CDQ干熄焦鍋爐汽包水位智能控制開發(fā)與應(yīng)用

苗青

（濟(jì)南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山東省濟(jì)南市 250200）

1 前言

鋼鐵工業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)中的能耗大戶，隨著國家能源價(jià)格的調(diào)整，能源消耗已占鋼鐵生產(chǎn)成本的30%-40%左右。在工業(yè)高速發(fā)展過程中出現(xiàn)的能源供應(yīng)日益緊張、環(huán)境的日趨惡化以及對焦炭質(zhì)量、產(chǎn)量的要求越來越高的問題過程中，干法熄焦技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。干熄焦技術(shù)具有節(jié)能、減排、提高焦炭質(zhì)量、余熱利用等顯著優(yōu)點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，至2015年4月我國已投產(chǎn)和在建的干熄焦裝置達(dá)到了163 套，干熄焦生產(chǎn)自動(dòng)化水平和管理水平不斷提高。目前國內(nèi)干熄焦的先進(jìn)自動(dòng)化系統(tǒng)達(dá)到三級(jí)水平:機(jī)、電、儀三電一體化的設(shè)備控制級(jí)、過程診斷級(jí)、決策管理級(jí)。

2 干熄焦生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)概述

干熄焦生產(chǎn)過程控制是一個(gè)比較復(fù)雜的多物流組合、多控制系統(tǒng)交互混合的綜合系統(tǒng)，根據(jù)干熄焦生產(chǎn)工藝要求和生產(chǎn)實(shí)際情況以及各個(gè)系統(tǒng)之間及變量之間存在的相互作用、相互影響、相互干擾等特性，劃分主要控制系統(tǒng)：干熄本體控制系統(tǒng)、鍋爐控制系統(tǒng)、排焦系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、汽機(jī)控制系統(tǒng)、循環(huán)水控制系統(tǒng)等。基于被控對象的多耦合，非線性等特點(diǎn)，干熄焦生產(chǎn)過程的精確控制尤為關(guān)鍵。因此對一些重要設(shè)備的重要控制參數(shù)（例如鍋爐水位控制、循環(huán)風(fēng)機(jī)負(fù)荷預(yù)測、干熄爐預(yù)存段壓力控制、主蒸汽溫度控制、排焦控制、汽機(jī)安全控制等）開發(fā)了基于模糊控制、自尋優(yōu)控制、智能安全控制等控制算法和邏輯，確保了干熄焦安全生產(chǎn)全過程。

3 鍋爐水位智能控制

鍋爐是整個(gè)干熄焦工藝系統(tǒng)中的一個(gè)重要組成設(shè)備，其作用是降低干熄焦系統(tǒng)惰性循環(huán)氣體的溫度并吸收其熱量加以有效利用。該部分主要包括：余熱鍋爐本體、外置省煤器、給水系統(tǒng)、除氧系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)、蒸汽及凝結(jié)水外網(wǎng)、氮?dú)夤?yīng)系統(tǒng)。其中鍋爐本體、外置省煤器系統(tǒng)與干熄爐布置在一起，鍋爐給水系統(tǒng)、鍋爐除氧系統(tǒng)、鍋爐加藥系統(tǒng)單獨(dú)布置在一獨(dú)立建筑除氧加藥間內(nèi)。

3.1 影響汽包水位變化的干擾因素

對于鍋爐裝置來說，影響汽包水位變化的干擾因素大致包括如下：

（1）除氧器、汽包、給水泵的多重耦合響應(yīng)；

（2）汽包立體容器的物理結(jié)構(gòu)；

（3）水泵給水流量的變化；

（4）蒸汽負(fù)荷的壓力和溫度變化；

（5）干熄焦生產(chǎn)過程中產(chǎn)生煙氣的變化；

（6）汽包水溫和壓力的變化；

對于連續(xù)性生產(chǎn)的鍋爐來說，影響汽包水位的主要因素是鍋爐的汽水平衡問題，汽包壓力的波動(dòng)并不是導(dǎo)致水位變化的直接因素，壓力變化的原因是由于汽包內(nèi)的熱負(fù)荷和蒸汽負(fù)荷的不斷變化引起的，致使汽包容器內(nèi)壓力升高形成的“自凝結(jié)”和壓力降低形成的“自蒸發(fā)”過程引起水位變化的。蒸汽負(fù)荷的變化是一個(gè)不可控因素之一，隨著用戶需要而改變，而針對干熄焦生產(chǎn)熱負(fù)荷變動(dòng)相對變動(dòng)不大的狀況，應(yīng)采取有利措施保持水位相對穩(wěn)定而盡量避免波動(dòng)過大造成給水量跟不上的負(fù)荷的變化。

冷水溫度相比汽包飽和水的溫度低很多，大約有50-200 度左右的溫差（汽包飽和水的上限溫度大約在250 度左右），另外，飽和水溫度與其所受壓力大小有關(guān)，壓力愈大，則飽和溫度也就越高；反之，壓力小，則飽和溫度也低。突然加大給水量，會(huì)使汽包中汽泡含量減少，因此，一開始水位并不會(huì)立即增加，甚至在短時(shí)間內(nèi)有可能還會(huì)出現(xiàn)上水量跟不上泡含水位變化的狀況，汽包水位存在一個(gè)滯后環(huán)節(jié)，給水溫度越低，滯后時(shí)間越長。

綜上所述，在CDQ 生產(chǎn)過程中控制好水位并不是一件簡單的事情，必須去尋求更好的解決方案來避免水位波動(dòng)過大、熱負(fù)荷變化給生產(chǎn)帶來的不利。

3.2 汽包水位的控制方式分析

鍋爐正常運(yùn)行過程中，水位的控制是一個(gè)尤為重要的參數(shù)之一，其控制方式有很多種，上水閥一般為調(diào)節(jié)閥，極少采用切斷閥控制。為安全起見，有的用兩個(gè)調(diào)節(jié)閥，采用投一備一的方式，鍋爐水位的控制邏輯通常采用串級(jí)三沖量或單沖量控制，有的利用基于模型參考神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)水位自適應(yīng)控制，還有的使用模糊PID 控制器對水位進(jìn)行控制。因此，不管用什么方式控制好水位，避免虛假液位的產(chǎn)生對鍋爐本身造成的影響，保證該設(shè)備及整個(gè)干熄焦系統(tǒng)的安全和蒸汽的質(zhì)量至關(guān)重要，本文所闡述的鍋爐水位控制就是一種基于模糊控制算法和三沖量相結(jié)合控制的一個(gè)典型應(yīng)用案例。

3.3 汽包水位控制

3.3.1 主體控制思路

采用三沖量調(diào)節(jié) 、模糊計(jì)算 、純滯后預(yù)估技術(shù)及精確前饋等先進(jìn)算法，對實(shí)施采集現(xiàn)場實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，并且在全自動(dòng)方式下，系統(tǒng)根據(jù)液位的變化率隨時(shí)進(jìn)行模式切換，對切換方式設(shè)計(jì)了無擾動(dòng)切換，將模糊控制和三沖量控制、單沖量有機(jī)的結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)對高溫高壓汽包水位的自動(dòng)調(diào)節(jié)，以達(dá)到更佳的控制效果。控制原理圖見圖1。

圖1：模糊控制和三沖量結(jié)構(gòu)圖

3.3.2 控制方法

采用模糊控制結(jié)合三沖量控制：即在相對穩(wěn)定工況下，采用三沖量控制（即汽包液位主調(diào)節(jié)參數(shù)，蒸汽流量和給水流量作為輔調(diào)的串級(jí)調(diào)節(jié)，并且各回路可隨時(shí)解列，也可單沖量（汽包液位為被控參數(shù)）、雙沖量調(diào)節(jié)。在汽包液位波動(dòng)大的情況下采用模糊控制。

穩(wěn)定工況下，流量調(diào)節(jié)閥輸出電流公式為：

其中，K1、K2、K3 分別為加法器各通道的衰減系數(shù)，可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況設(shè)置，I1 為液位調(diào)節(jié)器的輸出電流； I2 為蒸汽流量變送器的電流； I3 為給水流量變送器的電流?？刂七壿嬋鐖D2。

圖2：控制邏輯圖

在水位波動(dòng)范圍異常大的情況下，采用模糊(Fuzzy)控制。模糊(Fuzzy)控制可以解決過程控制中非線性、強(qiáng)耦合、時(shí)變和純滯后特性。

精確量x 的實(shí)際變化范圍為[a，b]，將[a，b]區(qū)間的精確量轉(zhuǎn)換為[-6，6]區(qū)間變化的變量y，采用如下公式：

由式（2）計(jì)算的y 值若不是整數(shù)，可以把它歸入最接近于y的整數(shù)。對于輸變量誤差和誤差變化率轉(zhuǎn)換為模糊語言值，劃分為：

每一個(gè)語言值對應(yīng)于一個(gè)模糊子集，然后確定這些模糊子集的隸屬度函數(shù)。本項(xiàng)目選用三角形隸屬函數(shù)曲線。模糊控制隸屬函數(shù)曲線見圖3。

圖3：模糊控制隸屬函數(shù)曲線

4 結(jié)束語

干熄焦汽包水位實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)控制，具有自動(dòng)化水平高，運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡便，故障率低，維修量小等優(yōu)點(diǎn)，達(dá)到了國內(nèi)同類鍋爐水位控制的領(lǐng)先水平。實(shí)踐證明，采用模糊控制結(jié)合三沖量控制，充分發(fā)揮模糊控制的快速性、充分運(yùn)用三沖量控制的優(yōu)點(diǎn)，滿足了在不同工況下的水位突發(fā)狀況，實(shí)現(xiàn)對高溫高壓干熄焦鍋爐汽包水位的最優(yōu)控制。