固定床加壓氣化爐排灰自動問題探討

姜偉

【摘要】通過對加壓氣化爐排灰控制回路被控對象的動態(tài)特性分析，建立了對象的數(shù)學(xué)模型;在分析被控對象數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上選擇控制器模式、設(shè)定控制器參數(shù);在明確被控對象動態(tài)特性的基礎(chǔ)上，并結(jié)合工藝特性和操作要求創(chuàng)立了一種閥門泄露壓力試驗方法。

【關(guān)鍵詞】加壓氣化爐排灰自動;對象動態(tài)特性辨識;批量PID;閥門密封性試驗

一、前言

固定床煤氣化工藝的排灰是氣化爐正常運行的核心流程，高溫和固體工況導(dǎo)致操作難度較大，設(shè)備故障率也比較高。用先進的測量和控制手段實現(xiàn)排灰的自動化，不但可以降低操作人員的勞動強度，還可以減少由于操作不到位引起的工藝波動、能耗增加及設(shè)備損壞。

排灰過程比較加煤過程，溫度、壓力、介質(zhì)的復(fù)雜程度等工藝條件更加惡劣，操作要求也更為嚴格，所以實現(xiàn)自動化有相當(dāng)?shù)碾y度。根據(jù)對排灰過程的認真研究和人工手動操作積累的經(jīng)驗，要實現(xiàn)自動排灰主要應(yīng)解決以下兩個方面的問題：1.灰鎖自動充壓。2.檢驗灰鎖上錐閥YV920和下錐閥YV923在充泄壓過程中的泄露情況，即判斷閥門的壓力試驗是否合格。

圖1 氣化爐工藝流程圖

二、簡要工藝說明

如圖1所示，氣化殘渣（灰）通過旋轉(zhuǎn)爐篦上刮灰刀的轉(zhuǎn)動排入灰鎖內(nèi)?；益i達到最高料位時上翻板閥YV919和上錐閥YV920關(guān)閉，開始排灰過程。灰鎖通過泄壓管線進行泄壓。在泄壓過程中對上錐閥的密封性進行檢查。在檢查沒有問題的情況下繼續(xù)進行泄壓。如果上錐閥YV920的密封性不好時，灰鎖將用充壓蒸汽重新充壓，重新打開上錐閥YV920，并用蒸汽吹掃一定的時間后重新泄壓?；益i泄壓后，打開灰鎖的下錐閥YV923和下翻板閥YV922，灰由于重力而通過灰溜槽落入充水的刮灰槽中，進而用刮板運輸機NB931運走?；益i排空后（通過最低灰位信號判斷），灰鎖重新充壓。充壓過程中要檢查下錐閥YV923的密封性。

三、灰鎖自動充壓

1.被控對象動態(tài)特性的辨識

根據(jù)工藝要求，排灰過程大致可以分為以下四個環(huán)節(jié)：泄壓環(huán)節(jié);排料環(huán)節(jié);充壓環(huán)節(jié);接料環(huán)節(jié)。其中有一個環(huán)節(jié)是充壓。充壓蒸汽的工作壓力是3.6MPa，而灰鎖的設(shè)計壓力是3.0MPa，操作壓力是2.8MPa，允許超調(diào)量只有0.2MPa。原手動排灰系統(tǒng)是由兩名操作人員相互配合手動充壓，稍有不慎，灰鎖的安全閥就會超壓起跳。要實現(xiàn)排灰過程自動控制，應(yīng)首先解決自動充壓的問題。自動充壓過程控制系統(tǒng)的設(shè)計是根據(jù)被控對象（灰鎖）的動態(tài)特性，選配合適的過程控制儀表裝置組成。其中關(guān)鍵環(huán)節(jié)是辨識被控對象動態(tài)特性。

2.應(yīng)用時域分析法求解對象特性

（1）初步分析

我們知道，灰鎖是個約7meq的壓力容器，充壓的管線比較短，所以可以判定它是一個無純滯后的單容對象。無純滯后單容對象的動態(tài)特性可以用一階微分方程或一階慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)來表示。故對象動態(tài)特性的標準傳遞函數(shù)為：

W（s）=

（2）時域分析法

用實驗的方法繪出對象的響應(yīng)曲線，與標準的傳遞函數(shù)的響應(yīng)曲線進行比較，即可確定所辨識出對象的動態(tài)特性，求出對象傳遞函數(shù)。同時，可以依據(jù)響應(yīng)曲線求出傳遞函數(shù)的時間常數(shù)和比例系數(shù)。這是分析一階、二階、三階對象特性常用的方法，也稱時域分析法。

測定對象的響應(yīng)曲線：

灰鎖在充泄壓過程中被控量的變化幅度都很大，所以可以把充壓和泄壓過程的壓力變化等效成對象的一個階躍響應(yīng)。圖2和圖3是計算機記錄灰鎖壓力P232在兩次充壓過程中的趨勢圖。圖3中的縱坐標是灰鎖的壓力P232的測量值，單位是bar。橫坐標是時間，單位是s。如前所述，對象的特性是一個一階慣性環(huán)節(jié)，只要求出放大系數(shù)K和時間常數(shù)T就可以得到對象的傳遞函數(shù)。靜態(tài)放大系數(shù)K的一般求法是由所測階躍響應(yīng)曲線估計并繪出被控量的最大穩(wěn)態(tài)值y（∞），放大系數(shù)K為：

K=[y（∞）-y（0）]/Δx

圖2 灰鎖充壓曲線a

圖3 灰鎖充壓曲線b

根據(jù)灰鎖充壓工藝流程，充壓閥門是一個液動兩位閥，所以代表閥門開度的Δx應(yīng)該是100%。K值是1。圖2和圖3并非是充壓調(diào)節(jié)閥保持一個開度測得的曲線，從曲線可以看出壓力達到2.8MPA后就趨于平穩(wěn)，這時兩位閥已經(jīng)從最初的全開回到全關(guān)。所以曲線不是一個完整的階躍響應(yīng)曲線，而是完整曲線的前半部分。求解時間常數(shù)T的一般方法是由響應(yīng)曲線的起點作切線與y（∞）X相交，其交點在時間軸上的投影，就是時間常數(shù)T。由于切線不易作準，所以我們采用在響應(yīng)曲線y（t1）=0.632y（∞）對應(yīng)的t1就是T。雖然只有階躍響應(yīng)曲線的前半部分，卻并不影響求解時間常數(shù)T。在額定的負荷下重復(fù)作了幾次實驗，得到幾條數(shù)值接近的曲線，我們篩選了兩條與平均值接近一致的曲線，來求時間常數(shù)T。兩次得出的結(jié)果求平均值，T最終確定為35秒。所以對象的傳遞函數(shù)是：

W（s）=

3.壓力控制回路的組成

了解了灰鎖的特性以后，我們將根據(jù)灰鎖充壓的工藝要求來設(shè)計一個灰鎖自動充壓回路。這個回路不但要求有壓力調(diào)節(jié)的功能，而且還能根據(jù)工藝要求自動完成充壓過程。

（1）操縱量的選擇

灰鎖的被控量無疑是灰鎖的壓力。但操縱量卻不能是灰鎖的壓力。這是因為有五臺氣化爐公用一個充壓管線，在一個時間里只能有一臺氣化爐充壓，所以選擇充壓管線調(diào)節(jié)閥后的壓力作為操縱量比較合適。這樣既能保證充壓時兩位閥YV917打開的情況下操縱量與灰鎖壓力基本保持一致，又能根據(jù)工藝要求在沒有充壓時保持充壓管線穩(wěn)定在一定的壓力。如此設(shè)計是為了保證充壓的精確程度，防止灰鎖在充壓過程中由于兩位閥關(guān)閉不及時而使灰鎖超過設(shè)計壓力，灰鎖壓力穩(wěn)定也保證了氣化爐操作壓力的平穩(wěn)。

（2）回路的組成

確定了操縱量，這個壓力調(diào)節(jié)回路的基本框架就有了。圖4是壓力控制回路組成的示意圖。其中包括壓力變送器PT271、調(diào)節(jié)模塊PIC271、調(diào)節(jié)閥PV271。

（3）選型的具體要求

圖4 充壓回路組成

上述回路中因為超調(diào)量不能大于0.2MPa，同時要保證充壓的速度，所以控制模塊不能應(yīng)用常規(guī)的PID調(diào)節(jié)模塊。選用帶批量開關(guān)的PID控制模塊可以滿足上述要求，這個模塊的使用后面將詳細說明。

4.控制器的選型及參數(shù)設(shè)定

（1）比例控制器組成的系統(tǒng)

壓力控制回路的主要功能是使灰鎖實現(xiàn)快速充壓充壓，而且不產(chǎn)生超調(diào)，也就是說控制回路對穩(wěn)態(tài)性能指標沒有嚴格的要求。在這種情況下，我們先選擇比例控制器與被控對象組成控制系統(tǒng)。然后求解對控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)，進而對系統(tǒng)控制質(zhì)量進行分析。由于控制回路的干擾主要來自設(shè)定值的變化。此時由比例控制器組成的控制系統(tǒng)簡化方框圖是如圖5所示。

圖5 比例控制系統(tǒng)

需要說明的是，Kv是調(diào)節(jié)閥的放大倍數(shù)，Kc是比例控制器的放大倍數(shù)，為執(zhí)行機構(gòu)的傳遞函數(shù)，為被控對象的傳遞函數(shù)。這里被控對象的的放大倍數(shù)和時間常數(shù)并沒有給出具體數(shù)值，這是因為對象的動態(tài)特性的表達式是在沒有壓力調(diào)節(jié)閥干預(yù)的情況下測得的。設(shè)K=KvK1K2，系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

系統(tǒng)的特征方程是：

T1T2s2+（T1+T2）s+（1+KcK）=0

解上式可得特征方程的根S1，S2：

S1，S2=

由上式可知，隨著（T1+T2）2-4T1T2（1+KcK）的取值不同，其特征根的性質(zhì)也不同。

當(dāng)Kc很小時，必有（T1+T2）2-4T1T2（1+ KcK）>0成立，特征根S1，S2均為負實根。由自動控制原理可知，系統(tǒng)為過阻尼二階系統(tǒng)。上升時間太長，充壓過度過程加長，這是工藝要求所不允許的。增加Kc的，滿足上升時間對系統(tǒng)的要求。這樣當(dāng)Kc增加到某一數(shù)值時，（T1+T2）2-4 T1T2（1+KcK）<0成立，特征根S1，S2為一對共軛復(fù)根?？刂葡到y(tǒng)的過度過程處于振蕩狀態(tài)。充壓響應(yīng)過程就會產(chǎn)生超調(diào)量，而系統(tǒng)允許的超調(diào)量又很?。?.2Mpa），超過了這個數(shù)值，保護灰鎖和充壓管線的安全閥就會頻繁起跳。為了協(xié)調(diào)穩(wěn)定性和快速性的關(guān)系，使控制系統(tǒng)既能快速響應(yīng)，又不產(chǎn)生超調(diào)，本設(shè)計中使用了批量PID的控制方式。下面將結(jié)合充壓過程說明批量PID控制模塊的使用。

（2）批量PID控制

1）批量PID的原理

批量PID控制模塊能使測量值迅速接近設(shè)定值，然后在無超調(diào)的情況下實現(xiàn)比例控制。圖6是控制模塊輸出反作用時的動作圖。當(dāng)測量值與設(shè)定值的偏差超過設(shè)定的偏差值DV時，批量作用開始運轉(zhuǎn)，控制模塊輸出上限MH，并使測量值迅速接近設(shè)定值。如果偏差值回到設(shè)定偏差以內(nèi)，則可視為達到穩(wěn)定狀態(tài)，控制模塊輸出MV=MH-BS，BS為偏置設(shè)定值，并切換成PID控制方式。在切換時，為了避免操作輸出值（MV）超調(diào)，一旦切換成PID方式，即使偏差超過偏差設(shè)定值DV，控制模塊并不切換到批量方式，而是在偏差超過偏差設(shè)定值和鎖定寬度之和（DV+CS）后才切換至批量方式。

圖6 批量PID動作圖

2）充壓過程批量參數(shù)設(shè)定

已知對象的傳遞函數(shù)的表達式為：

W（s）=

上式變換成微分方程為：

T=RC

R——對象充壓的阻力

C——對象的容量

其中R的大小取決于充壓調(diào)節(jié)閥的開度。

批量參數(shù)MH多少為合適，要根據(jù)生產(chǎn)工藝要求的充壓時間來設(shè)定。由工藝要求知道充壓過程總的時間要求是150S，除去關(guān)閥保壓的60S，那么工藝要求的充壓時間就應(yīng)該是90S。為了留有一定余量，暫定為80秒。

解微分方程，得：

y（t）=1-e-t/T

將t=80，y（t）=28/36=0.778代入上式，得：T=53.3s

也就是說，充壓過程要求的時間是80s時，對象特性的時間常數(shù)是53.3s。根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)MH值應(yīng)該設(shè)定在60%左右。調(diào)節(jié)閥偏置設(shè)定值BS為50。調(diào)節(jié)閥從60%關(guān)閉到50%所需時間是4s。分析特性方程y（t）=1-e-t/T（T=53.3s）在t=76S時，36y（t）=27.1 bar。所以設(shè)定：

DV=1bar

CS=4.5

3）PID參數(shù)的設(shè)置原則

所謂參數(shù)整定，就是確定最佳過度過程中控制器的比例度、積分時間和微分時間。

雖然我們已經(jīng)掌握的控制對象的大致的動態(tài)特性，進而對充壓過程中批量參數(shù)進行了設(shè)置。但在沒有充壓的情況下，也就是PID控制起作用的階段，被控對象由灰鎖變成了充壓管線，而且工藝要求是力求穩(wěn)定，不產(chǎn)生大的波動，所以，工程整定PID參數(shù)應(yīng)遵循以下原則：

1）由于被控對象充壓管線的容量小，所以比例度應(yīng)適當(dāng)放寬，減小系統(tǒng)的放大倍數(shù)。

2）由于不允許產(chǎn)生大的超調(diào)，所以宜采用工程經(jīng)驗法進行參數(shù)整定。并采用比例度和積分時間相互配合湊試的方法。

3）由于系統(tǒng)沒有容量滯后，所以不需要加入微分作用。

表1 充壓過程數(shù)據(jù)分析表

表2 泄壓過程數(shù)據(jù)分析表

四、閥門密封性試驗

上文對上下錐閥壓力試驗的必要性已作了簡要介紹。閥門內(nèi)漏與否不但決定充泄壓時間，而且內(nèi)漏會導(dǎo)致上下錐閥的壽命急劇縮短。手動操作是用在定點保壓的方法作壓力試驗，自動充壓也可以采用這種方法來判斷。我們在現(xiàn)場設(shè)計了一種更簡潔的方法來完成閥門壓力試驗，可以縮短充泄壓時間，且簡單可靠。設(shè)計思路如下：當(dāng)閥門開始充壓或泄壓時，如果下錐閥或上錐閥泄露，將使充壓或泄壓的時間延長，也就是對象動態(tài)特性的時間常數(shù)T會變大。那么，要判斷壓力試驗是否合格只要判斷時間常數(shù)是否變大就可以了。第三章我們已經(jīng)求出了被控對象的動態(tài)特性，求出對象的傳遞函數(shù)是：

W（s）=

拉氏反變換求得特性方程為：

y（t）=1-e-t/T（K=1）

上式表明，時間常數(shù)T的大小直接影響到y(tǒng)（t）的變化率。利用計算機控制系統(tǒng)（DCS）的變化率報警功能就可以判斷T的變化情況。

變化率報警是設(shè)定每秒鐘的測量值變化，超過設(shè)定值，就會產(chǎn)生報警信號。欲設(shè)定充壓和泄壓開始階段的變化率報警值，必須首先了解正常狀態(tài)下（錐閥不泄露）對象的時間常數(shù)。然后根據(jù)對象的特性方程對前20s變化率的變化情況進行分析，確定變化率報警值的大小。

1.充壓過程分析

在第三章中已經(jīng)求出對象的特性方程為：

y（t）=1-e-t/54

時間常數(shù)為已知（T=54s）。

根據(jù)已知的特性方程對充壓過程的前20秒進行數(shù)據(jù)分析見表1。表1中，t單位是s;36y（t）的單位是bar;變化率的單位是bar。

表中的36y（t）是灰鎖壓力的測量值變化情況。為了觀察變化率的變化規(guī)律，將變化率隨時間變化制成曲線如圖7。從圖可以看出，伴隨著灰鎖充壓過程，變化率是個隨時間衰減的指數(shù)曲線。所以在編制壓力試驗測試程序時，要對檢測變化率報警的時間作出規(guī)定。由于計劃使用DCS的順控表編制自動排灰程序，順控表的掃描周期是1s，所以暫定充壓閥打開兩秒鐘后對變化率報警進行檢測。每臺氣化爐的充壓過程對象的實際特性和理論計算特性都會有所不同，準確的設(shè)定值需在調(diào)試過程中加以修正。通過表1內(nèi)分析的數(shù)據(jù)，變化率報警值為YV917開閥兩秒后的值，查表1為0.64bar。

圖7 變化率響應(yīng)曲線

2.泄壓過程分析

同充壓過程一樣，泄壓過程的被控對象（灰鎖）沒有發(fā)生變化，對象的動態(tài)特性都是一個一階慣性環(huán)節(jié)，只是時間常數(shù)不同而已。求解泄壓對象特性時間常數(shù)T。在第三章中曾經(jīng)應(yīng)用時域分析方法求解對象的動態(tài)特性參數(shù)。同樣，在這里我們應(yīng)用時域分析方法來求解時間常數(shù)T。圖8是計算機（DCS）記錄的泄壓過程曲線。根據(jù)響應(yīng)曲線求解時間常數(shù)T的方法在第三章已經(jīng)作的介紹，應(yīng)用同樣的方法求得泄壓過程對象特性時間常數(shù)T=44s。

圖8 泄壓過程曲線

對象特性可以用傳遞函數(shù)表示為：

W（s）=144s+1

對上式進行拉氏反變換，得：

由于泄壓過程是打開兩位閥將壓力泄至常壓，所以對象輸入是一個負階躍，故x（t）=0。所以微分方程可以化成：

解方程，得對象特性方程：

y（t）=e-t/44

其中，y（t）用百分比表示。根據(jù)特性方程，對泄壓過程前20秒變化率的情況進行分析，得出表4-2。表2中，t單位是s;36y（t）的單位是bar;變化率的單位是bar。變化率的報警設(shè)定值選定為0.6bar。表2中的28y（t）是灰鎖壓力的測量值變化情況。為了觀察變化率的變化規(guī)律，將變化率隨時間變化制成曲線如圖9所示。從圖可以看出，伴隨著灰鎖泄壓過程，變化率是個隨時間衰減的指數(shù)曲線。所以在編制壓力試驗測試程序時，要對檢測變化率報警的時間作出規(guī)定。由于計劃使用DCS的順控表編制自動排灰程序，順控表的掃描周期是1s，所以暫定泄壓閥打開2秒鐘后對變化率報警進行檢測。每臺氣化爐的泄壓過程對象的實際特性和理論計算特性都會有所不同，準確的設(shè)定值需在調(diào)試過程中加以修正。通過表2內(nèi)分析的數(shù)據(jù)，變化率報警值為YV917開閥兩秒后的值，查表1為t=2時0.60bar。

圖9 泄壓過程變化率響應(yīng)曲線

五、結(jié)論

上文討論的加壓氣化爐實現(xiàn)自動排灰的兩個關(guān)鍵問題即控制方式和壓力試驗方法在現(xiàn)場已得到應(yīng)用，實現(xiàn)了排灰自動化。