優(yōu)化煤氣發(fā)生爐飽和蒸汽溫度設(shè)計(jì)及控制

農(nóng)世鋒（廣西華銀鋁業(yè)有限公司,廣西 百色 533700）

優(yōu)化煤氣發(fā)生爐飽和蒸汽溫度設(shè)計(jì)及控制

農(nóng)世鋒
（廣西華銀鋁業(yè)有限公司,廣西 百色 533700）

飽和蒸汽溫度是混合煤氣發(fā)生爐操作控制中最為關(guān)鍵參數(shù)之一。飽和溫度的高低是控制進(jìn)入發(fā)生爐作為氣化劑的蒸汽含量的多少，對(duì)控制發(fā)生爐內(nèi)部火層的溫度起到了關(guān)鍵性的作用，合理的溫度測(cè)點(diǎn)及PID參數(shù)整定是優(yōu)化煤氣發(fā)生爐飽和溫度設(shè)計(jì)及控制的最佳途徑。

飽和蒸汽溫度；自動(dòng)控制；控制算法

1 概述

煤氣站發(fā)生爐爐底飽和熱電阻目前安裝在發(fā)生爐飽和水平管道上，測(cè)量飽和蒸汽和空氣的混合溫度，由于溫度測(cè)點(diǎn)安裝位置離蒸汽管入口比較近，使得總管內(nèi)的飽和蒸汽和空氣混合不夠充分，該點(diǎn)溫度不能真實(shí)的反映飽和溫度。這樣難免會(huì)影響煤氣發(fā)生爐生產(chǎn)煤氣的質(zhì)量，因?yàn)椴僮鲉T是根據(jù)捅煤來(lái)判斷爐況燃燒的狀況，通過(guò)設(shè)定飽和溫度來(lái)調(diào)節(jié)蒸汽調(diào)節(jié)閥。因此，高效迅捷的將溫度控制在一定范圍有著非常重要的意義，同時(shí)工藝運(yùn)行也對(duì)發(fā)生爐的飽和蒸汽溫度自動(dòng)控制提出了迫切要求。

2 煤氣發(fā)生爐目前飽和蒸汽監(jiān)控現(xiàn)狀

煤氣站發(fā)生爐爐底飽和熱電阻目前安裝在發(fā)生爐飽和水平管道上，測(cè)量飽和總管內(nèi)飽和蒸汽和空氣的混合溫度，熱電阻測(cè)溫點(diǎn)距離發(fā)生爐爐底飽和豎管約為0.6m。通過(guò)對(duì)30臺(tái)發(fā)生爐飽和熱電阻位置安裝比較及發(fā)生爐飽和水平管和飽和豎管的溫度測(cè)量。發(fā)現(xiàn)熱電阻測(cè)溫點(diǎn)的飽和蒸汽與空氣混合不夠充分，該點(diǎn)溫度不能真實(shí)的反映飽和溫度。原因：一是熱電阻測(cè)溫點(diǎn)與蒸汽管入口貼比較近，存在空氣與蒸汽混合不均勻的問(wèn)題，使測(cè)量出的溫度偏高。二是在熱電阻插入深度基本一致即1.2m的情況下，測(cè)溫點(diǎn)溫度離管道頂部越近溫度也高,管道頂部與中心點(diǎn)溫度相差約8℃。飽和溫度是混合煤氣發(fā)生爐操作中最為關(guān)鍵的一個(gè)操作參數(shù)，飽和溫度的高低是控制進(jìn)入發(fā)生爐作為氣化劑的蒸汽含量的多少，對(duì)控制發(fā)生爐內(nèi)部火層的溫度起到了關(guān)鍵性的作用。據(jù)工藝人員反映，目前有一部分發(fā)生爐飽和溫度顯示值與操作理論值存在差異，給工藝人員操作帶來(lái)不便。

3 飽和蒸汽溫度測(cè)點(diǎn)選擇

由于爐底井內(nèi)經(jīng)常積水，為了解決真實(shí)反饋介質(zhì)溫度問(wèn)題同時(shí)又能便于日后維護(hù)工作，提出以下改造方案：一是調(diào)整測(cè)溫部位，由原來(lái)飽和水平管改為飽和豎管。二是把熱電阻改為卡套式，并加長(zhǎng)熱電阻套管，套管安裝固定在飽和豎管上，使得日常維護(hù)不用到爐底井下作業(yè)，保證作業(yè)人員的安全。另外，繼續(xù)保留原先的熱電阻，可作為改造后新測(cè)點(diǎn)的一個(gè)參考值。為能更好的反映飽和溫度的真實(shí)性，提高煤氣生產(chǎn)質(zhì)量，我們擇優(yōu)選擇第一個(gè)方案。如（圖1）

4 飽和蒸汽溫度自動(dòng)控制

在控制發(fā)生爐生產(chǎn)煤氣過(guò)程中，如果單靠手動(dòng)方式來(lái)調(diào)節(jié)各類閥門，幾臺(tái)閥門還應(yīng)付得過(guò)來(lái)，但要是幾十上百臺(tái)，無(wú)形增加崗位人員的工作負(fù)荷，而飽和蒸汽的溫度控制，如單靠人工調(diào)節(jié)來(lái)控制，不免在調(diào)節(jié)上存在滯后，更多影響煤氣質(zhì)量。為高效迅捷控制飽和蒸汽溫度的調(diào)節(jié)，我們就要對(duì)飽和蒸汽溫度進(jìn)行PID優(yōu)化控制。

4.1 PID控制算法

控制算法是微機(jī)化控制系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，整個(gè)系統(tǒng)的控制功能主要由控制算法來(lái)實(shí)現(xiàn)。目前提出的控制算法有很多。根據(jù)偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）進(jìn)行的控制，稱為PID控制。實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和理論分析都表明，PID控制能夠滿足相當(dāng)多工業(yè)對(duì)象的控制要求，至今仍是一種應(yīng)用最為廣泛的控制算法之一。

在模擬控制系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器最常用的控制規(guī)律是PID控制，常規(guī)PID控制系統(tǒng)原理框圖如（圖2）所示。

4.2 PID參數(shù)整定方法選擇

盡管飽和溫度測(cè)點(diǎn)已移到蒸汽和空氣最佳混合的豎管位置，減少一定的真實(shí)溫度誤差。為能更精準(zhǔn)控制，我們還需要對(duì)發(fā)生爐飽和溫度的控制進(jìn)行PID參數(shù)整定。

整定參數(shù)的方法有理論計(jì)算法和經(jīng)驗(yàn)試湊法兩種。理論計(jì)算法需要大量的計(jì)算，對(duì)于初學(xué)者和數(shù)學(xué)底子薄弱的人會(huì)望而卻步，并且計(jì)算效果還需要進(jìn)一步的修改整定，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，理論計(jì)算法比較少，經(jīng)驗(yàn)試湊法最廣為人知。在經(jīng)驗(yàn)試湊法中，我們可以依靠分析比例、積分、微分的基本性質(zhì)，判讀趨勢(shì)圖中，比例、積分、微分的基本曲線特征，從而對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行整定。這個(gè)方法比傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)試湊法更快速更直觀的，更容易整定。因而，我把這種依靠對(duì)趨勢(shì)圖的判讀，整定參數(shù)的辦法，稱之為：趨勢(shì)讀定法。趨勢(shì)讀定法三要素：設(shè)定值、被調(diào)量、輸出。三個(gè)曲線缺一不可，所以本次飽和蒸汽溫度的控制我們要收集的曲線有：

（1） 設(shè)定值。作為比較判斷依據(jù)； （溫度設(shè)定——綠色線條）（2）被調(diào)量波動(dòng)曲線；（溫度反饋——黑色線條）（3）PID輸出曲線；（閥門反饋——藍(lán)色線條）

4.2.1 比例P整定

整定比例作用比較笨的辦法，逐漸加大比例作用，一直到系統(tǒng)發(fā)生等幅震蕩，然后在這個(gè)基礎(chǔ)上適當(dāng)減小比例作用即可，或者把比例增益乘以0.6~0.8。 一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn)單的單回路調(diào)節(jié)系統(tǒng)，比例作用很強(qiáng)的時(shí)候，振蕩周期是很有規(guī)律的，基本上呈正弦波形狀。那什么樣才算規(guī)律的振蕩周期？通過(guò)親自操作調(diào)節(jié)閥，或者查找運(yùn)行操作的歷史趨勢(shì)，查找或者令調(diào)節(jié)閥的輸出有一個(gè)足夠的階躍量——這個(gè)階躍量要足夠大，但是千萬(wàn)不能給穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)危險(xiǎn)——然后觀察被調(diào)量（溫度反饋）多久之后開始有響應(yīng)。記錄下響應(yīng)時(shí)間。然后在整定參數(shù)的時(shí)候，你所整定的系統(tǒng)的波動(dòng)周期，大約是你記錄響應(yīng)時(shí)間的3-8倍。

4.2.2 積分Ti和微分Td的整定

整定Ti的方法就是在比例作用整定好后，給設(shè)定值一個(gè)階躍響應(yīng)，即把設(shè)定值調(diào)大點(diǎn)，當(dāng)被測(cè)值曲線由向設(shè)定值靠攏變化到第一個(gè)波峰再回落到設(shè)定值過(guò)程，通過(guò)時(shí)間軸，把被測(cè)值曲線的波峰時(shí)間（假設(shè)T1）和回落到設(shè)定值的時(shí)間（假設(shè)T2），那么積分時(shí)間Ti≤T1+(T2-T1)/2,微分時(shí)間我們可以利用經(jīng)驗(yàn)大概整定：Td=Ti÷(4～6)?？傊敬蜳ID參數(shù)的整定，目標(biāo)就是使飽和蒸汽的調(diào)節(jié)更科學(xué)合理，爐況控制更精準(zhǔn)。

4.3 控制指標(biāo)

最終你所整定的系統(tǒng)，其調(diào)節(jié)效果應(yīng)該是被調(diào)量波動(dòng)小而平緩。在一個(gè)擾動(dòng)過(guò)來(lái)之后，調(diào)節(jié)閥動(dòng)作的目標(biāo)就是使被調(diào)量不斷的向設(shè)定值靠攏，最后達(dá)到兩趨勢(shì)線合二為一。而自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的質(zhì)量指標(biāo)之一 是執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作次數(shù)，動(dòng)作次數(shù)決定了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的壽命。這里說(shuō)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)不光包括執(zhí)行器，還包括調(diào)節(jié)閥門。執(zhí)行機(jī)構(gòu)頻繁動(dòng)作不光損壞執(zhí)行器，還會(huì)讓閥門線性惡化。經(jīng)過(guò)一系列PID參數(shù)整定后發(fā)生爐飽和蒸汽溫度控制效果如（圖3）。

5 優(yōu)化效果

通過(guò)優(yōu)化煤氣發(fā)生爐飽和蒸汽溫度設(shè)計(jì)及控制后，熱電阻測(cè)得的溫度更能反映發(fā)生爐爐底飽和溫度的真實(shí)溫度，為工藝指標(biāo)控制提供可靠依據(jù)。同時(shí)經(jīng)過(guò)一系列PID參數(shù)優(yōu)化整定，飽和蒸汽溫度的調(diào)節(jié)得到高效迅捷控制，執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的次數(shù)相應(yīng)減少，這樣對(duì)執(zhí)行器的壽命得到相應(yīng)增加，起到良好控制效果。

[1]候志林.過(guò)程控制與自動(dòng)化儀表[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[2]柳桂國(guó).檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2003.