固定床加压气化炉排灰自动问题探讨

姜伟

【摘要】通过对加压气化炉排灰控制回路被控对象的动态特性分析，建立了对象的数学模型;在分析被控对象数学模型的基础上选择控制器模式、设定控制器参数;在明确被控对象动态特性的基础上，并结合工艺特性和操作要求创立了一种阀门泄露压力试验方法。

【关键词】加压气化炉排灰自动;对象动态特性辨识;批量PID;阀门密封性试验

一、前言

固定床煤气化工艺的排灰是气化炉正常运行的核心流程，高温和固体工况导致操作难度较大，设备故障率也比较高。用先进的测量和控制手段实现排灰的自动化，不但可以降低操作人员的劳动强度，还可以减少由于操作不到位引起的工艺波动、能耗增加及设备损坏。

排灰过程比较加煤过程，温度、压力、介质的复杂程度等工艺条件更加恶劣，操作要求也更为严格，所以实现自动化有相当的难度。根据对排灰过程的认真研究和人工手动操作积累的经验，要实现自动排灰主要应解决以下两个方面的问题：1.灰锁自动充压。2.检验灰锁上锥阀YV920和下锥阀YV923在充泄压过程中的泄露情况，即判断阀门的压力试验是否合格。

图1 气化炉工艺流程图

二、简要工艺说明

如图1所示，气化残渣（灰）通过旋转炉篦上刮灰刀的转动排入灰锁内。灰锁达到最高料位时上翻板阀YV919和上锥阀YV920关闭，开始排灰过程。灰锁通过泄压管线进行泄压。在泄压过程中对上锥阀的密封性进行检查。在检查没有问题的情况下继续进行泄压。如果上锥阀YV920的密封性不好时，灰锁将用充压蒸汽重新充压，重新打开上锥阀YV920，并用蒸汽吹扫一定的时间后重新泄压。灰锁泄压后，打开灰锁的下锥阀YV923和下翻板阀YV922，灰由于重力而通过灰溜槽落入充水的刮灰槽中，进而用刮板运输机NB931运走。灰锁排空后（通过最低灰位信号判断），灰锁重新充压。充压过程中要检查下锥阀YV923的密封性。

三、灰锁自动充压

1.被控对象动态特性的辨识

根据工艺要求，排灰过程大致可以分为以下四个环节：泄压环节;排料环节;充压环节;接料环节。其中有一个环节是充压。充压蒸汽的工作压力是3.6MPa，而灰锁的设计压力是3.0MPa，操作压力是2.8MPa，允许超调量只有0.2MPa。原手动排灰系统是由两名操作人员相互配合手动充压，稍有不慎，灰锁的安全阀就会超压起跳。要实现排灰过程自动控制，应首先解决自动充压的问题。自动充压过程控制系统的设计是根据被控对象（灰锁）的动态特性，选配合适的过程控制仪表装置组成。其中关键环节是辨识被控对象动态特性。

2.应用时域分析法求解对象特性

（1）初步分析

我们知道，灰锁是个约7meq的压力容器，充压的管线比较短，所以可以判定它是一个无纯滞后的单容对象。无纯滞后单容对象的动态特性可以用一阶微分方程或一阶惯性环节的传递函数来表示。故对象动态特性的标准传递函数为：

W（s）=

（2）时域分析法

用实验的方法绘出对象的响应曲线，与标准的传递函数的响应曲线进行比较，即可确定所辨识出对象的动态特性，求出对象传递函数。同时，可以依据响应曲线求出传递函数的时间常数和比例系数。这是分析一阶、二阶、三阶对象特性常用的方法，也称时域分析法。

测定对象的响应曲线：

灰锁在充泄压过程中被控量的变化幅度都很大，所以可以把充压和泄压过程的压力变化等效成对象的一个阶跃响应。图2和图3是计算机记录灰锁压力P232在两次充压过程中的趋势图。图3中的纵坐标是灰锁的压力P232的测量值，单位是bar。横坐标是时间，单位是s。如前所述，对象的特性是一个一阶惯性环节，只要求出放大系数K和时间常数T就可以得到对象的传递函数。静态放大系数K的一般求法是由所测阶跃响应曲线估计并绘出被控量的最大稳态值y（∞），放大系数K为：

K=[y（∞）-y（0）]/Δx

图2 灰锁充压曲线a

图3 灰锁充压曲线b

根据灰锁充压工艺流程，充压阀门是一个液动两位阀，所以代表阀门开度的Δx应该是100%。K值是1。图2和图3并非是充压调节阀保持一个开度测得的曲线，从曲线可以看出压力达到2.8MPA后就趋于平稳，这时两位阀已经从最初的全开回到全关。所以曲线不是一个完整的阶跃响应曲线，而是完整曲线的前半部分。求解时间常数T的一般方法是由响应曲线的起点作切线与y（∞）X相交，其交点在时间轴上的投影，就是时间常数T。由于切线不易作准，所以我们采用在响应曲线y（t1）=0.632y（∞）对应的t1就是T。虽然只有阶跃响应曲线的前半部分，却并不影响求解时间常数T。在额定的负荷下重复作了几次实验，得到几条数值接近的曲线，我们筛选了两条与平均值接近一致的曲线，来求时间常数T。两次得出的结果求平均值，T最终确定为35秒。所以对象的传递函数是：

W（s）=

3.压力控制回路的组成

了解了灰锁的特性以后，我们将根据灰锁充压的工艺要求来设计一个灰锁自动充压回路。这个回路不但要求有压力调节的功能，而且还能根据工艺要求自动完成充压过程。

（1）操纵量的选择

灰锁的被控量无疑是灰锁的压力。但操纵量却不能是灰锁的压力。这是因为有五台气化炉公用一个充压管线，在一个时间里只能有一台气化炉充压，所以选择充压管线调节阀后的压力作为操纵量比较合适。这样既能保证充压时两位阀YV917打开的情况下操纵量与灰锁压力基本保持一致，又能根据工艺要求在没有充压时保持充压管线稳定在一定的压力。如此设计是为了保证充压的精确程度，防止灰锁在充压过程中由于两位阀关闭不及时而使灰锁超过设计压力，灰锁压力稳定也保证了气化炉操作压力的平稳。

（2）回路的组成

确定了操纵量，这个压力调节回路的基本框架就有了。图4是压力控制回路组成的示意图。其中包括压力变送器PT271、调节模块PIC271、调节阀PV271。

（3）选型的具体要求

图4 充压回路组成

上述回路中因为超调量不能大于0.2MPa，同时要保证充压的速度，所以控制模块不能应用常规的PID调节模块。选用带批量开关的PID控制模块可以满足上述要求，这个模块的使用后面将详细说明。

4.控制器的选型及参数设定

（1）比例控制器组成的系统

压力控制回路的主要功能是使灰锁实现快速充压充压，而且不产生超调，也就是说控制回路对稳态性能指标没有严格的要求。在这种情况下，我们先选择比例控制器与被控对象组成控制系统。然后求解对控制系统的闭环传递函数，进而对系统控制质量进行分析。由于控制回路的干扰主要来自设定值的变化。此时由比例控制器组成的控制系统简化方框图是如图5所示。

图5 比例控制系统

需要说明的是，Kv是调节阀的放大倍数，Kc是比例控制器的放大倍数，为执行机构的传递函数，为被控对象的传递函数。这里被控对象的的放大倍数和时间常数并没有给出具体数值，这是因为对象的动态特性的表达式是在没有压力调节阀干预的情况下测得的。设K=KvK1K2，系统的闭环传递函数为：

系统的特征方程是：

T1T2s2+（T1+T2）s+（1+KcK）=0

解上式可得特征方程的根S1，S2：

S1，S2=

由上式可知，随着（T1+T2）2-4T1T2（1+KcK）的取值不同，其特征根的性质也不同。

当Kc很小时，必有（T1+T2）2-4T1T2（1+ KcK）>0成立，特征根S1，S2均为负实根。由自动控制原理可知，系统为过阻尼二阶系统。上升时间太长，充压过度过程加长，这是工艺要求所不允许的。增加Kc的，满足上升时间对系统的要求。这样当Kc增加到某一数值时，（T1+T2）2-4 T1T2（1+KcK）<0成立，特征根S1，S2为一对共轭复根。控制系统的过度过程处于振荡状态。充压响应过程就会产生超调量，而系统允许的超调量又很小（0.2Mpa），超过了这个数值，保护灰锁和充压管线的安全阀就会频繁起跳。为了协调稳定性和快速性的关系，使控制系统既能快速响应，又不产生超调，本设计中使用了批量PID的控制方式。下面将结合充压过程说明批量PID控制模块的使用。

（2）批量PID控制

1）批量PID的原理

批量PID控制模块能使测量值迅速接近设定值，然后在无超调的情况下实现比例控制。图6是控制模块输出反作用时的动作图。当测量值与设定值的偏差超过设定的偏差值DV时，批量作用开始运转，控制模块输出上限MH，并使测量值迅速接近设定值。如果偏差值回到设定偏差以内，则可视为达到稳定状态，控制模块输出MV=MH-BS，BS为偏置设定值，并切换成PID控制方式。在切换时，为了避免操作输出值（MV）超调，一旦切换成PID方式，即使偏差超过偏差设定值DV，控制模块并不切换到批量方式，而是在偏差超过偏差设定值和锁定宽度之和（DV+CS）后才切换至批量方式。

图6 批量PID动作图

2）充压过程批量参数设定

已知对象的传递函数的表达式为：

W（s）=

上式变换成微分方程为：

T=RC

R——对象充压的阻力

C——对象的容量

其中R的大小取决于充压调节阀的开度。

批量参数MH多少为合适，要根据生产工艺要求的充压时间来设定。由工艺要求知道充压过程总的时间要求是150S，除去关阀保压的60S，那么工艺要求的充压时间就应该是90S。为了留有一定余量，暂定为80秒。

解微分方程，得：

y（t）=1-e-t/T

将t=80，y（t）=28/36=0.778代入上式，得：T=53.3s

也就是说，充压过程要求的时间是80s时，对象特性的时间常数是53.3s。根据经验数据MH值应该设定在60%左右。调节阀偏置设定值BS为50。调节阀从60%关闭到50%所需时间是4s。分析特性方程y（t）=1-e-t/T（T=53.3s）在t=76S时，36y（t）=27.1 bar。所以设定：

DV=1bar

CS=4.5

3）PID参数的设置原则

所谓参数整定，就是确定最佳过度过程中控制器的比例度、积分时间和微分时间。

虽然我们已经掌握的控制对象的大致的动态特性，进而对充压过程中批量参数进行了设置。但在没有充压的情况下，也就是PID控制起作用的阶段，被控对象由灰锁变成了充压管线，而且工艺要求是力求稳定，不产生大的波动，所以，工程整定PID参数应遵循以下原则：

1）由于被控对象充压管线的容量小，所以比例度应适当放宽，减小系统的放大倍数。

2）由于不允许产生大的超调，所以宜采用工程经验法进行参数整定。并采用比例度和积分时间相互配合凑试的方法。

3）由于系统没有容量滞后，所以不需要加入微分作用。

表1 充压过程数据分析表

表2 泄压过程数据分析表

四、阀门密封性试验

上文对上下锥阀压力试验的必要性已作了简要介绍。阀门内漏与否不但决定充泄压时间，而且内漏会导致上下锥阀的寿命急剧缩短。手动操作是用在定点保压的方法作压力试验，自动充压也可以采用这种方法来判断。我们在现场设计了一种更简洁的方法来完成阀门压力试验，可以缩短充泄压时间，且简单可靠。设计思路如下：当阀门开始充压或泄压时，如果下锥阀或上锥阀泄露，将使充压或泄压的时间延长，也就是对象动态特性的时间常数T会变大。那么，要判断压力试验是否合格只要判断时间常数是否变大就可以了。第三章我们已经求出了被控对象的动态特性，求出对象的传递函数是：

W（s）=

拉氏反变换求得特性方程为：

y（t）=1-e-t/T（K=1）

上式表明，时间常数T的大小直接影响到y（t）的变化率。利用计算机控制系统（DCS）的变化率报警功能就可以判断T的变化情况。

变化率报警是设定每秒钟的测量值变化，超过设定值，就会产生报警信号。欲设定充压和泄压开始阶段的变化率报警值，必须首先了解正常状态下（锥阀不泄露）对象的时间常数。然后根据对象的特性方程对前20s变化率的变化情况进行分析，确定变化率报警值的大小。

1.充压过程分析

在第三章中已经求出对象的特性方程为：

y（t）=1-e-t/54

时间常数为已知（T=54s）。

根据已知的特性方程对充压过程的前20秒进行数据分析见表1。表1中，t单位是s;36y（t）的单位是bar;变化率的单位是bar。

表中的36y（t）是灰锁压力的测量值变化情况。为了观察变化率的变化规律，将变化率随时间变化制成曲线如图7。从图可以看出，伴随着灰锁充压过程，变化率是个随时间衰减的指数曲线。所以在编制压力试验测试程序时，要对检测变化率报警的时间作出规定。由于计划使用DCS的顺控表编制自动排灰程序，顺控表的扫描周期是1s，所以暂定充压阀打开两秒钟后对变化率报警进行检测。每台气化炉的充压过程对象的实际特性和理论计算特性都会有所不同，准确的设定值需在调试过程中加以修正。通过表1内分析的数据，变化率报警值为YV917开阀两秒后的值，查表1为0.64bar。

图7 变化率响应曲线

2.泄压过程分析

同充压过程一样，泄压过程的被控对象（灰锁）没有发生变化，对象的动态特性都是一个一阶惯性环节，只是时间常数不同而已。求解泄压对象特性时间常数T。在第三章中曾经应用时域分析方法求解对象的动态特性参数。同样，在这里我们应用时域分析方法来求解时间常数T。图8是计算机（DCS）记录的泄压过程曲线。根据响应曲线求解时间常数T的方法在第三章已经作的介绍，应用同样的方法求得泄压过程对象特性时间常数T=44s。

图8 泄压过程曲线

对象特性可以用传递函数表示为：

W（s）=144s+1

对上式进行拉氏反变换，得：

由于泄压过程是打开两位阀将压力泄至常压，所以对象输入是一个负阶跃，故x（t）=0。所以微分方程可以化成：

解方程，得对象特性方程：

y（t）=e-t/44

其中，y（t）用百分比表示。根据特性方程，对泄压过程前20秒变化率的情况进行分析，得出表4-2。表2中，t单位是s;36y（t）的单位是bar;变化率的单位是bar。变化率的报警设定值选定为0.6bar。表2中的28y（t）是灰锁压力的测量值变化情况。为了观察变化率的变化规律，将变化率随时间变化制成曲线如图9所示。从图可以看出，伴随着灰锁泄压过程，变化率是个随时间衰减的指数曲线。所以在编制压力试验测试程序时，要对检测变化率报警的时间作出规定。由于计划使用DCS的顺控表编制自动排灰程序，顺控表的扫描周期是1s，所以暂定泄压阀打开2秒钟后对变化率报警进行检测。每台气化炉的泄压过程对象的实际特性和理论计算特性都会有所不同，准确的设定值需在调试过程中加以修正。通过表2内分析的数据，变化率报警值为YV917开阀两秒后的值，查表1为t=2时0.60bar。

图9 泄压过程变化率响应曲线

五、结论

上文讨论的加压气化炉实现自动排灰的两个关键问题即控制方式和压力试验方法在现场已得到应用，实现了排灰自动化。