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摘 要: 根据自动控制理论及钢厂大型炼铁高炉(1350m3) 所采用的煤气干式除尘系统装置的实际工况, 剖析日方专家实现炉顶煤气压力自动控制所基于的控制思想和控制策略。
关键词: 系统功能; 被控对象动态特性; 控制策略
太钢3号高炉全干式布袋除尘设备(以下简称BDC) 主体设备由日本引进。系我国首次引进大型高炉煤气全干式除尘设备。与原用洗涤塔(湿法) 除尘相比, 具有巨大的优越性。用洗涤塔除尘, 耗水约为400t/h， 用水量大, 并伴随工业水污染问题。采用全干式后, 每年可节水400万t 左右, 不污染环境, 对缓解日益紧张的供水问题和日益严重的环境污染问题, 具有极其重要的意义。由于干法除尘效果好(除尘后的净煤气含尘量小于5mg/m3) , 节水、无环境污染问题, 非常适合我国情况, 值得在我国冶金行业及其他除尘工业方面推广应用。
1 系统功能
高炉出来的含尘煤气经重力除尘器(简称DC)降温后, 进入布袋进行过滤, 过滤后得到净煤气, 经旁通阀送往用户。
高炉冶炼的最佳炉况与高炉炉顶煤气压力的稳定有直接的关系。3 号高炉由于受结构的限制, 目前炉顶压力不能太高。通常为0.1MPa, 瞬时不得超过0.15M Pa. 投入布袋除尘及旁通阀组减压装置后,允许炉顶煤气压力波动值只在+1961Pa～6865Pa 之内。这就对旁通阀稳压装置的自控系统即炉顶煤气压力自动控制系统提出了很高的要求。因此该装置的投入不论在高炉正常操作, 还是在高炉生产发生异常(如形成管道、悬料、坐料) 及故障状态下所采取的紧急措施均能保持炉顶压力稳定, 保证高炉安全生产。
炉顶煤气压力的自控系统是由具有同一机能、同一规格3台智能调节仪HOMA K-300, 3个蝶型旁通阀、3台旁通阀油压驱动装置和一个油压站组成。3 个分支系统均属串级控制, 信号互相跟踪, 能实现主、从自动切换及分流给定, 得到高品质的调节特性。加上TRT 装置(高炉炉顶煤气余压透平发电二期工程) 后, 还可用来遮断透平运转时的旁通线以及进行透平停止时的炉顶煤气压力控制。故对提高高炉冶炼的经济效益具有重要的意义。
如图1所示。炉顶压力信号和旁通阀前压力信号(简称前压) 经分配器成为3 台独立的HOMAC2300 调节仪的过程输入信号, 每个调节仪中又包含着两个调节器。因而能很方便地组成前压随炉顶压力随动的串级控制系统。
通过旁通阀改变进入管网的煤气流量, 直接影响炉顶煤气压力, 且相对滞后较小。因此, 选择煤气流量为控制系统的调节介质。
程序控制器(三菱通用时序脉冲控制仪M EL S2EC2K2N ) 指挥3 套调节系统联锁动作。根据工作条件的变化确定HOMAC2300 调节仪投入工作的台数, 实现1, 2, 3 号旁通阀主从切换。
在突然停电时, 为了不使炉顶压力迅速升高造成事故, 故1 号旁通阀设置成“全开”; 2 号及3号旁通阀处于“全闭”状态。
2 炉顶压力、前压力串级控制系统
2.1 被控制对象动态特性的讨论
由图2 可见, 高炉炉顶积聚的煤气经重力除尘器喷雾降温和6 个箱体的布袋除尘再经旁通阀组降压供用户使用。若以炉顶压力测试点到前压力测试点之间的设备(DC,BDC) 及传输管道为被控对象,则影响被控对象动态特性的参数有:
1) 对象的容量C. 重力除尘器、布袋除尘的6个箱体及脏、净煤气传输管道的容积都很大, 储存煤气的能力强, 因而对象的惯性大。特别值得注意的是布袋箱体的容积在生产过程中是可变的。
按程控器的控制程序, 每个箱体过滤反吹1 次的周期是1h. 在1h内的任何时刻都是1个箱体处于反吹状态而其余5个箱体处于过滤状态(6 个箱体总的反吹时间是26min, 总的过滤时间是34min)。当高炉生产出现异常时, 如煤气量增加20%,以及重力除尘器出口煤气温度上升所引起的热膨胀量使得滤袋处理煤气量大幅度地增加时, 立即中止反吹动作使6 个箱体全部都转为过滤作业。可见随
着过滤负荷的增加BDC 箱体的容量在变化。
2) 对象的阻力R. 高炉煤气流经控制对象时会遇到阻力(一般压力损失控制在1961Pa～2942 Pa内)。单以除尘箱体为例, 高炉煤气被分配到6 个箱体(正常时是5 箱体) , 每个箱体安装了46 个滤袋。随着过滤时间的增加捕集在每个滤袋内壁的灰尘量也增加。因此, 布袋阻力也在不断的增加。通过反吹使布袋内壁灰尘量减少, 其阻力又下降。可见对象存在可变阻力。
以上两个参数不仅使对象的时间常数T 加大,放大系数K 变化, 而且使对象产生了容量滞后。又由于对象的负荷变化, 使对象的特性参数时有波动。
3) 对象中压力参数分布。对象中煤气沿管子流动方向其各点压力都不相同。譬如, 从高炉顶部出来的煤气, 经过重力除尘器后体积突然增加, 温度迅速降低(喷水降温控制) , 经过布袋除尘后体积又在变化, 遇到阻力又产生压降, 这样就造成了顶压、BDC入口、BDC 出口等沿程各类的压力不同(施加控制后, 顶压0.1M Pa,BDC 入口0.0985M Pa,BDC 出口0.0935MPa) , 所以是具有分布参数的对象。
4) 控制通道的纯滞后T对象的尾部安装着旁通阀和余压发电装置, 是主要的内扰、外扰发生地点。而干扰点距离被控参数(炉顶压力) 测定点较远。旁通阀开度变化引起煤气输出流量的变化值直至影响炉顶压力的变化, 这些变化需要经过一个传输时间即纯滞后时间T.
综上所述, 被控对象存在多个容积和阻力, 并具有容量滞后、分布参数和纯滞后。若把重力除尘器(DC) 和布袋除尘箱体(BDC) 看成两个串联的单容对象, 则系统可近似认为具有纯滞后的双容对象; 又由于系统有自平衡能力, 故对象的传函为式中, Ta 为DC 容积的时间常数; Tb 为BDC容积的时间常数; To 为对象的纯滞后时间; K 为广义对象的放大倍数。包括检测元件、变送器、伺服放大器、旁通阀等纯比例环节的放大倍数。
2.2 控制策略的选择
1) 为什么要选用串级控制系统。炉顶压力的稳定是通过调节仪的控制改变旁通阀的开度使出口煤气流量变化来实现的。图3 是被控对象扰动通道的响应曲线。对于一个自动控制系统响应的最基本要求有3 个: 稳定性好; 超调小; 振荡周期短。即组成一个可控性良好的控制系统, 最有效地克服扰动影响。本干式除尘器系统影响被控量——炉顶压力的扰动因素有多种, 主要是高炉冶炼时, 由于炉料的理化性质及料层、成渣带的透气性、各种操作因素的影响, 如:装料制度、风温、造渣制度等将引起炉顶煤气压力的变化; 另外还有内扰因素, 如沿程租力的变化; 这些干扰都可以通过单回路反馈控制来抑制。然而经过对被控对象动态特性的分析, 知道被控对象本身的容量滞后和纯滞后都较大, 尤其是旁通阀和调速阀后进入的干扰。例如焦炉在高焦煤气换向时将引起高炉煤气管网压力波动, 将影响旁通阀附近煤气压力直至最终影响炉顶压力; 还有调速阀和旁通阀使用的动力油压波动; 余压发电装置发电机端电压波
动等都会使调速阀和旁通阀工作不稳定。另外, 煤气流量及温度幅值剧烈波动的变化, 使系统存在着一定的非线性。这些扰动都是单回路反馈控制难以克服的。所以对这样一个被控对象比较复杂、控制质量要求较高的系统必须使用复杂控制系统。为此, 干式除尘高炉炉顶煤气压力控制系统采用串级控制。就在BDC 出口离旁通阀较近处取一压力(称前压力)作为副参数, 把邻近干扰纳入副回路中。因此就可以在干扰作用影响主参数(炉顶压力) 之前及时在副参数上得到反映, 由副调节器及时采取措施来克服。由于副回路控制通道短, 伺服放大器, 油压驱动的旁通阀及旁通阀位置发送器又构成一个灵敏的反馈回路。因此, 滞后减小了, 控制作用也就及时发挥。超调量也就小。副回路这种超前控制作用使炉顶压力的控制质量有很大提高。该系统热投运后其调节作用使系统对扰动信号的动态响应曲线充分表现出快速性和稳定性。
2) 主、副调节器控制规律选择何种型式。图4是炉顶压串级控制系统方框图。为实现主参数的无差控制, 主环和副环的开环或闭环传函都应校正成理想的预期典型系统。这样主、副环的稳定性、精确性、快速性、抗干扰能力都会提高。
因为主调节器具有积分作用, 所以能实现主参数的无差控制。
系统投运在于合理选择整定参数。日方在理论计算PL参数的基础上还采用现场工程参数整定法,经长期的实验, 使效果趋于理想化, 实现了对不稳定对象的控制镇定。
该系统控制策略中另一个显著特点是充分利用和发挥了智能调节仪中丰富的逻辑运算(判断) 功能, 实现仿人的最为有效的逻辑操作。 |
