JP5433984B2 - コークス炉ドライメン圧力制御方法および装置 - Google Patents
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Description
本発明は、コークス炉のドライメン圧力を制御するコークス炉ドライメン圧力制御方法および装置に関するものである。
従来のコークス炉ドライメン圧力制御方法では、石炭装入時にドライメン内における圧力の大きな上昇を抑制しようとする技術が開示されている。例えば、特許文献１には、石炭装入作業に入る前においては、ドライメン内の圧力が急激に大きく上昇するのを押さえるために、ドライメン内の圧力を検知し、これを用いて目標圧力値との差を無くすために、ドライメンとサクションメインとの間の圧力調整弁の開度を修正するフィ−ドバック制御を行ない、そして、石炭装入作業に入ったら、ＰＩＣ制御装置へ送信し、予め設定した開度分加算してＰＩＣの制御ダンパ−（圧力調節弁を指す）に出力させるフィ−ドフォワ−ド制御を行なう（特許文献１の明細書第１欄、特許請求の範囲第１３〜２７行参照）ことを要旨とする技術が開示されている。そして、フィ−ドフォワ−ド制御(以下、ＦＦ制御とも略記する)時の圧力調節弁の開度とフィ−ドフォワ−ド制御の継続時間を予め設定して操業を行っている。
しかしながら、上述の従来技術では、圧力調節弁の1次側の圧力変動要素しか考慮しておらず、圧力調節弁の2次側であるブロワー及びガス精製設備の影響を考慮していないため、精製設備の集塵装置の詰まり等によるサクションメインにかかる吸引力の変動が引き起こす圧力制御プロセスのゲイン変化に対応できないという問題点がある。
また、フィ−ドフォワ−ド制御(以下、ＦＦ制御とも略記する)時の圧力調節弁の開度とフィ−ドフォワ−ド制御の継続時間を予め設定しているため、装炭量変化等の操業変化および設備劣化等の影響による装炭時のガス流量変化に対応できずドライン圧力が不安定になるという問題もある。
以下に、従来技術の課題を詳述する。図８は、従来のドライメン圧力制御装置を説明する図である。図中、１はコークス炉、２はドライメン(集合管)、３は放散管、４は導圧管、５は圧力発信器、６は圧力調節弁、７は油圧装置、８は輸送管、９はＰＩ調節計、および１０は制御装置をそれぞれ示す。
コークス炉１に複数ある炭化室（図示せず）から発生したＣガスをドライメン(集合管)２で集めて、圧力発信器５および２次側の輸送管８を経由して、ガス精製設備（図示せず）へブロワーで吸気している。ドライメン２内のＣガス圧力を導圧管４で導いて圧力発信器５で測定し、測定した現在値(ＰＶ値)を制御装置１０中のＰＩ調節計９に送信し、ＰＶ値にもとづいた制御信号を油圧装置７(例えば油圧シリンダ)に送り圧力調節弁の開閉を調節することによってドライメン圧力を制御する。
図４は、2次側圧力変化によるプロセスのゲイン変化を示す図である。2次側圧力が-144mmH2O、-225mmH2Oの場合に、弁開度を各々46%、41%から1%減少させたステップ応答を示している。2次側圧力が-144mmH2Oの場合のゲインは16、-225mmH2Oの場合のゲインは26と、2次側圧力の変化によりプロセスのゲインが変化している。これは、2次側圧力の変化により、常用弁開度が低下して圧力調節弁の容量を示すCV値が減少するために発生するプロセスゲイン変化である。しかしながら、従来の技術では、圧力調節弁の2次側圧力を考慮していないため、このような圧力制御プロセスのゲイン変化に対応できない。
また、図５は、2次側圧力変化に対する安定性を検討した一例を示す図である。ボード線図による安定判別の一例であり、制御対象は非線形であるため、発生ガス流量が6.43Nm3/sの時に2次側圧力-144mmH2O(通常時)、-225mmH2Oの付近で線形近似して、従来技術における安定性を評価したものである。
図に示すように、2次側圧力が-144mmH2Oの場合の位相余裕は21°で安定であるのに対して、2次側圧力が-225mmH2Oの場合の位相余裕は-5°で不安定となる。このように、PI調節計のPID設定値をある状態で最適にチューニングしたとして固定したままでいると、2次側圧力変化によっては制御系が不安定な状態に陥ってしまう危険性がある。
本発明では、これら従来技術の問題点に鑑み、圧力調節弁の2次側圧力変化が引き起こす圧力制御プロセスのゲイン変化に対応でき、また、装炭時のガス流量変化に対応しドライメン圧力が不安定にならない、コークス炉ドライメン圧力制御方法および装置を提供することを課題とする。
上記課題は、以下の手段にて解決できる。
［１］コークス炉のドライメン圧力を制御するコークス炉ドライメン圧力制御方法であって、
圧力調節弁の２次側圧力の圧力設定値とドライメン圧力の実績値との偏差を補償するＰＩＤ制御を行う際に、
予めＰＩＤ設定を複数パターン設定しておき、ドライメン圧力と前記２次側圧力の測定値に基づいて、複数パターンの中から最適なＰＩＤ設定を選択して、ＰＩＤ制御を行うことにより、
前記２次側圧力の変化に対応して発生するプロセスゲイン変化を打ち消すことを特徴とするコークス炉ドライメン圧力制御方法。
［１］コークス炉のドライメン圧力を制御するコークス炉ドライメン圧力制御方法であって、
圧力調節弁の２次側圧力の圧力設定値とドライメン圧力の実績値との偏差を補償するＰＩＤ制御を行う際に、
予めＰＩＤ設定を複数パターン設定しておき、ドライメン圧力と前記２次側圧力の測定値に基づいて、複数パターンの中から最適なＰＩＤ設定を選択して、ＰＩＤ制御を行うことにより、
前記２次側圧力の変化に対応して発生するプロセスゲイン変化を打ち消すことを特徴とするコークス炉ドライメン圧力制御方法。
［２］上記［１］に記載のコークス炉ドライメン圧力制御方法において、
ドライメン圧力と圧力調整弁の２次側圧力の測定値から以下（１）式に示すモデルに基づきドライメンガス発生流量を推定し、推定したガス発生流量に基づき、推定したガス発生流量に対して、ドライメン圧力変動を０にする弁開度の時間変化である、弁開度理想軌道を求め、求めた弁開度理想軌道に基づき圧力調節弁を操作することを特徴とするコークス炉ドライメン圧力制御方法。
ドライメン圧力と圧力調整弁の２次側圧力の測定値から以下（１）式に示すモデルに基づきドライメンガス発生流量を推定し、推定したガス発生流量に基づき、推定したガス発生流量に対して、ドライメン圧力変動を０にする弁開度の時間変化である、弁開度理想軌道を求め、求めた弁開度理想軌道に基づき圧力調節弁を操作することを特徴とするコークス炉ドライメン圧力制御方法。
［３］コークス炉のドライメン圧力を制御するコークス炉ドライメン圧力制御装置であって、
圧力調節弁の２次側圧力およびドライメン圧力をそれぞれ測定する圧力発信器と、
前記２次側圧力の圧力設定値とドライメン圧力の実績値との偏差を補償するＰＩＤ制御を行うＰＩＤ制御手段と、
複数のＰＩＤ設定パターンを予め記憶した記憶手段と、
前記記憶手段に記憶した複数のＰＩＤ設定パターンの中から、前記２次側圧力の変化に対応して発生するプロセスゲイン変化を打ち消すように、ドライメン圧力と前記２次側圧力の測定値に基づいて、最適なＰＩＤ設定を選択するゲインスケジューリング機能部を備えることを特徴とするコークス炉ドライメン圧力制御装置。
［４］上記［３］に記載のコークス炉ドライメン圧力制御装置において、
ドライメン圧力と圧力調整弁の２次側圧力の測定値から以下（１）式に示すモデルに基づきドライメンガス発生流量を推定し、推定したガス発生流量に基づき、推定したガス発生流量に対して、ドライメン圧力変動を０にする弁開度の時間変化である、弁開度理想軌道を求め、求めた弁開度理想軌道に基づき圧力調節弁を操作する、フィードフォワード制御機能部を備えることを特徴とするコークス炉ドライメン圧力制御装置。
圧力調節弁の２次側圧力およびドライメン圧力をそれぞれ測定する圧力発信器と、
前記２次側圧力の圧力設定値とドライメン圧力の実績値との偏差を補償するＰＩＤ制御を行うＰＩＤ制御手段と、
複数のＰＩＤ設定パターンを予め記憶した記憶手段と、
前記記憶手段に記憶した複数のＰＩＤ設定パターンの中から、前記２次側圧力の変化に対応して発生するプロセスゲイン変化を打ち消すように、ドライメン圧力と前記２次側圧力の測定値に基づいて、最適なＰＩＤ設定を選択するゲインスケジューリング機能部を備えることを特徴とするコークス炉ドライメン圧力制御装置。
［４］上記［３］に記載のコークス炉ドライメン圧力制御装置において、
ドライメン圧力と圧力調整弁の２次側圧力の測定値から以下（１）式に示すモデルに基づきドライメンガス発生流量を推定し、推定したガス発生流量に基づき、推定したガス発生流量に対して、ドライメン圧力変動を０にする弁開度の時間変化である、弁開度理想軌道を求め、求めた弁開度理想軌道に基づき圧力調節弁を操作する、フィードフォワード制御機能部を備えることを特徴とするコークス炉ドライメン圧力制御装置。
本発明により、装炭量変化等の操業変化および設備劣化等の影響による装炭時のガス流量変化を自動的に検知してFF制御時の圧力調節弁の開度を修正することができ、同時に圧力調節弁の2次側であるブロワー及びガス精製設備の影響を考慮したゲインスケジューリングが実施できる。これにより、安定して圧力制御が可能となりコークス炉操業の安定化が実現できる。
本発明を実施するための第１実施形態について、図と数式を参照して以下に説明を行う。
本発明では、図１に示すように、2次側圧力を測定し、その２次側圧力の変化に対応して発生するプロセスゲイン変化を打ち消すように、２次側圧力の実績値に基づいてPID設定値を選択し変更するゲインスケジューリングを行う。制御装置では、圧力設定値とドライメン圧力の実績値との偏差を補償するＰＩＤ制御を行う際に、予めPID設定を複数パターン設定しておき、測定した2次側圧力を入力し、その２次側圧力に応じて複数パターンの中から最適なＰＩＤ設定を選択して、ＰＩＤ制御を行う。
また図２は、本発明に係るドライメン圧力制御装置例を説明する図である。図中の符号は、１１の圧力発信器(２次側)を除き、図８と同様である。圧力調節弁の2次側の輸送管８に圧力発信器(２次側)１１を設置して、２次側圧力を測定し、制御装置１０中のＰＩ調節計９に測定値を出力する。ＰＩ調節計９においては、入力されたドライメン圧力の測定値ＰＶと２次側圧力を入力し、それらの値に基づいて、ＰＩＤ設定値を選択して、そのＰＩＤ設定により制御出力を出力する。なお、複数パターンのＰＩＤ設定が予め制御装置１０の記憶手段（図示せず）に記憶されている。
なお図３は、本発明の具体的なブロック線図の例を示す図である。ゲインスケジューリング機能部の一例として、2次側圧力に応じて切替スイッチにより、例えば３つのPID設定値を切り替える場合を示している。
このように、ゲインスケジューリングを導入することにより、圧力調節弁の2次側圧力変化が引き起こす圧力制御プロセスのゲイン変化に対応することが可能となる。
次に、第１実施形態に加え、さらに、装炭時のドライメン圧力の不安定の抑制も行う第２実施形態について以下に説明する。なお、第２実施形態で第１実施形態に付加する部分を主に説明する。装炭のタイミングは予め分かっているので、このタイミングで発生ガス流量を測定し、測定した発生ガス流量による外乱影響を打ち消すようにFF制御すればよいが、ガスが発生し続けるため流量計の設置の困難性やガス中のタール付着による故障などの理由から、各炉団のガス流量測定は困難である。
そこで、発明者らは、モデル式から装炭時のガス発生流量を推定し、この推定したガス発生量に基づき弁開度理想軌道を求め、この弁開度理想軌道に基づき圧力調節弁を操作するとともに、更に圧力の偏差分をPID制御で補償するようにした。本発明における弁開度理想軌道とは、推定したガス発生流量に対して、ドライメン圧力変動を０にする弁開度の時間変化をいう。
図６は、第２実施形態で第１実施形態に付加する部分におけるモデル化を説明する図である。図６(ａ)は、プロセスを模式的に示す図であり、図６(ｂ)は、以下に示す（１）式によるモデル式を伝達関数の形で示すブロック線図である。
なお、（１）式におけるαおよびＣｖなどのパラメータは、同定および弁製作特性より入手などにより求めるようにすればよい。（１）式におけるαのパラメータ決定方法を記す。
例えば、装炭10分後のガス発生量が安定した状態でステップ応答（例えば、弁開度を46% から45%に変更）での圧力（P0(実炉)）を測定し、以下の（２）式に示すP0(実炉)とP0(モデル)との２乗偏差の所定時間の和を表す、評価値Ｈが最小になるようなαを探索することによってαを決定すればよい。
なお、発生ガス流量F0については、コークス炉全炉のガス発生流量に、全炉装炭量に対する対象とした炉団の装炭量の割合を乗じて求めればよい。
図７は、第２実施形態の実施例を示すブロック線図を示す図である。圧力調節弁の2次側圧力値を制御装置に送信し、2次側圧力値の変動によるドライメン圧力制御系のプロセスゲインの変化を打消すようにPID制御のゲインを変更するとともに、ドライメン圧力測定値と２次側圧力測定値とからモデルに基づきドライメンガス発生流量を推定し、推定したガス発生流量をフィードフォワード制御モデルに入力して、外乱影響を打ち消すような弁開度理想軌道を求め、求めた弁開度理想軌道に基づき圧力調節弁を操作する。なお、この部分の演算は図２の制御装置１０内部または別途設けた外部演算装置のいずれかで行えばよい。
また、図中の外乱伝達関数Gd(s)、制御対象伝達関数Gp(s)、およびＦＦ制御伝達関数Gf(s)は、以下の（３）式で表される。
これにより、圧力調節弁の2次側圧力変化ならびに装炭時のガス流量変化にも対応することができる。なお、装炭時FF制御時のPID設定値についても、2次側圧力値の変動と同様にゲインスケジューリングによって選択されたPID設定値によってPID制御による弁開度を決定するようにしてもよい。
１ コークス炉
２ ドライメン(集合管)
３ 放散管
４ 導圧管
５ 圧力発信器
６ 圧力調節弁
７ 油圧装置
８ 輸送管
９ ＰＩ調節計
１０ 制御装置
１１ 圧力発信器(２次側)
２ ドライメン(集合管)
３ 放散管
４ 導圧管
５ 圧力発信器
６ 圧力調節弁
７ 油圧装置
８ 輸送管
９ ＰＩ調節計
１０ 制御装置
１１ 圧力発信器(２次側)
Claims (2)
- コークス炉のドライメン圧力を制御するコークス炉ドライメン圧力制御方法であって、
圧力調節弁を用いてドライメンの圧力設定値と圧力実績値との偏差を補償するＰＩＤ制御を行う際に、
予めＰＩＤ設定を複数パターン設定しておき、ドライメン圧力と圧力調節弁の２次側圧力の測定値に基づいて、複数パターンの中から最適なＰＩＤ設定を選択して、ＰＩＤ制御を行うことにより、
前記２次側圧力の変化に対応して発生するプロセスゲイン変化を打ち消し、
ドライメン圧力と圧力調整弁の２次側圧力の測定値から以下（１）式に示すモデルに基づきドライメンガス発生流量を推定し、推定したガス発生流量に対して、ドライメン圧力変動を０にする弁開度の時間変化である、弁開度理想軌道を求め、求めた弁開度理想軌道に基づき圧力調節弁を操作することを特徴とするコークス炉ドライメン圧力制御方法。
- コークス炉のドライメン圧力を制御するコークス炉ドライメン圧力制御装置であって、
圧力調節弁の２次側圧力およびドライメン圧力をそれぞれ測定する圧力発信器と、
ドライメンの圧力設定値とドライメン圧力の実績値との偏差を補償するＰＩＤ制御を行うＰＩＤ制御手段と、
複数のＰＩＤ設定パターンを予め記憶した記憶手段と、
前記記憶手段に記憶した複数のＰＩＤ設定パターンの中から、前記２次側圧力の変化に対応して発生するプロセスゲイン変化を打ち消すように、ドライメン圧力と前記２次側圧力の測定値に基づいて、最適なＰＩＤ設定を選択するゲインスケジューリング機能部と、
ドライメン圧力と圧力調整弁の２次側圧力の測定値から以下（１）式に示すモデルに基づきドライメンガス発生流量を推定し、推定したガス発生流量に対して、ドライメン圧力変動を０にする弁開度の時間変化である、弁開度理想軌道を求め、求めた弁開度理想軌道に基づき圧力調節弁を操作する、フィードフォワード制御機能部を備えることを特徴とするコークス炉ドライメン圧力制御装置。
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