姜偉

【摘要】通過對(duì)加壓氣化爐排灰控制回路被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性分析，建立了對(duì)象的數(shù)學(xué)模型;在分析被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上選擇控制器模式、設(shè)定控制器參數(shù);在明確被控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的基礎(chǔ)上，并結(jié)合工藝特性和操作要求創(chuàng)立了一種閥門泄露壓力試驗(yàn)方法。

【關(guān)鍵詞】加壓氣化爐排灰自動(dòng);對(duì)象動(dòng)態(tài)特性辨識(shí);批量PID;閥門密封性試驗(yàn)

一、前言

固定床煤氣化工藝的排灰是氣化爐正常運(yùn)行的核心流程，高溫和固體工況導(dǎo)致操作難度較大，設(shè)備故障率也比較高。用先進(jìn)的測(cè)量和控制手段實(shí)現(xiàn)排灰的自動(dòng)化，不但可以降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，還可以減少由于操作不到位引起的工藝波動(dòng)、能耗增加及設(shè)備損壞。

排灰過程比較加煤過程，溫度、壓力、介質(zhì)的復(fù)雜程度等工藝條件更加惡劣，操作要求也更為嚴(yán)格，所以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化有相當(dāng)?shù)碾y度。根據(jù)對(duì)排灰過程的認(rèn)真研究和人工手動(dòng)操作積累的經(jīng)驗(yàn)，要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排灰主要應(yīng)解決以下兩個(gè)方面的問題：1.灰鎖自動(dòng)充壓。2.檢驗(yàn)灰鎖上錐閥YV920和下錐閥YV923在充泄壓過程中的泄露情況，即判斷閥門的壓力試驗(yàn)是否合格。

圖1 氣化爐工藝流程圖

二、簡(jiǎn)要工藝說明

如圖1所示，氣化殘?jiān)ɑ遥┩ㄟ^旋轉(zhuǎn)爐篦上刮灰刀的轉(zhuǎn)動(dòng)排入灰鎖內(nèi)。灰鎖達(dá)到最高料位時(shí)上翻板閥YV919和上錐閥YV920關(guān)閉，開始排灰過程?；益i通過泄壓管線進(jìn)行泄壓。在泄壓過程中對(duì)上錐閥的密封性進(jìn)行檢查。在檢查沒有問題的情況下繼續(xù)進(jìn)行泄壓。如果上錐閥YV920的密封性不好時(shí)，灰鎖將用充壓蒸汽重新充壓，重新打開上錐閥YV920，并用蒸汽吹掃一定的時(shí)間后重新泄壓?；益i泄壓后，打開灰鎖的下錐閥YV923和下翻板閥YV922，灰由于重力而通過灰溜槽落入充水的刮灰槽中，進(jìn)而用刮板運(yùn)輸機(jī)NB931運(yùn)走?；益i排空后（通過最低灰位信號(hào)判斷），灰鎖重新充壓。充壓過程中要檢查下錐閥YV923的密封性。

三、灰鎖自動(dòng)充壓

1.被控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的辨識(shí)

根據(jù)工藝要求，排灰過程大致可以分為以下四個(gè)環(huán)節(jié)：泄壓環(huán)節(jié);排料環(huán)節(jié);充壓環(huán)節(jié);接料環(huán)節(jié)。其中有一個(gè)環(huán)節(jié)是充壓。充壓蒸汽的工作壓力是3.6MPa，而灰鎖的設(shè)計(jì)壓力是3.0MPa，操作壓力是2.8MPa，允許超調(diào)量只有0.2MPa。原手動(dòng)排灰系統(tǒng)是由兩名操作人員相互配合手動(dòng)充壓，稍有不慎，灰鎖的安全閥就會(huì)超壓起跳。要實(shí)現(xiàn)排灰過程自動(dòng)控制，應(yīng)首先解決自動(dòng)充壓的問題。自動(dòng)充壓過程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是根據(jù)被控對(duì)象（灰鎖）的動(dòng)態(tài)特性，選配合適的過程控制儀表裝置組成。其中關(guān)鍵環(huán)節(jié)是辨識(shí)被控對(duì)象動(dòng)態(tài)特性。

2.應(yīng)用時(shí)域分析法求解對(duì)象特性

（1）初步分析

我們知道，灰鎖是個(gè)約7meq的壓力容器，充壓的管線比較短，所以可以判定它是一個(gè)無純滯后的單容對(duì)象。無純滯后單容對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性可以用一階微分方程或一階慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)來表示。故對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的標(biāo)準(zhǔn)傳遞函數(shù)為：

W（s）=

（2）時(shí)域分析法

用實(shí)驗(yàn)的方法繪出對(duì)象的響應(yīng)曲線，與標(biāo)準(zhǔn)的傳遞函數(shù)的響應(yīng)曲線進(jìn)行比較，即可確定所辨識(shí)出對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，求出對(duì)象傳遞函數(shù)。同時(shí)，可以依據(jù)響應(yīng)曲線求出傳遞函數(shù)的時(shí)間常數(shù)和比例系數(shù)。這是分析一階、二階、三階對(duì)象特性常用的方法，也稱時(shí)域分析法。

測(cè)定對(duì)象的響應(yīng)曲線：

灰鎖在充泄壓過程中被控量的變化幅度都很大，所以可以把充壓和泄壓過程的壓力變化等效成對(duì)象的一個(gè)階躍響應(yīng)。圖2和圖3是計(jì)算機(jī)記錄灰鎖壓力P232在兩次充壓過程中的趨勢(shì)圖。圖3中的縱坐標(biāo)是灰鎖的壓力P232的測(cè)量值，單位是bar。橫坐標(biāo)是時(shí)間，單位是s。如前所述，對(duì)象的特性是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，只要求出放大系數(shù)K和時(shí)間常數(shù)T就可以得到對(duì)象的傳遞函數(shù)。靜態(tài)放大系數(shù)K的一般求法是由所測(cè)階躍響應(yīng)曲線估計(jì)并繪出被控量的最大穩(wěn)態(tài)值y（∞），放大系數(shù)K為：

K=[y（∞）-y（0）]/Δx

圖2 灰鎖充壓曲線a

圖3 灰鎖充壓曲線b

根據(jù)灰鎖充壓工藝流程，充壓閥門是一個(gè)液動(dòng)兩位閥，所以代表閥門開度的Δx應(yīng)該是100%。K值是1。圖2和圖3并非是充壓調(diào)節(jié)閥保持一個(gè)開度測(cè)得的曲線，從曲線可以看出壓力達(dá)到2.8MPA后就趨于平穩(wěn)，這時(shí)兩位閥已經(jīng)從最初的全開回到全關(guān)。所以曲線不是一個(gè)完整的階躍響應(yīng)曲線，而是完整曲線的前半部分。求解時(shí)間常數(shù)T的一般方法是由響應(yīng)曲線的起點(diǎn)作切線與y（∞）X相交，其交點(diǎn)在時(shí)間軸上的投影，就是時(shí)間常數(shù)T。由于切線不易作準(zhǔn)，所以我們采用在響應(yīng)曲線y（t1）=0.632y（∞）對(duì)應(yīng)的t1就是T。雖然只有階躍響應(yīng)曲線的前半部分，卻并不影響求解時(shí)間常數(shù)T。在額定的負(fù)荷下重復(fù)作了幾次實(shí)驗(yàn)，得到幾條數(shù)值接近的曲線，我們篩選了兩條與平均值接近一致的曲線，來求時(shí)間常數(shù)T。兩次得出的結(jié)果求平均值，T最終確定為35秒。所以對(duì)象的傳遞函數(shù)是：

W（s）=

3.壓力控制回路的組成

了解了灰鎖的特性以后，我們將根據(jù)灰鎖充壓的工藝要求來設(shè)計(jì)一個(gè)灰鎖自動(dòng)充壓回路。這個(gè)回路不但要求有壓力調(diào)節(jié)的功能，而且還能根據(jù)工藝要求自動(dòng)完成充壓過程。

（1）操縱量的選擇

灰鎖的被控量無疑是灰鎖的壓力。但操縱量卻不能是灰鎖的壓力。這是因?yàn)橛形迮_(tái)氣化爐公用一個(gè)充壓管線，在一個(gè)時(shí)間里只能有一臺(tái)氣化爐充壓，所以選擇充壓管線調(diào)節(jié)閥后的壓力作為操縱量比較合適。這樣既能保證充壓時(shí)兩位閥YV917打開的情況下操縱量與灰鎖壓力基本保持一致，又能根據(jù)工藝要求在沒有充壓時(shí)保持充壓管線穩(wěn)定在一定的壓力。如此設(shè)計(jì)是為了保證充壓的精確程度，防止灰鎖在充壓過程中由于兩位閥關(guān)閉不及時(shí)而使灰鎖超過設(shè)計(jì)壓力，灰鎖壓力穩(wěn)定也保證了氣化爐操作壓力的平穩(wěn)。

（2）回路的組成

確定了操縱量，這個(gè)壓力調(diào)節(jié)回路的基本框架就有了。圖4是壓力控制回路組成的示意圖。其中包括壓力變送器PT271、調(diào)節(jié)模塊PIC271、調(diào)節(jié)閥PV271。

（3）選型的具體要求

圖4 充壓回路組成

上述回路中因?yàn)槌{(diào)量不能大于0.2MPa，同時(shí)要保證充壓的速度，所以控制模塊不能應(yīng)用常規(guī)的PID調(diào)節(jié)模塊。選用帶批量開關(guān)的PID控制模塊可以滿足上述要求，這個(gè)模塊的使用后面將詳細(xì)說明。

4.控制器的選型及參數(shù)設(shè)定

（1）比例控制器組成的系統(tǒng)

壓力控制回路的主要功能是使灰鎖實(shí)現(xiàn)快速充壓充壓，而且不產(chǎn)生超調(diào)，也就是說控制回路對(duì)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)沒有嚴(yán)格的要求。在這種情況下，我們先選擇比例控制器與被控對(duì)象組成控制系統(tǒng)。然后求解對(duì)控制系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)，進(jìn)而對(duì)系統(tǒng)控制質(zhì)量進(jìn)行分析。由于控制回路的干擾主要來自設(shè)定值的變化。此時(shí)由比例控制器組成的控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化方框圖是如圖5所示。

圖5 比例控制系統(tǒng)

需要說明的是，Kv是調(diào)節(jié)閥的放大倍數(shù)，Kc是比例控制器的放大倍數(shù)，為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳遞函數(shù)，為被控對(duì)象的傳遞函數(shù)。這里被控對(duì)象的的放大倍數(shù)和時(shí)間常數(shù)并沒有給出具體數(shù)值，這是因?yàn)閷?duì)象的動(dòng)態(tài)特性的表達(dá)式是在沒有壓力調(diào)節(jié)閥干預(yù)的情況下測(cè)得的。設(shè)K=KvK1K2，系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：

系統(tǒng)的特征方程是：

T1T2s2+（T1+T2）s+（1+KcK）=0

解上式可得特征方程的根S1，S2：

S1，S2=

由上式可知，隨著（T1+T2）2-4T1T2（1+KcK）的取值不同，其特征根的性質(zhì)也不同。

當(dāng)Kc很小時(shí)，必有（T1+T2）2-4T1T2（1+ KcK）>0成立，特征根S1，S2均為負(fù)實(shí)根。由自動(dòng)控制原理可知，系統(tǒng)為過阻尼二階系統(tǒng)。上升時(shí)間太長(zhǎng)，充壓過度過程加長(zhǎng)，這是工藝要求所不允許的。增加Kc的，滿足上升時(shí)間對(duì)系統(tǒng)的要求。這樣當(dāng)Kc增加到某一數(shù)值時(shí)，（T1+T2）2-4 T1T2（1+KcK）<0成立，特征根S1，S2為一對(duì)共軛復(fù)根。控制系統(tǒng)的過度過程處于振蕩狀態(tài)。充壓響應(yīng)過程就會(huì)產(chǎn)生超調(diào)量，而系統(tǒng)允許的超調(diào)量又很小（0.2Mpa），超過了這個(gè)數(shù)值，保護(hù)灰鎖和充壓管線的安全閥就會(huì)頻繁起跳。為了協(xié)調(diào)穩(wěn)定性和快速性的關(guān)系，使控制系統(tǒng)既能快速響應(yīng)，又不產(chǎn)生超調(diào)，本設(shè)計(jì)中使用了批量PID的控制方式。下面將結(jié)合充壓過程說明批量PID控制模塊的使用。

（2）批量PID控制

1）批量PID的原理

批量PID控制模塊能使測(cè)量值迅速接近設(shè)定值，然后在無超調(diào)的情況下實(shí)現(xiàn)比例控制。圖6是控制模塊輸出反作用時(shí)的動(dòng)作圖。當(dāng)測(cè)量值與設(shè)定值的偏差超過設(shè)定的偏差值DV時(shí)，批量作用開始運(yùn)轉(zhuǎn)，控制模塊輸出上限MH，并使測(cè)量值迅速接近設(shè)定值。如果偏差值回到設(shè)定偏差以內(nèi)，則可視為達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，控制模塊輸出MV=MH-BS，BS為偏置設(shè)定值，并切換成PID控制方式。在切換時(shí)，為了避免操作輸出值（MV）超調(diào)，一旦切換成PID方式，即使偏差超過偏差設(shè)定值DV，控制模塊并不切換到批量方式，而是在偏差超過偏差設(shè)定值和鎖定寬度之和（DV+CS）后才切換至批量方式。

圖6 批量PID動(dòng)作圖

2）充壓過程批量參數(shù)設(shè)定

已知對(duì)象的傳遞函數(shù)的表達(dá)式為：

W（s）=

上式變換成微分方程為：

T=RC

R——對(duì)象充壓的阻力

C——對(duì)象的容量

其中R的大小取決于充壓調(diào)節(jié)閥的開度。

批量參數(shù)MH多少為合適，要根據(jù)生產(chǎn)工藝要求的充壓時(shí)間來設(shè)定。由工藝要求知道充壓過程總的時(shí)間要求是150S，除去關(guān)閥保壓的60S，那么工藝要求的充壓時(shí)間就應(yīng)該是90S。為了留有一定余量，暫定為80秒。

解微分方程，得：

y（t）=1-e-t/T

將t=80，y（t）=28/36=0.778代入上式，得：T=53.3s

也就是說，充壓過程要求的時(shí)間是80s時(shí)，對(duì)象特性的時(shí)間常數(shù)是53.3s。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)MH值應(yīng)該設(shè)定在60%左右。調(diào)節(jié)閥偏置設(shè)定值BS為50。調(diào)節(jié)閥從60%關(guān)閉到50%所需時(shí)間是4s。分析特性方程y（t）=1-e-t/T（T=53.3s）在t=76S時(shí)，36y（t）=27.1 bar。所以設(shè)定：

DV=1bar

CS=4.5

3）PID參數(shù)的設(shè)置原則

所謂參數(shù)整定，就是確定最佳過度過程中控制器的比例度、積分時(shí)間和微分時(shí)間。

雖然我們已經(jīng)掌握的控制對(duì)象的大致的動(dòng)態(tài)特性，進(jìn)而對(duì)充壓過程中批量參數(shù)進(jìn)行了設(shè)置。但在沒有充壓的情況下，也就是PID控制起作用的階段，被控對(duì)象由灰鎖變成了充壓管線，而且工藝要求是力求穩(wěn)定，不產(chǎn)生大的波動(dòng)，所以，工程整定PID參數(shù)應(yīng)遵循以下原則：

1）由于被控對(duì)象充壓管線的容量小，所以比例度應(yīng)適當(dāng)放寬，減小系統(tǒng)的放大倍數(shù)。

2）由于不允許產(chǎn)生大的超調(diào)，所以宜采用工程經(jīng)驗(yàn)法進(jìn)行參數(shù)整定。并采用比例度和積分時(shí)間相互配合湊試的方法。

3）由于系統(tǒng)沒有容量滯后，所以不需要加入微分作用。

表1 充壓過程數(shù)據(jù)分析表

表2 泄壓過程數(shù)據(jù)分析表

四、閥門密封性試驗(yàn)

上文對(duì)上下錐閥壓力試驗(yàn)的必要性已作了簡(jiǎn)要介紹。閥門內(nèi)漏與否不但決定充泄壓時(shí)間，而且內(nèi)漏會(huì)導(dǎo)致上下錐閥的壽命急劇縮短。手動(dòng)操作是用在定點(diǎn)保壓的方法作壓力試驗(yàn)，自動(dòng)充壓也可以采用這種方法來判斷。我們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)了一種更簡(jiǎn)潔的方法來完成閥門壓力試驗(yàn)，可以縮短充泄壓時(shí)間，且簡(jiǎn)單可靠。設(shè)計(jì)思路如下：當(dāng)閥門開始充壓或泄壓時(shí)，如果下錐閥或上錐閥泄露，將使充壓或泄壓的時(shí)間延長(zhǎng)，也就是對(duì)象動(dòng)態(tài)特性的時(shí)間常數(shù)T會(huì)變大。那么，要判斷壓力試驗(yàn)是否合格只要判斷時(shí)間常數(shù)是否變大就可以了。第三章我們已經(jīng)求出了被控對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性，求出對(duì)象的傳遞函數(shù)是：

W（s）=

拉氏反變換求得特性方程為：

y（t）=1-e-t/T（K=1）

上式表明，時(shí)間常數(shù)T的大小直接影響到y(tǒng)（t）的變化率。利用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（DCS）的變化率報(bào)警功能就可以判斷T的變化情況。

變化率報(bào)警是設(shè)定每秒鐘的測(cè)量值變化，超過設(shè)定值，就會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。欲設(shè)定充壓和泄壓開始階段的變化率報(bào)警值，必須首先了解正常狀態(tài)下（錐閥不泄露）對(duì)象的時(shí)間常數(shù)。然后根據(jù)對(duì)象的特性方程對(duì)前20s變化率的變化情況進(jìn)行分析，確定變化率報(bào)警值的大小。

1.充壓過程分析

在第三章中已經(jīng)求出對(duì)象的特性方程為：

y（t）=1-e-t/54

時(shí)間常數(shù)為已知（T=54s）。

根據(jù)已知的特性方程對(duì)充壓過程的前20秒進(jìn)行數(shù)據(jù)分析見表1。表1中，t單位是s;36y（t）的單位是bar;變化率的單位是bar。

表中的36y（t）是灰鎖壓力的測(cè)量值變化情況。為了觀察變化率的變化規(guī)律，將變化率隨時(shí)間變化制成曲線如圖7。從圖可以看出，伴隨著灰鎖充壓過程，變化率是個(gè)隨時(shí)間衰減的指數(shù)曲線。所以在編制壓力試驗(yàn)測(cè)試程序時(shí)，要對(duì)檢測(cè)變化率報(bào)警的時(shí)間作出規(guī)定。由于計(jì)劃使用DCS的順控表編制自動(dòng)排灰程序，順控表的掃描周期是1s，所以暫定充壓閥打開兩秒鐘后對(duì)變化率報(bào)警進(jìn)行檢測(cè)。每臺(tái)氣化爐的充壓過程對(duì)象的實(shí)際特性和理論計(jì)算特性都會(huì)有所不同，準(zhǔn)確的設(shè)定值需在調(diào)試過程中加以修正。通過表1內(nèi)分析的數(shù)據(jù)，變化率報(bào)警值為YV917開閥兩秒后的值，查表1為0.64bar。

圖7 變化率響應(yīng)曲線

2.泄壓過程分析

同充壓過程一樣，泄壓過程的被控對(duì)象（灰鎖）沒有發(fā)生變化，對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性都是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，只是時(shí)間常數(shù)不同而已。求解泄壓對(duì)象特性時(shí)間常數(shù)T。在第三章中曾經(jīng)應(yīng)用時(shí)域分析方法求解對(duì)象的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。同樣，在這里我們應(yīng)用時(shí)域分析方法來求解時(shí)間常數(shù)T。圖8是計(jì)算機(jī)（DCS）記錄的泄壓過程曲線。根據(jù)響應(yīng)曲線求解時(shí)間常數(shù)T的方法在第三章已經(jīng)作的介紹，應(yīng)用同樣的方法求得泄壓過程對(duì)象特性時(shí)間常數(shù)T=44s。

圖8 泄壓過程曲線

對(duì)象特性可以用傳遞函數(shù)表示為：

W（s）=144s+1

對(duì)上式進(jìn)行拉氏反變換，得：

由于泄壓過程是打開兩位閥將壓力泄至常壓，所以對(duì)象輸入是一個(gè)負(fù)階躍，故x（t）=0。所以微分方程可以化成：

解方程，得對(duì)象特性方程：

y（t）=e-t/44

其中，y（t）用百分比表示。根據(jù)特性方程，對(duì)泄壓過程前20秒變化率的情況進(jìn)行分析，得出表4-2。表2中，t單位是s;36y（t）的單位是bar;變化率的單位是bar。變化率的報(bào)警設(shè)定值選定為0.6bar。表2中的28y（t）是灰鎖壓力的測(cè)量值變化情況。為了觀察變化率的變化規(guī)律，將變化率隨時(shí)間變化制成曲線如圖9所示。從圖可以看出，伴隨著灰鎖泄壓過程，變化率是個(gè)隨時(shí)間衰減的指數(shù)曲線。所以在編制壓力試驗(yàn)測(cè)試程序時(shí)，要對(duì)檢測(cè)變化率報(bào)警的時(shí)間作出規(guī)定。由于計(jì)劃使用DCS的順控表編制自動(dòng)排灰程序，順控表的掃描周期是1s，所以暫定泄壓閥打開2秒鐘后對(duì)變化率報(bào)警進(jìn)行檢測(cè)。每臺(tái)氣化爐的泄壓過程對(duì)象的實(shí)際特性和理論計(jì)算特性都會(huì)有所不同，準(zhǔn)確的設(shè)定值需在調(diào)試過程中加以修正。通過表2內(nèi)分析的數(shù)據(jù)，變化率報(bào)警值為YV917開閥兩秒后的值，查表1為t=2時(shí)0.60bar。

圖9 泄壓過程變化率響應(yīng)曲線

五、結(jié)論

上文討論的加壓氣化爐實(shí)現(xiàn)自動(dòng)排灰的兩個(gè)關(guān)鍵問題即控制方式和壓力試驗(yàn)方法在現(xiàn)場(chǎng)已得到應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了排灰自動(dòng)化。