梅鋼混合煤氣自動控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用

徐國梁

（上海梅山鋼鐵股份有限公司能源環(huán)保部，江蘇南京 210039）

引言

高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣分別是冶金企業(yè)在高爐冶煉與焦?fàn)t冶煉過程中的副產(chǎn)品，其中，焦?fàn)t煤氣熱值較高，高爐煤氣熱值較低，為了實現(xiàn)煤氣的充分利用，需要將兩種煤氣按照一定的比例混合和加壓，輸送至用戶作為燃料氣用力加熱各種爐窯等。梅鋼混合煤氣系統(tǒng)采用了先混合后加壓的模式。

1 原有工藝功能分析

采用先混合后加壓的混合煤氣工藝流程及控制過程見圖1。主要由混合站與加壓站兩大部分組成。

圖1 混合煤氣系統(tǒng)工藝流程圖

混合站：根據(jù)用戶熱值需求及高焦煤氣熱值設(shè)定高焦煤氣配比；按照用戶流量、壓力要求手動調(diào)節(jié)焦氣調(diào)節(jié)閥，控制流量；高氣調(diào)節(jié)閥根據(jù)設(shè)定的高焦煤氣配比自動動作調(diào)整，控制高爐煤氣流量，滿足高焦煤氣流量配比需要，確保熱值穩(wěn)定。

加壓站：混合煤氣進(jìn)入加壓站滿足用戶用氣壓力需要；煤氣加壓站設(shè)置了進(jìn)口調(diào)節(jié)閥、回流閥、高壓變頻器等，用于調(diào)整和穩(wěn)定供氣壓力。

上述工藝控制過程中存在以下問題：

（1）對焦?fàn)t煤氣流量的調(diào)整，由現(xiàn)場值班工根據(jù)用氣量波動，手動操作焦氣調(diào)節(jié)閥來增減流量，控制精度極低，存在較大的滯后與高熱值焦?fàn)t煤氣的浪費。

（2）對熱值儀的制造與維護(hù)要求較高，在線式的熱值儀一直未能達(dá)到所需的精度要求，梅鋼未配備，現(xiàn)場運行參數(shù)中一直缺少熱值數(shù)據(jù)，供氣質(zhì)量不能滿足用戶需要，經(jīng)常出現(xiàn)熱值過高導(dǎo)致浪費及熱值過低導(dǎo)致用戶加熱時間延長的現(xiàn)象。

（3）由于前方混合站控制精度導(dǎo)致的流量壓力波動，加壓機(jī)負(fù)載波動，運行穩(wěn)定性未能得到保障，影響加壓機(jī)壽命，也不利于節(jié)電。

（4）人工調(diào)整過程中隨意性大，操作水平參差不齊，熱值與壓力控制裕量過大。

2 控制功能的分析與實施

2.1 控制思路分析

混合煤氣自動運行的難點在于被控對象與控制變量的確定，根據(jù)現(xiàn)有工藝條件，無法通過對一個被控對象的變量進(jìn)行控制與調(diào)整得到實現(xiàn)。通過研究用戶，細(xì)分工藝控制功能，設(shè)置了三個既相對獨立又存在關(guān)聯(lián)的控制模塊，即：熱值自動調(diào)整模塊、流量自動調(diào)整模塊、壓力與風(fēng)機(jī)負(fù)載控制模塊，分別針對上述三項參數(shù)的進(jìn)行控制，及相互間的串聯(lián)控制、反饋，完成煤氣質(zhì)量與流量參數(shù)的自動調(diào)整。如圖2所示。

圖2 混合煤氣工藝自動運行整體控制邏輯圖

熱值自動調(diào)整模塊負(fù)責(zé)確定目標(biāo)熱值，計算出高焦煤氣配比，以滿足用戶使用與減少焦氣用量、提高煤氣使用效率的雙重需要。計算出的配比值用于流量自動調(diào)整模塊中高氣流量調(diào)節(jié)，并接收基于高焦煤氣實際流量計算出的熱值與配比，檢驗熱值控制效果，給出熱值報警信號。

流量自動調(diào)整模塊以用氣量波動與加壓站運行狀態(tài)為依據(jù)，確定焦氣調(diào)節(jié)閥開度，按照焦氣實際流量與熱值模塊給出的配比確定高氣目標(biāo)流量，跟蹤并反饋高焦煤氣實際流量，驗證流量控制效果，給出流量報警信號。

壓力與風(fēng)機(jī)負(fù)載控制模塊主要應(yīng)用于加壓站出口壓力控制，并以進(jìn)口壓力為參考合理調(diào)節(jié)分配加壓站負(fù)載，通過調(diào)節(jié)閥與變頻的聯(lián)動調(diào)節(jié)實現(xiàn)壓力穩(wěn)定、節(jié)能降耗、風(fēng)機(jī)負(fù)載合理，并將運行參數(shù)反饋至流量模塊，驗證壓力控制效果，給出壓力報警信號。

2.2 熱值自動調(diào)整模塊

該模塊包括：熱值與配比計算設(shè)定單元、熱值報警單元。

2.2.1 熱值與配比計算設(shè)定單元

以混合后的煤氣熱值滿足用戶需求為依據(jù)，視焦氣發(fā)生情況得到臨界熱值QL，按照一定的系數(shù)KL修正以適應(yīng)用戶的異常波動，確定混合加壓之后混合煤氣熱值目標(biāo)值QS。按照給定的焦?fàn)t煤氣熱值Q1與高爐煤氣熱值Q2，采用每日化驗數(shù)據(jù)輸入監(jiān)控系統(tǒng)，按公式KS=(Q1-QS)/(QS-Q2),自動運算出焦氣流量配比目標(biāo)值KS；

在系統(tǒng)運行過程中按照實際高焦煤氣實際流量（由流量自動調(diào)整模塊控制），計算出實際配比K與實際熱值Q,顯示在HMI 系統(tǒng)中，生成趨勢曲線，以便于對比分析和優(yōu)化控制。

2.2.2 熱值報警單元

將實際熱值Q 分別與設(shè)定熱值報警數(shù)值（來源于HMI 系統(tǒng)并可以修改）進(jìn)行比較，判斷是否達(dá)到高熱值或低熱值報警，觸發(fā)報警點后在HMI 系統(tǒng)中進(jìn)行信息顯示與聲音報警。熱值調(diào)整模塊控制邏輯圖見圖3。

2.3 流量自動調(diào)整模塊

該模塊包括：焦氣流量控制單元、高氣流量控制單元、流量報警單元?？刂七壿嬕妶D4。

2.3.1 焦煤流量控制單元

圖3 熱值調(diào)整模塊控制邏輯圖

圖4 流量自動調(diào)整模塊控制邏輯圖

當(dāng)用戶用量發(fā)生波動時，將引起混合站出口即加壓站進(jìn)口的壓力值P1發(fā)生反向波動，需要調(diào)整煤氣流量以滿足用戶需要。故以加壓站進(jìn)口壓力P1作為控制變量，在控制系統(tǒng)中調(diào)用PID 模塊，設(shè)定增益值GAIN、積分時間TI與微分時間TD等控制參數(shù)，比較實際壓力值P與按照工藝設(shè)定的壓力值PS0（防止倒送氣與高焦煤管道間竄氣、加壓機(jī)壓力不能低于某一個值），控制系統(tǒng)負(fù)反饋作用將調(diào)節(jié)焦?fàn)t煤氣流量調(diào)節(jié)閥TJ開度，達(dá)到控制焦煤流量V1的目的。為了保證工藝設(shè)備的正常運行，在控制程序中增加了焦氣調(diào)節(jié)閥閥位最低限位功能。

2.3.2 高氣流量控制單元

在高氣流量控制單元將焦氣流量V1看做“固定值”，根據(jù)焦氣流量V1與熱值模塊設(shè)定的配比值KS，按照公式VGS=Ks×V1自動計算后得到高氣流量控制變量Vgs，調(diào)用PID 控制模塊，設(shè)定控制參數(shù)，通過實際高氣流量V2與理論值VGS比較，控制系統(tǒng)負(fù)反饋，調(diào)整高氣流量調(diào)節(jié)閥TG，達(dá)到控制高氣流量的目的。

2.3.3 流量報警單元

焦氣流量V1、高氣流量V2分別顯示在HMI系統(tǒng)中，并在預(yù)算控制終端與HMI 系統(tǒng)中增加混合煤氣總流量V=V1+V2流量低判斷報警功能。

2.4 壓力與風(fēng)機(jī)負(fù)載控制模塊

該模塊包括：加壓站出口壓力控制單元、加壓機(jī)負(fù)載控制單元、壓力報警單元?？刂七壿嬕妶D5。

圖5 壓力與風(fēng)機(jī)負(fù)載控制模塊控制邏輯圖

2.4.1 加壓站出口壓力控制單元

加壓站出口壓力控制單元由變頻器與回流調(diào)節(jié)閥組成，兩者均以加壓站出口壓力作為控制參數(shù)，可感知用戶使用流量的變化。根據(jù)工藝要求設(shè)定出口壓力目標(biāo)控制值PS2，以加壓站出口壓力值P2作為控制變量。為達(dá)到節(jié)能的目的，該單元的控制邏輯為：當(dāng)出口壓力P2上升高于設(shè)定值PS2時,變頻器調(diào)節(jié)供電頻率，由經(jīng)過設(shè)定的PID 模塊控制頻率調(diào)整，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降；當(dāng)頻率下降至某一值（根據(jù)變頻器功能設(shè)定）時，此時P2仍高于設(shè)定值PS1，回流閥調(diào)節(jié)閥TH調(diào)節(jié)功能開始運行，按照設(shè)定的PID 參數(shù)控制壓力P2，閥門開度上升，直到滿足P2?(PS2±σ,其中σ為死區(qū)）。反之，當(dāng)出口壓力P2下降低于設(shè)定值PS2時，回流閥調(diào)節(jié)閥TH首先動作，按照PID 調(diào)節(jié)，閥門開度下降。當(dāng)開度為0 時，出口壓力P2仍低于設(shè)定值PS2時，變頻器調(diào)節(jié)起作用。

2.4.2 加壓機(jī)負(fù)載控制單元

加壓機(jī)負(fù)載控制單元主要由各加壓機(jī)進(jìn)口調(diào)節(jié)閥TR組成，該單元與流量模塊中的焦氣流量調(diào)節(jié)閥TJ共同作用，保證加壓機(jī)進(jìn)口壓力（即混合站出口壓力）P1穩(wěn)定且不低于引發(fā)加壓機(jī)喘振的最高壓力，同時在用戶用量波動較大時調(diào)節(jié)加壓機(jī)負(fù)載。該部分閥門在正常生產(chǎn)時由于前方焦氣調(diào)節(jié)閥及后方變頻器與回流閥的作用，基本不需要動作，處于全開的位置，只有當(dāng)壓力值低于加壓機(jī)喘振的的最高壓力時，方按設(shè)定的PID參數(shù)動作。

2.4.3 壓力報警單元

在加壓站控制邏輯中設(shè)置壓力比較判斷功能，并在HMI 系統(tǒng)顯示進(jìn)出口壓力P1與P2，設(shè)置進(jìn)口壓力低（避免機(jī)組喘振）、出口壓力高低（滿足用戶需要，降低能源）報警功能。

2.5 系統(tǒng)智能控制改造

在確定上述控制模塊與控制邏輯后，編制程序并對PID 參數(shù)整定，對控制系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。過程中發(fā)現(xiàn)：用戶用量波動較大，當(dāng)其出現(xiàn)劇烈下降時，機(jī)前壓力上升明顯，流量控制模塊在自動狀態(tài)下，發(fā)出焦煤進(jìn)口調(diào)節(jié)閥全關(guān)指令，這將導(dǎo)致：壓力控制單元的機(jī)組尚在運行狀態(tài)，閥門突然關(guān)閉將導(dǎo)致機(jī)組喘振；用戶壓力及機(jī)組負(fù)荷波動較大，不利于用戶使用與機(jī)組的穩(wěn)定運行。

為此，對本控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造，模擬人工控制過程，引入了智能控制理念，

（1）流量控制模塊增加機(jī)組運行狀態(tài)判斷功能。

（2）設(shè)定機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)命令輸出下限功能。

（3）增加執(zhí)行機(jī)構(gòu)閥門在自動狀態(tài)下的開度點動累加功能。

最終系統(tǒng)控制參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 混合煤氣系統(tǒng)自動運行參數(shù)最終整定值

另外，根據(jù)系統(tǒng)運行需要增加了部分報警控制功能，消除自動控制失靈可能造成的影響及工藝的經(jīng)濟(jì)運行能力。如表2所示。

表2 混合煤氣系統(tǒng)自動運行報警設(shè)定值

通過上述措施，除一些必要人工干預(yù)（主要集中在應(yīng)急處理過程中），基本實現(xiàn)了混合煤氣系統(tǒng)全自動運行，提高了控制精度與供氣質(zhì)量的穩(wěn)定。

3 結(jié)語

通過細(xì)分工藝流程、劃分控制模塊、確定被控對象、調(diào)試PID 參數(shù)實現(xiàn)了梅鋼公司混合煤氣工藝的全自動控制；

經(jīng)過上述儀表、自動化、通訊功能優(yōu)化與調(diào)整后，混合煤氣工藝調(diào)整次數(shù)下降70%，隨著控制精度的提高，控制裕量進(jìn)一步壓縮，電力單耗下降19%。