CN111752313A - 一种气化炉变换气和未变换气的流量协同控制方法及控制系统装置 - Google Patents
一种气化炉变换气和未变换气的流量协同控制方法及控制系统装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种气化炉变换气和未变换气的流量协同控制方法及控制系统装置，当未变换气流量调节阀位在有效控制区间内时，变换气调节阀通过积分控制未变换气流量调节阀位，使得未变换气流量调节阀位处于有效调节区间的中间值；当未变换气流量调节阀位在有效控制区间外时，变换气调节阀通过比例积分微分控制未变换气流量调节阀位，使得未变换气流量调节阀位回到有效调节区间。本发明根据未变换气流量调节阀位所在不同区间，使用不同的控制策略，克服两股流量之间的耦合性，能够根据负荷变化快速稳定对变换气和未变换气流量进行调节，避免因流量调节不及时对下游装置造成波动，同时降低装置人员操作量。
Description
技术领域
本发明属于流量控制技术领域，涉及一种流量协同控制方法及控制系统装置，尤其涉及一种气化炉变换气和未变换气的流量协同控制方法及控制系统装置。
背景技术
煤气化工艺是生产合成气产品的主要途径之一，通过气化过程将固态的煤转化成气态的合成气，同时副产蒸汽、灰渣等副产品。煤气化装置的稳定运行对下游用户至关重要，进行过程控制优化，提高装置自动化控制水平不仅可以降低装置操作人员工作强度，也可以提高装置运行稳定性，在稳定控制基础上可进一步进行参数优化，达到节能降耗的需求。
CN10597328A公开了一种基于液晶温控微阀流量协同控制系统，包括微通道、基底、液晶、温度控制元件、温度传感器、压力传感器和控制芯片；微通道设置于基底上方；液晶设置于微通道内并可沿通道方向流动；温度控制元件和温度传感器设置于垂直液晶流向的两侧微通道壁内；压力传感器设置于微通道入口和各分支出口处；温度控制元件、温度传感器、压力传感器均连接到控制芯片上。
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气化炉生成的合成气根据下游产品的需求，可分为变换气和未变换气两部分，当负荷调整或下游需求发生变化后，需对这两股气流量进行调节。变换气和未变换气流量的快速稳定调节，对下游装置运行十分重要。由于两股流量控制存在相互耦合的问题，当前大多数装置在未变换气流股使用流量控制，而变换气流股使用阀位控制，主要通过调节未变换气流量控制这两股流量。但当负荷变化，需要进行调整时，未变换气流量调节能力有限，当其控制回路阀门过大或过小时，无法对该回路流量进行有效控制，需要手动调节变换气调节阀位，人工干预较多，且存在调节不及时的问题。由于这两流股流量相互耦合，变换气流股需要考虑流量、压差等参数，需要考虑因素较多，单回路控制无法满足需求，人工干预较多。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种气化炉变换气和未变换气的流量协同控制方法及控制系统装置，本发明根据未变换气流量调节阀位所在不同区间，使用不同的控制策略，通过变换气调节阀对未变换气流量控制调节阀进行控制，实现气化炉变换气和未变换气流量的协同控制，克服两股流量之间的耦合性，能够根据负荷变化快速稳定对变换气和未变换气流量进行调节，避免因流量调节不及时对下游装置造成波动，同时降低装置人员操作量。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种气化炉变换气和未变换气的流量协同控制方法，所述的流量协同控制方法包括：
气化炉产品气经气液分离后分为变换气和未变换气，变换气和未变换气分别经变换气管路和未变换气管路输送至下游，变换气管路和未变换气管路上分别设置反馈控制的变换气调节阀和未变换气流量调节阀，当未变换气流量调节阀位在有效控制区间内时，变换气调节阀通过积分控制未变换气流量调节阀位，使得未变换气流量调节阀位处于有效调节区间的中间值；当未变换气流量调节阀位在有效控制区间外时，变换气调节阀通过比例积分微分控制未变换气流量调节阀位，使得未变换气流量调节阀位回到有效调节区间。
本发明根据未变换气流量调节阀位所在不同区间，使用不同的控制策略，通过变换气调节阀对未变换气流量控制调节阀进行控制，实现气化炉变换气和未变换气流量的协同控制，克服两股流量之间的耦合性，能够根据负荷变化快速稳定对变换气和未变换气流量进行调节，避免因流量调节不及时对下游装置造成波动，同时降低装置人员操作量。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的流量协同控制方法具体包括如下步骤：
S1当未变换气流量调节阀位MV1在有效控制区间内时，变换气调节阀通过积分控制未变换气流量调节阀位，未变换气流量调节阀位的设定值为a，根据读取的MV1与a的偏差ΔMV1(t)进行积分控制，使未变换气流量调节阀位处于a，其中，a为有效控制区间的中间值；
S2当未变换气流量调节阀位MV2超过有效调节区间上限值Max时，变换气调节阀通过比例积分微分控制未变换气流量调节阀位，未变换气流量调节阀位的设定值由a调整为b，根据读取的MV2与b的偏差ΔMV2(t)进行比例积分微分控制，使未变换气流量调节阀位回到有效控制区间，其中b＝Max-5；
S3当未变换气流量调节阀位MV3低于有效调节区间上限值Min时，变换气调节阀通过比例积分微分控制未变换气流量调节阀位，未变换气流量调节阀位的设定值由a调整为c，根据读取的MV3与c的偏差ΔMV3(t)进行比例积分微分控制，使未变换气流量调节阀位回到有效控制区间，其中c＝Min+5。
作为本发明一种优选的技术方案，步骤S1中，所述的积分控制的动态关系满足下式：
其中，ΔMV(t)为变换气调节阀的开度在t时刻的变化量。
ΔMV1(t)为t时刻，未变换气流量调节阀门的目标值与实际值之间的偏差，即ΔMV1(t)＝a-MV1，其中，a＝(max+min)/2。
Kp1为比例增益，Td1为积分时间。
优选地，Kp1＝0.1～0.5，Td1＝100～300；可选地，Kp1可以是0.1、0.2、0.3、0.4或0.5，Td1可以是100、10、120、130、140、150、160、170、180、190、200、210、20、230、240、250、260、270、280、290或300，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明一种优选的技术方案，步骤S2中，所述的比例积分微分控制的动态关系满足下式：
其中，ΔMV(t)为变换气调节阀的开度在t时刻的变化量。
ΔMV2(t)为t时刻，未变换气流量调节阀门的目标值与实际值之间的偏差，即ΔMV2(t)＝MV2-b，其中，b＝Max-5。
Kp2为比例增益，Td2为积分时间，Ts2为微分时间。
优选地，Kp2＝1～5，Td2＝60～150，Ts2＝1～5；可选地，Kp2可以是1、2、3、4或5，Td2可以是60、70、80、90、100、10、120、130、140或150，Ts2可以是1、2、3、4或5，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明一种优选的技术方案，步骤S3中，所述的比例积分微分控制的动态关系满足下式：
其中，ΔMV(t)为变换气调节阀的开度在t时刻的变化量。
ΔMV3(t)为t时刻下，未变换气流量调节阀门的目标值与实际值之间的偏差，即ΔMV3(t)＝c-MV3，其中，c＝min+5。
Kp3为比例增益，Td3为积分时间，Ts3为微分时间。
优选地，Kp3＝2～20，Td3＝120～360，Ts3＝1.2～6；可选地，Kp3可以是2、3、4、5、6、7、8、9、10、1、12、13、14、15、16、17、18、19或20，Td3可以是120、140、160、180、200、20、240、260、280、300、320、340或360，Ts3可以是1.2、2、3、4、5或6，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明一种优选的技术方案，待步骤S2调节稳定后，进行步骤S4。
S4包括：当未变换气流量调节阀位MV2回到有效控制区间后，未变换气流量调节阀位的设定值由b再次调整为a，重复步骤S1，使未变换气流量调节阀位回归a。
待步骤S3调节稳定后，进行步骤S5。
步骤S5包括：当未变换气流量调节阀位MV3回到有效控制区间后，未变换气流量调节阀位的设定值由c再次调整为a，重复步骤S1，使未变换气流量调节阀位回归a。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的流量协同控制方法还包括：
在变换气管路上设置压差控制装置，通过压差控制装置对变换气流股压差进行控制保护。
优选地，所述的控制保护的逻辑关系为：
当变换气流股压差实测值PDI超过设定值PDI0时，由压差控制装置对变换气调节阀进行控制，当变换气流股压差实测值PDI低于设定值PDI0时，由未变换气流量调节阀位对变换气调节阀进行控制。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的压差控制装置的控制动态关系满足下式：
其中，ΔMV(t)为变换气调节阀的开度在t时刻的变化量。
ΔPDI(t)为t时刻，变换气流股压差实测值与设定值之间的偏差，即ΔPDI(t)＝PDI-PDI0。
Kp为比例增益，Td为积分时间，Ts为微分时间。
优选地，Kp＝0.1～1，Td＝20～100，Ts＝0.5～5；可选地，Kp可以是0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9或1，Td可以是20、30、40、50、60、70、80、90或100，Ts可以是0.5、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5或5，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
第二方面，本发明提供了一种气化炉变换气和未变换气的流量协同控制系统装置，所述的流量协同控制系统装置包括气液分离装置，所述的气液分离装置入口外接气化炉产品气管路，所述的气液分离装置出口分为相互独立的变换气管路和未变换气管路。
所述的变换气管路上设置有变换气调节阀，所述的未变换气管路上设置有未变换气流量调节阀，所述的变换气调节阀和未变换气流量调节阀通过控制装置反馈控制连接。
作为本发明一种优选的技术方案，所述的变换气管路上沿变换气流向依次设置有流量计和压差控制回路。
优选地，所述的未变换气管路上设置有流量控制回路。
所述系统是指设备系统、装置系统或生产装置。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明提供的气化炉变换气和未变换气的流量协同控制方法能够克服变换气流量和未变换气流量的相互耦合，对二者进行协同控制，使未变换气流量进行快速稳定调节；
(2)针对未变换气流量调节阀的不同区间，使用不同的控制器及控制参数，能够克服该控制过程的非线性，同时避免变换气调节阀的过大动作，对下游造成波动；
(3)增加变换气压差和阀位保护逻辑，确保该控制过程的安全性。变换气和未变换气流量协同控制，能够对二者的流量进行快速稳定调节，为气化装置负荷调整提供了较好的基础，提高了装置运行的自动化水平和稳定性，降低操作人员操作量。
附图说明
图1为本发明一个具体实施方式提供的流量协同控制系统装置的结构示意图。
其中，1-气液分离装置；2-未变换气流量调节阀；3-流量计；4-变换气调节阀。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
在一个具体实施方式中，本发明提供了一种如图1所示的流量协同控制系统装置，所述的流量协同控制系统装置包括气液分离装置1，气液分离装置1入口外接气化炉产品气管路，气液分离装置1出口分为相互独立的变换气管路和未变换气管路。变换气管路上设置有变换气调节阀4，未变换气管路上设置有未变换气流量调节阀2，变换气调节阀4和未变换气流量调节阀2通过控制装置反馈控制连接。变换气管路上沿变换气流向依次设置有流量计3和压差控制回路；未变换气管路上设置有流量控制回路。
流量协同控制系统装置还包括分布式控制系统(DCS)，通过DCS采集未变换气流量、未变换气流量调节阀2、变换气流量、变换气压差以及变换气调节阀4的数据并实现数据通讯和人机交互。
本发明提供的流量协同控制系统装置采用如下控制逻辑：
(1)在DCS系统的操作界面输入如下参数：
未变换气流量阀位有效调节区间上限值Max、未变换气流量阀位有效调节区间下限值Min，未变换气流量调节阀位的设定值a(a为上限值Max和下限值Min的中间值)，变换气压差保护上限值PDIC0；
(2)当未变换气流量调节阀位MV1在有效控制区间时，将控制装置切换至纯积分控制，变换气调节阀4通过积分控制未变换气流量调节阀位，未变换气流量调节阀位的设定值为a，根据读取的MV1与a的偏差ΔMV1(t)进行积分控制，使未变换气流量调节阀位处于a，纯积分控制的动态关系满足下式：
(3)在DCS系统的操作界面输入参数b和c，其中b＝Max-5，c＝Min+5。
当未变换气流量调节阀位MV2超过有效调节区间上限值Max时，将控制装置切换至比例积分微分控制，变换气调节阀4通过比例积分微分控制未变换气流量调节阀位，未变换气流量调节阀位的设定值由a调整为b，根据读取的MV2与b的偏差ΔMV2(t)进行比例积分微分控制，使未变换气流量调节阀位回到有效控制区间，比例积分微分控制的动态关系满足下式：
未变换气流量调节阀位MV2回到有效控制区间后，未变换气流量调节阀位的设定值由b再次调整为a，重复步骤S1，使未变换气流量调节阀位MV2回归a值。
(4)当未变换气流量调节阀位MV3低于有效调节区间上限值Min时，将控制装置切换至比例积分微分控制，变换气调节阀4通过比例积分微分控制未变换气流量调节阀位，未变换气流量调节阀位的设定值由a调整为c，根据读取的MV3值与c的偏差ΔMV3(t)进行比例积分微分控制，使未变换气流量调节阀位回到有效控制区间，比例积分微分控制的动态关系满足下式：
未变换气流量调节阀位MV3回到有效控制区间后，未变换气流量调节阀位的设定值由c再次调整为a，重复步骤S1，使未变换气流量调节阀位MV3回归a值。
(5)在变换气管路上设置压差控制装置，通过压差控制装置对变换气流股压差进行控制保护，当变换气流股压差实测值PDI超过设定值PDI0时，由压差控制装置对变换气调节阀4进行控制，当变换气流股压差实测值PDI低于设定值PDI0时，由未变换气流量调节阀位对变换气调节阀4进行控制，压差控制装置的控制动态关系满足下式：
实施例
流量协同控制系统装置的变换气流量为290000Nm3/h，未变换气流量为250000Nm3/h，此时，未变换气流量调节阀位在48～52％波动，变换气调节阀4在60％附近波动。
未变换气流量调节阀位的有效调节区间为20～80％，即有效调节区间上限值Max为80％，有效调节区间下限值为20％，未变换气流量调节阀位的实际值MV1(48～52％)在有效调节区间(20～80％)内，未变换气流量调节阀位的设定值a为50％(有效调节区间的中间值)，根据实时读取的MV1值与a值的偏差ΔMV1(t)，变换气调节阀4通过积分控制未变换气流量调节阀位，使未变换气流量调节阀位的实际值MV1处于50％。
纯积分控制的动态关系满足下式：
其中，Kp1＝0.1，Td1＝200。
根据下游工艺对未变换气流量的需求大小不同，存在如下两种不同的工况：
工况一：当下游工段对未变换气的流量需求较大时，未变换气流量逐渐提升至280000Nm3/h，未变换气流量调节阀位MV2增大至80～83％，此时超过了有效调节区间(20～80％)，控制装置由纯比例控制切换为比例积分微分控制，未变换气流量调节阀位的设定值由a(50％)调整为b(b＝Max-5＝80-5＝75％)，根据实时读取的MV2与预设值b的偏差ΔMV2(t)，变换气调节阀4通过比例积分微分控制未变换气流量调节阀位，变换气调节阀4位由60％较快调节至58％，未变换气流量调节阀位根据流量调节情况由82％减小为76％。
比例积分微分控制的动态关系满足下式：
其中Kp2＝5，Td2＝60，Ts2＝1。
此时，控制装置由比例积分微分控制重新切换至纯积分控制，未变换气流量调节阀位设定值由b(75％)再次调整为a(50％)，变换气调节阀4由58％缓慢调整调节至50％，未变换气流量调节阀位在54～58％波动，达到稳定。
工况二：当下游工段对未变换气的流量需求较小时，未变换气流量逐渐降低至230000Nm3/h，未变换气流量调节阀位MV3逐渐减小至17～20％，此时低于有效调节区间(20～80％)，控制装置由纯比例控制切换为比例积分微分控制，未变换气流量调节阀位的设定值由a(50％)调整为c(c＝Min+5＝20+5＝25％)，根据读取的MV3与c的偏差ΔMV3(t)进行比例积分微分控制，变换气调节阀4通过比例积分微分控制未变换气流量调节阀位，变换气调节阀4由60％较快调节至63％，未变换气流量调节阀位根据流量调节情况由18％增大26％。比例积分微分控制的动态关系满足下式：
其中Kp3＝2，Td3＝120，Ts3＝1.2。
此时，控制装置由比例积分微分控制切换至纯积分控制，未变换气流量调节阀位的设定值由c(25％)调整为a(50％)，变换气调节阀4由63％缓慢调整调节至73％，未变换气流量调节阀位在40～45％波动，达到稳定。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种气化炉变换气和未变换气的流量协同控制方法，其特征在于，所述的流量协同控制方法包括：
气化炉产品气经气液分离后分为变换气和未变换气，变换气和未变换气分别经变换气管路和未变换气管路输送至下游工段，变换气管路和未变换气管路上分别设置反馈控制的变换气调节阀和未变换气流量调节阀；当未变换气流量调节阀位在有效控制区间内时，变换气调节阀通过积分控制未变换气流量调节阀位，使得未变换气流量调节阀位处于有效调节区间的中间值；当未变换气流量调节阀位在有效控制区间外时，变换气调节阀通过比例积分微分控制未变换气流量调节阀位，使得未变换气流量调节阀位回到有效调节区间。
2.根据权利要求1所述的流量协同控制方法，其特征在于，所述的流量协同控制方法具体包括如下步骤：
S1当未变换气流量调节阀位MV1在有效控制区间内时，变换气调节阀通过积分控制未变换气流量调节阀位，未变换气流量调节阀位的设定值为a，根据读取的MV1与a的偏差ΔMV1(t)进行积分控制，使未变换气流量调节阀位处于a，其中，a为有效控制区间的中间值；
S2当未变换气流量调节阀位MV2超过有效调节区间上限值Max时，变换气调节阀通过比例积分微分控制未变换气流量调节阀位，未变换气流量调节阀位的设定值由a调整为b，根据读取的MV2与b的偏差ΔMV2(t)进行比例积分微分控制，使未变换气流量调节阀位回到有效控制区间，其中b＝Max-5；
S3当未变换气流量调节阀位MV3低于有效调节区间上限值Min时，变换气调节阀通过比例积分微分控制未变换气流量调节阀位，未变换气流量调节阀位的设定值由a调整为c，根据读取的MV3与c的偏差ΔMV3(t)进行比例积分微分控制，使未变换气流量调节阀位回到有效控制区间，其中c＝Min+5。
3.根据权利要求2所述的流量协同控制方法，其特征在于，步骤S1中，所述的积分控制的动态关系满足下式：
其中，ΔMV(t)为变换气调节阀的开度在t时刻的变化量；
ΔMV1(t)为t时刻，未变换气流量调节阀门的目标值与实际值之间的偏差，即ΔMV1(t)＝a-MV1，其中，a＝(max+min)/2；
Kp1为比例增益，Td1为积分时间；
优选地，Kp1＝0.1～0.5，Td1＝100～300。
4.根据权利要求2或3所述的流量协同控制方法，其特征在于，步骤S2中，所述的比例积分微分控制的动态关系满足下式：
其中，ΔMV(t)为变换气调节阀的开度在t时刻的变化量；
ΔMV2(t)为t时刻，未变换气流量调节阀门的目标值与实际值之间的偏差，即ΔMV2(t)＝MV2-b，其中，b＝Max-5；
Kp2为比例增益，Td2为积分时间，Ts2为微分时间；
优选地，Kp2＝1～10，Td2＝60～150，Ts2＝1～5。
5.根据权利要求2-4任一项所述的流量协同控制方法，其特征在于，步骤S3中，所述的比例积分微分控制的动态关系满足下式：
其中，ΔMV(t)为变换气调节阀的开度在t时刻的变化量；
ΔMV3(t)为t时刻下，未变换气流量调节阀门的目标值与实际值之间的偏差，即ΔMV3(t)＝c-MV3，其中，c＝min+5；
Kp3为比例增益，Td3为积分时间，Ts3为微分时间；
优选地，Kp3＝2～20，Td3＝120～360，Ts3＝1.2～6。
6.根据权利要求2-5任一项所述的流量协同控制方法，其特征在于，待步骤S2调节稳定后，进行步骤S4；
S4包括：当未变换气流量调节阀位MV2回到有效控制区间后，未变换气流量调节阀位的设定值由b再次调整为a，重复步骤S1，使未变换气流量调节阀位回归a值；
优选地，待步骤S3调节稳定后，进行步骤S5；
S5包括：当未变换气流量调节阀位MV3回到有效控制区间后，未变换气流量调节阀位的设定值由c再次调整为a，重复步骤S1，使未变换气流量调节阀位回归a值。
7.根据权利要求1-6任一项所述的流量协同控制方法，其特征在于，所述的流量协同控制方法还包括：
在变换气管路上设置压差控制装置，通过压差控制装置对变换气流股压差进行控制保护；
优选地，所述的控制保护的逻辑关系为：
当变换气流股压差实测值PDI超过设定值PDI0时，由压差控制装置对变换气调节阀进行控制，当变换气流股压差实测值PDI低于设定值PDI0时，由未变换气流量调节阀位对变换气调节阀进行控制。
8.根据权利要求7所述的流量协同控制方法，其特征在于，所述的压差控制装置的控制动态关系满足下式：
其中，ΔMV(t)为变换气调节阀的开度在t时刻的变化量；
ΔPDI(t)为t时刻，变换气流股压差实测值与设定值之间的偏差，即ΔPDI(t)＝PDI-PDI0；
Kp为比例增益，Td为积分时间，Ts为微分时间；
优选地，Kp＝0.1～1，Td＝20～100，Ts＝0.5～5。
9.一种气化炉变换气和未变换气的流量协同控制系统装置，其特征在于，所述的流量协同控制系统装置用于进行权利要求1-8任一项所述的流量协同控制方法；
所述的流量协同控制系统装置包括气液分离装置，所述的气液分离装置入口外接气化炉产品气管路，所述的气液分离装置出口分为相互独立的变换气管路和未变换气管路；
所述的变换气管路上设置有变换气调节阀，所述的未变换气管路上设置有未变换气流量调节阀，所述的变换气调节阀和未变换气流量调节阀通过控制装置反馈控制连接。
10.根据权利要求9所述的流量协同控制系统装置，其特征在于，所述的变换气管路上沿变换气流向依次设置有流量计和压差控制回路；
优选地，所述的未变换气管路上设置有流量控制回路。
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