固定床加壓氣化爐排灰自動問題探討

姜偉

【摘要】通過對加壓氣化爐排灰控制回路被控對象的動態特性分析，建立了對象的數學模型;在分析被控對象數學模型的基礎上選擇控制器模式、設定控制器參數;在明確被控對象動態特性的基礎上，并結合工藝特性和操作要求創立了一種閥門泄露壓力試驗方法。

【關鍵詞】加壓氣化爐排灰自動;對象動態特性辨識;批量PID;閥門密封性試驗

一、前言

固定床煤氣化工藝的排灰是氣化爐正常運行的核心流程，高溫和固體工況導致操作難度較大，設備故障率也比較高。用先進的測量和控制手段實現排灰的自動化，不但可以降低操作人員的勞動強度，還可以減少由于操作不到位引起的工藝波動、能耗增加及設備損壞。

排灰過程比較加煤過程，溫度、壓力、介質的復雜程度等工藝條件更加惡劣，操作要求也更為嚴格，所以實現自動化有相當的難度。根據對排灰過程的認真研究和人工手動操作積累的經驗，要實現自動排灰主要應解決以下兩個方面的問題：1.灰鎖自動充壓。2.檢驗灰鎖上錐閥YV920和下錐閥YV923在充泄壓過程中的泄露情況，即判斷閥門的壓力試驗是否合格。

圖1 氣化爐工藝流程圖

二、簡要工藝說明

如圖1所示，氣化殘渣（灰）通過旋轉爐篦上刮灰刀的轉動排入灰鎖內。灰鎖達到最高料位時上翻板閥YV919和上錐閥YV920關閉，開始排灰過程。灰鎖通過泄壓管線進行泄壓。在泄壓過程中對上錐閥的密封性進行檢查。在檢查沒有問題的情況下繼續進行泄壓。如果上錐閥YV920的密封性不好時，灰鎖將用充壓蒸汽重新充壓，重新打開上錐閥YV920，并用蒸汽吹掃一定的時間后重新泄壓。灰鎖泄壓后，打開灰鎖的下錐閥YV923和下翻板閥YV922，灰由于重力而通過灰溜槽落入充水的刮灰槽中，進而用刮板運輸機NB931運走。灰鎖排空后（通過最低灰位信號判斷），灰鎖重新充壓。充壓過程中要檢查下錐閥YV923的密封性。

三、灰鎖自動充壓

1.被控對象動態特性的辨識

根據工藝要求，排灰過程大致可以分為以下四個環節：泄壓環節;排料環節;充壓環節;接料環節。其中有一個環節是充壓。充壓蒸汽的工作壓力是3.6MPa，而灰鎖的設計壓力是3.0MPa，操作壓力是2.8MPa，允許超調量只有0.2MPa。原手動排灰系統是由兩名操作人員相互配合手動充壓，稍有不慎，灰鎖的安全閥就會超壓起跳。要實現排灰過程自動控制，應首先解決自動充壓的問題。自動充壓過程控制系統的設計是根據被控對象（灰鎖）的動態特性，選配合適的過程控制儀表裝置組成。其中關鍵環節是辨識被控對象動態特性。

2.應用時域分析法求解對象特性

（1）初步分析

我們知道，灰鎖是個約7meq的壓力容器，充壓的管線比較短，所以可以判定它是一個無純滯后的單容對象。無純滯后單容對象的動態特性可以用一階微分方程或一階慣性環節的傳遞函數來表示。故對象動態特性的標準傳遞函數為：

W（s）=

（2）時域分析法

用實驗的方法繪出對象的響應曲線，與標準的傳遞函數的響應曲線進行比較，即可確定所辨識出對象的動態特性，求出對象傳遞函數。同時，可以依據響應曲線求出傳遞函數的時間常數和比例系數。這是分析一階、二階、三階對象特性常用的方法，也稱時域分析法。

測定對象的響應曲線：

灰鎖在充泄壓過程中被控量的變化幅度都很大，所以可以把充壓和泄壓過程的壓力變化等效成對象的一個階躍響應。圖2和圖3是計算機記錄灰鎖壓力P232在兩次充壓過程中的趨勢圖。圖3中的縱坐標是灰鎖的壓力P232的測量值，單位是bar。橫坐標是時間，單位是s。如前所述，對象的特性是一個一階慣性環節，只要求出放大系數K和時間常數T就可以得到對象的傳遞函數。靜態放大系數K的一般求法是由所測階躍響應曲線估計并繪出被控量的最大穩態值y（∞），放大系數K為：

K=[y（∞）-y（0）]/Δx

圖2 灰鎖充壓曲線a

圖3 灰鎖充壓曲線b

根據灰鎖充壓工藝流程，充壓閥門是一個液動兩位閥，所以代表閥門開度的Δx應該是100%。K值是1。圖2和圖3并非是充壓調節閥保持一個開度測得的曲線，從曲線可以看出壓力達到2.8MPA后就趨于平穩，這時兩位閥已經從最初的全開回到全關。所以曲線不是一個完整的階躍響應曲線，而是完整曲線的前半部分。求解時間常數T的一般方法是由響應曲線的起點作切線與y（∞）X相交，其交點在時間軸上的投影，就是時間常數T。由于切線不易作準，所以我們采用在響應曲線y（t1）=0.632y（∞）對應的t1就是T。雖然只有階躍響應曲線的前半部分，卻并不影響求解時間常數T。在額定的負荷下重復作了幾次實驗，得到幾條數值接近的曲線，我們篩選了兩條與平均值接近一致的曲線，來求時間常數T。兩次得出的結果求平均值，T最終確定為35秒。所以對象的傳遞函數是：

W（s）=

3.壓力控制回路的組成

了解了灰鎖的特性以后，我們將根據灰鎖充壓的工藝要求來設計一個灰鎖自動充壓回路。這個回路不但要求有壓力調節的功能，而且還能根據工藝要求自動完成充壓過程。

（1）操縱量的選擇

灰鎖的被控量無疑是灰鎖的壓力。但操縱量卻不能是灰鎖的壓力。這是因為有五臺氣化爐公用一個充壓管線，在一個時間里只能有一臺氣化爐充壓，所以選擇充壓管線調節閥后的壓力作為操縱量比較合適。這樣既能保證充壓時兩位閥YV917打開的情況下操縱量與灰鎖壓力基本保持一致，又能根據工藝要求在沒有充壓時保持充壓管線穩定在一定的壓力。如此設計是為了保證充壓的精確程度，防止灰鎖在充壓過程中由于兩位閥關閉不及時而使灰鎖超過設計壓力，灰鎖壓力穩定也保證了氣化爐操作壓力的平穩。

（2）回路的組成

確定了操縱量，這個壓力調節回路的基本框架就有了。圖4是壓力控制回路組成的示意圖。其中包括壓力變送器PT271、調節模塊PIC271、調節閥PV271。

（3）選型的具體要求

圖4 充壓回路組成

上述回路中因為超調量不能大于0.2MPa，同時要保證充壓的速度，所以控制模塊不能應用常規的PID調節模塊。選用帶批量開關的PID控制模塊可以滿足上述要求，這個模塊的使用后面將詳細說明。

4.控制器的選型及參數設定

（1）比例控制器組成的系統

壓力控制回路的主要功能是使灰鎖實現快速充壓充壓，而且不產生超調，也就是說控制回路對穩態性能指標沒有嚴格的要求。在這種情況下，我們先選擇比例控制器與被控對象組成控制系統。然后求解對控制系統的閉環傳遞函數，進而對系統控制質量進行分析。由于控制回路的干擾主要來自設定值的變化。此時由比例控制器組成的控制系統簡化方框圖是如圖5所示。

圖5 比例控制系統

需要說明的是，Kv是調節閥的放大倍數，Kc是比例控制器的放大倍數，為執行機構的傳遞函數，為被控對象的傳遞函數。這里被控對象的的放大倍數和時間常數并沒有給出具體數值，這是因為對象的動態特性的表達式是在沒有壓力調節閥干預的情況下測得的。設K=KvK1K2，系統的閉環傳遞函數為：

系統的特征方程是：

T1T2s2+（T1+T2）s+（1+KcK）=0

解上式可得特征方程的根S1，S2：

S1，S2=

由上式可知，隨著（T1+T2）2-4T1T2（1+KcK）的取值不同，其特征根的性質也不同。

當Kc很小時，必有（T1+T2）2-4T1T2（1+ KcK）>0成立，特征根S1，S2均為負實根。由自動控制原理可知，系統為過阻尼二階系統。上升時間太長，充壓過度過程加長，這是工藝要求所不允許的。增加Kc的，滿足上升時間對系統的要求。這樣當Kc增加到某一數值時，（T1+T2）2-4 T1T2（1+KcK）<0成立，特征根S1，S2為一對共軛復根。控制系統的過度過程處于振蕩狀態。充壓響應過程就會產生超調量，而系統允許的超調量又很小（0.2Mpa），超過了這個數值，保護灰鎖和充壓管線的安全閥就會頻繁起跳。為了協調穩定性和快速性的關系，使控制系統既能快速響應，又不產生超調，本設計中使用了批量PID的控制方式。下面將結合充壓過程說明批量PID控制模塊的使用。

（2）批量PID控制

1）批量PID的原理

批量PID控制模塊能使測量值迅速接近設定值，然后在無超調的情況下實現比例控制。圖6是控制模塊輸出反作用時的動作圖。當測量值與設定值的偏差超過設定的偏差值DV時，批量作用開始運轉，控制模塊輸出上限MH，并使測量值迅速接近設定值。如果偏差值回到設定偏差以內，則可視為達到穩定狀態，控制模塊輸出MV=MH-BS，BS為偏置設定值，并切換成PID控制方式。在切換時，為了避免操作輸出值（MV）超調，一旦切換成PID方式，即使偏差超過偏差設定值DV，控制模塊并不切換到批量方式，而是在偏差超過偏差設定值和鎖定寬度之和（DV+CS）后才切換至批量方式。

圖6 批量PID動作圖

2）充壓過程批量參數設定

已知對象的傳遞函數的表達式為：

W（s）=

上式變換成微分方程為：

T=RC

R——對象充壓的阻力

C——對象的容量

其中R的大小取決于充壓調節閥的開度。

批量參數MH多少為合適，要根據生產工藝要求的充壓時間來設定。由工藝要求知道充壓過程總的時間要求是150S，除去關閥保壓的60S，那么工藝要求的充壓時間就應該是90S。為了留有一定余量，暫定為80秒。

解微分方程，得：

y（t）=1-e-t/T

將t=80，y（t）=28/36=0.778代入上式，得：T=53.3s

也就是說，充壓過程要求的時間是80s時，對象特性的時間常數是53.3s。根據經驗數據MH值應該設定在60%左右。調節閥偏置設定值BS為50。調節閥從60%關閉到50%所需時間是4s。分析特性方程y（t）=1-e-t/T（T=53.3s）在t=76S時，36y（t）=27.1 bar。所以設定：

DV=1bar

CS=4.5

3）PID參數的設置原則

所謂參數整定，就是確定最佳過度過程中控制器的比例度、積分時間和微分時間。

雖然我們已經掌握的控制對象的大致的動態特性，進而對充壓過程中批量參數進行了設置。但在沒有充壓的情況下，也就是PID控制起作用的階段，被控對象由灰鎖變成了充壓管線，而且工藝要求是力求穩定，不產生大的波動，所以，工程整定PID參數應遵循以下原則：

1）由于被控對象充壓管線的容量小，所以比例度應適當放寬，減小系統的放大倍數。

2）由于不允許產生大的超調，所以宜采用工程經驗法進行參數整定。并采用比例度和積分時間相互配合湊試的方法。

3）由于系統沒有容量滯后，所以不需要加入微分作用。

表1 充壓過程數據分析表

表2 泄壓過程數據分析表

四、閥門密封性試驗

上文對上下錐閥壓力試驗的必要性已作了簡要介紹。閥門內漏與否不但決定充泄壓時間，而且內漏會導致上下錐閥的壽命急劇縮短。手動操作是用在定點保壓的方法作壓力試驗，自動充壓也可以采用這種方法來判斷。我們在現場設計了一種更簡潔的方法來完成閥門壓力試驗，可以縮短充泄壓時間，且簡單可靠。設計思路如下：當閥門開始充壓或泄壓時，如果下錐閥或上錐閥泄露，將使充壓或泄壓的時間延長，也就是對象動態特性的時間常數T會變大。那么，要判斷壓力試驗是否合格只要判斷時間常數是否變大就可以了。第三章我們已經求出了被控對象的動態特性，求出對象的傳遞函數是：

W（s）=

拉氏反變換求得特性方程為：

y（t）=1-e-t/T（K=1）

上式表明，時間常數T的大小直接影響到y（t）的變化率。利用計算機控制系統（DCS）的變化率報警功能就可以判斷T的變化情況。

變化率報警是設定每秒鐘的測量值變化，超過設定值，就會產生報警信號。欲設定充壓和泄壓開始階段的變化率報警值，必須首先了解正常狀態下（錐閥不泄露）對象的時間常數。然后根據對象的特性方程對前20s變化率的變化情況進行分析，確定變化率報警值的大小。

1.充壓過程分析

在第三章中已經求出對象的特性方程為：

y（t）=1-e-t/54

時間常數為已知（T=54s）。

根據已知的特性方程對充壓過程的前20秒進行數據分析見表1。表1中，t單位是s;36y（t）的單位是bar;變化率的單位是bar。

表中的36y（t）是灰鎖壓力的測量值變化情況。為了觀察變化率的變化規律，將變化率隨時間變化制成曲線如圖7。從圖可以看出，伴隨著灰鎖充壓過程，變化率是個隨時間衰減的指數曲線。所以在編制壓力試驗測試程序時，要對檢測變化率報警的時間作出規定。由于計劃使用DCS的順控表編制自動排灰程序，順控表的掃描周期是1s，所以暫定充壓閥打開兩秒鐘后對變化率報警進行檢測。每臺氣化爐的充壓過程對象的實際特性和理論計算特性都會有所不同，準確的設定值需在調試過程中加以修正。通過表1內分析的數據，變化率報警值為YV917開閥兩秒后的值，查表1為0.64bar。

圖7 變化率響應曲線

2.泄壓過程分析

同充壓過程一樣，泄壓過程的被控對象（灰鎖）沒有發生變化，對象的動態特性都是一個一階慣性環節，只是時間常數不同而已。求解泄壓對象特性時間常數T。在第三章中曾經應用時域分析方法求解對象的動態特性參數。同樣，在這里我們應用時域分析方法來求解時間常數T。圖8是計算機（DCS）記錄的泄壓過程曲線。根據響應曲線求解時間常數T的方法在第三章已經作的介紹，應用同樣的方法求得泄壓過程對象特性時間常數T=44s。

圖8 泄壓過程曲線

對象特性可以用傳遞函數表示為：

W（s）=144s+1

對上式進行拉氏反變換，得：

由于泄壓過程是打開兩位閥將壓力泄至常壓，所以對象輸入是一個負階躍，故x（t）=0。所以微分方程可以化成：

解方程，得對象特性方程：

y（t）=e-t/44

其中，y（t）用百分比表示。根據特性方程，對泄壓過程前20秒變化率的情況進行分析，得出表4-2。表2中，t單位是s;36y（t）的單位是bar;變化率的單位是bar。變化率的報警設定值選定為0.6bar。表2中的28y（t）是灰鎖壓力的測量值變化情況。為了觀察變化率的變化規律，將變化率隨時間變化制成曲線如圖9所示。從圖可以看出，伴隨著灰鎖泄壓過程，變化率是個隨時間衰減的指數曲線。所以在編制壓力試驗測試程序時，要對檢測變化率報警的時間作出規定。由于計劃使用DCS的順控表編制自動排灰程序，順控表的掃描周期是1s，所以暫定泄壓閥打開2秒鐘后對變化率報警進行檢測。每臺氣化爐的泄壓過程對象的實際特性和理論計算特性都會有所不同，準確的設定值需在調試過程中加以修正。通過表2內分析的數據，變化率報警值為YV917開閥兩秒后的值，查表1為t=2時0.60bar。

圖9 泄壓過程變化率響應曲線

五、結論

上文討論的加壓氣化爐實現自動排灰的兩個關鍵問題即控制方式和壓力試驗方法在現場已得到應用，實現了排灰自動化。