1         概述

隨著產品結構調整和節能降耗需求的不斷提高，冶金行業對煤氣熱值穩定的要求也愈來愈高。為了尋找和驗證穩定混合煤氣的熱值技術和方法，鞍鋼技術部、燃氣廠等單位，聯合設立了穩定熱值的科研項目，在燃氣廠2#加壓站進行項目開發研究。

燃氣廠2#加壓站是先混合后加壓結構；有兩套加壓系統分別供給1700、1780軋鋼生產線等24臺加熱爐；氣源有焦爐煤氣、高爐煤氣和兩種轉爐煤氣，僅焦爐煤氣有氣柜，屬3-4混類型；最大供氣能力近30萬m³/h。

2#加壓站原有A-B公司PLC一套，用高爐煤氣控制機前混合壓力，焦爐煤氣按動態比例控制熱值的控制方法，控制器為PID調節器。原控制系統在壓力平衡控制方面比較穩定可靠，但對大擾動響應速度較慢；熱值波動比較大。

課題組對原有系統進行了分析取得了基本共識：

l  安裝熱值儀，為熱值控制創造條件。

l  采用先進控制技術，從根本上解決傳統控制的缺陷。

2         問題研究

以穩定混合煤氣熱值為目標，根據2#加壓站現有的狀況和條件，對解決問題的可能性進行了研究。經過反復論證，提出了具體的方法。

2.1   影響熱值穩定的因素

2.1.1   熱值儀因素

在混合煤氣的出口安裝熱值儀，進行反饋控制是控制熱值的基本方法；但氣源煤氣熱值的變化也會直接影響混合煤氣的熱值，應該加以驗證。根據熱值儀的安裝方法和原理，在控制上必然存在大滯后，同時隨供氣流量的變化，滯后時間也會改變，這是傳統控制方法難以克服的，必須引進先進控制方法。

2.1.2   控制方法因素

在原控制系統中，主控熱值的焦爐煤氣流量都是按照比例控制的，從節奏上注定要比高爐煤氣的控制慢一拍，遇到混合壓力波動時，熱值也會隨之波動。

2.2   混合壓力響應慢的原因

混合煤氣加壓站控制回路不多，但控制難度比較大。閥門間的耦合和非線性使傳統控制方法難以解決防止振蕩和響應快速之間的矛盾。

2.3   基本方法和研究方向

2.3.1   安裝熱值儀

l  在混合煤氣出口安裝熱值儀，進行反饋控制。

l  在各煤氣氣源安裝熱值儀，通過前饋控制，驗證其對熱值的影響。

2.3.2   采用先進控制技術

采用美國博軟公司的無模型自適應（MFA）控制技術和全套解決方案，解決控制中的非線性、大滯后、耦合和時變問題，實現熱值穩定和壓力的快速響應。

3         控制效果

采用上述措施后，取得了比較理想的效果。

3.1   熱值基本穩定

下圖是熱值和壓力實時曲線。圖中橫軸為時間軸，每格30分鐘；左側縱軸為混合壓力軸，單位kPa，每格0.1kPa；右側縱軸為熱值軸，單位為MJ/m³，每格0.2 MJ/m³。設定值為8.7 MJ/m³。

可以看到，在MFA控制下，熱值能夠在混合壓力波動時仍然基本保持穩定。通過對通常控制狀況的數據處理：

從放大圖形看，對于較大的壓力擾動，如啟停1780、轉爐煤氣增減量、大幅度調整風機擋板和用戶負荷較大變化，熱值可以在最長15分鐘（一般5分鐘）恢復平穩。

下圖是用戶增量3萬方時，1780出口熱值的控制過程，設定值為9.0，橫坐標每格2分鐘，縱坐標每格0.1 MJ/m³。

下圖表示這時的混合壓力和流量的變化情況。橫坐標為時間軸，每格2分鐘；左側縱坐標為流量軸，單位kNm³/h；右側縱坐標為壓力軸，單位kPa。混合壓力設定值為0.8。

可以看到，對于較大的壓力擾動，用戶負荷突然變化導致混合煤氣壓力大幅度波動，熱值可以在短時間內恢復平穩。

不僅如此，MFA控制系統在啟停1780、轉爐煤氣增減量和開關風機擋板等大擾動情況下，也能保持熱值的基本穩定。

3.2   壓力控制明顯改善

采用MFA控制系統后，無論在正常工況還是在大擾動工況下，機前混合煤氣壓力控制能力明顯提高。

下圖是MFA控制系統與原PID控制系統在機前混合煤氣壓力控制的實績運行曲線：

采用無模型自適應控制系統在對突然的混合壓力大幅度波動的控制能力方面有較大的提高。在過去經常發生的可能對生產安全造成威脅的混合壓力突然下降至零工況的控制方面，次數明顯減少、時間大幅度縮短，更有效地保證了生產安全。而過去PID控制系統，機前壓力到零的狀況時有出現，停留時間甚至超過1分鐘。

2#加壓站在用戶負荷較小時，會關閉1780線，僅通過1700供氣。下圖比較了在關閉1780線時，MFA控制系統與原PID控制系統的控制實績效果：

PID控制系統在突然關閉1780線時，混合壓力下降到零，延續了18秒，如下圖所示：

在基本相同的情況下，MFA控制系統沒有出現混合壓力下降到零的狀況：

3.3   氣源熱值儀作用驗證

由于MFA控制系統在控制中采取了解耦合、抗滯后和真對非線性的控制策略，解決了混合壓力對熱值的影響，氣源煤氣熱值的波動相對比較緩慢，可以通過反饋控制得到有效抑制。從下圖的實績曲線可以看到，在不使用氣源熱值儀作前饋控制的情況下，僅通過反饋控制也可以得到滿意的效果。

圖中，橫坐標為時間軸，每格10分鐘；熱值設定值為8.8

4         基本結論

實踐證明，煤氣熱值穩定項目是成功的，可以得到如下結論：

l  系統操作方便，運行可靠

l  系統對各種工況及現場操作有較強的適應能力；無論是在開關檔板、起停80、增減轉煤等情況下，還是在用戶負荷大范圍波動時，系統均可在自動狀態下有效運行

l  在一般工況下，混后熱值基本穩定在±0.2 MJ/m³范圍內

l  在較為劇烈的擾動出現，造成混后熱值超出±0.2 MJ/m³范圍，可以在最長15分鐘（一般3--5分鐘）恢復平穩

l  機前壓力的波動范圍更?。ㄅc原系統比較，波動范圍收窄30%）

l  在大擾動出現時，系統響應能力較原系統有較大幅度的提高

l  在氣源（高煤、焦煤、轉煤）熱值完全使用設定值的情況下，系統依據混后熱值，仍可進行有效的串級閉環控制