CN1096092A - 煤气混合热值和压力解耦控制系统 - Google Patents
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Abstract
一种煤气混合热值和压力解耦控制系统用于混
合煤气热值和压力控制，属于电学部分，其特征在于：
差压变送器(12)、压力调节器(13)、一阶惯性环节
(11)、乘法器(7)(8)、焦炉煤气流量副环和高炉煤气
流量副环组成压力主环，热值测量装置(14)、热值调
节器(15)、Smith预估器(16)、一阶惯性环节(11)、乘
法器(7)(8)、焦炉煤气流量副环和高炉煤气流量副环
组成热值主环，二个主环通过由乘法器(7)(8)、恒值
给定器(9)、减法器(10)和二个流量副环组成的解耦
装置形成二个分治串级调节系统。
Description
一种煤气混合热值和压力解耦控制系统，用于混合煤气热值和压力控制，属于电学部分。
钢铁厂加热炉一般由混合煤气燃烧来提供热能。混合煤气通常由焦炉和高炉煤气混合而成，焦炉煤气和高炉煤气的热值、压力、密度和平均分子量均不相同。目前混合煤气压力和热值控制的方法是：压力调节在高炉和焦炉煤气管道上分别采用两套压力调节系统来实现，热值调节是用两套调节系统联合使用，一套是根据总管压力来调节主导煤气流量，另一套是根据主导煤气的流量而成比例地调节另一种煤气的流量，实现混合煤气、热值控制[“冶金自动化”何建平、袁江红著《混合煤气热值压力双稳微机控制系统》1992年3月第16卷第2期总第93期P.23-P.26（国内统一刊号CN11-2067）]。
背景技术的不足之处在于：1、压力调节和流量调节实际上是彼此耦合，互相影响，很难稳定，并且很难克服外界干扰;2、热值的测量有较大纯滞后，使在线控制难以实现;3、要使用多台仪表设备，并经较多人工干预，而且各个单闭环系统之间协调动作仅凭经验。
本发明的目的在于避免上述背景技术的不足之处而提供一种可以有效地在线同时控制混合煤气的热值和压力，使它和一定比例的空气相配合，在炉内达到完全燃烧的煤气混合热值和压力解耦控制系统，主要采取措施为压力主环和热值主环通过解耦装置共同使用焦炉煤气流量副环和高炉煤气流量副环形成二个分治串级调节系统，压力主环由差压变送器（12）、压力调节器（13）、一阶惯性环节（11）、乘法器（7）、乘法器（8）、焦炉煤气流量副环和高炉煤气流量副环组成，热值主环由热值测量装置（14）、热值调节器（15）、Smith预估器（16）、一阶惯性环节（11）、乘法器（7）、乘法器（8）、焦炉煤气流量副环和压力主环之间由乘法器（7）、乘法器（8）、恒值给定器（9）、减法器（10）和二个流量副环组成解耦装置。
本发明可以通过以下措施来实现：图1为控制系统工艺流程图，热值主环是煤气总管混合煤气热值调节系统，热值主环由热值测量装置（14）、热值调节器（15）、Smith预估器（16）、一阶惯性环节（11）、乘法器（7）、乘法器（8）、焦炉煤气流量副环和高炉煤气流量副环组成。热值主环内的热值调节器（15）采用自动变比例度调节器，其作用是使热值测量值和设定值通过比较得出差值，再通过调节使其相等，消除偏差。压力主环是煤气总管压力调节系统，压力主环由差压变送器（12）、压力调节器（13）、一阶惯性环节（11）、乘法器（7）、乘法器（8）、焦炉煤气流量副环和高炉煤气流量副环组成，其作用是使压力测量值和设定值通过比较得出差值，再通过调节使其相等，消除偏差。
热值主环和压力主环是恒值调节系统，焦炉煤气和高炉煤气混合时，当混合煤气压力变化时，压力调节器输出信号，通过压力调节器调节高炉煤气流量和焦炉煤气流量之和，乘法器（7）、乘法器（8）使二种煤气同时放大（或缩小）相同的倍数，使它们同时放大（或缩小）来调节压力，由于焦炉煤气和高炉煤气流量比值不变，混合煤气热值亦不变。而当混合煤气热值变化时，热值调节器输出信号，使二种煤气一个增加另一个减少，并且增加量等于减少量，使其总流量不变，这样改变二种煤气流量比值来调节热值，而此时混合煤气压力不变。
图2为控制系统方框图，以图所示，其动作关系简述如下：当压力有干扰时，压力的测量值偏离给定值，通过压力调节器（13）输出控制信号y3，送到乘法器（7）和（8），在乘法器（7）中Y3与热值调节器的输出y2相乘，输出r3＝y2y3作为焦炉煤气的流量设定值，在乘法器（8）中y3与1-y2相乘，输出r4＝y3（1-y2）作为高炉煤气的流量设定值。这里r3≈qv1，r4≈qv2。这时两种煤气的流量设定值之比为：
(R3)/(R4) = (y3·y2)/(y3(1-y2)) = (y2)/(1-y2)
两种煤气流量的设定之和为：
r3+r4＝y3·y2+y3·（1-y2）＝y3
可见，两种煤气流量的比例只取决于热值调节器的输出，在压力调节器调节两种煤气流量成比例地改变时，并不改变混合煤气的热值。
当热值有干扰时，热值的测量值偏离给定值，通过热值主调节器输出控制信号y2，将y2和（1-y2）分别送到乘法器（7）和（8），在乘法器（7）中y2输入信号y3相乘，其输出r3作为焦炉煤气流量的给定值，在乘法器（8）中（1-y2）与y3相乘其输出r4作为高炉煤气流量的给定值，即焦炉煤气流量调节器的给定信号为r3＝y3y2，高炉煤气流量调节器的给定信号为r4＝y3（1-y2）。由此可见，热值调节器输出y2的改变，使焦炉煤气流量和高炉煤气流量一个增加，另一个减少，只改变二种煤气流量的比例而不改变两种煤气的总流量，两种煤气的总流量只取决于压力调节器（13）的输出y3，在压力不变的条件下进行流量比值调节来实现热值调节。
热值调节器（15）的输出y2控制二种煤气流量的比例来调节热值，压力调节器（13）的输出y3控制二种煤气的总量来调节压力。
为了使整个调节系统正常工作，必须消除环与环之间的动态干扰，在压力调节器输出端加接一个一阶惯性环节（11），又在热值调节器输出端加接一个一阶惯性环节（11′），使热值主环回路振荡周期为压力主环振荡周期的3倍以上，压力主环回路振荡周期又为二个副环回路振荡周期的3倍以上，此时二个副环进行跟踪调节，常用的阻尼器就是一个阶惯性环节，只需调整其时间常数就可达到，如果一个一阶惯性环节时间常数不够用，可以再串一个。系统中流量副环、压力主环和热值主环它们之间通过分别整定以后，就可以实现整个系统的正常调节。
要实现热值自动调节，必须测量热值，但目前热值测量纯滞后太大，使测量值反应不及时，降低控制质量，为此要加纯滞后补偿装置，在热值主环内将Smith预估器（16）反向并接在热值调节器（15）上，就可以实现热值的在线测量和实时控制。
热值主环和压力主环都是按偏差调节的，它们都能把各自回路中的一切干扰给予消除。
该系统采用二个串级系统共用二个协调动作的副环，焦炉煤气流量副环由孔板（1）、差压变送器（2）、开方器（3）、调节器（4）、电动执行器（5）、调节蝶阀（6）组成。高炉煤气流量副环由孔板（1′）、差压变送器（2′）、开方器（3′）、变比例度调节器（4′）、电动执行器（5′）、调节蝶阀（6′）组成。这二个副环皆为随动调节系统，它们的输入值都是主环调节器给予的，其有一定的自适应能力，能适应工况变化和克服系统中非线性问题，焦炉煤气流量副环和高炉煤气流量副环近似为无惯性环节，各自独立，在热值主环和压力主环中这二个副环的动作相对于主环来说都很快，它们以相对量来表示时 (qv（s）)/(r（s）) ≈1，可认作是一个“环节”其特性是输出与输入相同。
为了获得较好的调节特性，热值主环内的热值测量与其控制量（两种煤气比值）两者成非线性关系，为了克服非线性对调节系统的影响，热值主环内的热值调节器（15）采用自动变比例度调节器，使其增益为一常数希望值，以达到静态自适应控制。
该发明的特点是：当压力变化时，使两种煤气流量成比例地增加或减少来调节压力，这样由于两种煤气流量比值不变，而使其热值不变;当热值变化时，使二种煤气流量的比例改变来调节热值，此时，若一种煤气流量增加等于另一种煤气流量减少而使两种煤气流量的总流量不变，则其不改变压力。这样压力调节而不影响其热值，热值调节而不影响其压力，二者在调节过程中互不影响，从而实现双解耦，避免了压力和热值的反复调节。
图1控制系统工艺流程图
图2控制系统方框图
图3kMM仪表模块组态图
下面结合实施例对本发明进一步加以阐述：
焦炉煤气实际流量为qv1＝1500m3/h，高炉煤气实际流量为qv2＝8820m3/h，确定焦炉煤气流量表刻度为0～2000m3/h，确定高炉煤气流量表刻度为0～10000m3/h。
这样焦炉煤气流量和高炉煤气流量最大刻度值之比为：
qv2max/qv1max＝10000/2000＝5
为了能进行精密控制，用kMM可编程调节器来完成对混合煤气的热值和压力控制，系统结构简单，易于设计和操作，投资少，收效快。
图3为kMM仪表模块组态图。
本控制系统共使用两台KMM表，第一台1KMM表主要供热值主环用，第二台2kMM表主要供压力主环用。两台KMM各用一块EPROM-2716，作为存储调用指令。1KMM共使用28个模块。
其中模块5-DVD为2-MUL的反运算，以供实现无扰动使用。
其中模块10-ADD和11-L/L为假定焦炉煤气流量对象特性。
其中模块20-L/L和21-DED为假定热值对象和测量特性。
其中模块18-L/L、19-DED和22-ADD为外加Smith补偿器Gp（1-e-τs）的特性，而模块25-ADD则将两者合成消去e-τs。
其中模块26-TBL1、27-MUL和28PMD1分别为矫正非线性特性分段线性化环节和自动变比例度环节。
2KMM共用18个模块。它与1KMM组态有些相同。
其中模块5-DVD为2-MUL的反运算，以供实现无扰动切换使用。
其中模块10-ADD和11-L/L为高炉煤气流量对象特性。
其中模块14-ADD和15-L/L为假定压力对象特性。
在1KMM中，模块10-ADD和11-L/L构成焦炉煤气流量对象特性同时送至2KMM，在2KMM中模块10-ADD和11-L/L构成高炉煤气流量对象特性同时送至1KMM，它们皆为两主环所共用。
在1KMM和2KMM中内部信号皆采用规格化数据，因此内部通道采用LLM和HLM限幅器来选取有效数据。
这里说明一下热值主环中Smith补偿：
模块20-L/L与21-DED为模拟对象，设T2＝0.30，T3＝1.60。模块18-L/L、19-DED和22-ADD为外加补偿环节，设置T4＝0.31，T5＝1.61。它们对应值略有偏差，这是考虑到测量和实施中可能产生较小偏差。在模拟实验中补偿器放在与对象联接在一起，而在现场使用时则与控制器联接在一起，它们两者作用是等同的。
以上表1KMM主要对热值主环进行控制运算，以下表2KMM主要对压力主环进行控制运算。由于两个主环都需要对两流量之和进行运算，为了简化结构，避免重复，仅由表1KMM模块13-ADD运算，除在本表内继续对热值运算外，还输送到表2KMM（经过AI3）对压力进行控制。压力主环控制基本上和普通单闭环恒值控制一样，只是这里调节量为两流量之和。模块14-ADD中P6＝170，为压力对象模拟放大系数。模块16-ADD中P8＝300，P8在调试中也起重要的作用，只有配置它为一适当值时，系统才能处于稳定状态，它过小不行，过大也不行。如果由模拟调试转为现场调试时，可以省去此模块，这时在调节器可以改变比例度来实现。
在1KMM模块13-ADD中，P1＝16.7，P2＝83.3，这个模块为热值主环和压力主环共同使用。
设焦炉煤气热值Q1＝5000Kcal/m3，高炉煤气热值Q2＝850Kcal/m3，这样焦炉煤气和高炉煤气热值之比为：Q1/Q2＝5000/850＝5.8823。
模块12-ADD中，P1＝54.1，P2＝45.9。
模块14-MUL，15-MUL和16-DVD参数设置，要考虑16-DVD无溢出，这样14-MUL输出作分子不能过大，且15-MUL输出用分母不能过小。KMM表最大输出值为799.9%，非线性可能修正的最大数值应小于7.999。
设计14-MUL中P7＝22，15-KUL中P8＝100。
P7与P8为分子分母，改变其值且不为零，等于改变系统的放大系数，相当于改变调节器的比例度。
设计16-DVD中P9＝0，17-ADD中P10＝0，P11＝160。
P11在调试中起重要作用。只有配置它为一适当值时系统才处于稳定状态，过小不行，过大也不行。如果由模拟调试转为现场应用调试时可省去此模块，而在调节器中改变比例度来达到。
设计27-MUL中P12＝50，这里P12取值可以改变校正后比例度的大小，从而可以改变系统总增益而达到配合系统调节的目的。
模块28-TBL1的选择，因为热值调节系统中控制量y2和（1-y2）与被控对象热值计算系数Q1和Q2它们联系在一起，构成整个原热值控制系统的非线性。这种非线性特性函数式也就是热值计算公式。原系统自身的非线性可以由非线性特性分段线性化校正函数和变比例度来实现，而使其总增益为一常数希望值，这里非线性分段线性化校正特性可以取自身非线性分段线性化特性函数的倒数。而比例度又为增益的倒数。两者结合，可直接取自身非线性分段线性化的函数参数为比例度函数参数。
热值主环和压力主环是相互联系的。互相联结的通道是1KMM-AO2与2KMM-AI2、1KMM-AI2与2KMM-AO2、1KMM-AO3与2KMM-AI3、1KMM-AI3与2KMM-AO3。
热值主环在1KMM内，AO1与AI1连接自成闭环。
压力主环在2KMM内，AO1与AI1连接自成闭环。
按照上述方式安装的模块，然后按照工艺给定的压力和热值给定值，可实时自动控制混合煤气的热值和压力。
本发明与背景技术相比优点如下：
1、实现了同时在线测量并控制混合煤气的热值和压力;
2、实现热值、压力、流量自动控制混合煤气与空气相配合呈最佳比例，使混合煤气完全燃烧;
3、热值测量与控制无滞后现象，控制实时;
4、热值控制在较宽调节范围内实现稳定调节。
Claims (5)
1、一种煤气混合热值和压力解耦控制系统，其特征在于：压力主环和热值主环通过解耦装置共同使用焦炉煤气流量副环和高炉煤气副环形成二个分治串级调节系统，压力主环由差压变送器(12)、压力调节器(13)、一阶惯性环节(11)、乘法器(7)、乘法器(8)、焦炉煤气流量副环和高炉煤气流量副环组成，热值主环由热值测量装置(14)、热值调节器(15)、Smith预估器(16)、一阶惯性环节(11′)、乘法器(7)、乘法器(8)、焦炉煤气流量副环和高炉煤气流量副环组成，在热值主环和压力主环之间由乘法器(7)、乘法器(8)、恒值给定器(9)、减法器(10)和二个流量副环组成解耦装置。
2、根据权利要求1所述的煤气混合热值和压力解耦控制系统，其特征在于：焦炉煤气流量副环由孔板（1）、差压变送器（2）、开方器（3）、调节器（4）、电动执行器（5）、调节蝶阀（6）组成。
3、根据权利要求1所述的煤气混合热值和压力解耦控制系统，其特征在于：高炉煤气流量副环由孔板（1′）、差压变送器（2′）、开方器（3′）、调节器（4′）、电动执行器（5′）、调节蝶阀（6′）组成。
4、根据权利要求1所述的煤气混合热值和压力解耦控制系统，其特征在于：热值主环内的热值调节器（15）采用自动变比例度调节器。
5、根据权利要求1所述的煤气混合热值和压力解耦控制系统，其特征在于：Smith预估器（16）反向并接在热值调节器（15）上。
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