煤氣混合加壓站的熱值控制

1、煤氣混合加壓站的熱值控制? 作者：張曉軍，劉剛? 出處：? 閱讀：發(fā)布時(shí)間：2005-3-30 16:54:00? 供稿：沈陽卡斯特科技發(fā)展有限公司1概述在冶金企業(yè)中，煤氣混合加壓站的作用主要是保證生產(chǎn)安全與供需平衡，維持熱值穩(wěn)定。隨著產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整和節(jié)能降耗需求的不斷提高，加熱爐等煤氣用戶對煤氣熱值穩(wěn)定的要求也愈來愈高。鞍鋼燃?xì)鈴S為了摸索穩(wěn)定熱值的控制規(guī)律，對2#加壓站控制系統(tǒng)進(jìn)行了技術(shù)改造。我公司通過投標(biāo)，承擔(dān)了先進(jìn)控制系統(tǒng)改造工作。鞍鋼燃?xì)鈴S2#加壓站有1700和1780兩條混合煤氣管線，負(fù)責(zé) 1700、1780等生產(chǎn)線上的24臺(tái)加熱爐的供氣任務(wù)，混合煤氣的供氣量為8萬一28萬Nm3/h

2、,為先混合后加壓，高、焦、轉(zhuǎn)三氣四混結(jié)構(gòu)，其中僅兩種轉(zhuǎn)爐煤氣設(shè)有氣柜。由于生產(chǎn)負(fù)荷變化大，在兩條混合煤氣管路的加壓風(fēng)機(jī)前、后均設(shè)有連通管，以便在生產(chǎn)負(fù)荷較低時(shí)使用一條線供氣，以保證壓力和熱值的穩(wěn)定。2#加壓站原有A-B公司PLC 一套，用高爐煤氣控制機(jī)前混合壓力，熱值控制采用焦?fàn)t煤氣 按動(dòng)態(tài)比例控制熱值的方法，控制器為 PID調(diào)節(jié)器。原控制系統(tǒng)在壓力平衡控制方面比較 穩(wěn)定可靠，但對大擾動(dòng)響應(yīng)速度較慢；熱值波動(dòng)比較大。圖1:二加壓工藝流程原理圖2技術(shù)改造目標(biāo)此次改造提出了國內(nèi)同類項(xiàng)目中最為嚴(yán)格的參數(shù)要求。2.1 穩(wěn)定混合煤氣熱值在正常工況下基本能穩(wěn)定在設(shè)定值的0kcal/m3 (0.21MJ/m

3、3),在遇到較大擾動(dòng)時(shí)能夠迅速收斂。2.2 提高混合煤氣壓力控制能力混合壓力控制的響應(yīng)速度要有明顯提高，大幅度減少機(jī)前混合壓力下降到零的次數(shù)和延續(xù)時(shí)間。3控制難點(diǎn)分析煤氣混合加壓站控制回路不多，但從控制上卻十分典型。3.1 強(qiáng)耦合煤氣混合加壓站控制中， 普遍存在閥門間的強(qiáng)耦合問題。二加壓的系統(tǒng)中除了存在前后閥耦合、高焦煤氣間耦合，還存在著1700和1780兩條管網(wǎng)間的耦合。耦合強(qiáng)度受混合加壓站結(jié)構(gòu)、氣源壓力和用戶負(fù)荷波動(dòng)的影響。在二加壓系統(tǒng)中，高爐煤氣前后閥的耦合較強(qiáng)，焦?fàn)t煤氣流量閥對機(jī)前壓力的影響較大；1780由于負(fù)荷變化的擾動(dòng)較大，閥門間的耦合作用顯尤其突出。1700和1780兩條管網(wǎng)間在

4、機(jī)前壓力波動(dòng)較大時(shí)，耦合作用明顯。3.2 大滯后和時(shí)變熱值儀的測量機(jī)理決定了熱值的測量必然存在滯后，而受安裝位置和控制方式的影響，滯后作用會(huì)明顯不同，同時(shí)存在滯后時(shí)間的時(shí)變現(xiàn)象。二加壓的系統(tǒng)中熱值過程的時(shí)間常數(shù)大約在40秒左右，滯后時(shí)間在 48分鐘之間波動(dòng)，t/ T9616,是典型的大滯后加時(shí)變過 程。3.3 非線性大口徑蝶型閥門必然存在非線性，加上機(jī)械死區(qū)和回差的作用，會(huì)在不同閥位區(qū)域明顯影響 調(diào)節(jié)過程，尤其在低閥位區(qū)域，可控性很差。3.4 擾動(dòng)幅度大在二加壓的控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中，受工藝條件的影響，時(shí)常會(huì)產(chǎn)生出現(xiàn)較大擾動(dòng)(如：轉(zhuǎn)爐煤氣開始/停止供氣、用戶負(fù)荷大幅度的增減量、啟動(dòng)/停止1780

5、線等)，尤其在機(jī)前壓力突然下降時(shí)，會(huì)造成安全生產(chǎn)隱患。在機(jī)前壓力突然變化時(shí)，高爐煤氣大幅度調(diào)整供氣流量來平衡機(jī)前壓力的變化，焦?fàn)t煤氣作相應(yīng)調(diào)整的時(shí)間較滯后，會(huì)導(dǎo)致熱值大幅度波動(dòng)。4控制方案針對控制系統(tǒng)的要求，我們選用了無模型自適應(yīng)控制器，并根據(jù)控制器特性對控制策略上作了相應(yīng)調(diào)整。4.1 MFA控制器無模型自適應(yīng)控制技術(shù) (Model-Free Adaptive Control , MFA)和相應(yīng)的控制軟件產(chǎn)品 CyboCon 是美國通控集團(tuán)公司博軟分部(CyboSoft, General Cybernation Group Inc.) 于1998年1月正式推出并取得專利。CyboCon是世界上

6、首套即插即用”式單變量和多變量控制軟件，可對簡單或復(fù)雜的工業(yè)過程作自適應(yīng)控制。與傳統(tǒng)的自適應(yīng)控制技術(shù)相比，CyboCon的無模型自適應(yīng)(MFA)控制器的實(shí)用性非常強(qiáng)。使用者無需進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)、過程辯識(shí)，也不需知道過程的定量知識(shí)，就 可將控制器投入運(yùn)行。即使過程的動(dòng)態(tài)特性有很大變化，也不需重新整定控制器參數(shù)。自CyboCon軟件在1997年10月美國儀器儀表展覽會(huì)上 (ISA Tech97)首次展出以來，受到 了專家、用戶和媒體的高度評價(jià)。1998年獲得了美國儀器和自動(dòng)化新聞 (IAN)雜志的Editor s Choi曜.同年，美國燒加工 (Hydrocarbon Processing) 雜志評

7、為創(chuàng)新產(chǎn)品專欄的新產(chǎn)品之一。美國控制工程雜志在 98年2月刊上作了專文報(bào)道和評論。1999年3月向美國通控公司博軟分部頒發(fā)了該雜志1998年優(yōu)秀軟件大獎(jiǎng)。2000年獲ISA 2000 最佳展品”獎(jiǎng)。2001年ISA 2001休斯頓博覽會(huì)上獲總裁獎(jiǎng)無模型自適應(yīng)控制技術(shù)是該公司多年來堅(jiān)持不懈努力的結(jié)果。在CyboCon中包含的是一系列近年來新發(fā)明的無模型自適應(yīng)控制器，包括單變量、多變量、抗滯后、解耦、前饋、帶約 束等等。它們能方便地解決工業(yè)領(lǐng)域中常見的非線性、時(shí)變、大滯后、嚴(yán)重耦合、變結(jié)構(gòu)、 約束條件苛刻等等復(fù)雜控制問題。4.2 控制策略根據(jù)我公司對煤氣加壓站工藝和操作過程的理解，利用MFA強(qiáng)大的

8、控制能力和手段，充份利用其在非線性、解耦合、抗滯后和時(shí)變等方面的功能模塊， 精心為鞍鋼燃?xì)鈴S二加壓控制 系統(tǒng)設(shè)計(jì)了全套控制策略。4.2.1 保留原操作習(xí)慣由于原有控制系統(tǒng)在混合壓力控制方面的可靠性，操作工對其十分熟悉和信賴，并形成豐富的現(xiàn)場操作經(jīng)驗(yàn)。無模型自適應(yīng)（ MFA）控制系統(tǒng)在充分考慮了實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)的技術(shù)可行 性的基礎(chǔ)上，完全保留了原系統(tǒng)的操作習(xí)慣，為操作工熟悉和掌握新的控制系統(tǒng)掃平了障礙。4.2.2 全新組合控制功能針對不同的工藝狀況，有機(jī)地配置控制策略，解決好以下控制問題：1）利用MFA非線性控制模塊，有效解決閥門非線性問題，使之操作準(zhǔn)確；2）配置MFA控制器的解耦，抑制閥門間強(qiáng)耦合

9、，使之協(xié)調(diào)工作，配合一致；3）實(shí)施高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣流量解耦，分解壓力和熱值之間的關(guān)聯(lián)，減弱混合壓力對熱值 的影響；4）使用MFA Robust控制器，提高保護(hù)控制增益，增加壓力平衡控制的強(qiáng)度，提高響應(yīng)速度；5）采用MFA抗滯后控制模塊，組合配置抗滯后和抗時(shí)變參數(shù)，提高熱值反饋回路調(diào)節(jié)效率；5控制效果由于上述組合策略的作用，控制取得了良好的效果。5.1 基本結(jié)論* MFA控制系統(tǒng)操作方便，運(yùn)行可靠* 系統(tǒng)對各種工況及現(xiàn)場操作有較強(qiáng)的適應(yīng)能力；無論是在開關(guān)風(fēng)機(jī)檔板、起停1780、增減轉(zhuǎn)爐煤氣等情況下，還是在用戶負(fù)荷大范圍波動(dòng)時(shí)，MFA控制系統(tǒng)均可在自動(dòng)狀態(tài)下有效運(yùn)行* 在一般工況下，混合煤氣熱值

10、基本穩(wěn)定在10.2 MJ/m3范圍內(nèi)* 由于較為劇烈擾動(dòng)造成的混后熱值超出W.2 MJ/m3范圍，MFA控制系統(tǒng)可以在最長 15 分鐘（一般3-5分鐘）恢復(fù)平穩(wěn)* 機(jī)前壓力的波動(dòng)范圍更小（與原系統(tǒng)比較，波動(dòng)范圍收窄 30%）* 在大擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)能力較原系統(tǒng)有較大幅度的提高* 在氣源（高煤、焦煤、轉(zhuǎn)煤）熱值完全使用設(shè)定值的情況下，系統(tǒng)依據(jù)混后熱值，仍可進(jìn) 行有效的串級(jí)閉環(huán)控制5.2 實(shí)績分析5.2.1 熱值基本穩(wěn)定通?？刂茽顩r數(shù)據(jù)處理的結(jié)果如下：卜圖是熱值和壓力在通?？刂茽顩r下的實(shí)時(shí)曲線。圖中橫軸為時(shí)間軸，每格 30分鐘；左側(cè)縱軸為混合壓力軸，單位 kPa ,每格0.1kPa ;右側(cè) 縱

11、軸為熱值軸，單位為 MJ/m3 ,每格0.2 MJ/m3 。設(shè)定值為8.7 MJ/m3 。下圖是在壓力突然出現(xiàn)較大擾動(dòng)狀況下，（用戶增量3萬方時(shí)）煤氣熱值控制過程的放大圖形。設(shè)定值為 9.0,橫坐標(biāo)每格2分鐘，縱坐標(biāo)每格 0.1 MJ/m3 。下圖表示這時(shí)的混合壓力和流量的變化情況。橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，每格 2分鐘；左側(cè)縱坐標(biāo)為流量軸，單位 kNm3/h ;右側(cè)縱坐標(biāo)為壓力軸，單位kPa?；旌蠅毫υO(shè)定值為 0.8。可以看到，對于較大的壓力擾動(dòng)， 用戶負(fù)荷突然變化導(dǎo)致混合煤氣壓力大幅度波動(dòng)，熱值可以在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)平穩(wěn)。不僅如此，MFA控制系統(tǒng)在啟停1780、轉(zhuǎn)爐煤氣增減量和開關(guān)風(fēng)機(jī)擋板等大擾動(dòng)情況下

12、， 也能保持熱值的基本穩(wěn)定。實(shí)際上，盡管采用了抗滯后和時(shí)變的控制策略，在混合煤氣實(shí)際熱值已經(jīng)發(fā)生較大波動(dòng)后再進(jìn)行熱值的反饋控制是無法得到滿意效果的。因此，MFA控制系統(tǒng)在各閥門控制器配制非線性參數(shù)的同時(shí)，專門為高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣流量配置了解耦合策略。既當(dāng)混合壓力出現(xiàn)急劇變化時(shí)，高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣流量立即同時(shí)按照大致比例動(dòng)作，使得實(shí)際熱值不發(fā)生重大變化，為串級(jí)熱值控制創(chuàng)造了有利的控制條件。5.2.2 壓力控制明顯改善數(shù)據(jù)處理的結(jié)果證明，采用 MFA控制系統(tǒng)后，無論在正常工況還是在大擾動(dòng)工況下，機(jī)前 混合煤氣壓力控制能力明顯提高。下表對比了無模型自適應(yīng)系統(tǒng)與原控制系統(tǒng)的控制效果：在常規(guī)控制系統(tǒng)中，

13、各閥門會(huì)根據(jù)自己的控制目標(biāo)各行其是，經(jīng)常會(huì)看到你開我關(guān)的現(xiàn)象， 大大的降低了控制的效率， 甚至導(dǎo)致振蕩。解耦合策略會(huì)使所有閥門聯(lián)合在一起， 協(xié)調(diào)一致, 并且會(huì)按照擾動(dòng)的強(qiáng)度，配合實(shí)施相應(yīng)的控制動(dòng)作。使得混合壓力的控制更加平穩(wěn)。卜圖是MFA控制系統(tǒng)與原PID控制系統(tǒng)在機(jī)前混合煤氣壓力控制的實(shí)績運(yùn)行曲線:采用無模型自適應(yīng)控制系統(tǒng)在對混合壓力突然大幅度波動(dòng)的控制能力方面有較大的提高。過去PID控制系統(tǒng)，機(jī)前壓力到零的狀況時(shí)有出現(xiàn)，停留時(shí)間甚至超過1分鐘。采用無模型自適應(yīng)控制系統(tǒng)后，次數(shù)明顯減少、時(shí)間大幅度縮短，更有效地保證了生產(chǎn)安全。二加壓在用戶負(fù)荷較小時(shí)，會(huì)關(guān)閉1780線，僅通過1700供氣。下圖比較了在關(guān)閉1780線時(shí)，MFA控制系統(tǒng)與原PID控制系統(tǒng)的控制實(shí)績效果：PID控制系統(tǒng)在突然