专利名称：控制混合煤气热值压力稳定的方法
技术领域：
本发明属于工业热工自动控制领域，具体用于煤气混合站控制混合煤气热值和压力的稳定，或者说是用于高炉煤气与焦炉煤气以及两种气体直接在管网动态混合过程中，控制混合煤气热值和压力稳定的一种方法。
在已知技术中，计算机控制压力稳定的方法主要是对单种燃气压力进行稳定，采用单回路PI调节;对于两种燃气的混合控制，主要是控制两种燃气的体积混合比恒定和混合后燃气压力不低于要求的最小压力。这种方法主要用在两种燃气的热值基本不变的情况，各自经储气柜后，也可采用仪表自动调节。此法的缺点是不能适应煤气本身的热值波动，不易实现混合煤气的热值和压力“双稳”，因为企业副产品的各种煤气的成份不是固定的，随着成份的变化其发热量也是变化的，只保持一定的体积混合比，其混合后煤气的热值仍然是波动较大的。对于高炉煤气与焦炉煤气的压力和热值频繁波动、幅度较大或管网直接混合的情况，仪表自动调节或简单的PID调节，效果不佳。同时因为高焦混合煤气热值和压力“双稳”控制系统，是一个具有较强耦合作用的多变量系统。(输入变量有四个高炉煤气的压力和热值、焦炉煤气的压力和热值;输出变量有两个混合煤气的热值和压力)，仪表系统和简单PID调节无法解决耦合影响和控制对象的非线性特征。
目前，国内煤气混合站基本采用手动调节，混合煤气的热值和压力波动较大，直接影响煤气用户的热工制度和产品质量的提高。
本发明的目的是根据上述问题，提出了一种在煤气混合站控制混合煤气热值和压力稳定的方法。该方法提出了适合煤气混合站的专家系统、解耦方法、最优算法、数字滤波、自校正PID、热值预报和滞后补偿算法。此法能够适应高炉煤气和焦炉煤气本身的热值波动。在高炉煤气与焦炉煤气的热值和压力频繁波动的动态混合过程中，自动控制高焦比，来实现混合煤气的热值和压力“双稳”。
本发明的目的是这样实现的首先，将煤气混合站变送器的数据输出通过模/数转换器送给计算机，计算机进行数字滤波;然后，将上述数据与煤气混合站运行累积经验组成的知识库相比较，并运用解耦方法、最优算法、PID算法、热值预报和滞后补偿算法，阀门的特性关系，获得煤气混合站四个蝶阀的动作量;
最后，根据推断和运算结果，通过数/模转换器发出控制信号，改变蝶阀的开度，调节高炉和焦炉煤气的配入量，控制混合煤气的热值和压力稳定。
本发明的具体实施方案是运用解耦方法，将混合煤气热值和压力“双稳”多变量控制系统化为四个单回路控制系统高炉稳压回路、焦炉稳定回路、混合稳压回路、热值调节主回路和流量配比调节副回路分别控制四个蝶阀，在专家控制集中考虑了这四个回路间的耦合作用，专家控制集主要有高炉稳压控制子集(包括阀后压力与阀门开度的非线性多值函数)，焦炉稳压控制子集(包括阀后压力与阀门开度的非线性多值函数)、混合稳压控制子集(包括混合压力与阀门开度的非线性多值函数)。当焦炉或高炉煤气管网压力升高(或降低)或用户增减量而使混合煤气压力发生变化时，每隔T1时间，将检测的数据进行数字滤波，与知识库相比较，并做偏差计算，自校正PID运算，阀门开度和压力的关系运算，获得蝶阀11、13、14(图2)的动作方向和动作量，通过D/A转换器发出控制信号，将高炉压力和焦炉压力控制在合适的区域，混合压力控制在稳定区域以保证混合热值的正常控制。
当高焦压力或高炉、焦炉煤气热值发生变化而使混合煤气热值发生变化时，每隔T2时间(T2＜T1)，进行热值检测量的滞后补偿，流量检测量的温度、压力补正，使用专家控制集和最优算法确定副回路的给定值，并进行自校正PID算法和阀门的特性关系运算获得蝶阀的动作量，然后发出控制信号，调节两种煤气的配入量，实现热值串级闭环调节。
在热值专家控制子集中，包含了有混合热值信号和没有混合热值信号两种控制策略，并可在线切换，若系统有热值信号检测仪，则采用有混合热值信号的控制方法，否则采用没有混合热值信号的控制方法，后者节约费用，前者比后者控制效果好。这样，提高了系统的可靠性和适用性。
本发明的优点是1、该方法是一种专家系统、解耦算法、最优算法、数字滤波、PID算法、热值预报和滞后补偿算法的综合运用方法，具有较强的适应性，适用于同类燃气混合站;
2、专家控制集还具有高炉休风的控制方法;
3、控制系统简单实用，能够获得较好的控制效果;
4、不用热值信号检测仪也可获得较满意的控制效果。
下面结合附图予以说明
图1是本发明高焦煤气混合热值压力“双稳”控制系统结构示意图。标号1表示高焦煤气混合;标号2表示控制器;标号3表示系统模型估计;标号4表示专家控制集和控制算法;标号5表示修改控制器参数或结构。图中专家控制集由知识库、推理机构、控制规则集及信息处理四部分组成。知识库是专家控制集的基础，存放煤气混合站运行累积经验数据，包括(1)高炉煤气压力变化范围，可调范围的数据;
(2)焦炉煤气压力变化范围，可调范围的数据;
(3)混合煤气压力变化范围，可调范围的数据;
(4)高炉煤气热值变化范围的数据;
(5)焦炉煤气热值变化范围的数据;
(6)混合煤气热值变化范围，可调范围的数据;
(7)高炉煤气温度变化范围的数据;
(8)焦炉煤气温度变化范围的数据;
(9)混合煤气热值，压力稳定指标数据;
(10)四个蝶阀的阀门特性公式;
(11)流体能量守恒定律公式;
(12)修正配比的经验递推公式。
控制规则集是适合煤气混合站稳定混合煤气热值和压力的各种控制方法和经验的归纳和总结，分成四个控制规则子集，采用前向推理方法(1)高炉稳压子集，是高炉煤气压力波动及高炉休风时，控制热值和压力稳定的策略;
(2)焦炉稳压子集，是焦炉煤气压力波动及焦炉换向时，控制热值和压力稳定的策略;
(3)混合稳压子集，是高焦压力波动和用户增减量时，控制热值和压力稳定的策略;
(4)混合热值控制子集，是高焦煤气本身热值波动时，控制混合煤气热值和压力稳定的策略。
信息处理集是煤气混合站变送器的数据获取与处理，包括(1)变送器输出的高炉煤气流量进行压力、温度补正;
(2)变送器输出的焦炉煤气流量进行压力、温度补正;
(3)针对高炉煤气压力较大幅度波动的数字滤波方法;
(4)偏差计算;
(5)热值检测的滞后补偿;
(6)热值升降趋势的递推预报。
图2是本发明控制系统原理图。标号6表示焦炉煤气管道。标号7表示高炉煤气管道。标号8表示混合煤气管道。标号9、10表示两个孔板。标号15表示煤气混合站工艺图。标号11、12、13、14表示煤气混合站四个蝶阀。标号16表示变送器，包括压力变送器、温度变送器、流量变送器、热值检测仪、阀门开度变送器。标号17表示模/数转换器。标号18表示一台STD工业控制机，包括计算机处理器(CPU)、存放程序的可擦除的只读存贮器(EPROM)、随机存取存贮器(RAM)和接口。标号19表示数/模转换器。标号21表示CRT显示器，它显示检测和控制结果数据以及动态曲线。标号22表示打印机。标号20表示伺服放大器和执行器。
将高炉焦炉煤气的压力、温度、流量、混合煤气热值、压力等通过相应的变送器，经A/D转换器输出送入计算机。计算机根据这些信号与煤气混合站运行累积经验组成的知识库相比较，并运用相应的控制策略和控制算法，求得高焦配比的设定值，先经各回路控制算法运算，再经被控量与阀门开度的非线性特性关系运算后获得四个阀门的动作量，经D/A转换器输出给伺服放大器，该输出信号与伺服放大器的位置反馈信号相比较，将偏差信号放大，控制执行机构，改变蝶阀开度，最终达到混合煤气热值和压力稳定。
本发明已在太原钢铁公司煤气厂南混合站实施，其高炉煤气总管压力波动为1.5KPa～10KPa(150mmH2O～1000mmH2O)，高炉煤气热值波动为2.717MJ/m3～3.971MJ/m3(650大卡/米3～950大卡/米3);焦炉煤气总管压力波动为1.5KPa～6.5KPa(150mmH2O～650mmH2O)，焦炉煤气热值波动为15.675MJ/m3～18.183MJ/m3(3750大卡/米3～4350大卡/米3)，手动调节时，混合煤气压力波动为1.8KPa～6.3KPa(180mmH2O～630mmH2O)，混合热值波动为6.27MJ/m3～15.257MJ/m3(1500大卡/米3～3650大卡/米3)，而且波动频繁，仪表系统无法调节。
采用本发明后，混合煤气热值控制在给定值±0.25MJ/m3(60大卡/米3)，混合煤气压力稳定在给定值±0.3KPa(30mmH2O)，合格率＞99%以上。具体控制过程混合煤气热值给定为9.614MJ/m3(2300大卡/米3)，混合煤气压力给定为2.5KPa(250mmH2O)。
在t1时刻，混合压力在稳定区域内，混合煤气热值为9.614MJ/m3(2300大卡/米3)，高炉煤气热值为3.344MJ/m3(800大卡/米3)，焦炉煤气热值为16.302MJ/m3(3900大卡/米3)，高焦流量比为1∶0.94，t1时刻后，焦炉煤气热值发生变化;
t1+T2时刻，焦炉煤气热值增加到16.72MJ/m3(4000大卡/米3)，混合煤气热值上升为9.823MJ/m3(2350大卡/米3)，与给定产生偏差，热值控制子集进行推理判断，并运用最优算法，修改高焦配比的设定值为1∶0.9，改变高焦煤气的配入量;
t1+2T2时刻检测到，混合煤气热值降低，混合煤气压力仍保持在稳定区域。
t2时刻，混合煤气热值在稳定区域，混合煤气压力为2.5KPa(250mmH2O)，t2时刻以后，高炉煤气压力增加;
t2+T1时刻，高炉煤气压力增加了0.5KPa(50mmH2O)，焦炉煤气压力变化不大，混合煤气压力增加到2.7KPa(270mmH2O)，混合热值降低，高炉稳压控制子集，混合稳压控制子集，热值控制子集进行推理判断，运用最优算法，自校正PID算法获得蝶阀的动作量，控制蝶阀13、蝶阀14关小，同时控制蝶阀12开大;
t2+2T1时刻检测到，混合煤气压力降低，混合煤气热值升高。
本发明在太原钢铁公司煤气厂南混合站实施实践证明该系统运行可靠，测试结果表明了由于高炉煤气和焦炉煤气混合后的煤气热值、压力实现了“双稳”，改善了用户的热工制度，节约了焦炉煤气。仅此一项年经济效益在100万元以上。另外，轧钢厂吨钢单耗降低7%，同时，降低了高炉煤气放散率，减小了环境污染。
权利要求
1.一种用于高炉煤气与焦炉煤气动态混合过程中自动控制混合煤气热值和压力稳定的方法，其特征是该方法由计算机专家系统，解耦方法、最优算法、数字滤波、自校正PID算法、热值预报和滞后补偿算法组成，它分如下步骤来实现控制首先，将煤气混合站变送器的数据输出通过模/数转换器送给计算机，然后，将所述数据进行数字滤波与混合站运行累积经验组成的知识库相比较，运用解耦方法、最优算法、自校正PID算法、热值预报和滞后补偿算法及蝶阀的特性关系，用以获得混合站四个蝶阀的动作量；根据这个动作量，通过数/模转换器发给执行器控制信号，改变蝶阀开度，调节高热值或低热值煤气的配入量，控制混合煤气的热值和压力稳定。
2.根据权利要求1专家系统中的知识库，其特征是存放煤气混合站运行累积经验数据、性能指标和经验公式。
3.根据权利要求1专家系统中的控制规则集，其特征是对于适合煤气混合站稳定混合煤气热值、压力的各种控制方法和经验的归纳总结，其包括有四个控制规则子集(1)高炉稳压子集，是高炉煤气压力波动及高炉体风时，控制热值和压力稳定的策略;(2)焦炉稳压子集，是焦炉煤气压力波动及焦炉换向时，控制热值和压力稳定的策略;(3)混合稳压子集，是高焦压力波动和用户增减量时，控制热值和压力稳定的策略;(4)混合热值控制子集，是高焦煤气本身热值波动时，控制混合煤气热值和压力稳定的策略。
4.根据权利要求1专家系统中的信息处理集，其特征是对煤气混合站变送器输出的数据进行处理，包括对高炉、焦炉煤气流量测量值进行压力和温度补正;针对煤气压力大幅度频繁波动的数字滤波方法;进行偏差计算、热值检测的滞后补偿和热值升降趋势的预报递推运算。
5.根据权利要求1中解耦方法，其特征是对四输入二输出多变量系统解耦，化为四个单回路系统，其中有一个串级调节回路，热值为主回路，流量配比为副回路。
6.根据权利要求1中最优算法和权利要求5所述，其特征在于用来自寻优确定副回路的给定值。
7.根据权利要求1、5所述方法，其特征在于采用各回路控制周期不同和自校正PID算法。
8.根据权利要求1中提出的方法，其特征在于所述控制是通过改变煤气混合站管道上的四个蝶阀的开度，调节高热值或低热值煤气的配入量，来控制混合煤气热值和压力的稳定。
全文摘要
一种用于煤气混合站控制混合煤气热值和压力稳定的方法。该法提出了适合煤气混合站的专家系统、解耦方法、最优算法、自校正PID算法。此法将采集的数据进行数字滤波，与知识库相比较，进行推理判断，并运用解耦方法、最优算法、热值预报和滞后补偿算法、自校正PID和阀门的特性关系，获得高焦比和蝶阀的动作量，调节高炉或焦炉煤气的配入量，实现混合煤气的热值和压力稳定。该方法可广泛用于同类煤气混合站或其它燃气混合的热工控制。
文档编号C10K3/00GK1062919SQ9110005
公开日1992年7月22日 申请日期1991年1月3日 优先权日1991年1月3日
发明者何建平, 杨歆, 袁江红 申请人:山西太原钢铁公司