1         概述

隨著產(chǎn)品結(jié)構(gòu)調(diào)整和節(jié)能降耗需求的不斷提高，冶金行業(yè)對(duì)煤氣熱值穩(wěn)定的要求也愈來(lái)愈高。為了尋找和驗(yàn)證穩(wěn)定混合煤氣的熱值技術(shù)和方法，鞍鋼技術(shù)部、燃?xì)鈴S等單位，聯(lián)合設(shè)立了穩(wěn)定熱值的科研項(xiàng)目，在燃?xì)鈴S2#加壓站進(jìn)行項(xiàng)目開(kāi)發(fā)研究。

燃?xì)鈴S2#加壓站是先混合后加壓結(jié)構(gòu)；有兩套加壓系統(tǒng)分別供給1700、1780軋鋼生產(chǎn)線等24臺(tái)加熱爐；氣源有焦?fàn)t煤氣、高爐煤氣和兩種轉(zhuǎn)爐煤氣，僅焦?fàn)t煤氣有氣柜，屬3-4混類型；最大供氣能力近30萬(wàn)m³/h。

2#加壓站原有A-B公司PLC一套，用高爐煤氣控制機(jī)前混合壓力，焦?fàn)t煤氣按動(dòng)態(tài)比例控制熱值的控制方法，控制器為PID調(diào)節(jié)器。原控制系統(tǒng)在壓力平衡控制方面比較穩(wěn)定可靠，但對(duì)大擾動(dòng)響應(yīng)速度較慢；熱值波動(dòng)比較大。

課題組對(duì)原有系統(tǒng)進(jìn)行了分析取得了基本共識(shí)：

l  安裝熱值儀，為熱值控制創(chuàng)造條件。

l  采用先進(jìn)控制技術(shù)，從根本上解決傳統(tǒng)控制的缺陷。

2         問(wèn)題研究

以穩(wěn)定混合煤氣熱值為目標(biāo)，根據(jù)2#加壓站現(xiàn)有的狀況和條件，對(duì)解決問(wèn)題的可能性進(jìn)行了研究。經(jīng)過(guò)反復(fù)論證，提出了具體的方法。

2.1   影響熱值穩(wěn)定的因素

2.1.1   熱值儀因素

在混合煤氣的出口安裝熱值儀，進(jìn)行反饋控制是控制熱值的基本方法；但氣源煤氣熱值的變化也會(huì)直接影響混合煤氣的熱值，應(yīng)該加以驗(yàn)證。根據(jù)熱值儀的安裝方法和原理，在控制上必然存在大滯后，同時(shí)隨供氣流量的變化，滯后時(shí)間也會(huì)改變，這是傳統(tǒng)控制方法難以克服的，必須引進(jìn)先進(jìn)控制方法。

2.1.2   控制方法因素

在原控制系統(tǒng)中，主控?zé)嶂档慕範(fàn)t煤氣流量都是按照比例控制的，從節(jié)奏上注定要比高爐煤氣的控制慢一拍，遇到混合壓力波動(dòng)時(shí)，熱值也會(huì)隨之波動(dòng)。

2.2   混合壓力響應(yīng)慢的原因

混合煤氣加壓站控制回路不多，但控制難度比較大。閥門間的耦合和非線性使傳統(tǒng)控制方法難以解決防止振蕩和響應(yīng)快速之間的矛盾。

2.3   基本方法和研究方向

2.3.1   安裝熱值儀

l  在混合煤氣出口安裝熱值儀，進(jìn)行反饋控制。

l  在各煤氣氣源安裝熱值儀，通過(guò)前饋控制，驗(yàn)證其對(duì)熱值的影響。

2.3.2   采用先進(jìn)控制技術(shù)

采用美國(guó)博軟公司的無(wú)模型自適應(yīng)（MFA）控制技術(shù)和全套解決方案，解決控制中的非線性、大滯后、耦合和時(shí)變問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)熱值穩(wěn)定和壓力的快速響應(yīng)。

3         控制效果

采用上述措施后，取得了比較理想的效果。

3.1   熱值基本穩(wěn)定

下圖是熱值和壓力實(shí)時(shí)曲線。圖中橫軸為時(shí)間軸，每格30分鐘；左側(cè)縱軸為混合壓力軸，單位kPa，每格0.1kPa；右側(cè)縱軸為熱值軸，單位為MJ/m³，每格0.2 MJ/m³。設(shè)定值為8.7 MJ/m³。

可以看到，在MFA控制下，熱值能夠在混合壓力波動(dòng)時(shí)仍然基本保持穩(wěn)定。通過(guò)對(duì)通?？刂茽顩r的數(shù)據(jù)處理：

從放大圖形看，對(duì)于較大的壓力擾動(dòng)，如啟停1780、轉(zhuǎn)爐煤氣增減量、大幅度調(diào)整風(fēng)機(jī)擋板和用戶負(fù)荷較大變化，熱值可以在最長(zhǎng)15分鐘（一般5分鐘）恢復(fù)平穩(wěn)。

下圖是用戶增量3萬(wàn)方時(shí)，1780出口熱值的控制過(guò)程，設(shè)定值為9.0，橫坐標(biāo)每格2分鐘，縱坐標(biāo)每格0.1 MJ/m³。

下圖表示這時(shí)的混合壓力和流量的變化情況。橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，每格2分鐘；左側(cè)縱坐標(biāo)為流量軸，單位kNm³/h；右側(cè)縱坐標(biāo)為壓力軸，單位kPa?；旌蠅毫υO(shè)定值為0.8。

可以看到，對(duì)于較大的壓力擾動(dòng)，用戶負(fù)荷突然變化導(dǎo)致混合煤氣壓力大幅度波動(dòng)，熱值可以在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)平穩(wěn)。

不僅如此，MFA控制系統(tǒng)在啟停1780、轉(zhuǎn)爐煤氣增減量和開(kāi)關(guān)風(fēng)機(jī)擋板等大擾動(dòng)情況下，也能保持熱值的基本穩(wěn)定。

3.2   壓力控制明顯改善

采用MFA控制系統(tǒng)后，無(wú)論在正常工況還是在大擾動(dòng)工況下，機(jī)前混合煤氣壓力控制能力明顯提高。

下圖是MFA控制系統(tǒng)與原PID控制系統(tǒng)在機(jī)前混合煤氣壓力控制的實(shí)績(jī)運(yùn)行曲線：

采用無(wú)模型自適應(yīng)控制系統(tǒng)在對(duì)突然的混合壓力大幅度波動(dòng)的控制能力方面有較大的提高。在過(guò)去經(jīng)常發(fā)生的可能對(duì)生產(chǎn)安全造成威脅的混合壓力突然下降至零工況的控制方面，次數(shù)明顯減少、時(shí)間大幅度縮短，更有效地保證了生產(chǎn)安全。而過(guò)去PID控制系統(tǒng)，機(jī)前壓力到零的狀況時(shí)有出現(xiàn)，停留時(shí)間甚至超過(guò)1分鐘。

2#加壓站在用戶負(fù)荷較小時(shí)，會(huì)關(guān)閉1780線，僅通過(guò)1700供氣。下圖比較了在關(guān)閉1780線時(shí)，MFA控制系統(tǒng)與原PID控制系統(tǒng)的控制實(shí)績(jī)效果：

PID控制系統(tǒng)在突然關(guān)閉1780線時(shí)，混合壓力下降到零，延續(xù)了18秒，如下圖所示：

在基本相同的情況下，MFA控制系統(tǒng)沒(méi)有出現(xiàn)混合壓力下降到零的狀況：

3.3   氣源熱值儀作用驗(yàn)證

由于MFA控制系統(tǒng)在控制中采取了解耦合、抗滯后和真對(duì)非線性的控制策略，解決了混合壓力對(duì)熱值的影響，氣源煤氣熱值的波動(dòng)相對(duì)比較緩慢，可以通過(guò)反饋控制得到有效抑制。從下圖的實(shí)績(jī)曲線可以看到，在不使用氣源熱值儀作前饋控制的情況下，僅通過(guò)反饋控制也可以得到滿意的效果。

圖中，橫坐標(biāo)為時(shí)間軸，每格10分鐘；熱值設(shè)定值為8.8

4         基本結(jié)論

實(shí)踐證明，煤氣熱值穩(wěn)定項(xiàng)目是成功的，可以得到如下結(jié)論：

l  系統(tǒng)操作方便，運(yùn)行可靠

l  系統(tǒng)對(duì)各種工況及現(xiàn)場(chǎng)操作有較強(qiáng)的適應(yīng)能力；無(wú)論是在開(kāi)關(guān)檔板、起停80、增減轉(zhuǎn)煤等情況下，還是在用戶負(fù)荷大范圍波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)均可在自動(dòng)狀態(tài)下有效運(yùn)行

l  在一般工況下，混后熱值基本穩(wěn)定在±0.2 MJ/m³范圍內(nèi)

l  在較為劇烈的擾動(dòng)出現(xiàn)，造成混后熱值超出±0.2 MJ/m³范圍，可以在最長(zhǎng)15分鐘（一般3--5分鐘）恢復(fù)平穩(wěn)

l  機(jī)前壓力的波動(dòng)范圍更小（與原系統(tǒng)比較，波動(dòng)范圍收窄30%）

l  在大擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)能力較原系統(tǒng)有較大幅度的提高

l  在氣源（高煤、焦煤、轉(zhuǎn)煤）熱值完全使用設(shè)定值的情況下，系統(tǒng)依據(jù)混后熱值，仍可進(jìn)行有效的串級(jí)閉環(huán)控制