CN105485716B - 高炉煤气燃烧控制方法 - Google Patents

高炉煤气燃烧控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种高炉煤气燃烧控制方法，包括如下步骤：获得高炉煤气压力实际值，将高炉煤气压力实际值输入到前馈控制器，前馈控制器运算后输出高炉煤气流量调节阀开度值一；获得汽包蒸汽压力实际值，将汽包蒸汽压力实际值与汽包蒸汽压力设定值进行比较，获得汽包蒸汽压力偏差值，将汽包蒸汽压力偏差值输入到预估补偿控制器，预估补偿控制器运算后输出高炉煤气流量调节阀开度值二；将高炉煤气流量调节阀开度值一与高炉煤气流量调节阀开度值二相叠加，得到高炉煤气流量调节阀开度值三，根据高炉煤气流量调节阀开度值三控制进入锅炉内的煤气量。

Description

高炉煤气燃烧控制方法
技术领域
本发明涉及一种高炉煤气回收利用领域，具体地说，涉及一种高炉煤气燃烧控制方法。
背景技术
钢铁企业在炼铁过程中产生了大量的副产高炉煤气，因该煤气热值低，较难利用，所以多采用燃烧后向空排气处理，造成能源浪费且污染环境。近年来，随着企业节能降耗工作的开展，为达到国家节能环保要求，许多钢铁企业新建项目对高炉煤气进行回收燃烧加热锅炉产生的蒸汽来供汽、发电。为保证高炉煤气燃气锅炉的稳定运行，其燃烧优化控制也成为重要的研究课题。
实际生产中，高炉煤气供给受制于炼钢、炼铁等主工艺生产工程，其压力波动较大，这是造成高炉煤气燃气锅炉工况波动的主要因素。锅炉产汽压力是衡量锅炉工况的重要参数。燃烧用高炉煤气的压力波动对锅炉炉膛燃烧的影响很大，进而影响锅炉产汽压力的稳定。当高炉煤气压力增大时，炉膛内高炉煤气供给增加，燃烧产生热量增加，产汽量增加，产汽压力上升；当高炉煤气压力减少时，炉膛内高炉煤气供给减少，燃烧产生热量减少，产汽量减少，产汽压力下降。同时，燃烧过程还存在燃烧是否充分等问题的影响。总之，锅炉燃烧系统是一个惯性大、滞后时间长、非线性时变的系统，而高炉煤气燃气锅炉燃烧优化控制的主要目标是减少高炉煤气压力波动对蒸汽压力的影响。该方法针对高炉煤气燃气锅炉燃烧的复杂情况，采用先进、可靠、实用的算法，减少高炉煤气压力波动对蒸汽压力的影响，实现对锅炉燃烧的优化控制，保证锅炉的稳定生产。
发明内容
本发明提供了一种高炉煤气燃烧控制方法，以解决相关技术中高炉煤气压力波动对蒸汽压力的影响，从而使锅炉的汽包蒸汽压力稳定。
根据本发明的一个方面，提供了一种高炉煤气燃烧控制方法，包括如下步骤：获得高炉煤气压力实际值，将所述高炉煤气压力实际值输入到前馈控制器，所述前馈控制器运算后输出高炉煤气流量调节阀开度值一；获得汽包蒸汽压力实际值，将汽包蒸汽压力实际值与汽包蒸汽压力设定值进行比较，获得汽包蒸汽压力偏差值，将所述汽包蒸汽压力偏差值输入到预估补偿控制器，所述预估补偿控制器运算后输出高炉煤气流量调节阀开度值二；将所述高炉煤气流量调节阀开度值一与所述高炉煤气流量调节阀开度值二相叠加，得到高炉煤气流量调节阀开度值三，根据所述高炉煤气流量调节阀开度值三控制进入锅炉内的煤气量。
优选地，高炉煤气燃烧控制方法还包括步骤：所述高炉煤气压力实际值还输入到干扰通道，所述干扰通道输出的汽包蒸汽压力值一和锅炉燃烧输出的汽包蒸汽压力值二相叠加，得到汽包蒸汽压力。
优选地，高炉煤气燃气锅炉燃烧过程的传递函数如下：
G(s)*e-τs＝Ke-τs/(Ts+1)，
其中，G(s)表示高炉煤气燃气锅炉燃烧过程的传递函数；
K是放大系数；
T是惯性时间常数；
τ是延迟时间；
e是自然常数；
s是频率。
优选地，用Z-N整定法对高炉煤气燃气锅炉燃烧过程的传递函数进行整定的步骤是：
给定高炉煤气流量调节阀的开度一个单位阶跃值；
记录一些输出值，拟合得到汽包蒸汽压力实际值的响应曲线；
根据所述汽包蒸汽压力实际值的响应曲线，反推出K、T、τ值。
优选地，干扰通道的传递函数如下：
N(s)＝K/(Ts+1)，
其中，N(s)表示干扰通道的传递函数；
K是放大系数；
T是惯性时间常数；
s是频率。
优选地，用Z-N整定法对干扰通道的传递函数进行整定的步骤是：
给定高炉煤气压力一个单位阶跃值；
记录一些输出值，拟合得到汽包蒸汽压力实际值的响应曲线；
根据所述汽包蒸汽压力实际值的响应曲线，反推出K、T值。
优选地，所述汽包蒸汽压力偏差值输入预估补偿控制器得到的高炉煤气流量调节阀开度值二为e(t)*L-1[Gs(s)]，
其中，e(t)是汽包蒸汽压力偏差值；
L-1是拉普拉斯反变换；
Gs(s)是预估补偿控制器的传递函数，Gs(s)＝G(s)(1-e-τs)；
e是自然常数；
τ是延迟时间。
优选地，所述高炉煤气流量调节阀开度值一为：
PT1*L-1[Gf(s)]，
其中，PT1是高炉煤气压力实际值；
L-1是拉普拉斯反变换；
Gf(s)是前馈控制器的传递函数，Gf(s)＝-N(s)/[G(s)e-τs]。
优选地，所述高炉煤气流量调节阀开度值三的计算公式为：
u(t)＝PT1*L-1[Gf(s)]+e(t)*L-1[Gs(s)]，
其中，u(t)是高炉煤气流量调节阀开度值三；
L-1表示拉普拉斯反变换。
优选地，所述高炉煤气压力实际值经过干扰通道得到的汽包蒸汽压力值一为PT1*L-1[N(s)]，
其中，PT1是高炉煤气压力实际值；
L-1是拉普拉斯反变换；
N(s)是干扰通道的传递函数；
N(s)＝K/(Ts+1)；
K是放大系数；
T是惯性时间常数；
s是频率。
优选地，在所述汽包蒸汽压力实际值被输入到所述预估补偿控制器、所述高炉煤气压力实际值被输入到所述前馈控制器之前，对所述高炉煤气压力实际值、所述汽包蒸汽压力实际值进行滤波处理。
通过本发明，采用前馈控制器与高炉煤气压力比较、采用预估补偿控制器与汽包蒸汽压力比较，调节煤气流量调节阀的开度，进而优化进入锅炉的炉膛内的煤气量，减少高炉煤气压力波动对蒸汽压力的影响，使得锅炉的汽包蒸汽压力稳定。
附图说明
通过结合下面附图对其实施例进行描述，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。
图1是根据本发明实施例的高炉煤气燃气锅炉工艺流程图；
图2是根据本发明实施例的高炉煤气燃气锅炉控制原理图；
图3是根据本发明实施例的汽包蒸汽压力实际值对调节阀开度的单位阶跃响应曲线；
图4是根据本发明实施例的汽包蒸汽压力实际值对高炉煤气压力实际值的单位阶跃响应曲线；
图5是根据本发明实施例的高炉煤气燃烧控制方法的控制流程图。
具体实施方式
下面将参考附图来描述本发明所述的高炉煤气燃烧控制方法的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。
在本实施例中，提供一种高炉煤气燃烧控制方法，如图1的高炉煤气燃气锅炉工艺流程图所示，高炉煤气1经过流量调节阀2输送到锅炉3的炉膛4内，助燃空气5经送风机6输送至炉膛4内，高炉煤气1和助燃空气5在炉膛4中混合燃烧，产生的烟气7由引风机8抽走，炉膛4内燃烧产生的热量加热锅炉3内的水并产生蒸汽9，蒸汽9在汽包10的上部聚集并向外输送，用来驱动汽轮机等设备。为了控制锅炉的蒸汽压力，在该工艺流程中加入燃烧控制器11，该燃烧控制器11包括前馈控制器和预估补偿控制器，该燃烧控制器11采集高炉煤气压力实际值PT1，经过燃烧控制器11运算后输出高炉煤气流量调节阀开度值一。该控制器还采集汽包蒸汽压力实际值PT2，经过燃烧控制器11运算后输出高炉煤气流量调节阀开度值二，两个调节阀开度值叠加后调节流量调节阀的开度，进而控制进入锅炉的炉膛内的煤气。
图2是高炉煤气燃气锅炉控制原理图，在图2中，PT1表示高炉煤气压力实际值；PT2表示汽包蒸汽压力实际值；e(t)表示汽包蒸汽压力偏差值；SP表示汽包压力设定值；u(t)表示高炉煤气流量调节输出值，作为高炉煤气流量调节阀的阀位设定值；G(s)e-τs表示高炉煤气燃气锅炉燃烧过程传递函数；N(s)表示干扰通道传递函数；Gf(s)表示前馈控制器的传递函数，为消除PT1干扰对PT2的影响，设Gf(s)＝-N(s)/[G(s)e-τs]；Gs(s)表示预估补偿控制器的传递函数，为消除u(t)变化对PT2产生的滞后作用影响，设Gs(s)＝G(s)(1-e-τs)。其中，t表示时间，s表示频率。
PT1是高炉煤气压力实际值，PT2是汽包蒸汽压力实际值，通过压力传感器测量高炉煤气压力实际值PT1，将该压力值作为前馈控制器的输入，经过前馈控制器运算输出其对应的高炉煤气流量调节阀开度值一；通过压力传感器测量汽包蒸汽压力实际值PT2，将该汽包蒸汽压力实际值PT2与汽包蒸汽压力设定值比较，获得汽包蒸汽压力偏差值，将该压力偏差值输入预估补偿控制器，预估补偿控制器经过运算输出其对应的高炉煤气流量调节阀开度值二；将前馈控制器输出的高炉煤气流量调节阀开度值一与预估补偿控制器输出的高炉煤气流量调节阀开度值二相叠加，得到炉煤气流量调节阀开度值三；而该高炉煤气流量调节阀开度值三输出信号到流量调节阀，进而控制进入锅炉的炉膛内的煤气量。
通过前馈控制器对采集的高炉煤气压力的运算处理，预估补偿控制器对采集的汽包蒸汽压力的运算处理，优化进入锅炉的炉膛内的煤气量，减少高炉煤气压力波动对蒸汽压力的影响，使得锅炉的汽包蒸汽压力稳定输出。
在一个可选实施例中，高炉煤气燃烧控制方法还包括通过压力传感器测量高炉煤气压力实际值PT1，该压力实际值PT1在输入前馈控制器的同时，还输入到干扰通道内，干扰通道输出汽包蒸汽压力值一，锅炉燃烧输出汽包蒸汽压力值二，汽包蒸汽压力值一和汽包蒸汽压力值二相叠加确定输出的汽包蒸汽压力。
下面结合图5的高炉煤气燃烧控制方法的控制流程图来详细说明控制过程。
当锅炉启动且运行状态稳定后，按照图5所示的流程进行燃烧控制，其包括以下步骤：
步骤S10，确定高炉煤气燃气锅炉燃烧过程的传递函数，在一个可选实施例中，高炉煤气燃气锅炉燃烧过程传递函数如下：
G(s)e-τs＝Ke-τs/(Ts+1)，
其中，G(s)表示高炉煤气燃气锅炉燃烧过程传递函数；
K是放大系数；
T是惯性时间常数；
τ是延迟时间。
在一个可选实施例中，采用PID工程整定法中的Z-N整定法对G(s)e-τs进行整定，用Z-N整定法对高炉煤气燃气锅炉燃烧过程传递函数进行整定的方法是：
给定高炉煤气流量调节阀开度u(t)一个1％的单位阶跃值，观察并记录响应数据，得到汽包蒸汽压力实际值PT2的响应曲线，其形式如图3所示，然后根据PT2的响应曲线，反推出参数T＝T0，K＝K0，τ＝τ0。
步骤S20，确定干扰通道传递函数，在一个可选实施例中，干扰通道传递函数如下：
N(s)＝K/(Ts+1)，
其中，N(s)表示干扰通道传递函数；
K是放大系数；
T是惯性时间常数。
在一个可选实施例中，用PID工程整定法中的Z-N整定法对干扰通道传递函数N(s)进行整定，用Z-N整定法对干扰通道传递函数进行整定的方法是：
给定高炉煤气压力PT1一个1KPa的单位阶跃值，观察并记录响应数据，得到汽包蒸汽压力实际值PT2的响应曲线，其形式如图4所示，然后根据PT2响应曲线，反推获得T＝T1，K＝K1。
步骤S30，依据前两步骤得到的参数值，初始化前馈控制器
依据前两步骤得到的参数值，初始化预估补偿控制器
步骤S40，从现场压力传感器获取汽包蒸汽压力实际值PT2、高炉煤气压力的实际值PT1，并将PT1传输给前馈控制器和干扰通道，将PT2传输给预估补偿控制器。
在一个可选实施例中，通过压力传感器测量高炉煤气压力实际值PT1，该压力值同时作为前馈控制器和干扰通道的输入，与前馈控制器传递函数相乘得到其对应的高炉煤气流量调节阀开度值一为：
PT1*L-1[Gf(s)]，
其中，PT1是高炉煤气压力实际值；
L-1是拉普拉斯反变换；
Gf(s)是前馈控制器的传递函数。
在一个可选实施例中，通过压力传感器测量汽包蒸汽压力实际值PT2，与汽包蒸汽压力设定值SP比较，获得汽包蒸汽压力偏差值e(t)，该压力偏差值作为预估补偿控制器的输入，与预估补偿控制器传递函数相乘得到其对应的高炉煤气流量调节阀开度值二为：
e(t)*L-1[Gs(s)]，
其中，e(t)是汽包蒸汽压力偏差值；
L-1是拉普拉斯反变换；
Gs(s)是预估补偿控制器的传递函数。
步骤S50，预估补偿控制器的输出开度值分量与前馈控制器的输出开度值分量相加，得到高炉煤气流量调节阀的阀位设定值u(t)，
u(t)＝PT1*L-1[Gf(s)]+e(t)*L-1[Gs(s)]
式(1)中，u(t)是高炉煤气流量调节阀开度值三；
L-1表示拉普拉斯反变换，其作用是将频域函数转换为时域函数。
在一个可选实施例中，通过压力传感器测量高炉煤气压力实际值PT1，该压力实际值PT1与干扰通道传递函数相乘得到其对应的汽包蒸汽压力值一，
PT1*L-1[N(s)]
其中，PT1是高炉煤气压力实际值；
L-1是拉普拉斯反变换；
N(s)是干扰通道的传递函数。
步骤S60，时间增加1秒，t＝t+1，返回步骤S30重复。
在一个可选实施例中，在汽包蒸汽压力实际值被输入到预估补偿控制器、高炉煤气压力实际值被输入到前馈控制器之前，对高炉煤气压力实际值、所述汽包蒸汽压力实际值进行滤波处理，滤除其他干扰信号，可以采用硬件进行滤波，如滤波器，也可以采用软件方式滤波，如通过程序进行数值的选取、求平均值等方式滤除干扰。
综上所述，通过本发明的高炉煤气燃烧控制方法，采用前馈控制器与高炉煤气压力比较、采用预估补偿控制器与汽包蒸汽压力比较，调节煤气流量调节阀的开度，进而优化进入锅炉的炉膛内的煤气量，减少高炉煤气压力波动对蒸汽压力的影响，使得锅炉的汽包蒸汽压力稳定。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种高炉煤气燃烧控制方法，包括如下步骤：
获得高炉煤气压力实际值，将所述高炉煤气压力实际值输入到前馈控制器，所述前馈控制器运算后输出高炉煤气流量调节阀开度值一；
获得汽包蒸汽压力实际值，将汽包蒸汽压力实际值与汽包蒸汽压力设定值进行比较，获得汽包蒸汽压力偏差值，将所述汽包蒸汽压力偏差值输入到预估补偿控制器，所述预估补偿控制器运算后输出高炉煤气流量调节阀开度值二；
将所述高炉煤气流量调节阀开度值一与所述高炉煤气流量调节阀开度值二相叠加，得到高炉煤气流量调节阀开度值三，根据所述高炉煤气流量调节阀开度值三控制进入锅炉内的煤气量。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括步骤：
所述高炉煤气压力实际值还输入到干扰通道，所述干扰通道输出的汽包蒸汽压力值一和锅炉燃烧输出的汽包蒸汽压力值二相叠加，得到汽包蒸汽压力。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，高炉煤气燃气锅炉燃烧过程的传递函数如下：
G(s)*e-τs＝Ke-τs/(Ts+1)，
其中，G(s)表示高炉煤气燃气锅炉燃烧过程的传递函数；
K是放大系数；
T是惯性时间常数；
τ是延迟时间；
e是自然常数；
s是频率。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，用Z-N整定法对高炉煤气燃气锅炉燃烧过程的传递函数进行整定的步骤是：
给定高炉煤气流量调节阀的开度一个单位阶跃值；
记录一些输出值，拟合得到汽包蒸汽压力实际值的响应曲线；
根据所述汽包蒸汽压力实际值的响应曲线，反推出K、T、τ值。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，干扰通道的传递函数如下：
N(s)＝K/(Ts+1)，
其中，N(s)表示干扰通道的传递函数；
K是放大系数；
T是惯性时间常数；
s是频率。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，用Z-N整定法对干扰通道的传递函数进行整定的步骤是：
给定高炉煤气压力一个单位阶跃值；
记录一些输出值，拟合得到汽包蒸汽压力实际值的响应曲线；
测量汽包蒸汽压力实际值的响应曲线，获得K、T。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述汽包蒸汽压力偏差值输入预估补偿控制器得到的高炉煤气流量调节阀开度值二为e(t)*L-1[Gs(s)]，
其中，e(t)是汽包蒸汽压力偏差值；
L-1是拉普拉斯反变换；
Gs(s)是预估补偿控制器的传递函数，Gs(s)＝G(s)(1-e-τs)；
e是自然常数；
τ是延迟时间。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述高炉煤气流量调节阀开度值一为：
PT1*L-1[Gf(s)]，
其中，PT1是高炉煤气压力实际值；
L-1是拉普拉斯反变换；
Gf(s)是前馈控制器的传递函数，Gf(s)＝-N(s)/[G(s)e-τs]。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述高炉煤气流量调节阀开度值三的计算公式为：
u(t)＝PT1*L-1[Gf(s)]+e(t)*L-1[Gs(s)]，
其中，u(t)是高炉煤气流量调节阀开度值三；
L-1表示拉普拉斯反变换。
10.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述高炉煤气压力实际值经过干扰通道得到的汽包蒸汽压力值一为PT1*L-1[N(s)]，
其中，PT1是高炉煤气压力实际值；
L-1是拉普拉斯反变换；
N(s)是干扰通道的传递函数，N(s)＝K/(Ts+1)；
K是放大系数；
T是惯性时间常数；
s是频率。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述汽包蒸汽压力实际值被输入到所述预估补偿控制器、所述高炉煤气压力实际值被输入到所述前馈控制器之前，对所述高炉煤气压力实际值、所述汽包蒸汽压力实际值进行滤波处理。
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