分析，是最终脱硝的实际值，波动平缓，在目标值附近收敛，且回复速度快。
结语
如图4所示，最终实际值曲线已达到烟气脱硝系统自动化调节要求，两级PID参数整定合格，提高了烟气脱硝系统运行的稳定性，为发电厂该系统日常顺利生产提供软件保障。
就发电厂烟气脱硝系统而言，两级PID中，二级PID（副PID）具有粗调效果，一级PID（主PID）具有微调效果。这是由于二级PID直接作用到输出变量上，所以按经验设定好一级PID参数后再调整二级PID参数，最后再调整两个PID的比例带σ和积分时间Ti。
本文对发电厂烟气脱硝系统控制喷氨调阀的两级PID参数整定进行了分析，提出了在整定过程中的步骤，可为类似系统调试人员提供参考。
参考文献
《自动控制原理》 谢克明 电子工业出版社 2009
《燃煤电站SCR烟气脱硝工程技术》 中国大唐集团科技工程有限公司 中国电力出版社