煤气混合加压站的热值控制

煤气混合加压站的热值控制作者：张晓军，刘刚出处：阅读：发布时间：2005-3-3016:54:00供稿：沈阳卡斯特科技发展有限公司1概述在冶金企业中，煤气混合加压站的作用主要是保证生产安全与供需平衡，维持热值稳定。随着产品结构调整和节能降耗需求的不断提高，加热炉等煤气用户对煤气热值稳定的要求也愈来愈高。鞍钢燃气厂为了摸索稳定热值的控制规律，对2#加压站控制系统进行了技术改造。我公司通过投标，承担了先进控制系统改造工作。鞍钢燃气厂2#加压站有1700和1780两条混合煤气管线，负责1700、1780等生产线上的24台加热炉的供气任务，混合煤气的供气量为8万—28万Nm3/h，为先混合后加压，高、焦、转三气四混结构，其中仅两种转炉煤气设有气柜。由于生产负荷变化大，在两条混合煤气管路的加压风机前、后均设有连通管，以便在生产负荷较低时使用一条线供气，以保证压力和热值的稳定。2#加压站原有A-B公司PLC一套，用高炉煤气控制机前混合压力，热值控制采用焦炉煤气按动态比例控制热值的方法，控制器为PID调节器。原控制系统在压力平衡控制方面比较稳定可靠，但对大扰动响应速度较慢；热值波动比较大。图1：二加压工艺流程原理图2技术改造目标此次改造提出了国内同类项目中最为严格的参数要求。2.1稳定混合煤气热值在正常工况下基本能稳定在设定值的±50kcal/m3(0.21MJ/m3)，在遇到较大扰动时能够迅速收敛。2.2提高混合煤气压力控制能力混合压力控制的响应速度要有明显提高，大幅度减少机前混合压力下降到零的次数和延续时间。3控制难点分析煤气混合加压站控制回路不多，但从控制上却十分典型。3.1强耦合煤气混合加压站控制中，普遍存在阀门间的强耦合问题。二加压的系统中除了存在前后阀耦合、高焦煤气间耦合，还存在着1700和1780两条管网间的耦合。耦合强度受混合加压站结构、气源压力和用户负荷波动的影响。在二加压系统中，高炉煤气前后阀的耦合较强，焦炉煤气流量阀对机前压力的影响较大；1780由于负荷变化的扰动较大，阀门间的耦合作用显尤其突出。1700和1780两条管网间在机前压力波动较大时，耦合作用明显。3.2大滞后和时变热值仪的测量机理决定了热值的测量必然存在滞后，而受安装位置和控制方式的影响，滞后作用会明显不同，同时存在滞后时间的时变现象。二加压的系统中热值过程的时间常数大约在40秒左右，滞后时间在4～8分钟之间波动，τ/T≌6～16，是典型的大滞后加时变过程。3.3非线性大口径蝶型阀门必然存在非线性，加上机械死区和回差的作用，会在不同阀位区域明显影响调节过程，尤其在低阀位区域，可控性很差。3.4扰动幅度大在二加压的控制系统运行过程中，受工艺条件的影响，时常会产生出现较大扰动（如：转炉煤气开始/停止供气、用户负荷大幅度的增减量、启动/停止1780线等），尤其在机前压力突然下降时，会造成安全生产隐患。在机前压力突然变化时，高炉煤气大幅度调整供气流量来平衡机前压力的变化，焦炉煤气作相应调整的时间较滞后，会导致热值大幅度波动。4控制方案针对控制系统的要求，我们选用了无模型自适应控制器，并根据控制器特性对控制策略上作了相应调整。4.1MFA控制器无模型自适应控制技术(Model-FreeAdaptiveControl，MFA)和相应的控制软件产品CyboCon是美国通控集团公司博软分部(CyboSoft,GeneralCybernationGroupInc.)于1998年1月正式推出并取得专利。CyboCon是世界上首套“即插即用”式单变量和多变量控制软件，可对简单或复杂的工业过程作自适应控制。与传统的自适应控制技术相比，CyboCon的无模型自适应(MFA)控制器的实用性非常强。使用者无需进行控制器设计、过程辩识，也不需知道过程的定量知识，就可将控制器投入运行。即使过程的动态特性有很大变化，也不需重新整定控制器参数。自CyboCon软件在1997年10月美国仪器仪表展览会上(ISATech97)首次展出以来，受到了专家、用户和媒体的高度评价。1998年获得了美国《仪器和自动化新闻》(IAN)杂志的Editor’sChoice奖.同年，美国《烃加工》(HydrocarbonProcessing)杂志评为创新产品专栏的新产品之一。美国《控制工程》杂志在98年2月刊上作了专文报道和评论。1999年3月向美国通控公司博软分部颁发了该杂志1998年优秀软件大奖。2000年获ISA2000“最佳展品”奖。2001年ISA2001休斯顿博览会上获“总裁奖”。无模型自适应控制技术是该公司多年来坚持不懈努力的结果。在CyboCon中包含的是一系列近年来新发明的无模型自适应控制器，包括单变量、多变量、抗滞后、解耦、前馈、带约束等等。它们能方便地解决工业领域中常见的非线性、时变、大滞后、严重耦合、变结构、约束条件苛刻等等复杂控制问题。4.2控制策略根据我公司对煤气加压站工艺和操作过程的理解，利用MFA强大的控制能力和手段，充份利用其在非线性、解耦合、抗滞后和时变等方面的功能模块，精心为鞍钢燃气厂二加压控制系统设计了全套控制策略。4.2.1保留原操作习惯由于原有控制系统在混合压力控制方面的可靠性，操作工对其十分熟悉和信赖，并形成丰富的现场操作经验。无模型自适应（MFA）控制系统在充分考虑了实现控制目标的技术可行性的基础上，完全保留了原系统的操作习惯，为操作工熟悉和掌握新的控制系统扫平了障碍。4.2.2全新组合控制功能针对不同的工艺状况，有机地配置控制策略，解决好以下控制问题：1)利用MFA非线性控制模块，有效解决阀门非线性问题，使之操作准确；2)配置MFA控制器的解耦，抑制阀门间强耦合，使之协调工作，配合一致；3)实施高炉煤气和焦炉煤气流量解耦，分解压力和热值之间的关联，减弱混合压力对热值的影响；4)使用MFARobust控制器，提高保护控制增益，增加压力平衡控制的强度，提高响应速度；5)采用MFA抗滞后控制模块，组合配置抗滞后和抗时变参数，提高热值反馈回路调节效率；5控制效果由于上述组合策略的作用，控制取得了良好的效果。5.1基本结论*MFA控制系统操作方便，运行可靠*系统对各种工况及现场操作有较强的适应能力；无论是在开关风机档板、起停1780、增减转炉煤气等情况下，还是在用户负荷大范围波动时，MFA控制系统均可在自动状态下有效运行*在一般工况下，混合煤气热值基本稳定在±0.2MJ/m3范围内*由于较为剧烈扰动造成的混后热值超出±0.2MJ/m3范围，MFA控制系统可以在最长15分钟（一般3--5分钟）恢复平稳*机前压力的波动范围更小（与原系统比较，波动范围收窄30%）*在大扰动出现时，系统响应能力较原系统有较大幅度的提高*在气源（高煤、焦煤、转煤）热值完全使用设定值的情况下，系统依据混后热值，仍可进行有效的串级闭环控制5.2实绩分析5.2.1热值基本稳定通常控制状况数据处理的结果如下：下图是热值和压力在通常控制状况下的实时曲线。图中横轴为时间轴，每格30分钟；左侧纵轴为混合压力轴，单位kPa，每格0.1kPa；右侧纵轴为热值轴，单位为MJ/m3，每格0.2MJ/m3。设定值为8.7MJ/m3。下图是在压力突然出现较大扰动状况下，（用户增量3万方时）煤气热值控制过程的放大图形。设定值为9.0，横坐标每格2分钟，纵坐标每格0.1MJ/m3。下图表示这时的混合压力和流量的变化情况。横坐标为时间轴，每格2分钟；左侧纵坐标为流量轴，单位kNm3/h；右侧纵坐标为压力轴，单位kPa。混合压力设定值为0.8。可以看到，对于较大的压力扰动，用户负荷突然变化导致混合煤气压力大幅度波动，热值可以在短时间内恢复平稳。不仅如此，MFA控制系统在启停1780、转炉煤气增减量和开关风机挡板等大扰动情况下，也能保持热值的基本稳定。实际上，尽管采用了抗滞后和时变的控制策略，在混合煤气实际热值已经发生较大波动后再进行热值的反馈控制是无法得到满意效果的。因此，MFA控制系统在各阀门控制器配制非线性参数的同时，专门为高炉煤气和焦炉煤气流量配置了解耦合策略。既当混合压力出现急剧变化时，高炉煤气和焦炉煤气流量立即同时按照大致比例动作，使得实际热值不发生重大变化，为串级热值控制创造了有利的控制条件。5.2.2压力控制明显改善数据处理的结果证明，采用MFA控制系统后，无论在正常工况还是在大扰动工况下，机前混合煤气压力控制能力明显提高。下表对比了无模型自适应系统与原控制系统的控制效果：在常规控制系统中，各阀门会根据自己的控制目标各行其是，经常会看到你开我关的现象，大大的降低了控制的效率，甚至导致振荡。解耦合策略会使所有阀门联合在一起，协调一致，并且会按照扰动的强度，配合实施相应的控制动作。使得混合压力的控制更加平稳。下图是MFA控制系统与原PID控制系统在机前混合煤气压力控制的实绩运行曲线：采用无模型自适应控制系统在对混合压力突然大幅度波动的控制能力方面有较大的提高。过去PID控制系统，机前压力到零的状况时有出现，停留时间甚至超过1分钟。采用无模型自适应控制系统后，次数明显减少、时间大幅度缩短，更有效地保证了生产安全。二加压在用户负荷较小时，会关闭1780线，仅通过1700供气。下图比较了在关闭1780线时，MFA控制系统与原PID控制系统的控制实绩效果：PID控制系统在突然关闭1780线时，混合压力下降到零，延续了18秒，如下图所示：图中：横坐标为时间轴，每格30秒钟；左侧纵坐标为压力轴，单位kPa；右侧纵坐标为流量轴，单位kNm3/h。混合压力设定值为1.0。在基本相同的情况下，MFA控制系统没有出现混合压力下降到零的状况：图中：横坐标为时间轴，每格30秒钟；左侧纵坐标为压力轴，单位kPa；右侧纵坐标为流量轴，单位kNm3/h。混合压力设定值为0.8。