优化煤气发生炉饱和蒸汽温度设计及控制

农世锋（广西华银铝业有限公司,广西 百色 533700）

优化煤气发生炉饱和蒸汽温度设计及控制

农世锋
（广西华银铝业有限公司,广西 百色 533700）

饱和蒸汽温度是混合煤气发生炉操作控制中最为关键参数之一。饱和温度的高低是控制进入发生炉作为气化剂的蒸汽含量的多少，对控制发生炉内部火层的温度起到了关键性的作用，合理的温度测点及PID参数整定是优化煤气发生炉饱和温度设计及控制的最佳途径。

饱和蒸汽温度；自动控制；控制算法

1 概述

煤气站发生炉炉底饱和热电阻目前安装在发生炉饱和水平管道上，测量饱和蒸汽和空气的混合温度，由于温度测点安装位置离蒸汽管入口比较近，使得总管内的饱和蒸汽和空气混合不够充分，该点温度不能真实的反映饱和温度。这样难免会影响煤气发生炉生产煤气的质量，因为操作员是根据捅煤来判断炉况燃烧的状况，通过设定饱和温度来调节蒸汽调节阀。因此，高效迅捷的将温度控制在一定范围有着非常重要的意义，同时工艺运行也对发生炉的饱和蒸汽温度自动控制提出了迫切要求。

2 煤气发生炉目前饱和蒸汽监控现状

煤气站发生炉炉底饱和热电阻目前安装在发生炉饱和水平管道上，测量饱和总管内饱和蒸汽和空气的混合温度，热电阻测温点距离发生炉炉底饱和竖管约为0.6m。通过对30台发生炉饱和热电阻位置安装比较及发生炉饱和水平管和饱和竖管的温度测量。发现热电阻测温点的饱和蒸汽与空气混合不够充分，该点温度不能真实的反映饱和温度。原因：一是热电阻测温点与蒸汽管入口贴比较近，存在空气与蒸汽混合不均匀的问题，使测量出的温度偏高。二是在热电阻插入深度基本一致即1.2m的情况下，测温点温度离管道顶部越近温度也高,管道顶部与中心点温度相差约8℃。饱和温度是混合煤气发生炉操作中最为关键的一个操作参数，饱和温度的高低是控制进入发生炉作为气化剂的蒸汽含量的多少，对控制发生炉内部火层的温度起到了关键性的作用。据工艺人员反映，目前有一部分发生炉饱和温度显示值与操作理论值存在差异，给工艺人员操作带来不便。

3 饱和蒸汽温度测点选择

由于炉底井内经常积水，为了解决真实反馈介质温度问题同时又能便于日后维护工作，提出以下改造方案：一是调整测温部位，由原来饱和水平管改为饱和竖管。二是把热电阻改为卡套式，并加长热电阻套管，套管安装固定在饱和竖管上，使得日常维护不用到炉底井下作业，保证作业人员的安全。另外，继续保留原先的热电阻，可作为改造后新测点的一个参考值。为能更好的反映饱和温度的真实性，提高煤气生产质量，我们择优选择第一个方案。如（图1）

4 饱和蒸汽温度自动控制

在控制发生炉生产煤气过程中，如果单靠手动方式来调节各类阀门，几台阀门还应付得过来，但要是几十上百台，无形增加岗位人员的工作负荷，而饱和蒸汽的温度控制，如单靠人工调节来控制，不免在调节上存在滞后，更多影响煤气质量。为高效迅捷控制饱和蒸汽温度的调节，我们就要对饱和蒸汽温度进行PID优化控制。

4.1 PID控制算法

控制算法是微机化控制系统的一个重要组成部分，整个系统的控制功能主要由控制算法来实现。目前提出的控制算法有很多。根据偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）进行的控制，称为PID控制。实际经验和理论分析都表明，PID控制能够满足相当多工业对象的控制要求，至今仍是一种应用最为广泛的控制算法之一。

在模拟控制系统中，调节器最常用的控制规律是PID控制，常规PID控制系统原理框图如（图2）所示。

4.2 PID参数整定方法选择

尽管饱和温度测点已移到蒸汽和空气最佳混合的竖管位置，减少一定的真实温度误差。为能更精准控制，我们还需要对发生炉饱和温度的控制进行PID参数整定。

整定参数的方法有理论计算法和经验试凑法两种。理论计算法需要大量的计算，对于初学者和数学底子薄弱的人会望而却步，并且计算效果还需要进一步的修改整定，在实际应用过程中，理论计算法比较少，经验试凑法最广为人知。在经验试凑法中，我们可以依靠分析比例、积分、微分的基本性质，判读趋势图中，比例、积分、微分的基本曲线特征，从而对PID参数进行整定。这个方法比传统的经验试凑法更快速更直观的，更容易整定。因而，我把这种依靠对趋势图的判读，整定参数的办法，称之为：趋势读定法。趋势读定法三要素：设定值、被调量、输出。三个曲线缺一不可，所以本次饱和蒸汽温度的控制我们要收集的曲线有：

（1） 设定值。作为比较判断依据； （温度设定——绿色线条）（2）被调量波动曲线；（温度反馈——黑色线条）（3）PID输出曲线；（阀门反馈——蓝色线条）

4.2.1 比例P整定

整定比例作用比较笨的办法，逐渐加大比例作用，一直到系统发生等幅震荡，然后在这个基础上适当减小比例作用即可，或者把比例增益乘以0.6~0.8。 一般来说，对于一个简单的单回路调节系统，比例作用很强的时候，振荡周期是很有规律的，基本上呈正弦波形状。那什么样才算规律的振荡周期？通过亲自操作调节阀，或者查找运行操作的历史趋势，查找或者令调节阀的输出有一个足够的阶跃量——这个阶跃量要足够大，但是千万不能给稳定运行带来危险——然后观察被调量（温度反馈）多久之后开始有响应。记录下响应时间。然后在整定参数的时候，你所整定的系统的波动周期，大约是你记录响应时间的3-8倍。

4.2.2 积分Ti和微分Td的整定

整定Ti的方法就是在比例作用整定好后，给设定值一个阶跃响应，即把设定值调大点，当被测值曲线由向设定值靠拢变化到第一个波峰再回落到设定值过程，通过时间轴，把被测值曲线的波峰时间（假设T1）和回落到设定值的时间（假设T2），那么积分时间Ti≤T1+(T2-T1)/2,微分时间我们可以利用经验大概整定：Td=Ti÷(4～6)。总之，本次PID参数的整定，目标就是使饱和蒸汽的调节更科学合理，炉况控制更精准。

4.3 控制指标

最终你所整定的系统，其调节效果应该是被调量波动小而平缓。在一个扰动过来之后，调节阀动作的目标就是使被调量不断的向设定值靠拢，最后达到两趋势线合二为一。而自动调节系统的质量指标之一 是执行机构动作次数，动作次数决定了执行机构的寿命。这里说的执行机构不光包括执行器，还包括调节阀门。执行机构频繁动作不光损坏执行器，还会让阀门线性恶化。经过一系列PID参数整定后发生炉饱和蒸汽温度控制效果如（图3）。

5 优化效果

通过优化煤气发生炉饱和蒸汽温度设计及控制后，热电阻测得的温度更能反映发生炉炉底饱和温度的真实温度，为工艺指标控制提供可靠依据。同时经过一系列PID参数优化整定，饱和蒸汽温度的调节得到高效迅捷控制，执行机构动作的次数相应减少，这样对执行器的寿命得到相应增加，起到良好控制效果。

[1]候志林.过程控制与自动化仪表[M].北京:机械工业出版社,2004.

[2]柳桂国.检测技术及应用[M].北京:电子工业出版社,2003.