佟 欣 李伯群 姜 輝

(1.營口理工學(xué)院，2.遼寧科技大學(xué)，3.中唯煉焦技術(shù)國家工程研究中心有限責(zé)任公司)

200 kg試驗(yàn)焦?fàn)t爐溫控制系統(tǒng)主要由溫度控制器、測溫系統(tǒng)、煤氣流量調(diào)節(jié)閥組成。溫度控制器實(shí)時(shí)采集焦?fàn)t爐膛溫度，根據(jù)設(shè)定溫度值與實(shí)際溫度值的偏差作為溫度控制器的輸入值，該輸入值經(jīng)溫度控制器計(jì)算出煤氣流量調(diào)節(jié)閥的開度值，控制進(jìn)入燃燒系統(tǒng)的煤氣流量，達(dá)到調(diào)節(jié)爐溫的目的。

在上述焦?fàn)t爐溫控制系統(tǒng)中，溫度控制器起主導(dǎo)作用，通過調(diào)節(jié)煤氣流量實(shí)現(xiàn)爐溫的調(diào)節(jié)功能，但沒有考慮到煤氣流量、爐溫等因素的變化對(duì)系統(tǒng)的溫控效果的影響。例如，當(dāng)煤氣流量波動(dòng)較大時(shí)，控制系統(tǒng)對(duì)煤氣流量變化沒有做相關(guān)的自適應(yīng)控制，影響爐溫控制效果。因此，在傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)的控制特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，提出采用溫度與煤氣流量兩個(gè)PID控制系統(tǒng)串聯(lián)來實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)焦?fàn)t溫度的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制[1]。

1 串級(jí)控制系統(tǒng)

串級(jí)控制系統(tǒng)是把兩個(gè)控制回路串接在一起，整體構(gòu)成一個(gè)控制回路。前一個(gè)回路稱為主回路，其計(jì)算輸出值作為后一個(gè)回路即副回路控制器的輸入值，副回路控制器的計(jì)算輸出值送往調(diào)節(jié)裝置[2]，串級(jí)控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 串級(jí)控制系統(tǒng)原理

與單回路控制系統(tǒng)相比，在結(jié)構(gòu)上串級(jí)控制系統(tǒng)是由兩個(gè)閉環(huán)控制組成，稱為雙閉環(huán)控制系統(tǒng)[3]。在主副回路所構(gòu)成的串級(jí)控制系統(tǒng)中，副回路控制可以減少外界條件變化給控制系統(tǒng)帶來的擾動(dòng)，副回路在系統(tǒng)中起“粗調(diào)”的作用，具有調(diào)節(jié)靈敏，滯后性小的特點(diǎn)；主回路在整個(gè)系統(tǒng)中起“細(xì)調(diào)”的作用，具有滯后性較大的特點(diǎn)。兩回路控制作用相互影響，優(yōu)化系統(tǒng)的控制效果。

2 爐溫與煤氣流量串級(jí)控制系統(tǒng)

在實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)中，試驗(yàn)焦?fàn)t在煉焦過程中常遇到煤氣流量與爐膛溫度波動(dòng)造成試驗(yàn)焦?fàn)t爐溫控制不穩(wěn)定的情況。如何使焦?fàn)t溫度快速恢復(fù)穩(wěn)定，是文章研究的技術(shù)難點(diǎn)。根據(jù)串級(jí)系統(tǒng)的控制特點(diǎn)，選用爐溫與煤氣流量兩個(gè)控制量進(jìn)行串級(jí)PID控制，來實(shí)現(xiàn)在控制量在干擾作用下的試驗(yàn)焦?fàn)t爐溫的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。即：將煤氣流量控制放在副回路控制系統(tǒng)中，利用負(fù)反饋調(diào)節(jié)特性來調(diào)整外界干擾對(duì)煤氣流量的影響；將爐溫控制放在主回路控制系統(tǒng)中。爐溫與煤氣流量串級(jí)控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 爐溫與煤氣流量串級(jí)控制

串級(jí)控制的主回路為焦?fàn)t爐溫控制器，副回路為煤氣流量控制器。主回路具有負(fù)反饋的溫度控制，其溫度的實(shí)際測量值與設(shè)定值之差，作為爐溫控制器的輸入值。爐溫控制器由輸入值計(jì)算后得到的輸出值，作為副回路煤氣流量控制器的輸入設(shè)定值。用煤氣流量的設(shè)定值與實(shí)際值之差作為煤氣流量控制器的輸入值。煤氣流量控制器根據(jù)輸入值計(jì)算出相應(yīng)煤氣流量調(diào)節(jié)閥的開度設(shè)定值，使煤氣流量自適應(yīng)發(fā)生改變，控制試驗(yàn)焦?fàn)t燒嘴實(shí)際負(fù)荷，最終達(dá)到控制焦?fàn)t爐膛溫度的目的。

在外界控制條件平穩(wěn)的情況下，爐溫控制器與煤氣流量控制器所構(gòu)成的串級(jí)控制系統(tǒng)處于相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)爐溫驟變或煤氣流量發(fā)生波動(dòng)時(shí)，主副回路控制系統(tǒng)做自適應(yīng)控制工作，最終控制系統(tǒng)到穩(wěn)定狀態(tài)。

3 串級(jí)控制擾動(dòng)分析

在煤氣流量變化、爐膛溫度變化和煤氣流量與爐膛溫度同時(shí)變化時(shí)，分析焦?fàn)t控制中串級(jí)控制器的工作情況。

(1)煤氣流量變化

煤氣流量變化初期，由于溫度測量值滯后，即溫度測量值未變化，主回路溫度控制器輸出穩(wěn)定，副回路煤氣控制器的設(shè)定值不變。但煤氣流量實(shí)際值發(fā)生變化，副回路煤氣流量控制器開始調(diào)節(jié)，直至煤氣實(shí)際流量值接近設(shè)定值。

當(dāng)煤氣流量波動(dòng)較小時(shí)，副回路煤氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以在短時(shí)間內(nèi)調(diào)整煤氣流量到平穩(wěn)狀態(tài)，不會(huì)影響爐膛溫度變化。當(dāng)煤氣流量波動(dòng)較大，延續(xù)時(shí)間較長，會(huì)影響爐膛溫度，觸發(fā)主回路溫度控制器對(duì)爐膛溫度的調(diào)節(jié)，即主回路與副回路同時(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到焦?fàn)t爐膛溫度穩(wěn)定到設(shè)定溫度為止，系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。

(2)爐膛溫度變化

焦?fàn)t出焦時(shí)，爐膛溫度發(fā)生劇降，控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)被破壞，主回路爐溫控制器進(jìn)入調(diào)節(jié)狀態(tài)，副回路煤氣流量控制器的設(shè)定值增大，煤氣流量調(diào)節(jié)閥的開度增大，流量增加，爐膛溫度上升，直到爐膛溫度重新穩(wěn)定到設(shè)定溫度為止，系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。

(3)爐膛溫度和煤氣流量同時(shí)發(fā)生改變

對(duì)爐膛溫度和煤氣流量同時(shí)升高或降低的情況進(jìn)行分析。以兩者同時(shí)降低情況為例。在控制穩(wěn)定的情況下，當(dāng)串級(jí)控制主回路檢測到爐溫突降，在負(fù)反饋的作用下主回路爐溫控制器輸出值增大，導(dǎo)致副回路煤氣流量控制器的設(shè)定值增大，但此時(shí)煤氣實(shí)際流量減小，副回路煤氣流量控制器的輸出值會(huì)增加，煤氣流量會(huì)增大，爐溫快速上升，直到爐溫達(dá)到溫度設(shè)定值，系統(tǒng)逐步恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。

對(duì)爐膛溫度和煤氣流量升降趨勢相反的情況進(jìn)行分析。以爐膛溫度降低、煤氣流量增大為例。當(dāng)爐溫降低時(shí)，在負(fù)反饋的作用下主回路爐溫控制器的輸出量增大，導(dǎo)致副回路煤氣流量的設(shè)定值增大，但此時(shí)煤氣實(shí)際流量增加，副回路煤氣流量控制器的偏差值是正偏差，則副回路煤氣流量控制器則會(huì)減小煤氣調(diào)節(jié)閥開度，降低煤氣流量，使?fàn)t溫恢復(fù)到溫度設(shè)定值，系統(tǒng)逐步恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。

4 串級(jí)控制在試驗(yàn)焦?fàn)t的應(yīng)用

以山西某焦炭生產(chǎn)廠質(zhì)檢車間200 kg試驗(yàn)焦?fàn)t為例，該試驗(yàn)焦?fàn)t爐體由加熱室和炭化室構(gòu)成，加熱室兩側(cè)設(shè)立火道，具體結(jié)構(gòu)見圖3。煉焦煤樣裝入單孔炭化室，加熱方式為兩側(cè)煤氣燃燒加熱，在真空條件下，煉焦煤樣經(jīng)高溫干餾最終形成焦炭。備煤、煉焦和焦炭強(qiáng)度檢驗(yàn)等相關(guān)操作完全模擬工業(yè)焦?fàn)t的實(shí)際運(yùn)行情況，最后通過計(jì)算對(duì)試驗(yàn)煉焦煤樣作出結(jié)焦性評(píng)價(jià)[4]。

圖3 試驗(yàn)焦?fàn)t爐體結(jié)構(gòu)

4.1 試驗(yàn)焦?fàn)t工藝流程

第一步，焦?fàn)t預(yù)熱工作，使焦?fàn)t耐火磚達(dá)到升溫條件，通常預(yù)熱溫度在100 ℃左右，預(yù)熱時(shí)間1 h，期間同步進(jìn)行原料煤的制備工作。第二步，根據(jù)試驗(yàn)煉焦流程生產(chǎn)要求，進(jìn)行裝煤、煉焦、出焦、熄焦、相關(guān)焦炭機(jī)械強(qiáng)度檢測等操作。第三步，檢測結(jié)束后進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的處理和報(bào)表填寫。流程見圖4。

圖4 試驗(yàn)焦?fàn)t生產(chǎn)流程

4.2 試驗(yàn)焦?fàn)t加熱控制系統(tǒng)

試驗(yàn)焦?fàn)t燃燒控制系統(tǒng)由燒嘴、煤氣與空氣流量調(diào)節(jié)閥組及爐溫控制系統(tǒng)組成?；鸬纼蓜t各安裝一個(gè)燒嘴?；鸬罓t墻、焦?fàn)t中心均設(shè)置測溫點(diǎn)。火道爐墻測溫點(diǎn)安裝在煤氣燒嘴處，焦餅中心測溫?zé)犭娕紴镵型，爐墻測溫?zé)犭娕紴镾型，上升管、煤氣管道及其他廢氣管道測溫?zé)犭娕紴镵型?？刂葡到y(tǒng)采用西門子S7-200 Smart PLC，性價(jià)比高，控制效果好，可以非常方便地書寫自定義的PID算法[5]。

4.3 控制效果

對(duì)200 kg試驗(yàn)焦?fàn)t分別采用傳統(tǒng)單回路PID控制和串級(jí)PID溫度控制，PID控制相關(guān)參數(shù)一致。試驗(yàn)焦?fàn)t在控制目標(biāo)溫度較低時(shí)，常規(guī)的控制器控制溫度魯棒性不好，控制溫度不理想，所以文中選擇控制目標(biāo)溫度為300 ℃。當(dāng)煤氣流量發(fā)生波動(dòng)時(shí)，兩PID控制的爐溫控制效果如圖5、6所示。

圖5 單回路PID溫度控制曲線

由圖5可以看出，在煤氣流量發(fā)生波動(dòng)時(shí)，單回路PID溫度控制的控制效果：最大超調(diào)量50%，峰值時(shí)間5 min，調(diào)節(jié)時(shí)間18 min，溫度控制超調(diào)嚴(yán)重，控制效果不理想，對(duì)試驗(yàn)煤樣最終機(jī)械強(qiáng)度參數(shù)影響較大。由圖6可以看出，在煤氣流量發(fā)生波動(dòng)時(shí)，采取串級(jí)PID溫度控制的控制效果：最大超調(diào)量25%，峰值時(shí)間7 min，調(diào)節(jié)時(shí)間13 min，基本上一個(gè)調(diào)節(jié)周期后系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。串級(jí)PID溫度控制在最大超調(diào)量、控制溫度調(diào)節(jié)時(shí)間方面都優(yōu)于單回路PID控制，說明串級(jí)PID溫度控制控制效果好于單回路PID溫度控制。

圖6 串級(jí)PID溫度控制曲線