優化煤氣發生爐飽和蒸汽溫度設計及控制

農世鋒（廣西華銀鋁業有限公司,廣西 百色 533700）

優化煤氣發生爐飽和蒸汽溫度設計及控制

農世鋒
（廣西華銀鋁業有限公司,廣西 百色 533700）

飽和蒸汽溫度是混合煤氣發生爐操作控制中最為關鍵參數之一。飽和溫度的高低是控制進入發生爐作為氣化劑的蒸汽含量的多少，對控制發生爐內部火層的溫度起到了關鍵性的作用，合理的溫度測點及PID參數整定是優化煤氣發生爐飽和溫度設計及控制的最佳途徑。

飽和蒸汽溫度；自動控制；控制算法

1 概述

煤氣站發生爐爐底飽和熱電阻目前安裝在發生爐飽和水平管道上，測量飽和蒸汽和空氣的混合溫度，由于溫度測點安裝位置離蒸汽管入口比較近，使得總管內的飽和蒸汽和空氣混合不夠充分，該點溫度不能真實的反映飽和溫度。這樣難免會影響煤氣發生爐生產煤氣的質量，因為操作員是根據捅煤來判斷爐況燃燒的狀況，通過設定飽和溫度來調節蒸汽調節閥。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，同時工藝運行也對發生爐的飽和蒸汽溫度自動控制提出了迫切要求。

2 煤氣發生爐目前飽和蒸汽監控現狀

煤氣站發生爐爐底飽和熱電阻目前安裝在發生爐飽和水平管道上，測量飽和總管內飽和蒸汽和空氣的混合溫度，熱電阻測溫點距離發生爐爐底飽和豎管約為0.6m。通過對30臺發生爐飽和熱電阻位置安裝比較及發生爐飽和水平管和飽和豎管的溫度測量。發現熱電阻測溫點的飽和蒸汽與空氣混合不夠充分，該點溫度不能真實的反映飽和溫度。原因：一是熱電阻測溫點與蒸汽管入口貼比較近，存在空氣與蒸汽混合不均勻的問題，使測量出的溫度偏高。二是在熱電阻插入深度基本一致即1.2m的情況下，測溫點溫度離管道頂部越近溫度也高,管道頂部與中心點溫度相差約8℃。飽和溫度是混合煤氣發生爐操作中最為關鍵的一個操作參數，飽和溫度的高低是控制進入發生爐作為氣化劑的蒸汽含量的多少，對控制發生爐內部火層的溫度起到了關鍵性的作用。據工藝人員反映，目前有一部分發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不便。

3 飽和蒸汽溫度測點選擇

由于爐底井內經常積水，為了解決真實反饋介質溫度問題同時又能便于日后維護工作，提出以下改造方案：一是調整測溫部位，由原來飽和水平管改為飽和豎管。二是把熱電阻改為卡套式，并加長熱電阻套管，套管安裝固定在飽和豎管上，使得日常維護不用到爐底井下作業，保證作業人員的安全。另外，繼續保留原先的熱電阻，可作為改造后新測點的一個參考值。為能更好的反映飽和溫度的真實性，提高煤氣生產質量，我們擇優選擇第一個方案。如（圖1）

4 飽和蒸汽溫度自動控制

在控制發生爐生產煤氣過程中，如果單靠手動方式來調節各類閥門，幾臺閥門還應付得過來，但要是幾十上百臺，無形增加崗位人員的工作負荷，而飽和蒸汽的溫度控制，如單靠人工調節來控制，不免在調節上存在滯后，更多影響煤氣質量。為高效迅捷控制飽和蒸汽溫度的調節，我們就要對飽和蒸汽溫度進行PID優化控制。

4.1 PID控制算法

控制算法是微機化控制系統的一個重要組成部分，整個系統的控制功能主要由控制算法來實現。目前提出的控制算法有很多。根據偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）進行的控制，稱為PID控制。實際經驗和理論分析都表明，PID控制能夠滿足相當多工業對象的控制要求，至今仍是一種應用最為廣泛的控制算法之一。

在模擬控制系統中，調節器最常用的控制規律是PID控制，常規PID控制系統原理框圖如（圖2）所示。

4.2 PID參數整定方法選擇

盡管飽和溫度測點已移到蒸汽和空氣最佳混合的豎管位置，減少一定的真實溫度誤差。為能更精準控制，我們還需要對發生爐飽和溫度的控制進行PID參數整定。

整定參數的方法有理論計算法和經驗試湊法兩種。理論計算法需要大量的計算，對于初學者和數學底子薄弱的人會望而卻步，并且計算效果還需要進一步的修改整定，在實際應用過程中，理論計算法比較少，經驗試湊法最廣為人知。在經驗試湊法中，我們可以依靠分析比例、積分、微分的基本性質，判讀趨勢圖中，比例、積分、微分的基本曲線特征，從而對PID參數進行整定。這個方法比傳統的經驗試湊法更快速更直觀的，更容易整定。因而，我把這種依靠對趨勢圖的判讀，整定參數的辦法，稱之為：趨勢讀定法。趨勢讀定法三要素：設定值、被調量、輸出。三個曲線缺一不可，所以本次飽和蒸汽溫度的控制我們要收集的曲線有：

（1） 設定值。作為比較判斷依據； （溫度設定——綠色線條）（2）被調量波動曲線；（溫度反饋——黑色線條）（3）PID輸出曲線；（閥門反饋——藍色線條）

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，一直到系統發生等幅震蕩，然后在這個基礎上適當減小比例作用即可，或者把比例增益乘以0.6~0.8。 一般來說，對于一個簡單的單回路調節系統，比例作用很強的時候，振蕩周期是很有規律的，基本上呈正弦波形狀。那什么樣才算規律的振蕩周期？通過親自操作調節閥，或者查找運行操作的歷史趨勢，查找或者令調節閥的輸出有一個足夠的階躍量——這個階躍量要足夠大，但是千萬不能給穩定運行帶來危險——然后觀察被調量（溫度反饋）多久之后開始有響應。記錄下響應時間。然后在整定參數的時候，你所整定的系統的波動周期，大約是你記錄響應時間的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，給設定值一個階躍響應，即把設定值調大點，當被測值曲線由向設定值靠攏變化到第一個波峰再回落到設定值過程，通過時間軸，把被測值曲線的波峰時間（假設T1）和回落到設定值的時間（假設T2），那么積分時間Ti≤T1+(T2-T1)/2,微分時間我們可以利用經驗大概整定：Td=Ti÷(4～6)。總之，本次PID參數的整定，目標就是使飽和蒸汽的調節更科學合理，爐況控制更精準。

4.3 控制指標

最終你所整定的系統，其調節效果應該是被調量波動小而平緩。在一個擾動過來之后，調節閥動作的目標就是使被調量不斷的向設定值靠攏，最后達到兩趨勢線合二為一。而自動調節系統的質量指標之一 是執行機構動作次數，動作次數決定了執行機構的壽命。這里說的執行機構不光包括執行器，還包括調節閥門。執行機構頻繁動作不光損壞執行器，還會讓閥門線性惡化。經過一系列PID參數整定后發生爐飽和蒸汽溫度控制效果如（圖3）。

5 優化效果

通過優化煤氣發生爐飽和蒸汽溫度設計及控制后，熱電阻測得的溫度更能反映發生爐爐底飽和溫度的真實溫度，為工藝指標控制提供可靠依據。同時經過一系列PID參數優化整定，飽和蒸汽溫度的調節得到高效迅捷控制，執行機構動作的次數相應減少，這樣對執行器的壽命得到相應增加，起到良好控制效果。

[1]候志林.過程控制與自動化儀表[M].北京:機械工業出版社,2004.

[2]柳桂國.檢測技術及應用[M].北京:電子工業出版社,2003.