基于減壓閥組調(diào)節(jié)的高爐頂壓控制策略

徐岸非， 沈磊， 席自強， 黃晴宇， 余嘉川

(湖北工業(yè)大學(xué)太陽能高效利用及儲能運行控制湖北省重點實驗室， 武漢 430068)

高爐作為鋼鐵生產(chǎn)的重要設(shè)備之一，直接影響著產(chǎn)品的生產(chǎn)成本和品質(zhì)，在現(xiàn)代鋼鐵冶煉中起著重要作用。高爐爐頂壓力是高爐系統(tǒng)運行的主要參數(shù)之一，保證高爐的平穩(wěn)運行，可以極大地提高鋼鐵產(chǎn)量和質(zhì)量，并且多余的煤氣壓力可以用于高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝置(blast furnace top gas recovery turbine unit, TRT)發(fā)電，提高能源效率。反之，如果高爐頂壓波動較大，就會引起爐況異常，甚至出現(xiàn)崩料、懸料等問題[1]。因此高爐爐頂?shù)姆€(wěn)壓控制對整個生產(chǎn)過程意義重大。

高爐頂壓系統(tǒng)是一個復(fù)雜的多變量非線性系統(tǒng)，具有很強的耦合性，不易控制[2]。布料操作、鼓風機風量調(diào)整、爐頂料罐均壓、TRT運行狀況以及高爐內(nèi)部工況都會在一定程度上影響高爐頂壓[3]。因此很難構(gòu)建出一個準確的數(shù)學(xué)模型來描述該系統(tǒng)，這也為控制高爐頂壓增加了難度。

高爐爐頂壓力的穩(wěn)定調(diào)節(jié)作為鋼鐵冶煉自動控制領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，中外都有較多的研究，也取得了一些成果。目前，對于干法除塵的高爐頂壓控制采用TRT獨立調(diào)壓，針對采用濕法除塵設(shè)備的高爐，頂壓一般由閥組和TRT聯(lián)合調(diào)節(jié)[4]。文獻[5-7]簡化了部分單元，通過經(jīng)驗公式、氣體方程和物料平衡關(guān)系建立了TRT頂壓控制系統(tǒng)的動態(tài)模型。文獻[8-9]在此基礎(chǔ)上建立了前饋數(shù)學(xué)模型，解決了由布料引起的頂壓失穩(wěn)問題。文獻[10-11]提出了一種融合比例積分微分(proportion integral differential,PID)控制、模糊控制和專家控制的智能解耦方法，解決了TRT和肖夫塔環(huán)縫聯(lián)合控制時頂壓和前壓的耦合問題。但眾多學(xué)者都是針對TRT單獨調(diào)壓或者TRT與快開旁通閥聯(lián)合調(diào)壓，構(gòu)建相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，提出改進的控制方法[12]。并沒有涉及TRT未投入或者處于檢修狀態(tài)時，僅由減壓閥組來單獨調(diào)節(jié)高爐頂壓穩(wěn)定的問題。

現(xiàn)基于該應(yīng)用場景，以高爐頂壓為控制對象，減壓閥組為主要調(diào)節(jié)設(shè)備，提出一種跟隨比例積分微分控制(精調(diào)閥采用PID控制，粗調(diào)閥采用跟隨控制)方法，來穩(wěn)定高爐爐頂壓力。以此來解決傳統(tǒng)閥組PID調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性與準確性較差的不足，進一步提高減壓閥組調(diào)節(jié)頂壓的控制性能，從而提高鋼鐵冶煉的品質(zhì)。

1 高爐系統(tǒng)的工藝流程概述

高爐煉鐵過程具有很強的復(fù)雜性、滯后性和狀態(tài)多變性[13]。包含了多種復(fù)雜的物理和化學(xué)過程，涉及多種物料的參數(shù)分布和能量流動，加之封閉高溫的反應(yīng)環(huán)境，很難獲取到精確的數(shù)據(jù)，構(gòu)建精準的模型來研究高爐生產(chǎn)的過程。所以，對高爐系統(tǒng)做了簡化處理，保留系統(tǒng)中主要的設(shè)備，重點分析高爐氣體的傳遞過程和壓力變化情況，建立如圖1所示的簡化工藝流程圖。

Q1為高爐進風口的氣體流量；P1為高爐進風口氣體壓力；C1為高爐容量系數(shù)；R1為高爐阻力系數(shù)；Q2為高爐頂部氣體流量；P2為高爐頂部氣體壓力；C2為除塵器與管道容量系數(shù)；R2為除塵器與管道阻力系數(shù)；Q3為減壓閥組進口處氣體流量；P3為減壓閥組進口處氣體壓力；C13為精調(diào)閥容量系數(shù)；C23為粗調(diào)閥容量系數(shù)；R13為精調(diào)閥阻力系數(shù)；R23為粗調(diào)閥阻力系數(shù)；Q4為 減壓閥組出口處氣體流量；P4為減壓閥組出口處氣體壓力；R2、C2為固定值，由除塵器與管道本身介質(zhì)屬性決定圖1 簡化的高爐工藝流程圖Fig.1 Simplified process flow chart of blast furnace

在圖1所示的系統(tǒng)中，鼓風機將熱風從風口吹入高爐，爐料在高爐中通過燃燒反應(yīng)產(chǎn)生高壓粗煤氣；經(jīng)過除塵系統(tǒng)后，將粗煤氣中的粉塵濾去，得到凈煤氣；當TRT處于檢修或者未投產(chǎn)時，凈煤氣通過減壓閥組進入煤氣總管道。當高爐頂壓增大，通過增大減壓閥的開度，煤氣流量增大，進而減小高爐頂壓。反之，減小閥門開度，煤氣流量減小，增大高爐頂壓[14-15]。

減壓閥組作為控制高爐爐頂壓力穩(wěn)定和保證高爐正常工作的重要設(shè)備之一[16]，根據(jù)不同容量的高爐，閥組中配備的減壓閥在口徑和數(shù)量也有差異，但在原理上都是一樣的，主要是根據(jù)工藝需求和國家標準在自動控制設(shè)備的操作下，使高爐在穩(wěn)定的爐頂壓力下正常生產(chǎn)。本系統(tǒng)中由4臺液壓伺服閥組成減壓閥組，每臺減壓閥都有2種操作模式：調(diào)節(jié)模式和切斷模式。調(diào)節(jié)模式下，先導(dǎo)閥閉鎖，液壓油路通向伺服控制閥，閥門開度可以進行連續(xù)調(diào)節(jié)；切斷模式下，液壓油路通向普通電磁換向閥，閥門可以進行快開/快關(guān)操作。通過相關(guān)的伺服控制系統(tǒng)來控制閥門開度[17-18]。

其中1#閥為精調(diào)閥，亦可稱主調(diào)閥，其閥門開度根據(jù)設(shè)定頂壓與實際頂壓經(jīng)PID計算得出；2#閥為粗調(diào)閥，亦可稱輔調(diào)閥，其閥門開度根據(jù)精調(diào)閥開度進行調(diào)節(jié)，與頂壓不直接相關(guān)；3#閥安全閥工作于切斷模式，當頂壓超過臨界點時，安全閥通過自動快開操作進行泄壓以確保安全；4#閥為量程閥：工作于手動調(diào)節(jié)模式，由操作人員根據(jù)實際情況控制其開度來輔助調(diào)節(jié)頂壓。

正常自動調(diào)節(jié)工況下，僅有1#精調(diào)閥和2#粗調(diào)閥參與，對其減壓閥組數(shù)學(xué)模型的分析也僅限于1#和2#減壓閥。

2 高爐頂壓系統(tǒng)的建模分析

控制模型的構(gòu)建是控制算法提出的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，所以首先要對高爐頂壓進行數(shù)學(xué)建模，根據(jù)簡化的工藝流程，結(jié)合高爐頂壓的特性及流體力學(xué)的相關(guān)知識，建立了在減壓閥單獨調(diào)節(jié)工況下的高爐頂壓模型，基于此模型探討有效地控制策略。

定義對象的阻力系數(shù)[19]為

(1)

式(1)中：P為氣體壓力；Q為流量。

依據(jù)式(1)分別定義高爐的阻力系數(shù)為R1，該值是影響高爐頂壓的重要參數(shù)之一；精調(diào)閥的阻力系數(shù)為R13，粗調(diào)閥的阻力系數(shù)為R23，這兩個值表征閥門的開度，也是重要影響因素。

定義對象的容量系數(shù)[20]為

(2)

式(2)中：V為氣體體積。

依據(jù)式(2)分別定義高爐的容量系數(shù)為C1，精調(diào)閥的容量系數(shù)為C13，粗調(diào)閥的容量系數(shù)為C23。

(3)

式(3)中：t為時間。

根據(jù)式(1)～式(3)可以得到氣體流量的動態(tài)平衡方程：

(4)

式(4)中：Qin、Qout為設(shè)備前、后流量變化。

定義不可壓縮流體的流量公式為

(5)

式(5)中：ρ為流體密度;S為設(shè)備管道截面積；ΔP為流經(jīng)設(shè)備前后的氣體壓力差。

(6)

依據(jù)式(1)～式(6)得到探討各個單元的數(shù)學(xué)模型：

(7)

(8)

(9)

(10)

式中：k2為高爐常量；k3為除塵設(shè)備常量。

根據(jù)圖1的簡化模型，可以得到線性閥的模型：

(11)

(12)

式中：l13和l23為閥門開度系數(shù)；k13、k23分別為精調(diào)閥常量和粗調(diào)閥常量。

將式(7)～式(12)整合可以得

(13)

(14)

(15)

進一步變形可以得到P1、P2、P3的輸出壓力函數(shù)：

(16)

(17)

(18)

3 高爐頂壓系統(tǒng)的控制策略

通過對爐頂壓力的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可以得到影響頂壓的重要因素之一就是閥門的開度，在僅以減壓閥組作為調(diào)壓設(shè)備的前提下，精準控制減壓閥的開度對調(diào)節(jié)頂壓穩(wěn)定是非常有效的。根據(jù)上述理論分析，結(jié)合實際應(yīng)用場景，分析了減壓閥組的工作模式，探討了一種基于減壓閥組的T-PID控制策略。

1#精調(diào)閥采用PID控制，記頂壓設(shè)定值為Ps，頂壓實際值為P2，壓差為ΔP=P2-Ps。

需要特別注意的是，減壓閥的調(diào)節(jié)邏輯是反向性的，即需要增大頂壓時，閥門開度應(yīng)減小，需要減小頂壓時，閥門開度應(yīng)增大，所以此處壓差計算采用頂壓實際值減去頂壓設(shè)定值，與一般的PID調(diào)節(jié)計算相反。

記精調(diào)閥開度為l13，則

(19)

式(19)中:kp、ki、kd分別為比例、積分、微分常數(shù)。

由于傳統(tǒng)的PID是一種線性控制器，對線性系統(tǒng)有良好的控制效果，但對于高爐這種復(fù)雜的非線性、多變量系統(tǒng)難以達到理想的控制效果[21]。因此，為避免精調(diào)閥和粗調(diào)閥都采用PID調(diào)節(jié)造成系統(tǒng)失穩(wěn)，粗調(diào)閥開度實際采用跟隨調(diào)節(jié)機制。記粗調(diào)閥開度為l23，則

(20)

頂壓系統(tǒng)控制框圖和具體的控制流程分別如圖2和圖3所示。

圖2 高爐頂壓系統(tǒng)控制框圖Fig.2 Control block diagram of blast furnace top pressure system

圖3 T-PID控制的控制流程圖Fig.3 Control flow chart of T-PID control

通過控制框圖和系統(tǒng)流程圖可知減壓閥組的頂壓控制過程，1#精調(diào)閥根據(jù)TRT是否正常工作選擇相應(yīng)的PID參數(shù)，接著進入PID閉環(huán)控制狀態(tài)，通過PID運算自動調(diào)節(jié)爐頂壓力。2#粗調(diào)閥投入閉鎖，進入自動跟隨狀態(tài)，當精調(diào)閥的輸出開度計算值CV大于65%，2#粗調(diào)閥閥門開度每一掃描周期遞增某一固定值(該值預(yù)設(shè)為0.15%)，直至1#精調(diào)閥開度值降到65%以下；當精調(diào)閥的輸出開度計算值CV小于35%，2#粗調(diào)閥閥門開度每一掃描周期遞減某一固定值(該值預(yù)設(shè)為0.15%)，直至1#精調(diào)閥開度值升至35%以上。

當1#閥和2#閥不能滿足要求時，3#量程閥投入手動調(diào)節(jié)模式，依據(jù)需要適當調(diào)節(jié)開度，使爐頂壓力穩(wěn)定；4#閥安全閥自動投入開鎖狀態(tài)，當爐頂壓力高于220 kPa時，安全閥直接切換為切斷模式，進行快開操作，當?shù)陀?75 kPa時，進行快關(guān)操作。4#閥設(shè)置了自動和手動兩種工作模式，同時有機械裝置作為后備保護，大大提高了安全性能。

結(jié)合實際的爐頂布料過程，布下不同的爐料，會不同程度的造成高爐頂壓出現(xiàn)波動，影響爐頂壓力的穩(wěn)定。為此本控制方法針對性地增加了兩個負前饋環(huán)節(jié)。當布料焦炭時，提前4 s啟動2#粗調(diào)閥調(diào)節(jié)，閥門開度每一掃描周期遞減某一固定值(該值預(yù)設(shè)為0.15%)。當布料礦石時，提前5 s啟動2#粗調(diào)閥調(diào)節(jié)，閥門開度每一掃描周期遞減某一固定值(該值預(yù)設(shè)為0.15%)。

當布料完畢，由于下密封閥關(guān)閉，會導(dǎo)致爐頂壓力增大，造成爐壓波動，故同時增加了一個正前饋環(huán)節(jié)。此時，應(yīng)提前5 s啟動2#粗調(diào)閥調(diào)節(jié)，閥門開度每一掃描周期遞增某一固定值(該值預(yù)設(shè)為0.15%)。

4 仿真驗證與分析

為了驗證上述理論分析和控制策略的正確性和實用性，基于MATLAB/Simulink搭建了高爐頂壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型。系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1所示。

由圖4的仿真結(jié)果可知，通過該方法可以使高爐頂壓穩(wěn)定在160 kPa附近，頂壓波動±2 kPa，高爐入口處壓力都處于穩(wěn)定狀態(tài)，驗證了該控制策略的有效性。從圖5所示的壓差和開度曲線也可以看出，頂壓波動較小，結(jié)合減壓閥組的開度曲線可以看出，當精調(diào)開度大于65%，粗調(diào)開始增大開度，爐頂壓力開始減小；當精調(diào)開度小于35%，粗調(diào)閥開始減小開度，爐頂壓力開始增大。仿真效果與理論分析一致。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)Table 1 System simulation parameters

為了進一步說明該方法比常用的PID控制效果更好，在相同參數(shù)和運行條件下，對單PID控制(僅精調(diào)閥采用PID控制參與調(diào)控)、雙PID控制(精調(diào)閥和粗調(diào)閥均采用PID控制)也進行了仿真，其中雙PID控制也稱為串級PID控制，即精調(diào)閥的輸出作為粗調(diào)閥的輸入[22]。三種不同控制方法下的高爐頂壓仿真波形如圖6所示仿真結(jié)果表明，單PID控制下，頂壓大幅偏離設(shè)定值，系統(tǒng)明顯失穩(wěn)；雙PID控制下，高爐頂壓偏離參考值+2～+7 kPa； T-PID控制下，高爐頂壓在參考值附近±2 kPa波動。顯然，T-PID控制方法的精度更高，穩(wěn)定性更好。

圖4 T-PID控制下P1、P2、P3的仿真波形Fig.4 Simulation waveforms of P1、P2、P3 under T-PID control

圖5 高爐頂壓偏差和減壓閥開度曲線Fig.5 Pressure difference of blast furnace top and opening curve of pressure reducing valve

圖6 三種不同控制方法下高爐頂壓仿真波形Fig.6 Simulation waveform of blast furnace top pressure under three different control methods

將該方法應(yīng)用于某鋼1#高爐頂壓控制系統(tǒng)，從二級機系統(tǒng)導(dǎo)出某一時間段高爐頂壓的運行曲線如圖7所示。實際運行結(jié)果表明應(yīng)用該方法可以有效地控制頂壓實際值P2在參考值Ps±3 kPa波動。

圖7 某鋼1#高爐頂壓運行曲線Fig.7 Top pressure operation curve of No.1 BF of a certain steel

通過上述仿真驗證與實際應(yīng)用效果的分析，該控制策略對于頂壓控制的效果良好。

5 結(jié)論

針對僅由減壓閥組調(diào)節(jié)高爐頂壓的應(yīng)用場景，通過簡化系統(tǒng)工藝流程，構(gòu)建了高爐爐頂壓力的數(shù)學(xué)模型。在對此模型進行詳細分析和推導(dǎo)的基礎(chǔ)上，探討了一種跟隨比例積分微分控制策略。對比分析了高爐頂壓系統(tǒng)采用不同方法下的控制效果。系統(tǒng)仿真結(jié)果驗證了該控制策略的正確性，與理論分析一致。最后將該方法用于某鋼1#高爐，運行結(jié)果表明，該方法控制效果良好。