專利名稱：Trt高爐頂壓控制布料過程前饋控制仿真方法及系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及冶金行業中TRT高爐頂壓控制領域。
背景技術：
TRT 是 Top Gas Pressure Recovery Turbine unit 的縮寫，被稱作高爐煤氣余壓發電裝置，它利用高爐產生的高溫高壓煤氣推動透平機，進而帶動發電機發電。據統計，TRT可回收高爐煤氣中30%-40%的能量。與高爐傳統的減壓閥組相比，可更好的穩定高爐頂壓，還極大的減小了減壓閥組帶來的噪聲污染。TRT不僅能為鋼鐵企業帶來巨大的經濟效益，同時也是節能減排的標桿工程。典型的TRTエ藝流程如附圖I所示。TRT在控制高爐頂壓的過程中，正常情況下只需常規PID即可較好的穩定高爐頂 壓，但是高爐在布料時會對高爐頂壓造成強烈的擾動，此時僅靠常規PID控制已不能將頂壓波動維持在一個較小的范圍，這樣勢必對高爐的正常生產產生一定的影響，但目前并沒有很好的控制方案解決布料過程對爐頂壓力的影響，同時由于高爐生產的連續性等特殊要求，如果工程師在線測試不同的控制方案，則肯定會對高爐的正常產生較大的影響，甚至發生各種比較危險的后果。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供ー種TRT高爐頂壓控制布料過程前饋控制仿真方法及系統，能夠在仿真系統中進行調試，避免直接在生產線上測試造成影響。本發明為解決上述技術問題所采取的技術方案為ー種TRT高爐頂壓控制布料過程前饋仿真方法，其特征在于它包括以下步驟
1)針對TRT系統的各組成部分，分別建立各部件類仿真模塊，并為各部件類仿真模塊編輯和設計參數、接ロ ；
2)通過各部件類仿真模塊的接ロ將部件類仿真模塊按實際TRT系統進行連接，并調節各模塊參數使系統達到穩態；
3)分析實際TRT系統布料過程的特點和控制方法，増加2個程序類仿真模塊，分別為布料干擾模塊和前饋控制模塊；布料干擾模塊用于仿真布料過程對高爐頂壓的影響；前饋控制模塊用于仿真實際PLC控制器對靜葉的控制；
其中前饋控制模塊在布料時根據爐料類型、布料時間、布料檔位及周期計算出煤氣流量的減小量，同時根據靜葉的流量特性曲線計算出靜葉所對應該煤氣減小量的開度，在布料時提前利用靜葉的流量特性曲線控制靜葉開度；
4)設置系統仿真參數，進行仿真運算。按上述方案，所述步驟I)中的部件類仿真模塊包括
邊界A :為第一定壓節點，模擬進入高爐的熱風的壓カ；
管道A :包括a節管道，每節管道包括ー個固定開度的閥門和ー個容器；
高爐模型包括上容器和下容器，上容器和下容器之間由第一調節閥連接；設置第一調節閥的初始開度，且第一調節閥的開度由所述的布料干擾模塊控制；
管道B :包括b節管道，每節管道包括ー個固定開度的閥門和ー個容器；
靜葉包括第二調節閥，第二調節閥的開度由所述的前饋控制模塊控制；
邊界B :為第二定壓節點，模擬經過靜葉之后的管網煤氣壓カ；
邊界A、管道A、高爐模型、管道B、靜葉和邊界B順次連接。
按上述方案，所述的前饋控制模塊具體控制過程為
設ろ為單位時間內由于布料所
引起的通過第一調節閥的煤氣減少量；巧為 時刻通過第一調節閥的煤氣減少總量；ァ為布料周期汝為流量修正系數，た與布料檔位、周期等有關；
隨著布料的進行，料面的孔隙度隨時間逐漸恢復，通過料面的煤氣量則也會隨之逐漸恢復，設單位時間內該恢復系數為;PX與爐料類型及布料檔位有夫，當時間￡ ST時
F1^k* F0^(I-Xt)Z(I-X),
當時間I >Γ時
F1^k*F0^fl-xr)*(1 - χ/-τ~\
根據上述公式可計算出在整個布料周期·T以及布料完成的一段時間內通過第一調節閥的煤氣減少量巧，根據及靜葉的流量特性曲線計算出靜葉所對應的開度，提前控制靜葉開度。按上述方案，它還包括步驟5)將仿真結果與預期效果比較，對系統仿真參數進行調試，以獲得最佳控制參數。ー種TRT高爐頂壓控制布料過程前饋控制仿真系統，其特征在于它包括部件類模塊和程序類模塊；
其中部件類仿真模塊包括
邊界A :為第一定壓節點，模擬進入高爐的熱風的壓カ；
管道A :包括a節管道，每節管道包括ー個固定開度的閥門和ー個容器；
高爐模型包括上容器和下容器，上容器和下容器之間由第一調節閥連接；設置第一調節閥的初始開度，且第一調節閥的開度由所述的布料干擾模塊控制；
管道B :包括b節管道，每節管道包括ー個固定開度的閥門和ー個容器；
靜葉包括第二調節閥，第二調節閥的開度由所述的前饋控制模塊控制；
邊界B :為第二定壓節點，模擬經過靜葉之后的管網煤氣壓カ；
邊界A、管道A、高爐模型、管道B、靜葉和邊界B順次連接；
程序類模塊包括
布料干擾模塊，用于仿真布料過程對高爐頂壓的影響；
前饋控制模塊，用于仿真實際PLC控制器對靜葉的控制，在布料時根據爐料類型、布料時間、布料檔位及周期計算出煤氣流量的減小量，同時根據靜葉的流量特性曲線計算出靜葉所對應該煤氣減小量的開度，在布料時提前利用靜葉的流量特性曲線控制靜葉開度。按上述方案，它是基于Modelica語目建立的。本發明的工作原理為由于高爐布料屬于可提前預知的干擾，因此理論上可以通過對布料過程的分析提前控制靜葉的開度以消除布料對高爐頂壓的影響。布料時由于爐料到達料面時減小了料面的孔隙度，使其透氣性變差，煤氣流動阻力増大，因此到達爐頂的煤氣流量減小，如果此時靜葉開度不變，便造成了爐頂壓カ的陡降。采用前饋控制，即是在布料時根據爐料類型、布料時間、布料檔位及周期等計算出煤氣流量的減小量，同時根據靜葉的流量特性曲線計算出靜葉所對應該煤氣減小量的開度，在布料時提前利用該曲線控制靜葉開度，則可以很好的消除布料過程對爐頂壓力的影響。本發明的有益效果為
I、通過對高爐布料過程建立前饋仿真系統和使用仿真方法，通過在仿真系統中進行調試，以確定更為合理的控制方案，避免直接在線測試不同的前饋控制方案，對高爐的正常產 生的影響。2、選用Modelica語言建立本仿真系統，與其他建模軟件相比，能更加方便對物理系統進行建摸，且能很好的對流量、壓カ這對強耦合參數進行求解，因而能夠更真實、全面的反映TRT系統的運行情況。
圖I為典型TRTエ藝流程示意圖。圖2為TRT高爐頂壓控制模型圖。圖3為布料過程頂壓波動曲線。圖4為前饋控制時爐頂壓力設定值和過程值曲線。圖5為前饋控制時靜葉動作曲線。圖6為前饋控制流程圖。
具體實施例方式圖2為TRT高爐頂壓控制模型圖，即整個TRT簡化模型的拓撲結構，邊界A產生ー個穩定的氣體流量，經過管道A進入高爐，氣體在高爐內通過料層從爐頂流出，并經過一段長管道B流入透平機中的靜葉，最后流出到邊界B。高爐被料層分為上下兩個空間，可等效為兩個密閉的大容器，即上容器和下容器，而料層則可等效為ー個閥門，即第一調節閥，布料過程中降低了料層的孔隙度，就相當于第ー閥門開度減小的過程，此時通過第一閥門進入爐頂的氣量減小，造成爐頂壓力降低下降，即上容器壓カ降低；待布料完成原料反應一段時間之后，孔隙度又會増大，相當于第一閥門開度増大，氣量増大，爐頂壓力上升。而高爐布料由于原料的品種不同會造成単位時間內煤氣減少量及單位時間恢復系數的不同，通過設置模型中這兩個參數可以達到仿真布料品種不同的目的。對于實際TRT而言，高爐爐頂到靜葉將有幾百米的管道，因此通過靜葉調節爐頂壓カ存在一個明顯的大滯后。對于煤氣傳輸管道，由于管道較長，對整個系統有兩個影響，一是煤氣在管道傳輸中的壓損，ニ是由于煤氣為可壓縮氣體，長管道在整個流體系統中起到一個緩沖的作用。對于ー個單獨的容器，是ー個一階系統，而管道B并不是一根直管道，不能直接等效為ー個大容器，中間會有一些阻カ元件，本系統將其等效為幾個容器中間隔著阻力元件，形成一個高階系統。1997年，瑞典非盈利組織Modelica協會開發出ー種適用于大規模復雜異構物理系統建模的面向對象語言Modelica。Modelica被稱作統ー的面向對象物理系統建模語言，對來自不同領域的系統采用統ー的方式描述，徹底實現了不同領域模型之間的無縫集成和數據交換。Modelica仿真語言的核心是方程，它利用方程對各種物理現象進行描述，工程師無需過多的關注于仿真算法，只需對需要仿真的對象進行數學方程描述，利用Modelica的仿真工具將各個仿真對象連接起來，相關的Modelica工具能夠決定如何自動求解方程變量，無需人工干預，故最終對物理對象仿真的過程就演化為仿真工具對大型方程組求解的過程。本實施例的TRT高爐頂壓控制布料過程前饋仿真系統基于Modelica語言建立，它包括部件類模塊和程序類模塊。其中部件類仿真模塊包括
邊界A :為第一定壓節點，模擬進入高爐的熱風的壓カ；一般為恒定值，本實施例中設 置 PA=300kPa。管道A :包括a節管道，每節管道包括ー個固定開度的閥門和ー個容器；本實施例中 a=3。高爐模型包括上容器和下容器，上容器和下容器之間由第一調節閥連接；設置第一調節閥的初始開度，且第一調節閥的開度由所述的布料干擾模塊控制；設置第一調節閥的初始開度，本實施例中第一閥門初始開度為70%。管道B :包括b節管道，每節管道包括ー個固定開度的閥門和ー個容器；本實施例中 b=2。靜葉包括第二調節閥，第二調節閥的開度由所述的前饋控制模塊控制。邊界B:為第二定壓節點，模擬經過靜葉之后的管網煤氣壓カ；該值基本為恒定值，本實施例中設置PB=100kPa。邊界A、管道A、高爐模型、管道B、靜葉和邊界B順次連接。在具體的模塊設計時，對于容器的設計
容器為圓柱形，其直徑為T1，高度為一多容器設計有兩個接ロ，ー個進ロ F夠，ー個出
ロ 用于前后連接，每個接口內部均包含兩個變量，流量，和壓力·？，該接ロ在與前后模塊連接時自動產生連接方程。容器模型內部具有如下方程
1)進出口壓カ相等=ろ與.J7；
f Γ)\2
2)進出口流量差等于容器內壓カ的變化量··=F_.P x rx| "y γ'し。
β上式中，為進ロ壓力，F_.P為出口壓力，Fm.q為進ロ流量，F離'g為出口流量，F離.P'為容器內壓カ差。對于管道而言，之所以考慮為閥門加容器的形式來模擬管道的特性，是由于氣體具有可壓縮特性，在長管道中流動時除了有壓カ損失，長管道對氣體還有ー個緩沖的作用。因此考慮加上固定開度的閥門，用于模擬氣體在管道中流動所產生的壓損，壓損的簡化公
式為命=Arxg2 ,而容器則具有緩沖的作用。dP為管道壓損，k為流量修正系數，q為流量。
按上述方法，根據各部件類仿真模塊的實際尺寸和要求分別對它們進行設計。程序類模塊包括
布料干擾模塊，用于仿真布料過程對高爐頂壓的影響，并控制第一閥門開度；布料過程第一閥門開度由布料干擾模塊控制，開度先逐漸降低，隨著料面的反應開度又逐漸增加，最終開度為其設定的初始開度，本實施例中為70%。先將部件類仿真模塊各參數調節至穩態，然后加入布料過程的干擾，本實施例中設置布料從第500s開始，整個布料周期持續210s，若靜葉固定在穩態時的開度不參與調節(即不増加前饋控制)，由此得到的高爐頂壓波動如圖3所示，其中橫坐標為時間軸，縱坐標為高爐頂壓，從圖中可知，在布料的干擾下，高爐頂壓由206kPa下降至187. 5kPa，下降了 18. 5kPa，此仿真結果用干與加入前饋控制進行比較。前饋控制模塊，用于仿真實際PLC控制器對靜葉的控制，在布料時根據爐料類型、布料時間、布料檔位及周期計算出煤氣流量的減小量，同時根據靜葉的流量特性曲線計算出靜葉所對應該煤氣減小量的開度，在布料時提前利用靜葉的流量特性曲線控制靜葉開度。TRT高爐頂壓控制布料過程前饋控制仿真方法，包括以下步驟
I)針對TRT系統的各組成部分，分別建立各部件類仿真模塊，并為各部件類仿真模塊編輯和設計參數、接ロ ；部件類仿真模塊包括邊界A、管道A、高爐模型、管道B、靜葉和邊界B02)通過各部件類仿真模塊的接ロ將部件類仿真模塊按實際TRT系統進行連接，并調節各模塊參數使系統達到穩態。3)分析實際TRT系統布料過程的特點和控制方法，増加2個程序類仿真模塊，分別為布料干擾模塊和前饋控制模塊；布料干擾模塊用于仿真布料過程對高爐頂壓的影響；前饋控制模塊用于仿真實際PLC控制器對靜葉的控制。其中前饋控制模塊的控制流程如圖6所示，在布料時根據爐料類型、布料時間、布料檔位及周期計算出煤氣流量的減小量，同時根據靜葉的流量特性曲線計算出靜葉所對應該煤氣減小量的開度，在布料時提前利用靜葉的流量特性曲線控制靜葉開度。假設巧為單位時間內由于布料所引起的通過料面的煤氣減少量，巧為￡時刻通過料面的煤氣減少總量，7為布料周期，i為流量修正系數，λ與布料檔位、周期等有夫。隨著布料的進行，所布爐料由于時時刻刻都在爐內發生各種復雜的物理化學反應，料面的孔隙度會隨時間逐漸恢復，因此通過料面的煤氣量則也會隨之逐漸恢復，設單位時間內該恢復系數為;PI與爐料類型及布料檔位有夫。當時間 吋
F1=^ F0^ (I-XtX(I-X)
當時間 >Γ時
F1 = ^F0*(I-/)*(!- X嚴1
根據上述公式可計算出在整個布料周期以及布料完成的一段時間內通過料面的煤氣減少量巧，根據該煤氣減少量il及靜葉的流量特性曲線計算出靜葉所對應的開度，提前控制靜葉開度。4)設置系統仿真參數，進行仿真運算。 5)將仿真結果與預期效果比較，對系統仿真參數進行調試，以獲得最佳控制參數，具體是比較高爐頂壓的過程值與其設定值，對前饋投入時間進行調試，使得高爐頂壓的過程值更接近其設定值。 本實施例設置在第500s開始加料，而前饋控制提前IOOs (該時間可根據實際情況做出相應調整)即在第400s時開始控制靜葉開度調節之后頂壓波動及靜葉動作曲線如圖4、圖5所示。從圖中可以看出，由于在400s時提前減小靜葉開度，而到第500s才開始加料，故圖4中顯示頂壓在400s就開始上升，在第500s時由于受到布料影響，頂壓不再上升，反而開始下降，布料快結束時，再次提前增大靜葉開度以消除布料結束后煤氣流量恢復對頂壓造成的擾動。整個調節過程中高爐頂壓誤差為+2/-0. 5kPa，靜葉開度范圍在25°/Γ62%之間。高爐頂壓誤差與未加入前饋控制相比(即圖3)，效果更好。為了能得到更好的效果，還 可以重新對前饋投入時間、高爐容積等參數進行設定，再將不同參數得到的仿真結果反復比較。
權利要求
1.ー種TRT高爐頂壓控制布料過程前饋控制仿真方法，其特征在干它包括以下步驟 1)針對TRT系統的各組成部分，分別建立各部件類仿真模塊，并為各部件類仿真模塊編輯和設計參數、接ロ ； 2)通過各部件類仿真模塊的接ロ將部件類仿真模塊按實際TRT系統進行連接，并調節各模塊參數使系統達到穩態； 3)分析實際TRT系統布料過程的特點和控制方法，増加2個程序類仿真模塊，分別為布料干擾模塊和前饋控制模塊；布料干擾模塊用于仿真布料過程對高爐頂壓的影響；前饋控制模塊用于仿真實際PLC控制器對靜葉的控制； 其中前饋控制模塊在布料時根據爐料類型、布料時間、布料檔位及周期計算出煤氣流量的減小量，同時根據靜葉的流量特性曲線計算出靜葉所對應該煤氣減小量的開度，在布料時提前利用靜葉的流量特性曲線控制靜葉開度； 4)設置系統仿真參數，進行仿真運算。
2.根據權利要求I所述的TRT高爐頂壓控制布料過程前饋控制仿真方法，其特征在于所述步驟I)中的部件類仿真模塊包括 邊界A :為第一定壓節點，模擬進入高爐的熱風的壓カ； 管道A :包括a節管道，每節管道包括ー個固定開度的閥門和ー個容器； 高爐模型包括上容器和下容器，上容器和下容器之間由第一調節閥連接；設置第一調節閥的初始開度，且第一調節閥的開度由所述的布料干擾模塊控制； 管道B :包括b節管道，每節管道包括ー個固定開度的閥門和ー個容器； 靜葉包括第二調節閥，第二調節閥的開度由所述的前饋控制模塊控制； 邊界B :為第二定壓節點，模擬經過靜葉之后的管網煤氣壓カ； 邊界A、管道A、高爐模型、管道B、靜葉和邊界B順次連接。
3.根據權利要求2所述的TRT高爐頂壓控制布料過程前饋控制仿真方法，其特征在于所述的前饋控制模塊具體控制過程為設ろ為單位時間內由于布料所引起的通過第一調節閥的煤氣減少量；巧為|時刻通過第一調節閥的煤氣減少總量；ァ為布料周期汝為流量修正系數，t與布料檔位和周期有關； 隨著布料的進行，料面的孔隙度隨時間逐漸恢復，通過料面的煤氣量則也會隨之逐漸恢復，設單位時間內該恢復系數為;τα與爐料類型及布料檔位有夫，當時間￡ ST時
4.根據權利要求I至3中任意一項所述的TRT高爐頂壓控制布料過程前饋控制仿真方法，其特征在于它還包括步驟5)將仿真結果與預期效果比較，對系統仿真參數進行調試，以獲得最佳控制參數。
5.ー種TRT高爐頂壓控制布料過程前饋控制仿真系統，其特征在于它包括部件類模塊和程序類模塊； 其中部件類仿真模塊包括 邊界A :為第一定壓節點，模擬進入高爐的熱風的壓カ； 管道A :包括a節管道，每節管道包括ー個固定開度的閥門和ー個容器； 高爐模型包括上容器和下容器，上容器和下容器之間由第一調節閥連接；設置第一調節閥的初始開度，且第一調節閥的開度由所述的布料干擾模塊控制； 管道B :包括b節管道，每節管道包括ー個固定開度的閥門和ー個容器； 靜葉包括第二調節閥，第二調節閥的開度由所述的前饋控制模塊控制； 邊界B :為第二定壓節點，模擬經過靜葉之后的管網煤氣壓カ； 邊界A、管道A、高爐模型、管道B、靜葉和邊界B順次連接； 程序類模塊包括 布料干擾模塊，用于仿真布料過程對高爐頂壓的影響，并控制第一調節閥的開度； 前饋控制模塊，用于仿真實際PLC控制器對靜葉的控制，在布料時根據爐料類型、布料時間、布料檔位及周期計算出煤氣流量的減小量，同時根據靜葉的流量特性曲線計算出靜葉所對應該煤氣減小量的開度，在布料時提前利用靜葉的流量特性曲線控制靜葉開度。
6.根據權利要求5所述的TRT高爐頂壓控制布料過程前饋控制仿真系統，其特征在于它是基于Modelica語言建立的。
全文摘要
本發明提供一種TRT高爐頂壓控制布料過程前饋控制仿真方法及系統，由于高爐布料屬于可提前預知的干擾，因此理論上可以通過對布料過程的分析提前控制靜葉的開度以消除布料對高爐頂壓的影響。布料時由于爐料到達料面時減小了料面的孔隙度，使其透氣性變差，煤氣流動阻力增大，因此到達爐頂的煤氣流量減小，如果此時靜葉開度不變，便造成了爐頂壓力的陡降。采用前饋控制，即是在布料時根據爐料類型、布料時間、布料檔位及周期等計算出煤氣流量的減小量，同時根據靜葉的流量特性曲線計算出靜葉所對應該煤氣減小量的開度，在布料時提前利用該曲線控制靜葉開度，則可以很好的消除布料過程對爐頂壓力的影響。
文檔編號C21B5/06GK102676714SQ201210182278
公開日2012年9月19日 申請日期2012年6月5日 優先權日2012年6月5日
發明者萬磊, 葉理德, 李清忠 申請人:中冶南方工程技術有限公司