酒鋼3#焦?fàn)t前饋反饋加熱控制

酒鋼3＃焦?fàn)t前饋反饋加熱控制陳友文摘要酒鋼3＃焦?fàn)t采用前饋反饋控制原理實(shí)現(xiàn)了焦?fàn)t計(jì)算機(jī)加熱控制。系統(tǒng)投運(yùn)后，提高了產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量，并降低了能耗。關(guān)鍵詞焦?fàn)t前饋反饋控制加熱控制模型HeatingcontrolusingfeedforwardandfeedbackcontrolprincipleforNo3cokeovenbatteryofJiuquanIron＆SteelCoChenYouwen(TechnologyDepartmentofJiuquanIronandSteelCompanyJiayuguan

735100)AbstractHeatingcontrolusingfeedforwardandfeedbackcontrolprincipleisrealizedforNo3cokeovenbatteryofJiuquanIronandSteelCompany.Therunningresultsshowthatthecontrolsystemcanimprovequalityandquantityofproduction,andreduceenergyconsumption.Keywordscokeovenbattery;feedforwardandfeedbackcontrol;heatingcontrol;model酒鋼焦化廠新3#焦?fàn)t建于1997年，是JN60-6型雙聯(lián)火道焦?fàn)t，有50個(gè)炭化室，是1座炭化室高度為6m、有效容積為38.5m3.年產(chǎn)量為492.759萬t焦炭的大型焦?fàn)t，采用計(jì)算機(jī)控制。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)硬件配置系統(tǒng)采用3級分布系統(tǒng)，現(xiàn)場級、基礎(chǔ)級和過程級，如圖1所示。FFHERNEJ'操作站DFC-PCDECALPHA痕車FIX呵椎倉鳥無戟,弓祉沽臥:元線電乎動(dòng)通信|電護(hù)功通信抵柞站DEOPCDEC-PC網(wǎng)關(guān)FFHERNEJ'操作站DFC-PCDECALPHA痕車FIX呵椎倉鳥無戟,弓祉沽臥:元線電乎動(dòng)通信|電護(hù)功通信抵柞站DEOPCDEC-PC網(wǎng)關(guān)Pl.NM交換機(jī)PLC.MDDICOi<?84Jlir i攔惡車PLCMOD忙CN強(qiáng)4皴堪車pgX<Orj]CONOS4DCSHONEYWELLTDC3剛觀腳誹測打執(zhí)行機(jī)枸圖1計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)框圖現(xiàn)場級主要設(shè)備有氣動(dòng)與電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、測量儀表和伺服機(jī)構(gòu)等。測溫儀、熱值儀和殘氧分析儀等關(guān)鍵檢測設(shè)備均采用進(jìn)口設(shè)備?；A(chǔ)級采用美國HONEYWELL的TDC3000實(shí)現(xiàn)集氣管壓力、廢氣煙道吸力、機(jī)側(cè)和焦側(cè)燃?xì)鈮毫傲髁康恼{(diào)節(jié)和控制，完成信號處理和傳送、信號接收和顯示、部分報(bào)表生成和歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、打印和報(bào)警等功能。MODICON984實(shí)現(xiàn)推焦車、攔焦車、裝煤車和交換機(jī)等設(shè)備的順序控制，為過程級傳送推焦車位置信號、交換機(jī)交換信號，接收并執(zhí)行過程級推焦加煤和交換控制信號。高速暫存PLC實(shí)現(xiàn)ALPHA機(jī)與推焦車PLC的通信，在系統(tǒng)故障狀態(tài)下手動(dòng)設(shè)置推焦加煤計(jì)劃。過程級采用美國DEC公司的1臺(tái)ALPHA小型機(jī)作為系統(tǒng)服務(wù)器，同時(shí)還采用DEC的3臺(tái)微機(jī)作為操作站。實(shí)現(xiàn)的功能有加熱控制模型計(jì)算、廢氣吸力控制模型計(jì)算、推焦加煤計(jì)劃模型計(jì)算與傳送、監(jiān)視推焦加煤操作等；還有手動(dòng)測溫?cái)?shù)據(jù)處理、溫度反饋控制、事故報(bào)警、事件采集、試驗(yàn)室數(shù)據(jù)處理、報(bào)告、圖形顯示、通信和人機(jī)對話等功能。下面僅介紹過程級的控制功能。加熱控制原理系統(tǒng)以整爐為控制目標(biāo)，以優(yōu)化供熱為主要目的，涉及推焦加煤操作和優(yōu)化燃燒，構(gòu)成了前饋反饋控制的加熱控制方案，其原理如圖2所示。跋％衣力 跋％衣力 圖2加熱控制原理其中，過程參數(shù)主要指入爐煤的水分、灰分、揮發(fā)分、堆密度和重量，燃?xì)獾臒嶂岛统煞址治觯杖急群陀嘘P(guān)的焦?fàn)t設(shè)計(jì)參數(shù)等。加熱前饋控制利用上述過程參數(shù)，根據(jù)優(yōu)化供熱前饋模型計(jì)算最佳供熱量，對燃?xì)饬髁炕驂毫M(jìn)行控制。為了實(shí)現(xiàn)加熱前饋控制，必須根據(jù)廢氣含氧量模型控制廢氣含氧量，保證空燃比在最佳范圍內(nèi)。推焦加煤控制的計(jì)劃編排決定前饋反饋控制的運(yùn)算，而推焦加煤計(jì)劃編排和執(zhí)行受前饋反饋控制的約束。所以，為了實(shí)現(xiàn)加熱前饋控制，還必須根據(jù)推焦加煤自動(dòng)編制模型編排推焦加煤計(jì)劃，進(jìn)行推焦加煤自動(dòng)控制，自動(dòng)檢測出實(shí)際操作與計(jì)劃之間的時(shí)間差。過程參數(shù)和過程變量的偶然擾動(dòng)，以及其它不可測干擾的發(fā)生，會(huì)影響加熱前饋控制的準(zhǔn)確性，溫度反饋控制根據(jù)溫度反饋控制模型，對直行溫度進(jìn)行控制，消除偶然干擾因素對加熱前饋控制的影響。加熱前饋控制加熱前饋控制根據(jù)優(yōu)化供熱前饋模型計(jì)算煉焦供熱量，通過燃?xì)饬髁?或壓力)采用常規(guī)控制器進(jìn)行焦?fàn)t供熱量控制。優(yōu)化供熱前饋模型首先必須根據(jù)焦化過程熱動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算出煉焦熱損耗，然后根據(jù)燃燒模型和熱平衡模型計(jì)算出供熱量，最后根據(jù)智能模型對供熱量的調(diào)整得到最終的優(yōu)化供熱量。優(yōu)化供熱前饋模型如圖3所示。圖3優(yōu)化供熱前饋模型焦化過程熱動(dòng)力學(xué)模型基于焦化過程物理機(jī)理分析的熱動(dòng)力學(xué)模型，可以根據(jù)過程變量較準(zhǔn)確地計(jì)算出煤的結(jié)焦熱和廢氣熱損失等。由于其復(fù)雜龐大，計(jì)算時(shí)間長，不能滿足實(shí)時(shí)控制要求，因此在系統(tǒng)中主要用于焦化過程熱動(dòng)力簡化模型的建立與系數(shù)離線校正，參見參考文獻(xiàn)［1］。焦化過程熱動(dòng)力學(xué)簡化模型焦化過程熱動(dòng)力學(xué)簡化模型是2.1.1所述模型的簡化。它主要用于計(jì)算煉焦耗熱量，而煉焦耗熱量為結(jié)焦熱、表面熱損失和廢氣熱損失之和，因此各部分計(jì)算如下。結(jié)焦熱Q=a1(T—40)/1000+awp/1000+ap/1000(100—w)cokehf2232+aw+a-2.3(w-6.3) (1)式中Q是結(jié)焦熱，kJ/kg；a?a是回歸系數(shù)；w,w,w分別是煤干基焦化殘留物、水分和灰分的含量百分比,，％;p是煤的堆密度/kg/m3；T是火道溫度(測量值或計(jì)算值)，K。 hf表面熱損失Qur=24(0+PThf+0Tf2)Sr/(lOOOWg)(2)式中Qsur是焦?fàn)t表面散熱損失，kj/kg；Sur是焦?fàn)t表面積，m2；Wg是當(dāng)天入爐煤總量，t/do0,0,0是回歸系數(shù)。"123廢氣熱損失Q=24V[(y+YIT+yT2)C—(丫+yC+yC2)T]V/(1000W)wg 0 0 wg 2wgwg 0 1wg 2wgwgwg g(3)式中Q是焦?fàn)t廢氣熱損失，kj/kg；V0是燃?xì)饬髁浚琺3/h；V是廢氣體積，m3；C是廢氣比熱，kj/(m3?K)；T是廢氣出口溫度，K；丫，Y，Y是回歸系數(shù)。wg wg 0 1 2燃燒與熱量平衡模型燃燒與熱量平衡模型根據(jù)燃?xì)馕锢沓煞趾妥罴芽杖急鹊葏?shù)計(jì)算燃燒熱，在這個(gè)燃燒熱下，根據(jù)焦?fàn)t的熱量輸入項(xiàng)和熱量支出項(xiàng)相等的原理，找出過程變量與供熱量之間的關(guān)系，進(jìn)行最佳供熱量計(jì)算。用(1)式和(2)式求出結(jié)焦熱和表面熱損失后，用下面方法求供熱量。TOC\o"1-5"\h\z假設(shè)：Q=Q/a (4)式中a是熱效率:不大于0.85；Q 是第1次迭代假設(shè)的總煉焦耗熱量，J/kgotot(1)得燃?xì)饬髁咳缦拢篤(1)=1000QW/24Q (5)式中V是第1次迭代計(jì)算的燃?xì)饬髁?，m3/h；Q是燃?xì)鉄嶂?，kJ/m3。根據(jù)(3)式用V(V=V)計(jì)算廢氣熱損失并代入卞式：(1)(1)0|Q/a—(Q+Q+Q)|W0.05 (6)COke用(6)式對kVi進(jìn)行不斷修正，直到得出滿足(6)式要求的第n次迭代計(jì)算的燃?xì)饬髁?，也就是?yōu)化燃?xì)饬髁縑。2.1.4智能控制模型智能控制模型首先是消除熱量計(jì)算出現(xiàn)的偏差；其次是調(diào)節(jié)推焦加煤計(jì)劃與實(shí)際操作之間的時(shí)間差造成的熱量變化和溫度反饋控制對熱量變化的補(bǔ)償；最后是為保證焦?fàn)t長壽限制加(減)熱速度，進(jìn)行階梯式供熱。其內(nèi)容是：定義供熱量波動(dòng)范圍，計(jì)算當(dāng)前、過去和將來的供熱量；采用產(chǎn)生式規(guī)則集的知識(shí)表達(dá)方法，對熱量變化進(jìn)行調(diào)整。規(guī)則集共有42條規(guī)則，是根據(jù)系統(tǒng)調(diào)試和運(yùn)行中的經(jīng)驗(yàn)、數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)與參數(shù)變化規(guī)律及約束條件等方面的知識(shí)歸納整理而成，再經(jīng)過推理判斷作出相應(yīng)的決策，以確定是否對控制量進(jìn)行修正，以期得到預(yù)期的控制指標(biāo)。2.1.5參數(shù)預(yù)處理模型參數(shù)預(yù)處理模型是為其它模型的正確運(yùn)算而設(shè)立的。一方面利用一定的標(biāo)準(zhǔn)對過程參數(shù)進(jìn)行正誤判斷并進(jìn)行一定處理；另一方面對無法檢測準(zhǔn)確的過程參數(shù)進(jìn)行模型校正處理。2.2推焦加煤控制推焦加煤控制根據(jù)推焦加煤自動(dòng)編制模型，進(jìn)行推焦加煤的自動(dòng)編排并自動(dòng)發(fā)送給推焦車，由推焦車司機(jī)通過無線電設(shè)備協(xié)調(diào)攔焦車和加煤車的實(shí)際操作，推焦車上的PLC及時(shí)為過程級反饋實(shí)際操作情況，由模型判斷計(jì)劃與實(shí)際之間的差別，并把它傳送給優(yōu)化供熱前饋模型。根據(jù)焦?fàn)t串序選擇的原則[2]進(jìn)行推焦加煤計(jì)劃的自動(dòng)計(jì)算。對焦?fàn)t的正常操作、檢修維護(hù)(或操作休息)、異常操作和改變產(chǎn)量等情況確定處理規(guī)則，然后根據(jù)規(guī)則進(jìn)行計(jì)劃的自動(dòng)編排。溫度反饋控制由于偶然干擾因素會(huì)引起的檢測參數(shù)變化、操作故障、炭化室中再冷凝的劇烈發(fā)生和爐門不嚴(yán)等情況發(fā)生均會(huì)引起爐溫變化，同時(shí)也引起加熱量變化；溫度反饋控制根據(jù)溫度模型，通過優(yōu)化供熱前饋模型中的智能控制模型對前饋熱量值進(jìn)行補(bǔ)償以消除或緩解偶然干擾影響。整爐范圍內(nèi)，被控制量是直行溫度，采用PID算法實(shí)現(xiàn)溫度反饋控制，具體算法如下：T=T＋K(T－T)＋T(T－h(huán)f1Fhf1PP1hfm2hfm1N1hf1PT)＋T(2T－T－T)(7)hfm1V1hfm2hfm1hfm3式中T是本次溫度設(shè)定值，°C；T是下次溫度設(shè)定值，°C；T、T、T是實(shí)際溫度測量值，°C；K為放大倍數(shù)F；T、T分別是積分時(shí)間、微分時(shí)間,S。P1N1V1廢氣氧含量控制廢氣氧含量控制根據(jù)廢氣氧含量模型計(jì)算出的氧含量值，通過廢氣吸力控制器，使廢氣氧含量保持在計(jì)算的范圍內(nèi)，保證最佳供熱的空燃比。廢氣氧含量的計(jì)算利用燃燒模型與優(yōu)化加熱量計(jì)算同步進(jìn)行。根據(jù)燃燒原理，廢氣中的氧含量設(shè)定值計(jì)算如下：0=0(入一1) ⑻式中COc是廢氣中的氧含量計(jì)算值，％；0是燃燒所需最小供氧量，％；入c是計(jì)算的空氣過剩系數(shù)，％。廢氣吸力控制器是常規(guī)的PID控制器。過程參變量和物理量獲取系統(tǒng)通過手／自動(dòng)方式獲取過程參變量。廢氣吸力、廢氣溫度、廢氣殘氧量、煤氣熱值、換向時(shí)間、加煤重量、結(jié)焦時(shí)間、操作時(shí)間差和大氣溫度等過程參變量通過自動(dòng)方式獲?。幻簹忸愋?、煤氣物理特性、火道溫度、煤的物理特性和焦?fàn)t設(shè)計(jì)參數(shù)等過程參數(shù)和物理量通過手動(dòng)方式輸入計(jì)算機(jī)。運(yùn)行結(jié)果酒鋼3＃焦?fàn)t加熱控制系統(tǒng)于1997年6月正式投運(yùn)，9月與11月分別進(jìn)行了使用焦?fàn)t煤氣與高爐煤氣為期各1個(gè)月的節(jié)能和質(zhì)量測試。測試期間，根據(jù)模型計(jì)算的供熱值提供燃?xì)?，未出現(xiàn)焦炭過燒和欠燒現(xiàn)象。加熱控制系統(tǒng)可隨煤和煤氣物化參數(shù)的變化，以及推焦加煤計(jì)劃與執(zhí)行之間的區(qū)別進(jìn)行熱量調(diào)節(jié)。在加速或延遲推焦、設(shè)備檢修和改變產(chǎn)量等情況下，加熱控制系統(tǒng)能自動(dòng)進(jìn)行熱量和溫度糾正。系統(tǒng)在自動(dòng)方式下(投運(yùn)溫度反饋控制)較投運(yùn)前減少了溫度和熱量波動(dòng)。按手動(dòng)方式下的操作條件，自動(dòng)方式下測得的能量總消耗與手動(dòng)期間的對比表明，系統(tǒng)平均節(jié)能約3％。另外，對焦炭質(zhì)量的測試結(jié)果表明，焦炭轉(zhuǎn)鼓指標(biāo)M40平均增長1.2%,M10平均下降2%。系統(tǒng)可在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)獲得高產(chǎn)。到目前為止，系統(tǒng)一直保持上述運(yùn)行效果。結(jié)論通過運(yùn)行結(jié)果可看出，酒鋼3＃焦?fàn)t計(jì)算機(jī)加熱控制系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)可以在焦?fàn)t工藝參數(shù)允許的范圍內(nèi)，獲得高產(chǎn)。(2)基于機(jī)理分析的前饋反饋控制，從結(jié)焦、傳熱和耐火材料等特性出發(fā)，控制供熱量，可在一定程度上保證質(zhì)量，延長焦?fàn)t壽命。(3)優(yōu)化供熱，可以較大限度地節(jié)能，減少環(huán)境污染。從系統(tǒng)方案與實(shí)際運(yùn)行情況看，可發(fā)現(xiàn)本系統(tǒng)較國際一流系統(tǒng)還存在如下不足，作為將來改進(jìn)的目標(biāo)。(1)手動(dòng)測溫，大車和攔焦車定位控制原始，自動(dòng)化水平不很高。(2)沒有事故預(yù)測和診斷功能，部分過程參數(shù)離線檢測，勢必降低系統(tǒng)性能。(3)未考慮對焦炭質(zhì)量的直