CDQ干熄焦锅炉汽包水位智能控制开发与应用

苗青

（济南工程职业技术学院 山东省济南市 250200）

1 前言

钢铁工业是国民经济中的能耗大户，随着国家能源价格的调整，能源消耗已占钢铁生产成本的30%-40%左右。在工业高速发展过程中出现的能源供应日益紧张、环境的日趋恶化以及对焦炭质量、产量的要求越来越高的问题过程中，干法熄焦技术应运而生。干熄焦技术具有节能、减排、提高焦炭质量、余热利用等显著优点。据统计，至2015年4月我国已投产和在建的干熄焦装置达到了163 套，干熄焦生产自动化水平和管理水平不断提高。目前国内干熄焦的先进自动化系统达到三级水平:机、电、仪三电一体化的设备控制级、过程诊断级、决策管理级。

2 干熄焦生产过程控制系统概述

干熄焦生产过程控制是一个比较复杂的多物流组合、多控制系统交互混合的综合系统，根据干熄焦生产工艺要求和生产实际情况以及各个系统之间及变量之间存在的相互作用、相互影响、相互干扰等特性，划分主要控制系统：干熄本体控制系统、锅炉控制系统、排焦系统、除尘系统、汽机控制系统、循环水控制系统等。基于被控对象的多耦合，非线性等特点，干熄焦生产过程的精确控制尤为关键。因此对一些重要设备的重要控制参数（例如锅炉水位控制、循环风机负荷预测、干熄炉预存段压力控制、主蒸汽温度控制、排焦控制、汽机安全控制等）开发了基于模糊控制、自寻优控制、智能安全控制等控制算法和逻辑，确保了干熄焦安全生产全过程。

3 锅炉水位智能控制

锅炉是整个干熄焦工艺系统中的一个重要组成设备，其作用是降低干熄焦系统惰性循环气体的温度并吸收其热量加以有效利用。该部分主要包括：余热锅炉本体、外置省煤器、给水系统、除氧系统、加药系统、蒸汽及凝结水外网、氮气供应系统。其中锅炉本体、外置省煤器系统与干熄炉布置在一起，锅炉给水系统、锅炉除氧系统、锅炉加药系统单独布置在一独立建筑除氧加药间内。

3.1 影响汽包水位变化的干扰因素

对于锅炉装置来说，影响汽包水位变化的干扰因素大致包括如下：

（1）除氧器、汽包、给水泵的多重耦合响应；

（2）汽包立体容器的物理结构；

（3）水泵给水流量的变化；

（4）蒸汽负荷的压力和温度变化；

（5）干熄焦生产过程中产生烟气的变化；

（6）汽包水温和压力的变化；

对于连续性生产的锅炉来说，影响汽包水位的主要因素是锅炉的汽水平衡问题，汽包压力的波动并不是导致水位变化的直接因素，压力变化的原因是由于汽包内的热负荷和蒸汽负荷的不断变化引起的，致使汽包容器内压力升高形成的“自凝结”和压力降低形成的“自蒸发”过程引起水位变化的。蒸汽负荷的变化是一个不可控因素之一，随着用户需要而改变，而针对干熄焦生产热负荷变动相对变动不大的状况，应采取有利措施保持水位相对稳定而尽量避免波动过大造成给水量跟不上的负荷的变化。

冷水温度相比汽包饱和水的温度低很多，大约有50-200 度左右的温差（汽包饱和水的上限温度大约在250 度左右），另外，饱和水温度与其所受压力大小有关，压力愈大，则饱和温度也就越高；反之，压力小，则饱和温度也低。突然加大给水量，会使汽包中汽泡含量减少，因此，一开始水位并不会立即增加，甚至在短时间内有可能还会出现上水量跟不上泡含水位变化的状况，汽包水位存在一个滞后环节，给水温度越低，滞后时间越长。

综上所述，在CDQ 生产过程中控制好水位并不是一件简单的事情，必须去寻求更好的解决方案来避免水位波动过大、热负荷变化给生产带来的不利。

3.2 汽包水位的控制方式分析

锅炉正常运行过程中，水位的控制是一个尤为重要的参数之一，其控制方式有很多种，上水阀一般为调节阀，极少采用切断阀控制。为安全起见，有的用两个调节阀，采用投一备一的方式，锅炉水位的控制逻辑通常采用串级三冲量或单冲量控制，有的利用基于模型参考神经网络实现水位自适应控制，还有的使用模糊PID 控制器对水位进行控制。因此，不管用什么方式控制好水位，避免虚假液位的产生对锅炉本身造成的影响，保证该设备及整个干熄焦系统的安全和蒸汽的质量至关重要，本文所阐述的锅炉水位控制就是一种基于模糊控制算法和三冲量相结合控制的一个典型应用案例。

3.3 汽包水位控制

3.3.1 主体控制思路

采用三冲量调节 、模糊计算 、纯滞后预估技术及精确前馈等先进算法，对实施采集现场实际数据进行计算分析，并且在全自动方式下，系统根据液位的变化率随时进行模式切换，对切换方式设计了无扰动切换，将模糊控制和三冲量控制、单冲量有机的结合起来，实现对高温高压汽包水位的自动调节，以达到更佳的控制效果。控制原理图见图1。

图1：模糊控制和三冲量结构图

3.3.2 控制方法

采用模糊控制结合三冲量控制：即在相对稳定工况下，采用三冲量控制（即汽包液位主调节参数，蒸汽流量和給水流量作为辅调的串级调节，并且各回路可随时解列，也可单冲量（汽包液位为被控参数）、双冲量调节。在汽包液位波动大的情况下采用模糊控制。

稳定工况下，流量调节阀输出电流公式为：

其中，K1、K2、K3 分别为加法器各通道的衰减系数，可根据现场实际情况设置，I1 为液位调节器的输出电流； I2 为蒸汽流量变送器的电流； I3 为给水流量变送器的电流。控制逻辑如图2。

图2：控制逻辑图

在水位波动范围异常大的情况下，采用模糊(Fuzzy)控制。模糊(Fuzzy)控制可以解决过程控制中非线性、强耦合、时变和纯滞后特性。

精确量x 的实际变化范围为[a，b]，将[a，b]区间的精确量转换为[-6，6]区间变化的变量y，采用如下公式：

由式（2）计算的y 值若不是整数，可以把它归入最接近于y的整数。对于输变量误差和误差变化率转换为模糊语言值，划分为：

每一个语言值对应于一个模糊子集，然后确定这些模糊子集的隶属度函数。本项目选用三角形隶属函数曲线。模糊控制隶属函数曲线见图3。

图3：模糊控制隶属函数曲线

4 结束语

干熄焦汽包水位实现了全自动控制，具有自动化水平高，运行稳定，操作简便，故障率低，维修量小等优点，达到了国内同类锅炉水位控制的领先水平。实践证明，采用模糊控制结合三冲量控制，充分发挥模糊控制的快速性、充分运用三冲量控制的优点，满足了在不同工况下的水位突发状况，实现对高温高压干熄焦锅炉汽包水位的最优控制。