采用馬弗爐自適應(yīng)控溫算法測定煤中揮發(fā)分

王 鵬，閆 晗，劉曉川

(1.國家能源河南電力有限公司，河南 鄭州 450000；2.吉林電力股份有限公司長春熱電分公司，吉林 長春 130000；3.長沙開元儀器有限公司，湖南 長沙 410100)

0 引 言

馬弗爐是煤的工業(yè)分析常用設(shè)備，常用于煤中灰分和揮發(fā)分的測定。在國標(biāo)GB/T 3715—2007中對揮發(fā)分進(jìn)行如下定義:煤樣在規(guī)定的條件下隔絕空氣加熱，并進(jìn)行水分校正后的質(zhì)量損失。煤的揮發(fā)分主要是由水分、碳?xì)涞难趸锖吞細(xì)浠衔?以CH4為主)組成，但不包括物理吸附水和礦物質(zhì)中的二氧化碳。揮發(fā)分測定是1項規(guī)范性很強(qiáng)的試驗，測定結(jié)果完全取決于所規(guī)定的試驗條件，其中以加熱溫度和時間最為重要[1]。由此可以看出，揮發(fā)分同馬弗爐的溫度控制有直接的關(guān)系。對于馬弗爐的揮發(fā)分測試，國標(biāo)GB/T 212—2008中明確要求如下:將馬弗爐預(yù)先加熱至920 ℃左右。打開爐門，迅速將放有坩堝的坩堝架送入恒溫區(qū)，立即關(guān)上爐門并計時，準(zhǔn)確加熱7 min；坩堝及坩堝架放入后，要求爐溫在3 min內(nèi)恢復(fù)至(900±10)℃,此后保持在(900±10)℃，否則此次試驗作廢。馬弗爐揮發(fā)分測試的控溫要求較高，即便是控溫完全符合國標(biāo)要求，揮發(fā)分測試結(jié)果也可能超出標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的不確定度范圍。

呂明超[2]提出影響煤中揮發(fā)分測定的因素應(yīng)包括煤化程度、煤巖組成、粒度、最終溫度、停留時間、升溫速度和坩堝質(zhì)量等。鐘雪晴[3]提出馬弗爐電源電壓的穩(wěn)定性、保溫性能、坩堝總質(zhì)量對揮發(fā)分測定結(jié)果有直接影響。張曉霞[4]、張莉[5]研究了坩堝或坩堝架質(zhì)量的差值對揮發(fā)分測試結(jié)果精密度的影響。劉金龍[6]提出了馬弗爐和坩堝的密封性會影響揮發(fā)分測定結(jié)果。張俊麗[7]提出了特殊煤種準(zhǔn)確測定揮發(fā)分的試驗操作建議。左兆迎[8]提出了從采樣、制樣、化驗全過程來保證準(zhǔn)確測定揮發(fā)分的建議。張秀全[9]提出坩堝架支架的高度也會影響揮發(fā)分的準(zhǔn)確測定。劉建偉[10]提出灰分會影響揮發(fā)分的測定。胡琳[11]、楊妮[12]研究了影響焦炭揮發(fā)分測定的因素。徐華煒[13]、韓潔[14]提出褐煤或者高揮發(fā)含量的煤樣進(jìn)行揮發(fā)分測試應(yīng)進(jìn)行壓餅處理。楊帥[15]分別采用 P 控制器，PI 控制器和 PID 控制器來實現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)的設(shè)計，并通過對3種方法進(jìn)行系統(tǒng)仿真，發(fā)現(xiàn) PID 控制器對溫度的控制精度更高，調(diào)節(jié)時間較短。

學(xué)者們對如何通過規(guī)范揮發(fā)分測試的試驗操作來保證試驗條件的一致性，從而提升煤中揮發(fā)分測試的精密度和正確度的研究較多，但對如何通過改進(jìn)控溫算法來消除揮發(fā)分測量誤差的研究較少，特別是對如何有效消除“高揮發(fā)分樣品測試結(jié)果偏低，低揮發(fā)分樣品測試結(jié)果偏高”的研究鮮有文獻(xiàn)提及。5E-MF6100K型智能馬弗爐采用自適應(yīng)的控溫算法，能有效解決“高揮發(fā)分樣品測試結(jié)果偏低，低揮發(fā)分樣品測試結(jié)果偏高”的問題。以下將介紹5E-MF6100K馬弗爐的自適應(yīng)控溫算法。

1 經(jīng)典PID控溫算法

PID控制器是1種比例、積分、微分并聯(lián)負(fù)反饋控制器，是1種線性控制器，它根據(jù)給定值r(t)與實際輸出值y(t)的差值構(gòu)成控制偏差e(t)。PID控制器的輸出可以由如下方程表示:

(1)

其中,U(t)為PID控制器輸出， ℃；Kp為比例系數(shù)；e(t)為控制偏差， ℃；Ti為積分時間常數(shù)，s；Td為微分分時間常數(shù)，s。

在單片控制系統(tǒng)中，選擇合適的采樣周期，對輸入輸出采樣，得到離散時間控制系統(tǒng)。在離散時間控制系統(tǒng)中，PID控制器用差分輸出u(k)(單位:℃)可表示為:

(2)

式中:u(k)為PID差分輸出，℃；T為采樣周期，s；e(k)為控制偏差，℃；Ti為積分時間常數(shù)，s；Td為微分時間常數(shù)，s。

u(k)與u(k-1)相減得到增量式PID控制算法的輸出增量為:

(3)

即:

(4)

通過經(jīng)典PID溫度控制，經(jīng)過一段時間調(diào)整后，一定可以使馬弗爐溫度穩(wěn)定在目標(biāo)溫度，但馬弗爐控溫有3 min回到(900±10)℃的溫度區(qū)間且爐溫在7 min內(nèi)不能超出(900±10)℃溫度區(qū)間的要求，樣品放入馬弗爐后，如果全程使用PID控溫，很難達(dá)到預(yù)期的效果。

2 局部PID控溫算法

在實際應(yīng)用中，馬弗爐多采用分段控溫策略。揮發(fā)分測試時，馬弗爐預(yù)先加熱至920 ℃，打開爐門迅速將坩堝及坩堝架送入馬弗爐并立即關(guān)上爐門。從馬弗爐爐門關(guān)上到溫度下降到最低溫度點(diǎn)的階段，馬弗爐滿功率加熱使得爐溫能盡快出現(xiàn)上升的趨勢。

當(dāng)馬弗爐溫度出現(xiàn)上升趨勢后，切換到經(jīng)典PID控溫方式，只要PID參數(shù)調(diào)試得合適，一般情況能滿足國標(biāo)的控溫要求，但標(biāo)樣的揮發(fā)分結(jié)果不一定能在標(biāo)樣的不確定度范圍內(nèi)。往往會出現(xiàn)低揮發(fā)分樣品測試結(jié)果偏高、高揮發(fā)分樣品測試結(jié)果偏低的情況。究其原因是由于揮發(fā)分測試過程中，高揮發(fā)分的樣品釋放出來的熱量要比低揮發(fā)分釋放出來的熱量多，釋放出來的熱量直接影響了坩堝架附近的溫場，而熱電偶一般和坩堝架的距離不遠(yuǎn)，所以造成了整個爐膛控溫的偏差，但實際上整個爐膛的溫度不會因為樣品釋放出來的熱量而產(chǎn)生明顯波動。

當(dāng)測試高揮發(fā)分樣品時，PID溫控系統(tǒng)感知到坩堝架附近溫度的上升趨勢，從而降低加熱功率，以削弱坩堝架附近溫度的上升趨勢，造成整個爐膛溫度的偏低，進(jìn)而導(dǎo)致高揮發(fā)分測試結(jié)果偏低。當(dāng)測試低揮發(fā)分樣品時，此種趨勢剛好相反，測試結(jié)果見表1。

表1 采用局部PID控溫時的揮發(fā)分測試結(jié)果Table 1 Volatile test results when using local PID temperature control

3 針對不同揮發(fā)分的控溫思路

3.1 馬弗爐升溫規(guī)律

實驗儀器為5E-MF6100K智能馬弗爐如圖1所示。

圖1 5E-MF6100K型智能馬弗爐Fig.1 5E-MF6100K intelligent muffle furnace

筆者通過分析高、中、低揮發(fā)分煤樣試驗過程數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律：隨著煤樣揮發(fā)分的不同，爐門關(guān)上后爐溫下降到最低溫度點(diǎn)的時間不一樣，對同一煤樣而言，下降到最低溫度點(diǎn)的時間具有重復(fù)性。揮發(fā)分越高，下降到最低溫度點(diǎn)的時間越短。試驗條件設(shè)置如下:坩堝中放入同一煤樣，關(guān)上爐門后爐子均全功率加熱。試驗數(shù)據(jù)見表2。因此，可根據(jù)下降到最低溫度點(diǎn)的時間來確定揮發(fā)分的大致的高中低含量范圍。

表2 最低溫度點(diǎn)時間和揮發(fā)分的關(guān)系Table 2 Relationship between time of the lowest temperature point and volatile content

3.2 針對高低揮發(fā)分的馬弗爐自適應(yīng)控溫

引入最低溫度點(diǎn)時間此1個模糊量，用以預(yù)知揮發(fā)分的含量范圍，從而選擇對應(yīng)的控溫策略來解決結(jié)果超差的問題。

針對上述實際情況，由于溫度高低對揮發(fā)分的結(jié)果有直接的影響，筆者在馬弗爐控溫程序中引入自適應(yīng)控溫機(jī)制。根據(jù)表2的規(guī)律，可在揮發(fā)分測試溫度下降的階段內(nèi)根據(jù)下降到最低溫度點(diǎn)的時間來大致確定樣品揮發(fā)分的范圍，進(jìn)而在最低溫度點(diǎn)后續(xù)的控溫階段，采取高揮發(fā)分設(shè)置的目標(biāo)溫度高于900 ℃、低揮發(fā)分設(shè)置的目標(biāo)溫度低于900℃的控溫策略。下降到最低溫度點(diǎn)后目標(biāo)溫度的設(shè)置詳見表3，在引入此種自適應(yīng)控溫策略后，揮發(fā)分測試結(jié)果見表4。從表4中采用自適應(yīng)控溫時揮發(fā)分測試結(jié)果可知，高揮發(fā)分偏低、低揮發(fā)分偏高的表現(xiàn)得到抑制。

表4 采用自適應(yīng)控溫時的揮發(fā)分測試結(jié)果Table 4 Volatile test result when using adaptive temperature control

4 結(jié) 語

筆者通過對經(jīng)典PID控溫算法和局部PID控溫算法的研究，發(fā)現(xiàn)PID控溫算法在馬弗爐揮發(fā)分溫度控制中具有局限性，根據(jù)馬弗爐揮發(fā)分測試時揮發(fā)分高低不同所表現(xiàn)出來的爐溫下降到最低溫度點(diǎn)的特征，引入了馬弗爐揮發(fā)分測試時達(dá)到最低溫度點(diǎn)的時間參數(shù)，通過對該時間參數(shù)的測定，確定樣品揮發(fā)分的大致范圍，進(jìn)而確定后段PID溫度控制的目標(biāo)溫度，有效解決了高揮發(fā)分樣品結(jié)果偏低、低揮發(fā)分樣品結(jié)果偏高的問題，增強(qiáng)了馬弗爐揮發(fā)分測試的煤種適應(yīng)性。筆者介紹的馬弗爐自適應(yīng)控溫算法，在一定程度上消除了樣品多樣性對揮發(fā)分測試所帶來的不確定性影響。