梅鋼混合煤氣自動控制系統研究與應用

徐國梁

（上海梅山鋼鐵股份有限公司能源環保部，江蘇南京 210039）

引言

高爐煤氣、焦爐煤氣分別是冶金企業在高爐冶煉與焦爐冶煉過程中的副產品，其中，焦爐煤氣熱值較高，高爐煤氣熱值較低，為了實現煤氣的充分利用，需要將兩種煤氣按照一定的比例混合和加壓，輸送至用戶作為燃料氣用力加熱各種爐窯等。梅鋼混合煤氣系統采用了先混合后加壓的模式。

1 原有工藝功能分析

采用先混合后加壓的混合煤氣工藝流程及控制過程見圖1。主要由混合站與加壓站兩大部分組成。

圖1 混合煤氣系統工藝流程圖

混合站：根據用戶熱值需求及高焦煤氣熱值設定高焦煤氣配比；按照用戶流量、壓力要求手動調節焦氣調節閥，控制流量；高氣調節閥根據設定的高焦煤氣配比自動動作調整，控制高爐煤氣流量，滿足高焦煤氣流量配比需要，確保熱值穩定。

加壓站：混合煤氣進入加壓站滿足用戶用氣壓力需要；煤氣加壓站設置了進口調節閥、回流閥、高壓變頻器等，用于調整和穩定供氣壓力。

上述工藝控制過程中存在以下問題：

（1）對焦爐煤氣流量的調整，由現場值班工根據用氣量波動，手動操作焦氣調節閥來增減流量，控制精度極低，存在較大的滯后與高熱值焦爐煤氣的浪費。

（2）對熱值儀的制造與維護要求較高，在線式的熱值儀一直未能達到所需的精度要求，梅鋼未配備，現場運行參數中一直缺少熱值數據，供氣質量不能滿足用戶需要，經常出現熱值過高導致浪費及熱值過低導致用戶加熱時間延長的現象。

（3）由于前方混合站控制精度導致的流量壓力波動，加壓機負載波動，運行穩定性未能得到保障，影響加壓機壽命，也不利于節電。

（4）人工調整過程中隨意性大，操作水平參差不齊，熱值與壓力控制裕量過大。

2 控制功能的分析與實施

2.1 控制思路分析

混合煤氣自動運行的難點在于被控對象與控制變量的確定，根據現有工藝條件，無法通過對一個被控對象的變量進行控制與調整得到實現。通過研究用戶，細分工藝控制功能，設置了三個既相對獨立又存在關聯的控制模塊，即：熱值自動調整模塊、流量自動調整模塊、壓力與風機負載控制模塊，分別針對上述三項參數的進行控制，及相互間的串聯控制、反饋，完成煤氣質量與流量參數的自動調整。如圖2所示。

圖2 混合煤氣工藝自動運行整體控制邏輯圖

熱值自動調整模塊負責確定目標熱值，計算出高焦煤氣配比，以滿足用戶使用與減少焦氣用量、提高煤氣使用效率的雙重需要。計算出的配比值用于流量自動調整模塊中高氣流量調節，并接收基于高焦煤氣實際流量計算出的熱值與配比，檢驗熱值控制效果，給出熱值報警信號。

流量自動調整模塊以用氣量波動與加壓站運行狀態為依據，確定焦氣調節閥開度，按照焦氣實際流量與熱值模塊給出的配比確定高氣目標流量，跟蹤并反饋高焦煤氣實際流量，驗證流量控制效果，給出流量報警信號。

壓力與風機負載控制模塊主要應用于加壓站出口壓力控制，并以進口壓力為參考合理調節分配加壓站負載，通過調節閥與變頻的聯動調節實現壓力穩定、節能降耗、風機負載合理，并將運行參數反饋至流量模塊，驗證壓力控制效果，給出壓力報警信號。

2.2 熱值自動調整模塊

該模塊包括：熱值與配比計算設定單元、熱值報警單元。

2.2.1 熱值與配比計算設定單元

以混合后的煤氣熱值滿足用戶需求為依據，視焦氣發生情況得到臨界熱值QL，按照一定的系數KL修正以適應用戶的異常波動，確定混合加壓之后混合煤氣熱值目標值QS。按照給定的焦爐煤氣熱值Q1與高爐煤氣熱值Q2，采用每日化驗數據輸入監控系統，按公式KS=(Q1-QS)/(QS-Q2),自動運算出焦氣流量配比目標值KS；

在系統運行過程中按照實際高焦煤氣實際流量（由流量自動調整模塊控制），計算出實際配比K與實際熱值Q,顯示在HMI 系統中，生成趨勢曲線，以便于對比分析和優化控制。

2.2.2 熱值報警單元

將實際熱值Q 分別與設定熱值報警數值（來源于HMI 系統并可以修改）進行比較，判斷是否達到高熱值或低熱值報警，觸發報警點后在HMI 系統中進行信息顯示與聲音報警。熱值調整模塊控制邏輯圖見圖3。

2.3 流量自動調整模塊

該模塊包括：焦氣流量控制單元、高氣流量控制單元、流量報警單元?？刂七壿嬕妶D4。

2.3.1 焦煤流量控制單元

圖3 熱值調整模塊控制邏輯圖

圖4 流量自動調整模塊控制邏輯圖

當用戶用量發生波動時，將引起混合站出口即加壓站進口的壓力值P1發生反向波動，需要調整煤氣流量以滿足用戶需要。故以加壓站進口壓力P1作為控制變量，在控制系統中調用PID 模塊，設定增益值GAIN、積分時間TI與微分時間TD等控制參數，比較實際壓力值P與按照工藝設定的壓力值PS0（防止倒送氣與高焦煤管道間竄氣、加壓機壓力不能低于某一個值），控制系統負反饋作用將調節焦爐煤氣流量調節閥TJ開度，達到控制焦煤流量V1的目的。為了保證工藝設備的正常運行，在控制程序中增加了焦氣調節閥閥位最低限位功能。

2.3.2 高氣流量控制單元

在高氣流量控制單元將焦氣流量V1看做“固定值”，根據焦氣流量V1與熱值模塊設定的配比值KS，按照公式VGS=Ks×V1自動計算后得到高氣流量控制變量Vgs，調用PID 控制模塊，設定控制參數，通過實際高氣流量V2與理論值VGS比較，控制系統負反饋，調整高氣流量調節閥TG，達到控制高氣流量的目的。

2.3.3 流量報警單元

焦氣流量V1、高氣流量V2分別顯示在HMI系統中，并在預算控制終端與HMI 系統中增加混合煤氣總流量V=V1+V2流量低判斷報警功能。

2.4 壓力與風機負載控制模塊

該模塊包括：加壓站出口壓力控制單元、加壓機負載控制單元、壓力報警單元?？刂七壿嬕妶D5。

圖5 壓力與風機負載控制模塊控制邏輯圖

2.4.1 加壓站出口壓力控制單元

加壓站出口壓力控制單元由變頻器與回流調節閥組成，兩者均以加壓站出口壓力作為控制參數，可感知用戶使用流量的變化。根據工藝要求設定出口壓力目標控制值PS2，以加壓站出口壓力值P2作為控制變量。為達到節能的目的，該單元的控制邏輯為：當出口壓力P2上升高于設定值PS2時,變頻器調節供電頻率，由經過設定的PID 模塊控制頻率調整，電機轉速下降；當頻率下降至某一值（根據變頻器功能設定）時，此時P2仍高于設定值PS1，回流閥調節閥TH調節功能開始運行，按照設定的PID 參數控制壓力P2，閥門開度上升，直到滿足P2?(PS2±σ,其中σ為死區）。反之，當出口壓力P2下降低于設定值PS2時，回流閥調節閥TH首先動作，按照PID 調節，閥門開度下降。當開度為0 時，出口壓力P2仍低于設定值PS2時，變頻器調節起作用。

2.4.2 加壓機負載控制單元

加壓機負載控制單元主要由各加壓機進口調節閥TR組成，該單元與流量模塊中的焦氣流量調節閥TJ共同作用，保證加壓機進口壓力（即混合站出口壓力）P1穩定且不低于引發加壓機喘振的最高壓力，同時在用戶用量波動較大時調節加壓機負載。該部分閥門在正常生產時由于前方焦氣調節閥及后方變頻器與回流閥的作用，基本不需要動作，處于全開的位置，只有當壓力值低于加壓機喘振的的最高壓力時，方按設定的PID參數動作。

2.4.3 壓力報警單元

在加壓站控制邏輯中設置壓力比較判斷功能，并在HMI 系統顯示進出口壓力P1與P2，設置進口壓力低（避免機組喘振）、出口壓力高低（滿足用戶需要，降低能源）報警功能。

2.5 系統智能控制改造

在確定上述控制模塊與控制邏輯后，編制程序并對PID 參數整定，對控制系統進行調試。過程中發現：用戶用量波動較大，當其出現劇烈下降時，機前壓力上升明顯，流量控制模塊在自動狀態下，發出焦煤進口調節閥全關指令，這將導致：壓力控制單元的機組尚在運行狀態，閥門突然關閉將導致機組喘振；用戶壓力及機組負荷波動較大，不利于用戶使用與機組的穩定運行。

為此，對本控制系統進行了改造，模擬人工控制過程，引入了智能控制理念，

（1）流量控制模塊增加機組運行狀態判斷功能。

（2）設定機執行機構命令輸出下限功能。

（3）增加執行機構閥門在自動狀態下的開度點動累加功能。

最終系統控制參數設置如表1所示。

表1 混合煤氣系統自動運行參數最終整定值

另外，根據系統運行需要增加了部分報警控制功能，消除自動控制失靈可能造成的影響及工藝的經濟運行能力。如表2所示。

表2 混合煤氣系統自動運行報警設定值

通過上述措施，除一些必要人工干預（主要集中在應急處理過程中），基本實現了混合煤氣系統全自動運行，提高了控制精度與供氣質量的穩定。

3 結語

通過細分工藝流程、劃分控制模塊、確定被控對象、調試PID 參數實現了梅鋼公司混合煤氣工藝的全自動控制；

經過上述儀表、自動化、通訊功能優化與調整后，混合煤氣工藝調整次數下降70%，隨著控制精度的提高，控制裕量進一步壓縮，電力單耗下降19%。