專利名稱：煤氣混合計算熱值和壓力控制系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于燃料及燃燒技術領域，特別是煤氣混合后的計算熱值控制和壓力控制系統。
煤氣混合熱值控制因混合后的熱值和壓力的相互干擾以及熱值儀的測值純滯后較大，使系統運行不穩定，甚至不能投運。已公開的混合煤氣熱值控制為“煤氣混合熱值和壓力解耦控制系統”，專利申請號93111718.6，發明人郭宇光。實施例的框圖經簡化后示于
圖1。圖中符號為SV設定值，PV過程變量，G調節器，W控制對象，S史密斯Smith純滯后予估補償，L慣性環節，×乘法，－減法；下腳標q為熱值，p為壓力，c焦爐煤氣，B高爐煤氣。系統由熱值調節器Gq和壓力調節器Gp組成的主回路以及由焦爐煤氣流量調節器Gc和高爐煤氣流量調節器GB組成的副回路構成。主回路和副回路之間，用慣性環節L并通過特設的為完成解耦的重要環節乘法計算單元綜合，使混合煤氣壓力變化時不改變流量的設定比r3/r4，使混合煤氣熱值變化時不改變兩種煤氣流量的總和設定的r3＋r4，系統穩定態時可以認為焦爐煤氣流量qVc和高爐煤氣流量qVB分別是qVc＝r3和qVB＝r4，但是在調節過程里，由于系統組成和參數不同使qVc和qVB在動態中很難始終保持同相位，又很難使其同時達到穩定態，所以在動態過程中，實際的過程變量不遵循在混合煤氣壓力變化時不改變流量比值條件，也不遵循煤氣熱值變化時不改變兩種煤氣的流量總和的條件。即實際的qVc/qVB和qVc＋qVB不對應r3/r4及r3＋r4，又因調節過程中的不同步和r3/r4的變化使測值純滯后不利因素顯得突出，系統依靠傳統的史密斯Smith純滯后預估補償解決純滯后存在的不利因素，但是史密斯估模型估計誤差的限制會使實際應用受到限制。圖1所示系統順利運行的前提歸納為1)需兩個流量調節的副回路綜合特性相等；2)史密斯預估模型足夠精確。做到這兩點是非常困難的，因而降低了圖1所示系統的實用性。
本發明的目的是提供一種計算熱值的控制系統，它可以避免混合煤氣熱值和壓力控制中的耦合問題而不需另設解耦裝置；可以避免熱值分析的純滯后問題而不需另設純滯后預估補償裝置；不但可以提高現有兩種煤氣混合的控制指標而且能進行三種煤氣的混合。
上述目的可通過本發明提供的系統實現。該系統是把混合煤氣壓力和熱值作為控制對象當其在外部干擾條件下運行時，令其輸出的過程變量調節到設定值的控制系統。
這一系統包括混合煤氣壓力定值調節的主調節器Gp和過程變量PVp的定值調節；焦爐煤氣流量副環調節器Gc和過程變量PVc的跟蹤調節；高爐煤氣流量副環調節器GB和過程變量PVB的跟蹤調節；混合煤氣熱值計算裝置GF；煤氣熱值修正流量計算裝置Gq；實現交叉雙限幅控制的加減計算和選擇計算裝置MS。另外，系統還包括作為控制對象存在的Wp、Wc、WB。主調節器Gp接入設定值SVp和過程變量PVp。焦爐煤氣的中間值選擇計算器MSc接入Gp的輸出mVp和高爐煤氣流量修正后的FB按熱流量折算的折合焦爐煤氣流量值Fc，經過高、低限制，輸出中間值作為焦爐煤氣流量調節器GC的設定值SVC，Gc的輸出直接作用于焦爐煤氣流量控制對象Wc上，使Wc的輸出跟蹤其設定值SVc。經過熱值對流量修正的修正裝置輸出的焦爐煤氣流量FC及其高、低限限制值，連同Gq的輸出mVp接入高爐煤氣側的中間值選擇計算器MSB，選出的中間值作為高爐煤氣流量調節器GB的設定值SVB，GB的輸出直接作用于高爐煤氣流量控制對象WB上，使WB的輸出跟蹤其設定值SVB。WB和WC的輸出PVB和PVC在壓力控制對象WP前相加連接，使WP的輸出PVP接入主調節器Gp的反饋輸入端。在高爐煤氣側設熱值計算裝置GF1和GF2。其中GF1接入高爐煤氣流量FB和熱值QB和焦爐煤氣熱值QC和混合后的目標熱值Qm輸出接加法單元∑，GF2接入轉爐煤氣流量FL和熱值QL和混合后的目標熱值Qm和焦爐煤氣熱值Qc。
本發明另一方面是提供偏差調節單元。本單元，在干擾條件下把控制對象輸出的過程變量調節到設定值的方法。該方法是在設定值和過程變量存在偏差時，將參予調節的兩個副環流量調節器的設定值都受另一方過程變量的限制，即設定值跟蹤對方過程變量、盡管兩個流量調節回路特性不同，但動態過程中過程變量都限制在允許范圍內，流量比值對混合煤氣熱值的影響也被限制在允許范圍內；作為混合煤氣熱值主要干擾的高爐煤氣熱值和焦爐煤氣熱值以及轉爐煤氣熱值均在混合前測量，除用經驗公式修正流量測值外，并計算出混合后煤氣熱值需要的煤氣流量比，從而提高流量測值和熱值的精度；系統中所有閉環回路里都不含熱值測量純滯后的不良因素來提高動態指標；為提高調節特性在流量副環采用可變增益控制；系統可擴充到三種煤氣的混合，使用途更趨廣泛。
由于采用上述技術措施使系統穩定、動態精度高、實用性強，對于燃燒混合煤氣的生產率50t/h的加熱爐每小時可節約人民幣二萬元左右。
本發明有如下附1是煤氣混合熱值和壓力解耦系統簡化功能框圖。
圖2是本發明實施例的功能框圖。
圖3是采用日本山武霍尼威爾公司的可編程調節器KMM，對本發明實施例的功能組態圖。
下面結合附圖對本發明的實施例做進一步的詳述。圖2和圖1相同標號的意義相同，下面主要說明與現有技術不同的地方。圖2所示虛線框內高爐煤氣和轉爐煤氣的處理來自三種煤氣混合的熱平衡方程式(1)及(2)。
QcFc＋QBFB＋QLFL＝Qm(Fc＋FB＋FL)(1)從式(1)得Fc=Qm-QBQc-Qm·FB+Qm-QLQc-Qm·FL=GF1·FB+GF2·FL---(2)]]>式中Q熱值kJ/m3F流量m3/h下腳標志C、B、L、m分別為焦爐、高爐、轉爐、混合煤氣。
GF1、GF2熱值計算系數％式(2)說明，混合煤氣熱值Qm是需要的目標熱值，SVq＝Qm，系統主要干擾來自被混入煤氣的流量和熱值的變化。
圖2中GqB、GqL、Gqc為煤氣按熱值修正流量的修正系數，按經驗的熱值Q與密度ρ關系曲線修正測量流量后分別得FB、FL、FC。虛線框內做為整個控制系統副環之一的高爐煤氣流量跟蹤系統來說、傳遞函數為
PVBSVB′=GB·WB1+GB·WB·GF1·GqB]]>(3)SVB′＝SVB－FL·GqL·GF2 (4)對于使用在兩種煤氣混合的系統，SVB＝SV′B，混入第三種煤氣時對系統的干擾等效為跟蹤目標的變化；另外，式(3)的特征方程多余了GF1、GqB項，它使開環增益GB WB決定的放大倍數K和時間常數T均小了1＋KGF1·GqB倍。所以，在GF1、GqB變化時，對系統有較大影響，需要在GF1、GqB變化時使調節器GB的增益相應變化，另外，GF1·GqB雖然存在于特征方程式中，但是焦爐煤氣熱值和高爐煤氣熱值變化來自煉焦、煉鐵工藝過程，相對流量調節在幾稱鐘內就能完成的快速過程而言，在一個調節周期內可以認為熱值分析純滯后對GF1·GqB無影響。又因GF1和GF2是所需要的熱值比，取變化量，得ΔGF1=ΔQBe-τBSΔQce-τCS----(5)]]>ΔGF2=ΔQLe-τLSΔQce-τCS----(6)]]>式中， ΔQC焦爐煤氣熱值變化量ΔQB高爐煤氣熱值變化量ΔQL轉爐煤氣熱值變化量e-τCS焦爐煤氣熱值變化測值純滯后
e-τBS高爐煤氣熱值變化測值純滯后e-τLS轉爐煤氣熱值變化測值純滯后(5)式和(6)式中，因熱值檢測條件相同，純滯后也相同即e-τCS＝e-τBS＝e-τLS，所以ΔGF中不含純滯后。
對于焦爐煤氣側，系統傳遞函數PVCSVC=GCWC1+GCWCGqC----(7)]]>(7)式中GqC變化較小主要干擾是SVC。
圖2中高爐煤氣側設中間值選擇器MSB，輸入壓力調節器GP的輸出mVP，同時將焦爐煤氣流量FC乘以高、低限制系數得流量FC的高限值FCH和低限值FCL，在MSB中選擇輸出mVP、FCH、和FCL三者的中間值，做為高爐煤氣流量目標的設定值SVB；在焦爐煤氣側設置中間值選擇器MSc，輸入壓力調節器GP的輸出mVP，同時將高爐煤氣流量FB和轉爐煤氣流量FL經熱值折算的焦爐煤氣流量F′C乘以高、低限制系數，得流量F′C的高限值F′CH和低限值F′CL，在MSc中選擇輸出mVp、F′CH和F′CL三者的中間值，做為焦爐煤氣流量目標的設定值SVC。
壓力主調節器GP的輸出mVp被限制在高、低限流量之間，控制的動態偏差取決于高、低限流量差的寬度，寬度越小動態精度越高，但是增加了壓力主調節器GP的調節時間，使壓力調節的整個過渡過程時間延長。當mBp增加，且大于限制的寬度時，焦、高爐煤氣兩側同時選擇高限流量F′CH和FCH，相反地當mVp減少，且超出限制的寬度時，焦、高爐煤氣兩側同時選擇低限流量F′CL和FCL做為流量調節副環的目標設定SVC和SVB。盡管焦、高爐煤氣兩側系統特性不同，導致過渡過程時間和相位差異，由于一側設定值始終跟蹤另一側的過程變量，并且受到高、低流量的限制，故無論mVp的變化幅度如何，動態控制偏差都被限制在預定范圍內。
圖3中，序號1～4是兩個減法SUB和兩個除法DVD，序號1接入百分型可變參數P0101和P0202，序號2接入P0102和P0103，序號3接序號2的輸出當分子，接序號1的輸出當分母，序號4接入P0108當分子，接入序號3的輸出當分母，完成相當于圖2中的GF1運算。序號6～9分別為高選HS、低選LS、減法SUB、加法ADD，序號6接入序號12的輸出和序號8的輸出，序號7接入序號6的輸出和序號9的輸出，序號8兩端輸入均接序號24的輸出和低限設置P0107，序號9兩端輸入均接序號24的輸出和高限設置P0106，完成圖2中的中間選擇MSC功能。序號10～12分別為加法ADD、超前/滯后環節L/L和一號PID調節器PID1，序號10接入序號7的輸出和序號19的輸出，序號11接入序號10的輸出，序號12接入序號11的輸出，序號12的輸出接至序號6和序號14的輸入，完成圖2中的功能WP、GP和mVp。序號13～16分別為加法ADD、低限LS、減法SUB、高限HS，序號13兩端均接序號7的輸出和設置高限值P0105，序號14接入序號13的輸出和序號12的輸出，序號15接入序號7的輸出，并設置低限值P0104，序號16接入序號15的輸出和序號14的輸出，完成圖2中的功能MSB。序號17和18分別為PID調節器第二號PID2，手動單元MAN完成圖2中GB的功能。序號19為超前/滯后功能L/L接入序號18的輸出，完成圖2中的WB功能。序號20～23分別為減法SUB，兩個除法DVD和乘法MUL，序號20接入P0102，和P0111，序號21接入序號20的輸出和序號1的輸出，序號22接入P0112和序號21的輸出，序號23接入P0115和序號22的輸出，完成圖2所示的轉爐煤氣的GF2、Gq1功能。序號25～28分別為折線表功能TBL1～2和變增益措施PMD2，序號25和26都接入序號4的輸出，序號27接入序號25的輸出來改變PID2的比例增益1，序號28接入序號26的輸出來改變PID2的積分時間2，序號5為乘法MUL，接入序號4的輸出和序號19的輸出，序號24接入序號23輸出和序號5的輸出，完成圖2所示的∑功能。
權利要求
1.一種煤氣混合計算熱值和壓力控制系統，包括混合煤氣壓力定值反饋自動調節的主控單元GP；轉爐煤氣熱流量計算單元GF2；按混入煤氣熱值計算混合煤氣熱值的計算單元GF；按煤氣熱值修正煤氣流量測量的計算單元GqB、qc、Gqc；完成交叉雙限幅控制的輔助單元MSB和MSC，其特征在于主調節器GP接入設定值SVP和過程變量PVP，焦爐煤氣的中間值選擇計算器MSc接入GP的輸出mVp和高爐煤氣流量修正后的FB按熱流量折算的折合焦爐煤氣流量值F′c，經過高、低限制，輸出中間值作為焦爐煤氣流量調節器Gc的設定值SVc，Gc的輸出直接作用于焦爐煤氣流量控制對象Wc上，使Wc的輸出跟蹤其設定值SVC，經過熱值對流量修正的修正裝置Gqc輸出的焦爐煤氣流量FC及其高、低限限制值，連同GP的輸出mVp接入高爐煤氣側的中間值選擇計算器MSB，選出的中間值作為高爐煤氣流量調節器GB的設定值SVB，GB的輸出直接作用于高爐煤氣流量控制對象WB上，使WB的輸出跟蹤其設定值SVB，WB和WC的輸出PVB和PVC在壓力控制對象WP前相加連接，使WP的輸出PVP接入主調節器GP的反饋輸入端，在高爐煤氣側設熱值計算裝置GF1和GF2，其中GF1接入高爐煤氣流量FB和熱值QB和焦爐煤氣熱值QC和混合后的目標熱值Qm輸出接加法單元∑；GF2接入轉爐煤氣流量FL和熱值QL和混合后的目標熱值Qm和焦爐煤氣熱值QC。
2.根據權利要求1所述的煤氣混合計算熱值和壓力控制系統，其特征在于熱值測量點置于煤氣混合前，通過熱值比計算消除熱值測量純滯后對閉環系統的影響。
3.根據權利要求1或2所述的煤氣混合計算熱值和壓力控制系統，其特征在于第三種煤氣以熱流量的方式從高爐煤氣設定值回路輸入。
全文摘要
一種煤氣混合計算熱值和壓力控制系統，屬于燃料燃燒領域。系統包括混合煤氣壓力定值反饋自動調節的主控單元；高爐煤氣和焦爐煤氣流量跟蹤調節的兩個副控單元；轉爐煤氣熱流量計算單元；按混入煤氣熱值計算混合煤氣熱值的計算單元；按煤氣熱值修正煤氣流量測量的計算單元；完成交叉雙限幅控制的輔助單元。系統避免了混合煤氣壓力和熱值間干擾耦合及熱值信息的純滯后，系統穩定，實用性強。
文檔編號G05D27/00GK1125857SQ95113210
公開日1996年7月3日 申請日期1995年12月14日 優先權日1995年12月14日
發明者田彥祓 申請人:冶金工業部重慶鋼鐵設計研究院