薛美盛 謝忻南 饒偉浩 秦宇海

作者簡(jiǎn)介：薛美盛（1969-），副教授，從事先進(jìn)控制與優(yōu)化的研究。

通訊作者：謝忻南（1998-），碩士研究生，從事先進(jìn)控制與優(yōu)化的研究，xxn98@mail.ustc.edu.cn。

引用本文：薛美盛，謝忻南，饒偉浩，等. 基于AKF-PID的航天氣化爐氧煤比先進(jìn)控制[J].化工自動(dòng)化及儀表，2023，

50（6）：000-000.

DOI：10.20030/j.cnki.1000-3932.202306000

摘? 要? 在航天氣化爐生產(chǎn)系統(tǒng)中，氧煤比的自動(dòng)控制對(duì)于提高航天氣化爐生產(chǎn)效率具有重要意義。氧煤比的調(diào)控通常由控制煤線流量完成，煤線流量具有大噪聲、強(qiáng)干擾特性，人工手動(dòng)控制無(wú)法實(shí)現(xiàn)氧煤比的精確控制，使用常規(guī)PID控制器無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)氧煤比的自動(dòng)控制。為此，提出一種基于AKF-PID的氧煤比先進(jìn)控制方法，針對(duì)煤線流量大噪聲的特性，采用自適應(yīng)卡爾曼濾波器（AKF），在保證濾波效果的同時(shí)避免了均值濾波帶來(lái)的時(shí)間滯后；針對(duì)強(qiáng)干擾特性，將給料罐與燒嘴壓差作為前饋量，克服煤線壓力波動(dòng)干擾造成的產(chǎn)品質(zhì)量下降問題。該算法已成功投運(yùn)，極大地改善了氧煤比的控制品質(zhì)。

關(guān)鍵詞? 先進(jìn)控制? AKF-PID控制算法? 航天氣化爐? 氧煤比? 前饋控制? 碳減排

中圖分類號(hào)? TP273? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼? B? ? ? 文章編號(hào)? 1000-3932（2023）06-0000-00

煤炭是我國(guó)可采儲(chǔ)量最多的化石能源，因此我國(guó)現(xiàn)代煤化工已形成具有一定影響力的規(guī)模化的產(chǎn)業(yè)體系[1]。截至2019年，我國(guó)已經(jīng)建成8套煤制油、4套煤制天然氣、32套煤（甲醇）制烯烴、24套煤制乙二醇生產(chǎn)裝置[2]。截至2022年，航天氣化爐占煤氣化全國(guó)市場(chǎng)份額超過50%。但是，煤化工是高耗能產(chǎn)業(yè)，煤化工行業(yè)是我國(guó)煤炭的主要消費(fèi)者之一，也是二氧化碳的主要排放者之一[3]。在我國(guó)2030年前力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰”、2060年前力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)“碳中和”的大背景下，現(xiàn)代煤化工產(chǎn)業(yè)碳減排需求十分迫切[4]。

針對(duì)氣化爐的先進(jìn)控制問題，有許多專家學(xué)者展開了大量研究。2006年WILSON J A等使用卡爾曼濾波器實(shí)現(xiàn)了煤質(zhì)在線估計(jì)，結(jié)合常規(guī)反饋控制系統(tǒng)有效提高了氣化爐運(yùn)行性能[5]。2014年劉晴等設(shè)計(jì)了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)PID的氣化爐溫度控制算法，并在以整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)電站為背景的仿真實(shí)驗(yàn)中證明了算法的有效性[6]。2019年晁澄設(shè)計(jì)的先進(jìn)過程控制（Advanced Process Control，APC）首次在GE單噴嘴水煤漿氣化爐成功應(yīng)用[7]。2021年方薪暉使用PID算法實(shí)現(xiàn)了與氣化生產(chǎn)有關(guān)的35個(gè)回路的自動(dòng)控制，并且建立數(shù)字孿生模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣化過程的模擬[8]。2021年薛美盛等使用廣義預(yù)測(cè)控制實(shí)現(xiàn)了HT-L型航天氣化爐合成氣一氧化碳含量、氫氣含量與產(chǎn)率的先進(jìn)控制[9]。

筆者針對(duì)航天氣化爐中的氧煤比控制問題，提出一種基于自適應(yīng)卡爾曼濾波（Adaptive Kalman Filter，AKF）-PID的控制算法，以克服航天氣化爐氧煤比大噪聲、強(qiáng)干擾特性帶來(lái)的難控問題，實(shí)現(xiàn)氧煤比的自動(dòng)控制。

1? 氧煤比控制問題分析

1.1? 航天氣化爐工藝流程簡(jiǎn)介

航天氣化爐屬于粉煤加壓氣流床氣化爐，共有3根煤線和1根氧線。煤線將來(lái)自煤加壓?jiǎn)卧母邏好悍?二氧化碳混合物送入航天氣化爐，氧線將來(lái)自上游空分裝置的高壓純氧送入航天氣化爐。航天氣化爐合成氣中的主要成分是一氧化碳和氫氣，稱為有效氣；主要副產(chǎn)物為二氧化碳與甲烷，其中甲烷含量可以指示航天氣化爐爐況。

航天氣化爐內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)主要由四大類構(gòu)成，分別為碳氧間反應(yīng)、碳水蒸氣間反應(yīng)、甲烷生成反應(yīng)與少量

氮元素硫元素的反應(yīng)。其中碳氧間反應(yīng)、碳水蒸氣間反應(yīng)、甲烷生成反應(yīng)如下：

碳氧間反應(yīng)? C+O2=CO2-394.1 kJ/mol

C+O2=CO-110.4 kJ/mol

C+CO2=2CO+173.3 kJ/mol

2CO+O2=2CO2-566.6 kJ/mol

碳水蒸氣間反應(yīng)? C+H2O=CO+H2+135.0 kJ/mol

C+2H2O=CO2+2H2+96.6 kJ/mol

CO+H2O=CO2+H2-38.4 kJ/mol

甲烷生成反應(yīng)? C+2H2=CH4+84.3 kJ/mol

CO+3H2=CH4+H2O-219.3 kJ/mol

2CO+2H2=CH4+CO2-12.2 kJ/mol

2C+2H2O=CH4+CO2+7.65 kJ/mol

在3根煤線中，煤粉的加壓輸送是通過粉煤鎖斗的間歇性操作來(lái)實(shí)現(xiàn)的。為了保證到燒嘴的粉煤流量穩(wěn)定，需控制粉煤給料罐和氣化爐之間保特相對(duì)穩(wěn)定的壓差（通常為0.7～0.8 MPa），此壓力的設(shè)定值取決于氣化爐的負(fù)荷。

氧線流量與3根煤線流量之比稱為氧煤比。為了保證航天氣化爐的安全高效運(yùn)行，需要根據(jù)實(shí)際進(jìn)入航天氣化爐煤粉的煤質(zhì)與航天氣化爐的運(yùn)行狀態(tài)不斷調(diào)整氧煤比。過高的氧煤比會(huì)導(dǎo)致航天氣化爐超溫造成危險(xiǎn)狀況，過低的氧煤比又會(huì)降低產(chǎn)氣效率。

1.2? 氧煤比控制難點(diǎn)

在實(shí)際的航天氣化爐生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，氧煤比控制存在兩個(gè)難點(diǎn)：

a. 由于煤線中輸送的是高壓煤粉/二氧化碳混合物，煤線流量存在較大噪聲。使用傳統(tǒng)的均值濾波在保證濾波效果的前提下會(huì)引入一個(gè)較大的滯后時(shí)間，降低控制品質(zhì)。

b. 由于粉煤鎖斗間歇性卸料操作，煤線壓力會(huì)間歇出現(xiàn)較大擾動(dòng)，導(dǎo)致流量計(jì)出現(xiàn)系統(tǒng)誤差。此時(shí)如果仍然根據(jù)流量計(jì)調(diào)整煤線流量，會(huì)導(dǎo)致實(shí)際進(jìn)入航天氣化爐的煤粉流量波動(dòng)加劇，造成航天氣化爐工況不穩(wěn)定，產(chǎn)品質(zhì)量下降，具體表現(xiàn)為合成氣甲烷含量大幅波動(dòng)。

針對(duì)以上控制難點(diǎn)，筆者采用自適應(yīng)卡爾曼濾波[10]解決由均值濾波帶來(lái)的時(shí)間滯后問題。提出一種以給料罐與燒嘴壓差作為前饋量的控制方法，解決粉煤鎖斗間歇性卸料造成的壓力擾動(dòng)。

2? 氧煤比控制算法設(shè)計(jì)

2.1? PID控制算法

針對(duì)氧煤比控制難點(diǎn)，設(shè)計(jì)氧煤比控制系統(tǒng)，系統(tǒng)輸入為氧煤比設(shè)定值，氧煤比設(shè)定值由操作人員根據(jù)煤質(zhì)與航天氣化爐工況設(shè)定。煤線流量計(jì)算模塊根據(jù)輸入的氧煤比設(shè)定值與氧氣流量濾波值計(jì)算得到煤線流量設(shè)定值，煤線流量設(shè)定值與煤線流量濾波值做差后進(jìn)入PID控制器，由PID控制器對(duì)煤線流量進(jìn)行控制。其中，PID控制器采用增量式PID算法：

（1）

其中，為控制量增量；為誤差；為比例系數(shù)；為積分時(shí)間；為微分時(shí)間；為采樣周期。

氧煤比AKF-PID控制框圖如圖1所示。

2.2? 自適應(yīng)卡爾曼濾波算法

煤線流量計(jì)的噪聲較大，如果采用均值濾波器需要30 s的濾波時(shí)間才能有效去除噪聲，會(huì)帶來(lái)約15 s的純滯后時(shí)間。煤線流量的滯后時(shí)間較小，15 s的滯后對(duì)控制效果的影響較大。煤線流量噪聲如圖2所示。

煤線流量噪聲滿足高斯分布（95%置信度），其中，煤線流量噪聲分布與擬合曲線如圖3所示。煤線流量噪聲符合高斯分布，且均值接近零，因此，煤線流量噪聲可以認(rèn)為是一個(gè)高斯白噪聲。

煤線流量系統(tǒng)的狀態(tài)方程可寫為：

（2）

其中，F(xiàn)為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；G為控制矩陣，控制作用為差值；為系統(tǒng)噪聲，稱為過程噪聲協(xié)方差矩陣；為時(shí)刻系統(tǒng)狀態(tài)；為時(shí)刻控制作用。

觀測(cè)方程可寫為：

（3）

其中，為時(shí)刻觀測(cè)量；為測(cè)量噪聲，稱為測(cè)噪聲協(xié)方差矩陣；為觀測(cè)矩陣。

處于濾波狀態(tài)的卡爾曼濾波器在預(yù)測(cè)階段首先預(yù)測(cè)k時(shí)刻的預(yù)測(cè)值與k時(shí)刻預(yù)測(cè)值的不確定度，其中為k時(shí)刻估計(jì)值：

（4）

（5）

在更新階段，更新k時(shí)刻的卡爾曼增益、估計(jì)值、估計(jì)值不確定度：

（6）

（7）

（8）

卡爾曼濾波[11]的精確性依賴系統(tǒng)參數(shù)與噪聲參數(shù)的精確性。但是在實(shí)際工程應(yīng)用中，過程噪聲協(xié)方差矩陣Q與測(cè)噪聲協(xié)方差矩陣R不易獲取，因此采用自適應(yīng)卡爾曼濾波。過程噪聲協(xié)方差矩陣Q與測(cè)噪聲協(xié)方差矩陣R采用估計(jì)值與，估計(jì)方法如下[10]：

（9）

（10）

（11）

（12）

其中，為遺忘因子；為時(shí)刻系統(tǒng)測(cè)量值與估計(jì)值的差值。

2.3? 前饋控制算法

針對(duì)給料罐與燒嘴壓差的間歇性波動(dòng)，當(dāng)出現(xiàn)壓力波動(dòng)時(shí)，煤線流量計(jì)系統(tǒng)誤差增大，導(dǎo)致表顯波動(dòng)大于實(shí)際波動(dòng)。此時(shí)不能大幅調(diào)節(jié)煤線閥門，否則會(huì)造成合成氣甲烷含量大幅波動(dòng)。因此，將給料罐與燒嘴壓差作為前饋量進(jìn)入控制器。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況，給料罐與燒嘴壓差通常穩(wěn)定在0.75 MPa，當(dāng)壓差超出0.75 MPa±0.02 MPa時(shí)認(rèn)為出現(xiàn)間歇性壓力波動(dòng)，此時(shí)減小比例作用來(lái)減弱控制器作用，提高航天氣化爐爐況的穩(wěn)定性。

3? 氧煤比控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

筆者設(shè)計(jì)的氧煤比控制系統(tǒng)布署在一臺(tái)先進(jìn)控制服務(wù)器上。先進(jìn)控制服務(wù)器通過OPC與現(xiàn)場(chǎng)集散控制系統(tǒng)連接。氧煤比控制系統(tǒng)界面如圖4所示。

現(xiàn)場(chǎng)煤線共分為3條，每條煤線分別顯示氧煤比濾波值、氧煤比設(shè)定值、煤線閥門開度（%）、煤線流量設(shè)定值（kg/h）、煤線流量實(shí)際值（kg/h），并提供滑動(dòng)條供操作人員設(shè)置氧煤比設(shè)定值，“打開/關(guān)閉”開關(guān)可以單獨(dú)設(shè)定每條煤線是否自動(dòng)控制?，F(xiàn)場(chǎng)操作人員根據(jù)煤質(zhì)與航天氣化爐工況決定是否開啟氧煤比自控系統(tǒng)，并設(shè)定氧煤比設(shè)定值。氧煤比控制系統(tǒng)根據(jù)氧煤比設(shè)定值計(jì)算得到煤線流量設(shè)定值，然后根據(jù)煤線流量設(shè)定值控制煤線閥門開度。

4? 氧煤比控制系統(tǒng)投運(yùn)效果

在某氣化廠投運(yùn)氧煤比控制算法，分別對(duì)比自適應(yīng)卡爾曼濾波與均值濾波的濾波效果，給料罐與燒嘴壓差前饋控制投運(yùn)前、后合成氣甲烷含量，氧煤比手動(dòng)控制、均值濾波-PID控制效果、AKF-PID控制效果。

自適應(yīng)卡爾曼濾波與均值濾波的效果對(duì)比如圖5所示。使用均值濾波，由濾波環(huán)節(jié)產(chǎn)生的純滯后約15 s（濾波時(shí)間30 s）。使用自適應(yīng)卡爾曼濾波，由濾波環(huán)節(jié)產(chǎn)生的純滯后約為3 s?？梢?，自適應(yīng)卡爾曼濾波可以有效減少由濾波產(chǎn)生的純滯后時(shí)間，提升控制品質(zhì)。

使用給料罐與燒嘴壓差前饋的控制效果如圖6、7所示。改善前合成氣甲烷含量的標(biāo)準(zhǔn)差為9.947 7，改善后的標(biāo)準(zhǔn)差為6.023 1。證實(shí)加入前饋控制可以明顯改善合成氣中甲烷含量的穩(wěn)定性。合成氣甲烷含量的穩(wěn)定就意味著航天氣化爐爐況的穩(wěn)定。

1ppm=0.001‰

氧煤比手動(dòng)控制、均值濾波-PID控制、AKF-PID控制效果的24 h對(duì)比如圖8～10所示。4 h運(yùn)行效果對(duì)比如圖11～13所示。

在4 h控制效果對(duì)比中，手動(dòng)控制氧煤比的期望值取4 h平均值0.716，均值濾波-PID控制氧煤比設(shè)定值0.675，AKF-PID控制氧煤比設(shè)定值0.710?？刂菩Ч麑?duì)比見表1。

可以看出，采用AKF-PID氧煤比自動(dòng)控制算法的控制效果要明顯優(yōu)于手動(dòng)控制與均值濾波-PID自動(dòng)控制算法。

5? 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)航天氣化爐中的氧煤比控制問題，提出基于AKF-PID的氧煤比控制算法，克服了氧煤比對(duì)象大噪聲、強(qiáng)干擾的問題，并在某氣化廠成功應(yīng)用。該算法使得航天氣化爐中氧煤比的控制品質(zhì)明顯改善，對(duì)比手動(dòng)控制平均誤差下降21.2%，對(duì)比均值濾波-PID控制平均誤差下降8.8%。該算法的長(zhǎng)期投運(yùn)使用，為以氧煤比為基礎(chǔ)的航天氣化爐節(jié)能優(yōu)化控制打下了基礎(chǔ)。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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（收稿日期：2022-11-28，修回日期：2023-02-08）