WO2003105997A1 - Verfahren und vorrichtung zur regelung einer rauchgasentstickungsanlage - Google Patents

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WO2003105997A1
WO2003105997A1 PCT/EP2003/006309 EP0306309W WO03105997A1 WO 2003105997 A1 WO2003105997 A1 WO 2003105997A1 EP 0306309 W EP0306309 W EP 0306309W WO 03105997 A1 WO03105997 A1 WO 03105997A1
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gas denitrification
denitrification system
model
catalyst
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PCT/EP2003/006309
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Lothar Schuh
Andreas Kroll
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ABB Research Ltd Switzerland
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    • B01D2257/404—Nitrogen oxides other than dinitrogen oxide

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for controlling a flue gas denitrification system according to the preamble of claims 1 and 9.
  • Flue gas denitrification plants are used to reduce the amount of NOx in the flue gas after the combustion of fossil fuels. Such systems are used, for example, in power plants that are operated with fossil fuels in the form of coal, natural gas and petroleum to generate heat. Flue gas denitrification plants are also used in waste and sewage sludge incineration plants, process steam plants or fossil-fired boilers of refineries. A distinction is made between flue gas denitrification plants between selective catalytic reduction and selective non-catalytic reduction. In large plants, flue gas denitrification plants are preferably used, which work according to the selective catalytic reduction.
  • the nitrogen oxides contained in the flue gas are reacted with a reducing agent, preferably ammonia, to nitrogen and water using a catalyst.
  • a reducing agent preferably ammonia
  • the catalytic converters integrated in such flue gas denitrification plants are exposed to very large loads which limit their lifespan. For example, the micro-surfaces of the catalysts are lost because the pores of the catalysts are destroyed by the influence of very high temperatures.
  • arsenic or alkali metals that are carried in the flue gases are irreversibly bound to the catalytically active surfaces.
  • the narrow pores of the catalysts are blocked by ammonium sulfate, which is formed by oxidation of S0 2 to S0 3 and then by reaction with NH 3 to NH 4 HS0 4 .
  • the pores of the catalytic converters are also clogged by dust that is carried along by the flue gases.
  • the contamination of a catalytic converter by dust can be removed by blowing it out, if necessary.
  • Deactivation by chemical influences cannot be reversed.
  • the conversion in the catalyst decreases on the one hand due to the reduction in the number of catalytic activity centers. This means that the delay time of the flue gas denitrification plant is increased. The catalyst needs this time to activate sufficient ammonia so that the required degree of denitrification is achieved.
  • the efficiency of the catalyst decreases with the loss of activity and the increasing pollution. More ammonia must therefore be injected into the catalyst.
  • the NO and O 2 concentrations are measured upstream of the catalytic converter.
  • the NO content in the flue gas after the catalytic converter is also measured.
  • the amount of ammonia to be injected is calculated from the amount of fuel used and the amount of air supplied during combustion in conjunction with the calorific value of the fuel and the O 2 content of the flue gas. This control value is therefore a pilot control signal for the ammonia injection.
  • the setpoint is set by measuring the NO content after the catalytic converter, which is compared with the calculated NO content.
  • the known methods for controlling flue gas denitrification systems are based on models in which the aging of a catalytic converter is not taken into account.
  • model-based controllers such as Smith predictors or model predictive controllers
  • the quality of the control decreases with the aging of a catalytic converter. It can this leads to a cyclical or unstable behavior.
  • controllers are often designed to be laxer than would normally be the case.
  • the controller gain is generally reduced in comparison to a dead time-free process in order to avoid unstable behavior. This is easily understood by looking at the poles of the closed loop.
  • the control quality that can be achieved with an adapted control strategy is not achieved in this way.
  • the invention is based on the object of demonstrating a method with which better regulation of flue gas denitrification systems can be carried out than is the case with the known methods.
  • the invention is also based on the object of demonstrating a device with which the method can be carried out.
  • control of a flue gas denitrification system can be significantly improved. This is particularly the case when the catalytic converter of the flue gas denitrification plant has the aging conditions described at the beginning.
  • control and process control strategies according to the invention enables the plant operation to be improved.
  • the deactivation of the catalyst of the flue gas denitrification system to be controlled is determined on the basis of measurement data.
  • measurement data for example, measurement data from the heat tone or the change in conductivity of the catalyst are suitable.
  • the measured amount of ammonia that is not for the Denitrification of the flue gas is used, but released into the environment, can also be used to determine the deactivation of the catalyst.
  • the dead time and the delay of the flue gas denitrification system are determined from the deactivation of the catalytic converter, the temperature and the speed of the flue gas in front of and behind the flue gas denitrification system and additional information that can be determined, for example, from empirical values.
  • Fig. 2. the output concentration control of a PID controller, a Smith predictor and a model predictive controller.
  • the device 1 shown in FIG. 1 comprises a controller 2, a flue gas detoxification system 3, a measuring device 4, and four computers 5, 6, 7A and 7B.
  • the method according to the invention is essentially designed for control using an explicit model of a flue gas denitrification system, preferably the model of a Smith predictor.
  • This model is stored in the computer 7A and is adapted to the current values of the flue gas denitrification system 3.
  • the parameters of this model are adapted to the parameters of the flue gas denitrification plant 3 when new.
  • the model is particularly suitable for use in dead time processes.
  • the computer 7A is followed by the computer 7B, which is used as a delay element 7B.
  • the method can also be used if a model is only implicitly received as a controller. This is the case when the controller parameters are calculated and / or derived from the model, as is the case with PID controllers or state controllers, for example.
  • the flue gas denitrification system 3 is equipped with a catalyst 3K and integrated in an exhaust gas duct 8. Flue gas 9 is discharged from an incineration plant (not shown here) via the exhaust gas duct 8. From a storage container 10, ammonia is fed to the flue gas depletion system 3 via a valve 11 serving as a metering device. The valve 11 is actuated by the controller 2. The amount of flue gas 9 and the content of NO x in the flue gas 9 is determined and stored before the flue gas 9 enters the flue gas denitrification system 3 with the aid of the measuring device 4. The same applies to the NO x content which the flue gas 9 has after leaving the flue gas denitrification plant 3. These measured values are also supplied to the computer 7A, among other things.
  • the differential pressure above the flue gas denitrification system 3 the amount of ammonia that is fed to the flue gas denitrification system 3 to reduce the NOx content in the flue gas 9, the heat toning of the Catalyst 3K, the change in conductivity of the catalyst 3K, the amount of ammonia that is not used for the denitrification of the flue gas 9, but is released to the environment, the speed of the flue gas 9 and its temperature are determined and stored. All measurements can be carried out continuously.
  • the measuring device 4 is connected to carry out the measurements via signal lines 4A, 4B, 4C and 4D with the exhaust gas duct 8 in front of and behind the flue gas denitrification system 3, with the flue gas denitrification system 3 and the valve 11.
  • the measuring device 4 is also designed and connected in such a way that it can also be used to determine and store further measurement signals which may be necessary for carrying out the entire method.
  • the measurement data recorded with the measuring device 4 are fed to the computer 5, which is connected to the measuring device 4.
  • the deactivation ⁇ of the catalyst 3K is determined there from these measurement data. This information is forwarded to the computer 6, which is connected downstream of the computer 5.
  • Measurement data from the temperature ⁇ and the speed of the flue gas 9 in front of and behind the flue gas denitrification plant 3 are transmitted directly from the measuring device 4 to the computer 6.
  • the two computers 5 and 6 can also be replaced by a single computer (not shown here).
  • the parametric behavior changes such as dead time and amplification of the flue gas denitrification system 3 are determined.
  • This information can be physically motivated based on rules and / or knowledge, determined by measurements or stimulation and regression or identification of certain relationships.
  • This also includes the use of artificial neural networks, the identification of fuzzy models or other linear or non-linear regression models.
  • the combination of an absolute model with a trend model or a combination of several of these approaches is possible. Since this information is used for operational management and / or control, it does not have to describe the spatial variation along the catalyst 3K, for example. A description of the resulting input and / or output behavior of the flue gas denitrification plant 3 is sufficient for this, for example.
  • the additional information required to determine the parametric behavior changes of the flue gas denitrification system 3 in addition to the deactivation ⁇ of the catalyst 3K, the temperature and / or the speed of the flue gas 9 can also be obtained from empirical values of the operating personnel of the flue gas denitrification system 3. If the operating personnel has sufficient knowledge of how the deactivation ⁇ of the catalytic converter influences the behavior of the flue gas denitrification system 3, the parametric behavior changes can also be described by a rule and / or knowledge-based model. For example, a fuzzy set of rules can be used for this. Such a regulation can be approximated by a table of values. This simplifies implementation in standard control systems or programmable logic controllers. In this case, the fuzzy set of rules, which supplies the information about dead time and amplification of the flue gas denitrification system 3, runs on the computer 6.
  • a dynamic model of the flue gas denitrification system 3 can be obtained can be determined for the current deactivation state of the catalyst 3K.
  • Simple linear and non-linear regression models, artificial neural networks or fuzzy models can be considered as model types. It is also possible to deactivate the deactivation ⁇ of the catalyst for different age states. to include the same catalyst. A relationship between the deactivation ⁇ of the catalytic converter and the parametric behavior changes can then be determined from this.
  • the model to be created can also be approximately composed of two sub-models. The first partial model is determined from measured values of the present deactivation ⁇ of the catalyst 3K.
  • the relative change in catalyst activity is determined for the second partial model from the measured values of a reference system.
  • a similarly designed flue gas denitrification system (not shown here) can be used as the reference system.
  • the gas speeds in the reference system (not shown here) and the flue gas denitrification system 3 to be controlled can differ.
  • a model can be put together from the two sub-models, which describes absolutely and quantitatively the change in the model parameters with the deactivation ⁇ of the catalyst. Such a simplified model is sufficient for a robust controller.
  • the gain determined in the computer 6 or the dead time of the flue gas denitrification system 3 are fed to the computer 7A or to the computer 7B serving as a delay element.
  • the dynamic model of the flue gas denitrification plant 3 stored in the computer 7 is adapted to the current value of the gain.
  • the output signal of the controller 2 is also fed to the computer 7A for the adaptation of the dynamic model.
  • the computer 7A receives from the measuring device 4 the measured values for the amount of flue gas 9 and the content of NO x in the flue gas 9 before entering and after leaving the flue gas. Embroidery system 3.
  • the computer 7A influences the actual value of the controller 2 as a function of this dynamic model.
  • the output signal of the computer is fed to the delay element 7B connected downstream.
  • the difference values between the output signal of the computer 7B and the measured proportion of NO x , which is still contained in the flue gas 9 after denitrification, is determined in a difference generator 12 and passed on to a difference generator of the controller 2 serving as a setpoint generator 2S. The specified setpoint is corrected accordingly.
  • the output signal of the difference former 12 is also forwarded to the computer 6.
  • the setpoint generator 2S is followed by an actual value generator 2T serving as a difference generator. This compares the supplied setpoint with the prediction of the dynamic model of the computer 7A.
  • the output signal of the actual value transmitter 2T is fed to the controller 2.
  • the invention is not limited to the control principle of the Smith predictor. Rather, the term predictive control indicates that a model is used within the control with which the effect of the manipulated variable on the behavior of the controlled system is predicted. As an alternative to the Smith predictor, the control can therefore also be carried out using a model-predictive controller, also called MPC for short. This also uses an internal route model. 2 shows the output concentration control of a PID controller, a Smith predictor and a model predictive controller. If setpoint changes and / or faults are known, the MPC controller leads to significantly better properties than the first two controllers mentioned, the Smith predictor in turn delivering better results than the PID relay.
  • MPC model-predictive controller

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Abstract

Für die Regelung einer Rauchgasentstickungsanlage (3), die mit einem Katalysator (3K) für eine selektive katalytische Entstickung von Rauchgasen (9) mittels Ammoniak ausgerüstet ist, werden die parametrischen Verhaltensänderungen der Rauchgasentstickungsanlage (3) kontinuierlich ermittelt. Ein vorgegebenes Modell der Rauchgasentstickungsanlage (3) wird diesen parametrischen Verhaltensänderungen nachgeführt. Mit Hilfe dieses dynamischen Modells erfolgt die Regelung der Rauchgasentstikkungsanlage (3). Für die Durchführung des Verfahrens wird eine Vorrichtung (1) genutzt, die eine Messvorrichtung (4) und einen ersten Rechner (5) aufweist, der aus den Messwerten die Desaktivierung (alpha) des Katalysators (3K) berechnet. Mit Hilfe eines zweiten Rechner (6) werden die parametrischen Verhaltensänderungen der Rauchgasentstickungsanlage (3) ermittelt. Der zweite Rechner steht mit einem dritten Rechner (7A) in Verbindung, in dem das Modell der Rauchgasentstickungsanlage (3) gespeichert und an die parametrischen Verhaltensänderungen angepasst wird. Der dritte Rechner (7A) ist mit einem Istwertgeber (2T) eines Reglers (2) verbunden, der die Zufuhr von Ammoniak zu dem Katalysator (3K) regelt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Regelung einer Rauchgasentstickungsanlage
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung einer Rauchgasentstickungsanlage gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 9.
Rauchgasentstickungsanlagen werden verwendet, um nach der Verbrennung fossiler Energieträger den Anteil an NOx im Rauchgas zu reduzieren. Solche Anlagen kommen beispielsweise in Kraftwerken zur Anwendung, die zur Gewinnung von Wärme mit fossilen Brennstoffen in Form von Kohle, Erdgas- und Erdöl betrieben werden. Rauchgasentstickungsanlagen werden aber auch in Müll- und Klärschlammverbrennungsanlagen, Prozessdampfanlagen oder fossil beheizten Kesseln von Raffinerien genutzt. Bei den Rauchgasentstickungsanlagen wird zwischen einer selektiven katalytischen Reduktion und einer selektiven nicht katalytischen Reduktion unterschieden. In Großanlagen werden vorzugsweise Rauchgasentstickungsanlagen eingesetzt, die nach der selektiven katalytischen Reduktion arbeiten. Hierbei werden die in dem Rauchgas enthaltenen Stickoxide mit einem Reduktionsmittel vorzugsweise Ammoniak zu Stickstoff und Wasser unter Verwendung eines Katalysators umgesetzt. Die in solchen Rauchgasentstickungsanlagen integrierten Katalysatoren sind sehr großen Beanspruchungen ausgesetzt, die ihre Lebensdauer begrenzen. So gehen beispielsweise die Mikrooberflächen der Katalysatoren verloren, weil die Poren der Katalysatoren durch den Einfluss sehr hoher Temperaturen zerstört werden. Zudem werden Arsen oder Alkalimetalle, die in den Rauchgasen mitgeführt werden, irreversibel an die katalytisch aktiven Flächen gebunden. Die engen Poren der Katalysatoren werden durch Ammoniumsulfat verstopft, das durch Oxidation von S02 zu S03 und dann durch Reaktion mit NH3 zu NH4HS04 entsteht. Aber auch durch Staub, der von den Rauchgasen mitgeführt wird, werden die Poren der Katalysatoren verstopft. Die Verschmutzungen eines Katalysators durch Staub lassen sich gegebenenfalls durch Freiblasen beseitigen. Die Desaktivierung durch chemische Einflüsse kann jedoch nicht rückgängig gemacht werden. Als Folge der Desaktivierung eines Katalysators sinkt zum einem der Umsatz im Katalysator durch die Verringerung der Anzahl der katalytischen Aktivitätszentren. Das bedeutet, dass die Verzugszeit der Rauchgasentstickungsanlage vergrößert wird. Diese Zeit benötigt der Katalysator, um ausreichend Ammoniak zu aktivieren, damit der geforderte Entstickungsgrad erreicht wird. Zum anderem nimmt der Wirkungsgrad des Katalysators mit dem Aktivitätsverlust und der steigenden Verschmutzung ab. Es muß deshalb mehr Ammoniak in den Katalysator eingedüst werden. Das ist aber nur bis zu einem bestimmten stöchiometrischen Verhältnis von NH3 zu NOx möglich, da ansonsten Ammoniak freigesetzt wird. Der Katalysator verliert also zunehmend die Fähigkeit, genügend Stickoxide in Stickstoff und Wasser umzuwandeln. Aus der Desaktivierung des Katalysators folgt für die Betriebsführung und Regelung eine Änderung des Prozessverhaltens, insbesondere der Streckenverstärkung und der Zeitkonstanten der Rauchgasentstickungsanlage. Rauchgasentstickungsanlagen werden geregelt, um die gewünschte Entstickung bei gleichzeitig minimalem Ammoniakschlupf, geringer Umweltbelastung und niedrigen Kosten zu erreichen.
Bei den bekannten Rauchgasentstickungsanlagen werden die NO- und O2- Konzentrationen vor dem Katalysator gemessen. Ebenso wird der NO-Gehalt im Rauchgas nach dem Katalysator gemessen. Aus der eingesetzten Brennstoffmenge und der zugeführten Luftmenge während der Verbrennung wird in Verbindung mit dem Heizwert des Brennstoffes und dem O2-Gehalt des Rauchgases die Menge des einzu- düsenden Ammoniaks errechnet. Dieser Regelwert ist also ein Vorsteuersignal für die Ammoniakeindüsung. Die Sollwerteinstellung erfolgt über die Messung des NO- Gehaltes nach dem Katalysator, der mit dem errechneten NO-Gehalt verglichen wird.
Die bekannten Verfahren zur Regelung von Rauchgasentstickungsanlagen gehen von Modellen aus, bei denen die Alterung eines Katalysators unberücksichtigt bleibt. Beim Einsatz von modellbasierten Reglern wie Smith-Prädiktoren oder modellprädiktiven Reglern nimmt die Regelungsgüte mit der Alterung eines Katalysators ab. Es kann hierbei zu einem grenzzyklischen oder instabilen Verhalten kommen. Um der Variation des Prozessverhaltens vorzubeugen, werden Regler oft lascher ausgelegt als das aus dem Normalfall folgen würde. Bei der Regelung von Totzeitprozessen mit einfachen Reglern ohne spezielle Maßnahmen in Form von PID-Reglern wird gegenüber einem totzeitfreien Prozess die Reglerverstärkung im allgemeinen verringert, um ein instabiles Verhalten zu vermeiden. Dies wird leicht durch Betrachtung der Pole des geschlossenen Regelkreises verständlich. Allerdings wird so nicht die bei einer ange- passten Regelungsstrategie realisierbare Regelungsgüte erreicht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren aufzuzeigen, mit dem eine bessere Regelung von Rauchgasentstickungsanlagen durchgeführt werden kann, als das mit den bekannten Verfahren der Fall ist. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung aufzuzeigen, mit der sich das Verfahren durchführen lässt.
Die Aufgabe, das Verfahren betreffend, wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die Aufgabe, die Vorrichtung betreffend, wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 9 gelöst.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem modellbasierte, gehobene Re- gelungs- und Betriebsführungsstrategien zur Anwendung kommen, kann die Regelung einer Rauchgasentstickungsanlage wesentlich verbessert werden. Das ist vor allem dann der Fall, wenn der Katalysator der Rauchgasentstickungsanlage die eingangs beschriebenen Alterungszustände aufweist. Die Anwendung der erfindungsgemäßen Regelungs- und Prozessführungsstrategien gestattet die Verbesserung des Anlagenbetriebs.
Bei der Durchführung des Verfahren wird die Desaktivierung des Katalysators der zu regelnden Rauchgasentstickungsanlage an Hand von Messdaten bestimmt. Hierfür eignen sich beispielsweise Messdaten von der Wärmetönung oder der Leitfähigkeitsänderung des Katalysators. Die gemessene Menge an Ammoniak, die nicht für die Entstickung des Rauchgases genutzt, sondern an die Umwelt abgeben wird, kann ebenfalls zur Bestimmung der Desaktivierung des Katalysators genutzt werden. Aus der Desaktivierung des Katalysators, der Temperatur und der Geschwindigkeit des Rauchgases vor und hinter der Rauchgasentstickungsanlage und zusätzlichen Informationen, die beispielsweise aus Erfahrungswerten ermittelt werden können, wird die Totzeit und die Verzögerung der Rauchgasentstickungsanlage ermittelt. Mit Hilfe dieser Daten wird ein Modell der Rauchgasentstickungsanlage korrigiert und angepaßt, das in einem Rechner gespeichert ist. Mit Hilfe dieses Modells wird die Regelung der Rauchgasentstickungsanlage angepasst. Damit wird eine Reduktion . der Regelungsgüte durch alterungsbedingte Veränderungen des Prozessverhaltens verhindert.
Weitere erfinderische Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Einrichtung zur Regelung einer Rauchgasentstickungsanlage,
Fig. 2. die Ausgangskonzentrationsregelung eines PID-Reglers, eines Smith-Prädik- tors und eines modellprädiktiven Reglers.
Die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung 1 umfasst einen Regler 2, eine Rauchgasentstik- kungsanlage 3, eine Messvorrichtung 4, sowie vier Rechner 5, 6, 7A und 7B. Das erfindungsgemäße Verfahren ist im wesentlichen für die Regelung mit einem expliziten Modell einer Rauchgasentstickungsanlage, vorzugsweise dem Modell eines Smith- Prädiktors ausgerichtet. Dieses Modell ist in dem Rechner 7A gespeichert und wird an die aktuellen Werte der Rauchgasentstickungsanlage 3 angepasst. Bei der Inbetriebnahme der Rauchgasentstickungsanlage 3 sind die Parameter dieses Modells an die Parameter der Rauchgasentstickungsanlage 3 im Neuzustand angepasst. Das Modell ist besonders für die Anwendung bei Totzeitprozessen geeignet ist. Dem Rechner 7A ist der Rechner 7B nachgeschaltet, der als Verzögerungsglied 7B genutzt wird. Das Verfahren ist jedoch auch dann anwendbar, wenn ein Modell nur implizit als Regler eingeht. Das ist dann der Fall, wenn die Reglerparameter aus dem Modell berechnet und/oder abgeleitet werden, wie das beispielsweise bei PID-Reglern oder Zustands- reglern der Fall ist.
Die Rauchgasentstickungsanlage 3 ist mit einem Katalysator 3K bestückt und in einen Abgaskanal 8 integriert. Über den Abgaskanal 8 wird Rauchgas 9 aus einer Verbrennungsanlage (hier nicht dargestellt) abgeleitet. Von einem Vorratsbehälter 10 aus wird Ammoniak über ein als Dosiereinrichtung dienendes Ventil 11 der Rauchgasentstik- kungsanlage 3 zugeführt. Das Ventil 11 wird von dem Regler 2 betätigt. Die Menge an Rauchgas 9 sowie der Gehalt des Rauchgases 9 an NOx wird vor dem Eintritt des Rauchgases 9 in die Rauchgasentstickungsanlage 3 mit Hilfe der Messvorrichtung 4 ermittelt und gespeichert. Das Gleiche gilt für den Gehalt an NOx welches das Rauchgas 9 nach dem Verlassen der Rauchgasentstickungsanlage 3 aufweist. Diese Messwerte werden unter anderem auch dem Rechner 7A zugeführt. Ferner können mit der Messvorrichtung 4, falls es für die Regelung der Rauchgasentstickungsanlage 3 erforderlich ist, auch der Differenzdruck über der Rauchgasentstickungsanlage 3, die Menge an Ammoniak, die der Rauchgasentstickungsanlage 3 zur Minderung des NOx- Anteils im Rauchgas 9 zugeführt wird, die Wärmetönung des Katalysators 3K, die Leitfähigkeitsänderung des Katalysators 3K, die Menge an Ammoniak, die nicht für die Entstickung des Rauchgases 9 genutzt, sondern an die Umwelt abgeben wird, die Geschwindigkeit des Rauchgases 9 sowie dessen Temperatur ermittelt und gespeichert werden. Alle Messungen können kontinuierlich durchgeführt werden. Die Messvorrichtung 4 steht für die Durchführung der Messungen über Signalleitungen 4A, 4B, 4C und 4D mit dem Abgaskanal 8 vor und hinter der Rauchgasentstickungsanlage 3, mit der Rauchgasentstickungsanlage 3 und dem Ventil 11 in Verbindung. Die Messvorrichtung 4 ist zudem so ausgebildet und so verschaltet, dass mit ihr noch weitere Messsignale ermitteln und gespeichert können, die gegebenenfalls für die Durchführung des gesamten Verfahrens erforderlich sind. Die mit der Messvorrichtung 4 erfassten Messdaten werden dem Rechner 5 zugeführt, der mit der Messvorrichtung 4 in Verbindung steht. Aus diesen Messdaten wird dort die Desaktivierung α des Katalysators 3K ermittelt. Diese Information wird an den Rechner 6 weitergeleitet, der dem Rechner 5 nachgeschaltet ist. Messdaten von der Temperatur σ und der Geschwindigkeit des Rauchgases 9 vor und hinter der Rauchgasentstickungsanlage 3 werden von der Messvorrichtung 4 unmittelbar an den Rechner 6. übertragen. Erfindungsgemäß können die beiden Rechner 5 und 6 auch durch einen einzigen Rechner (hier nicht dargestellt) ersetzt werden.
Mit Hilfe des Rechners 6 werden die parametrischen Verhaltensänderungen wie Totzeit und Verstärkung der Rauchgasentstickungsanlage 3 ermittelt. Hierfür sind neben den ermittelten Wert der Desaktivierung α des Katalysators 3K, der Temperatur des Rauchgases 9 sowie dessen Geschwindigkeit noch weitere Informationen erforderlich. Diese Informationen können regelbasiert und/oder wissensbasiert physikalisch motiviert, durch Messungen oder Stimulation und Regression bzw. Identifikation bestimmter Zusammenhänge ermittelt werden. Hierzu gehört auch die Verwendung von künstlichen Neuronalen Netzen, die Identifikation von Fuzzy Modellen oder anderen linearen oder nichtlinearen Regressionsmodellen. Ferner ist die Kombination eines Absolutmodells mit einem Trendmodell oder eine Kombination mehrere dieser Ansätze möglich. Da diese Informationen für die Betriebsführung und/oder Regelung verwendet werden, müssen sie nicht die räumliche Variation etwa entlang des Katalysators 3K beschreiben. Eine Beschreibung des resultierenden Ein-und/oder Ausgangsverhaltens der Rauchgasentstickungsanlage 3 reicht beispielsweise hierfür aus.
In jeder Rauchgasentstickungsanlage, in der eine selektive katalytische Reduktion von Stickoxiden durchgeführt wird, reagieren diese mit dem Reduktionsmittel Ammoniak zu Stickstoff N2 und Wasser H2O. Die beiden wesentlichen Reaktionen zwischen den Stickoxiden und dem Ammoniak werden durch folgende Gleichungen beschrieben. 4 NO + 4 NH3+02 -► 4N2 + 6 H20 und 2 N02 + 02 + 4NH3 -»- 3N2 + 6H20. Aus diesen stöchiometrischen Gleichungen und der baulichen Ausführung der Rauchgasentstik- kungsanlage 3 lassen sich direkt dynamische Modellgleichungen aufstellen, in welche die Desaktivierung α des Katalysators 3K eingeht. Mit Hilfe dieser Gleichungen, dem ermittelten Wert der Desaktivierung α des Katalysators 3K und den Messdaten, die dem Rechner 6 von der Messvorrichtung 4 geliefert werden, können die parametrischen Verhaltensänderungen der Rauchgasentstickungsanlage 3 in dem Rechner 6 ermittelt werden.
Die zusätzlichen Informationen, die zur Ermittlung der parametrischen Verhaltensänderungen der Rauchgasentstickungsanlage 3 neben der Desaktivierung α des Katalysators 3K, der Temperatur und/oder der Geschwindigkeit des Rauchgases 9 noch erforderlich sind, können auch aus Erfahrungswerten des Bedienpersonals der Rauchgasentstickungsanlage 3 gewonnen werden. Wenn das Bedienpersonal ausreichende Kenntnisse darüber hat, wie die Desaktivierung α des Katalysators das Verhalten der Rauchgasentstickungsanlage 3 beeinflußt, können die parametrischen Verhaltensänderungen auch durch ein regel- und/oder wissensbasiertes Modell beschrieben werden. Hierfür kann beispielsweise ein Fuzzy-Regelwerk eingesetzt werden. Ein solche Regelung kann durch eine Wertetabelle approximiert werden. Das vereinfacht die Implementierung in handelsübliche Leitsysteme oder speicherprogrammierbare Steuerungen. Das Fuzzy-Regelwerk, das die Informationen über Totzeit und Verstärkung der Rauchgasentstickungsanlage 3 liefert, läuft in diesem Fall auf dem Rechner 6.
Um die parametrischen Verhaltensänderung der Rauchgasentstickungsanlage 3 mit den jeweils aktuellen Daten dieser Einrichtung in dem Rechner 6 erstellen zu können, ist es möglich, neben der Bestimmung der Desaktivierung α des Katalysators 3K, der Temperatur und/oder der Geschwindigkeit des Rauchgases 9 weitere Daten der Rauchgasentstickungsanlage 3 beispielsweise mit der Messvorrichtung 4 zu messen. So kann beispielsweise aus den Messwerten des NH3-Stroms, der zugeführten Gesamtmenge an Luft und der NOx-Konzentration im Rauchgas 9 vor dem Katalysator 3K sowie der gemessenen NOx-Konzentration im Rauchgas 9 hinter dem Katalysator 3K ein dynamisches Modell der Rauchgasentstickungsanlage 3 für den jeweils aktuellen Desaktivierungszustand des Katalysators 3K ermittelt werden kann. Als Modelltyp kommen beispielsweise einfache lineare und nichtlineare Regressionsmodelle, künstliche Neuronale Netze oder Fuzzy-Modelle in Betracht. Es ist darüber hinaus möglich, die Desaktivierung α des Katalysators für verschiedene Alterszustände des- selben Katalysators mit einzubeziehen. Daraus kann dann beispielsweise ein Zusammenhang zwischen der Desaktivierung α des Katalysators und den parametrischen Verhaltensänderungen ermittelt werden.
Für die Ermittlung der parametrischen Verhaltensänderungen liegen nicht immer Daten von verschiedenen Zuständen der Desaktivierungen α des Katalysators einer Rauchgasentstickungsanlage 3 vor. Für die Bestimmung der Desaktivierung α können zwar immer Messwerte des aktuellen Anlagenzustands ermittelt werden. Wie sich die Desaktivierung α eines Katalysator jedoch zukünftig entwickeln wird, kann aus aktuellen Messwerten nicht ermittelt werden. Wird davon ausgegangen, dass die Desaktivierung α eines Katalysators nicht zu einer strukturellen Verhaltensänderung, sondern einer graduellen Variation der Parameter führt, dann kann das zu erstellende Modell auch approximativ aus zwei Teilmodellen zusammengesetzt werden. Das erste Teilmodell wird aus Messwerten der vorliegenden Desaktivierung α des Katalysators 3K ermittelt. Aus den Messwerten einer Referenzanlage wird für das zweite Teilmodell die relative Änderung der Katalysatoraktivität ermittelt. Als Referenzanlage kann eine ähnlich ausgebildete Rauchgasentstickungsanlage (hier nicht dargestellt) verwendet werden. Dadurch stimmen die Trends der Werte überein, nicht aber unbedingt die absoluten Werte. Dabei können sich die Gasgeschwindigkeiten in der Referenzanlage (hier nicht dargestellt) und der zu regelnden Rauchgasentstickungsanlage 3 unterscheiden. Aus den beiden Teilmodellen lässt sich ein Modell zusammensetzen, das absolut und quantitativ die Änderung der Modellparameter mit der Desaktivierung α des Katalysators beschreibt. Ein solches vereinfachtes Modell reicht für einen robusten Regler aus.
Die im Rechner 6 ermittelte Verstärkung bzw. die Totzeit der Rauchgasentstickungsanlage 3 werden dem Rechner 7A bzw. dem als Verzögerungsglied dienenden Rechner 7B zugeführt. Das in dem Rechner 7 gespeicherte dynamische Modell der Rauchgasentstickungsanlage 3 wird an den jeweils aktuellen Wert der Verstärkung angepasst. Dem Rechner 7A wird für die Anpassung des dynamischen Modells zudem das Ausgangssignal des Reglers 2 zugeführt. Ferner erhält der Rechner 7A von der Messvorrichtung 4 die Messwerte über die Menge an Rauchgas 9 sowie den Gehalt des Rauchgases 9 an NOx vor dem Eintritt und nach dem Verlassen der Rauchga- sentstickungsanlage 3. Der Rechner 7A nimmt in Abhängigkeit von diesem dynamischen Modell Einfluss auf den Istwert des Reglers 2. Das Ausgangssignal des Rechners wird dem nach geschalteten Verzögerungsglied 7B zugeführt. Die Differenzwerte zwischen dem Ausgangssignal des Rechners 7B und dem gemessenen Anteil an NOx, der nach der Entstickung noch im Rauchgas 9 enthalten ist, wird in einem Differenzbildner 12 ermittelt, und an einen als Sollwertgeber 2S dienenden Differenzbildner des Reglers 2 weitergeleitet. In ihm wird der vorgegebene Sollwert entsprechend korrigiert. Das Ausgangssignal der Differenzbildners 12 wird zudem an den Rechner 6 weitergeleitet. Dem Sollwertgeber 2S ist ein als Differenzbildner dienender istwertgeber 2T nachgeschaltet. Dieser vergleicht den zugeführten Sollwert mit der Prädiktion des dynamischen Modells des Rechners 7A. Das Ausgangssignal des Istwertgebers 2T wird dem Regler 2 zugeführt.
Die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf das Regelungsprinzip des Smith- Prädiktors. Vielmehr weist die Bezeichnung prädikative Regelung darauf hin, dass innerhalb der Regelung ein Modell verwendet wird, mit dem die Wirkung der Stellgröße auf das Verhalten der Regelstrecke vorhergesagt wird. Alternativ zum Smith-Prädiktor kann deshalb die Regelung auch mit einem modellprädikativen Regler, kurz auch MPC genannt, durchgeführt werden. Dieser verwendet ebenfalls ein internes Strek- kenmodell. In Fig. 2 ist die Ausgangskonzentrationsregelung eines PID-Reglers, eines Smith-Prädiktors und eines modellprädiktiven Regelers dargestellt. Sind Sollwertänderungen und/oder Störungen bekannt, so führt der MPC-Regler zu wesentlich besseren Eigenschaften als die beiden erst, genannten Regler, wobei der Smith-Prädiktor im Vergleich zum PID-Relger wiederum bessere Ergebnisse liefert.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Regelung einer Rauchgasentstickungsanlage (3) mit wenigstens einem Katalysator (3K) für eine selektive katalytische Entstickung von Rauchgasen (9) mittels Ammoniak, dadurch gekennzeichnet, dass die parametrischen Verhaltensänderungen der Rauchgasentstickungsanlage (3) kontinuierlich ermittelt werden, und ein vorgegebenes Modell der Rauchgasentstickungsanlage (3) daran angepasst wird, und dass mit Hilfe dieses dynamischen Modells eine Regelung der Rauchgasentstickungsanlage (3) erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass aus Messdaten in Form von Temperatur und/ oder Geschwindigkeit des Rauchgases (9) und der Desaktivierung (α) des Katalysators (3K) sowie zusätzlichen Informationen, die regelbasiert und/oder wissensbasiert, physikalisch motiviert, durch Messungen oder Simulation und Regression und/oder Identifikation bestimmter Zusammenhänge, durch die Verwendung von künstlichen Neuronalen Netzen, der Identifikation von Fuzzy Modellen oder anderen linearen oder nichtlinearen Regressionsmodellen, oder der Kombination eines Absolutmodells mit einem Trendmodell oder durch die Kombination mehrerer dieser Informationen die parametrischen Verhaltensänderungen der Rauchgasentstickungsanlage (3) ermittelt und das dynamische Modell der Rauchgasentstik- kungsanlage (3) diesen nachgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass aus Messdaten in Form von Temperatur und/ oder Geschwindigkeit des Rauchgases (9) und der Desaktivierung (α) des Katalysators (3K) sowie zusätzlichen Informationen in Form weiterer Daten, die regelbasiert und/oder wissensbasiert, physikalisch motiviert, durch Messungen oder Simulation und Regression und/oder Identifikation bestimmter Zusammenhänge, durch die Verwendung von künstlichen Neuronalen Netzen, der Identifikation von Fuzzy Modellen oder anderen linearen oder nichtlinearen Regressionsmo- dellen, oder der Kombination eines Absolutmodells mit einem Trendmodell oder durch die Kombination mehrerer dieser Informationen, die Totzeit und die Verstärkung der Rauchgasentstickungsanlage (3) ermittelt und das dynamische Modell der Rauchgasentstickungsanlage (3) diesen nachgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Informationen über weitere Daten aus dynamischen Modellgleichungen ermittelt werden, die mit Hilfe der beiden Gleichungen 4 NO + 4 NH3 +02 →- 4N2 + 6 H20 und 2 N02 + 02 + 4NH3 → 3N2 + 6H20, welche die wesentlichen Reaktionen zwischen Stickoxiden und Ammoniak beschreiben, und der baulichen Ausführung der Rauchgasentstickungsanlage (3) aufgestellt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzlichen Informationen über weitere Daten aus Erfahrungswerten ermittelt werden, die beschreiben wie die Desaktivierung (α) des Katalysators (3K) das Verhalten der Rauchgasentstickungsanlage (3) beeinflußt, und dass mit deren Hilfe ein regel- und/oder wissensbasiertes Modell unter Verwendung eines Fuzzy- Regelwerks erstellt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass als zusätzlichen Informationen für die Bestimmung der parametrischen Verhal- tensänderungen der Rauchgasentstickungsanlage (3) der NH3-Strom, die zugeführte Gesamtmenge an Luft und' die NOx-Konzentration im Rauchgas (9) vor dem Katalysator (3K) sowie die NOx-Konzentration im Rauchgas (9) hinter dem Katalysator (3K) gemessen werden.
7. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Modell der Rauchgasentstickungsanlage (3) aus zwei Teilmodellen zusammengesetzt wird, dass das erste Teilmodell aus Messwerten der vorliegenden Desaktivierung (α) des Katalysators (3K) der zu regelnden Rauchgasentstickungsanlage (3) ermittelt wird, und dass das zweite Teilmodell aus Messdaten der relativen Änderungen des Verhaltens der Katalysatoraktivität einer Referenzanlage oder physikalisch motiviert ermittelt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das vorgegebene Modell der Rauchgasentstickungsanlage (3) in einem Rechner (7A) gespeichert und an die kontinuierlich ermittelten parametrischen Verhaltensänderungen der Rauchgasentstickungsanlage (3) angepasst wird.
9. Vorrichtung zur Regelung einer Rauchgasentstickungsanlage (3) mit wenigstens einem Katalysator (3K) für eine selektive katalytische Entstickung von Rauchgasen (9) mittels Ammoniak, insbesondere für die Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Messvorrichtung (4) mit einem Abgaskanal (8), in den die Rauchgasentstickungsanlage (3) intergriert ist, vor unter hinter der Rauchgasentstickungsanlage (3) sowie mit der Rauchgasentstickungsanlage (3), zwei in Serie geschalteten Rechnern (5 und 6) und einer Dosiereinrichtung (11) für Ammoniak verbunden ist, dass ein erster Signalausgang des zweiten Rechners (6) mit einem Verzögerungsglied (7B) und ein zweiter Signalausgang des zweiten Rechners (6) mit einem dritten Rechner (7A) in Verbindung steht, der zusätzlich an jeweils einen Signalausgang der Messvorrichtung (4) und an einen Signalausgang eines Regler (2) angeschlossen ist, mit dem auch die Dosiereinrichtung (11) in Verbindung steht , dass jeweils ein Signalausgang des dritten Rechners (7A) an das Verzögerungsglied (7B) und den Istwertgeber (2T) des Reglers (2) angeschlossen ist, dass dem Verzögerungsglied (7B) ein Differenzbildner (12) nachgeschaltet ist, der auch an einen Signalausgang der Messvorrichtung (4) angeschlossen ist, und dessen Signalausgang mit dem zweiten Rechner (6) und dem Sollwertgeber (2S) des Reglers (2) in Verbindung steht.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (4) über eine Messleitung (4C) mit der Rauchgasentstickungsanlage (3) und über jeweils eine weitere Messleitung (4A, 4B) mit dem Abgaskanal (8) vor und hinter der Rauchgasentstickungsanlage (3) sowie einer vierten Messleitung (4D) mit der als Ventil ausgebildeten Dosiereinrichtung (11 ) in Verbindung steht, das an einen Vorratsbehälter (10) für Ammoniak angeschlossen ist, und dass der Katalysator (3K) der Rauchgasentstickungsanlage (3) über das Ventil (11) an den Vorratsbehälter (10) für Ammoniak anschließbar ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden in Serie geschalteten Rechner (5 und 6) durch einen einzigen Rechner (5, 6) ersetzbar sind.
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