基于风机定风压控制实现高炉热风炉稳定换炉功能

基于风机定风压控制实现高炉热风炉稳定换炉功能

石奕 ,刘新

重庆钢铁股份有限公司能源环保部  重庆 400000

摘要：

在高炉炼铁中，每座高炉一般设有3-4座热风炉。热风炉是加热蓄热送风是一个交替过程，因此在换炉过程中必须要保证无扰动换炉，由PID控制环节实现自动调节轴流风机风量、风压，从而解决换炉期间高炉由风压波动引起的炉况失衡问题。本文通过历史工况数值进行计算得到PID的参数，从而满足现场需要，并能适用到更广的范围中。

概述：

高炉炼铁是现代炼铁的主要方法，对于钢铁生产来说，高炉运行状况的好坏直接影响炼铁的质量，产量以及后续炼钢，轧钢等工序的质量，可以说是钢铁生产中至关重要的环节。其中热风炉是为高炉加热鼓风的设备，是现代高炉不可缺少的重要组成部分。热风炉是将鼓风机的供风加热至高炉冶炼所需的高温，每座高炉设有3-4座热风炉。作为一种蓄热式换热器，需要加热进行蓄热，即在燃烧室燃烧煤气，产生高温废气通过格子砖并使之蓄热。当格子砖充分加热后，关闭燃烧各阀，打开送风阀门。当冷风通过格子砖时和格子砖发生热交换，得到所需温度的热风供高炉使用。通过换炉实现加热和送风交替进行。在热风炉换炉时，新热风炉的压力为正常大气压，必须先用风机对热风炉进行冲压使之升到一定的压力，在这段时间里，高炉内部的流量、压力就会呈现阶跃式下降。通过在热风炉控制系统和风机控制系统之间联动实现控制，将热风炉换炉过程控制与轴流风机工艺参数控制调节通过PLC连锁控制，在换炉过程中，通过PID自动控制调节风机静叶角度，保证热风炉换炉期间高炉内部流量压力的稳定，不需要人工控制阀的动作，换炉操作更加规范、简单。因此必须保证持续的送风才能保证高炉正常运作，热风炉稳定换炉控制采用的是通过压力信号控制风机静叶的开度，当投入自动时可以实现PID控制，始终保持压力设定值。

主要内容：

风机控制系统采用GE PLC，上位机为配套系统iFix，通过GE驱动实现通讯，被控对象为排气压力，针对静叶实现PID控制，PID算法为工程人员通过功能块编写，为标准PID算法，参数设置采用比例带，积分时间，微分时间等。

调参可以说是PID控制的最重要一步，确定比例、积分时间、微分时间的数值十分考验调参人员的经验，对于各种千差万别的系统并不存在一个适用的明确准则，最著名的常用方法有ZN法等，但是也存在若干问题，比如设定4：1衰减式震荡作为标准准则控制回路性能，但会导致测量值超过设定值并呈振荡之势，在现实生产过程中很多情况是不允许超调的，对于这种情况来说ZN方法并不适用，另外ZG控制方法的Robust性能并不好，工况一旦发生变化整体控制系统会发生振荡，对于滞后系统来说，ZG方法得出的积分参数不能很好的抑制干扰能力。

综上所述，传统经验法、ZN方法更多关注于如何更好的实现PID控制结果，关注点在于如何克服阶跃扰动和累积误差，这带来过大的增益和过小的积分时间并进一步的带来系统振荡。而新的方法着眼点在于更好的线性化系统，更高的稳定性，降低振荡的影响等。       1、方法概述

对于抑制过程波动来说，更小的反应时间即更快的反应速度可以减少系统振荡，通过计算出的时间参数串起整个系统的PID整定，对于我司来说热风炉模型简化为一阶系统，风量流动整个热风炉压力稳定测量是一个滞后过程，我们的控制目标为

（1）不能发生超调，否者一旦发生振荡必然带来压力达到峰值后停机的风险。

（2）即使在调节参数的过程中的工艺参数，整体的系统运行状态和日后实际生产过程中不一样也可以满足PID控制的良好性能。

（3）对于以后如有交互式生产的状态下，PID控制也可以抑制住干扰并能防止干扰传递扩散到整体系统。

首先计算响应时间参数，在调试PID过程中为确定比例控制必然会通过不同的设定值估算系统响应时间，以及滞后性等运行特性，时间越小必然系统反应越快。

系统传递函数为：

=

控制单元的拉普拉斯变换为：

=

在上文中我们把热风炉整体控制系统简化为一阶滞后系统，因此传递函数为：

                             =

计算后的传递函数为：

                             =

对原始传递函数进行计算后得到：

                             =

把热风炉一阶简化模型带入后得到：

                             =

对滞后环节进行泰勒公式简化后：

                             ≈1-

带入后可得到：

                            =

这里我们选择基本可以达到很好的控制效果。

2、实际应用

在调节过程中，我们首先计算模型增益K，K=ΔPV/ΔOP，即输出值除以人工调整控制器的阶跃值，然后记录下相应时间，沿相应曲线近似做出相应曲线的切线。首先通过手动操作阀位测试做一个10%的扰动，阀位从80%减到70%，初始压力为1.6MPa，输入压力量程为0~40MPa，输出量程0~40MPa，输出变化为ΔOP=10%。

压力变化时间为15分30秒，动作过程结束，压力稳定在15分52秒，压力值为12MPa，响应时间为52-30=22秒。63.2%ΔPV=10MPa。做近似切线后焦点为15分32秒，时间常数为2秒，积分时间为10秒，因此参数计算了如下：

根据各个参数计算得：

初始压力12MPa，结束压力10MPa，时间参数=2，T=10，压力量程均为2MPa，ΔOP=10

相应时间=22,计算得到：

ΔPV=2*（调节后前后测量值差）/PV量程=100*2/100=2

K=ΔPV/ΔOP=2/10=0.2

传递函数为

=

=max()=max(2,5)=5

==7.14

比例参数为100*=14.0056

3、总结

通过此方法在生产实践中可以简化PID的整定过程，按此方法设定参数后运行良好。

参考文献

[1]冯少辉、袁海雷.基于Lambda方法的自衡对象PID整定研究[M].石油化工自动化，2021，57(4)：31-34.

[2]许谨、徐大纹、吴瑞镛.基于被控对象部分知识的自整定PID算法[M].西北建筑工程学院学报，2001，18(2)：76-77.