一种冶金企业混煤工艺全自动运行的控制系统
技术领域
本发明涉及一种控制系统，具体涉及一种冶金企业混煤工艺全自动运行的控制系统，属于能源环保及工业自动化控制领域。
背景技术
高炉煤气、焦炉煤气分别是冶金企业在高炉冶炼与焦炉冶炼过程中的副产品，其中，焦炉煤气热值较高，高煤热值较低，为了实现煤气的充分利用，需要将两种煤气按照一定的比例混合。两种煤气分别进入高炉煤气总管与焦炉煤气总管，而后通过加工转换单元形成高焦混合煤气，输送至用户作为燃料用于加热各种炉窑等。加工转换过程分为混合与加压两个阶段，分别设置了高焦煤气混合站与加压站，根据两个阶段的先后顺序可以分为“先混合后加压”与“先加压后混合”两种模式。
本发明主要针对“先混合后加压”模式，该模式包括混合系统一套，主要有调节阀、流量计组成，加压系统一套，主要由煤气加压机及其附属设备组成。
其主要工艺流程为：
混合站
1、根据用户热值需求及高焦煤热值设定高焦煤配比；
2、按照用户流量、压力要求调节焦煤调节阀，控制流量；
3、高煤调节阀根据设定的高焦煤配比动作，控制高炉煤气流量，满足高焦煤流量配比需要，确保热值稳定。
加压站
1、混合后的高焦煤，称之为混合煤气，混合煤气进入加压站加压机进行加工转换，满足用户用气压力需要；
2、煤气加压站设置了加压机进口调节阀、加压站回流阀、高压变频器等，用于调整稳定供气压力。
上述工艺控制过程中，存在以下问题：1、焦炉煤气流量需要手动调整，根据用户用气量波动，由现场值班工，手动调整焦煤调节阀，增减焦煤流量，控制精度极低，存在较大的滞后性与高热值焦炉煤气的浪费，特别是在目前国家对冶金企业焦炉产能严格限制，焦炉煤气严重不足的情况下，充分合理的利用焦炉煤气对于冶金企业的正常生产显得尤为重要；2、对热值仪的制造与维护要求较高，在冶金企业实际运行过程中在线式的热值仪一直未能达到所需的精度要求，甚至有的企业由此根本就没有安装，导致现场运行参数中一直缺少热值数据，供气质量不能贴合用户需要，控制可靠性较差，经常出现热值过高导致浪费及热值过低导致用户加热时间延长的现象；3、加压站加压机由于前方混合站控制精度导致的流量压力波动，加压机负载波动运行稳定性未能得到保障，影响加压机寿命；4、混合站与加压站各调节阀间控制逻辑混乱，人工调整过程中随意性大。综上，在采用“先混合后加压”的模式下，一直缺少实现全自动运行的控制方案；因此，迫切的需要一种新的方案解决该技术问题。
发明内容
本发明正是针对现有技术中存在的问题，提供一种冶金企业混煤工艺全自动运行的控制系统，该技术方案迎合企业需要，提供一种实现“先混合后加压”的模式下实现混合煤气系统全自动运行的控制系统，该系统充分利用现有工艺与设备，对控制系统功能与控制逻辑进行部分完善，无需大规模的改造。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种冶金企业混煤工艺全自动运行的控制系统，所述控制系统包括热值自动调整模块、流量自动调整模块以及压力与风机负载控制模块，所述热值自动调整模块负责确定目标热值，计算出高焦煤配比，以满足用户使用与减少焦煤用量、提高煤气使用效率的双重需要，计算出的配比值用于流量自动调整模块中高煤流量调节，并接收流量自动调整模块调整之后的高焦煤实时流量计算出实际热值与配比，检验热值控制效果，给出热值报警信号；所述流量自动调整模块以用户用气量波动与加压站运行状态为依据确定焦煤调节阀开度，按照焦煤实际流量与热值自动调整模块计算出的高焦煤配比确定高煤目标流量调整高煤调节阀开度，跟踪并反馈热值自动调整模块高焦煤实际流量，验证流量控制效果，给出流量报警信号；所述压力与风机负载控制模块主要应用于加压站出口压力控制与以流量自动调整模块调整后加压机进口压力为参考合理调节分配加压机负载，通过调节阀与变频的联动调节实现压力稳定、节能降耗、风机负载合理，并将加压站运行状态参数反馈至流量自动调整模块，验证压力控制效果，给出压力报警信号。
作为本发明的一种改进，所述热值自动调整模块包括热值与配比计算设定单元和热值报警单元，所述热值与配比计算设定单元以混合后的煤气质量满足用户需求，节约焦煤用量，提升煤气有效利用为依据(在实际应用中基本以满足用户正常需求，并视焦煤发生情况得到临界热值QL，按照一定的系数KL修正以适应用户的异常波动)，确定混合加压之后混合煤气热值目标值QS，按照给定的焦炉煤气热值Q1与高炉煤气热值Q2(来源化验数据，HMI增加对话与数据输入窗口)，通过计算公式KS＝(Q1-QS)/(QS-Q2),自动运算出焦煤流量配比目标值KS；
在系统运行过程中按照实际高焦煤实际流量(由流量自动调整模块控制)计算出实际配比K与实际热值Q,显示在HMI系统中，生成趋势曲线；
所述热值报警单元，通过实际热值Q分别与设定的高热值与低热值报警数值(该数值来源于HMI系统，并可以根据实际修改)进行比较，判断是否达到高热值或低热值报警，触发报警点，HMI系统中增加报警信息显示与声音报警功能。
作为本发明的一种改进，所述流量自动调整模块包括焦煤流量控制单元、高煤流量控制单元以及流量报警单元，所述焦煤流量控制单元，当用户使用状态发生波动时，将通过输配管网与加压系统传输至混合站出口即加压站进口，导致该处的压力值P1发生波动，当用户用量上升时P1值将下降，需要提高煤气流量，以满足用户需要；反之，当用户用量下降时P值将上升则需要降低煤气流量；故在本发明中以加压站进口压力作为控制参数，以压力值P1作为控制变量，在控制系统中调用PID模块，通过实验计算设定增益值GAIN、积分时间TI与微分时间TD等控制参数，通过实际压力值P与按照工艺(防止倒送气与高焦煤管道间窜气)、设备(加压站风机压力不能低于某一个值)状态设定的压力值PS0比较，控制系统负反馈作用调整焦炉煤气流量调节阀TJ开度，达到控制焦煤流量V1的目的。在实际运用中为了保证生产工艺的与设备的正常运行，在控制程序中增加了焦煤调节阀阀位最低限位功能。
所述高煤流量控制单元，为保证热值，在高煤流量控制单元将焦煤流量V1看做“固定值”，焦煤流量V1与热值自动调整与报警模块设定的配比值KS，高煤理论流量VGS在控制系统中按照公式VGS＝KS×V1自动计算后作为高煤流量控制变量，调用PID控制模块，设定控制参数，通过实际高煤流量V2与理论值VGS比较，控制系统负反馈，调整高煤流量调节阀TG，达到控制高煤流量的目的；
所述流量报警单元，焦煤流量V1、高煤流量V2分别显示在HMI系统中，并在预算控制终端与HMI系统中增加混合煤气总流量V＝V1+V2流量低判断报警功能。
作为本发明的一种改进，所述压力与风机负载控制模块包括加压站出口压力控制单元、加压机负载控制单元以及压力报警单元，所述加压站出口压力控制单元由变频器与回流调节阀组成，两者均加压站出口压力作为控制参数，用户使用过程中流量的变化通过加压站出口压力波动体现，正常运行过程中根据工艺要求及降低能源消耗为依据设定出口压力目标控制值PS2，以加压站出口压力值P2作为控制变量，为达到节能的目的，该单元的控制逻辑为：当出口压力P2上升高于设定值PS2时,变频器调节供电频率，由经过设定的PID调节模块控制频率调整速率，电机转速下降，当频率下降至某一值(根据变频器功能设定)时，此时P2仍高于设定值PS1，回流阀调节阀TH调节功能开始运行，按照设定的PID调节参数控制压力P2，阀门开度上升，直到满足
所述加压机负载控制单元主要由各加压机进口调节阀TR组成，该单元与流量自动调整模块中的焦煤流量调节阀TJ共同作用，保证加压机进口压力(即混合站出口压力)P1稳定且不低于引发加压机喘振的最高压力，同时在用户用量波动较大时调节加压机负载，该部分阀门在正常生产时由于前方焦煤调节阀及后方变频器与回流阀的作用，基本不需要动作，处于全开的位置，只有当压力值低于加压机喘振的的最高压力时，方可按照设定的PID参数动作；
所述压力报警单元在加压站控制逻辑中设置进口压力低与出口压力高、出口压力低比较判断功能，并在HMI系统显示进口压力P1与P2，设置进口压力低(避免机组喘振)、出口压力高低(满足用户需要，降低能源)报警功能。
相对于现有技术，本发明具有如下优点，1)该技术方案能够避免热值仪准确性较差、热值指示波动较大、故障率高的缺点，在满足供气要求的情况下，高煤、焦煤热值数据准确稳定；2)该方案利用机组进口压力波动预判跟踪用户使用状态，提供了混合系统自动控制所需的焦煤流量控制参数，实现了焦煤流量的自动调整；3)该方案设置了热值报警系统，混合后的煤气热值稳定，更能满足满足用户使用要求；该方案设置了高焦煤配比自动计算与控制功能，通过逻辑自动调节配比，实现了煤气热值的自动控制；4)高煤流量按照配比自动跟踪第2条中的焦煤流量，自动调整阀门开度，实现了混合站高煤流量的自动控制；通过混合站、加压站各阀门调节、变频调节间的自动联合动作，实现了加压站进口与出口压力的自动调整，通过该方案实现了混合煤气热值自动调整、高焦煤流量自动调整、加压站压力自动控制，从而提供了一套高焦煤混合、加压系统的全自动运行模式，取得了节约电力消耗、降低焦煤用量、提升劳动效率的效果。
附图说明
图1、高焦煤混合站及加压站(加压机三台)示意图；
图2、系统总体控制逻辑图；
图3、供气热值调整及报警逻辑图；
图4、高焦煤流量控制逻辑图；
图5、主要调节阀与变频器控制逻辑及PID整定图。
具体实施方式：
为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。
实施例1：如图1与图2所示：本发明专利为满足用户在混合煤气使用过程中的热值、流量、压力要求，实时感受用户使用状态，在“先混合后加压”的模式中，设置了三个相对独立又存在联系的控制模块：热值自动调整模块、流量自动调整模块、压力与风机负载控制模块，分别针对上述三项参数的进行控制。其中：混合站包含热值自动调整与报警模块、流量自动调整模块，加压站主要是压力与风机负载控制模块。
热值自动调整模块负责确定目标热值，计算出高焦煤配比，以满足用户使用与减少焦煤用量、提高煤气使用效率的双重需要，计算出的配比值用于流量自动调整模块中高煤流量调节，并接收流量自动调整模块调整之后的高焦煤实时流量计算出实际热值与配比，检验热值控制效果，给出热值报警信号。
流量自动调整模块以用户用气量波动与加压站运行状态为依据确定焦煤调节阀开度，按照焦煤实际流量与热值自动调整模块计算出的高焦煤配比确定高煤目标流量调整高煤调节阀开度，跟踪并反馈热值自动调整模块高焦煤实际流量，验证流量控制效果，给出流量报警信号。
压力与风机负载控制模块主要应用于加压站出口压力控制与以流量自动调整模块调整后加压机进口压力为参考合理调节分配加压站负载，通过调节阀与变频器的联动调节实现压力稳定、节能降耗、风机负载合理，并将加压站运行状态参数反馈至流量自动调整模块，验证压力控制效果，给出压力报警信号。
综上，由上述三个模块组成的混煤工艺全自动运行控制系统，通过各自针对某一参数控制及相互间的串联控制、反馈，完成了煤气质量与流量参数的自动调整。
以下按控制过程的先后顺序，分别进行说明。1、热值自动调整模块
以图1、图3进行说明，该模块包括：热值与配比计算设定单元、热值报警单元；
1.1、热值与配比计算设定单元
以混合后的煤气质量满足用户需求，节约焦煤用量，提升煤气有效利用为依据(在实际应用中基本以满足用户正常需求，并视焦煤发生情况得到临界热值QL，按照一定的系数KL修正以适应用户的异常波动)，确定混合加压之后混合煤气热值目标值QS，按照给定的焦炉煤气热值Q1与高炉煤气热值Q2(来源化验数据，HMI增加对话与数据输入窗口)，通过计算公式KS＝(Q1-QS)/(QS-Q2),自动运算出焦煤流量配比目标值KS；
在系统运行过程中按照实际高焦煤实时流量(由流量自动调整模块控制)计算出实际配比K与实际热值Q,显示在HMI系统中，生成趋势曲线；
1.2、热值报警单元
通过实际热值Q分别与设定的高热值与低热值报警数值(该数值来源于HMI系统，并可以根据实际修改)进行比较，判断是否达到高热值或低热值报警，触发报警点，HMI系统中增加报警信息显示与声音报警功能。
2、流量自动调整模块
以图1、图4进行说明，该模块包括：焦煤流量控制单元、高煤流量控制单元、流量报警单元。
2.1、焦煤流量控制单元
按照图1的工艺设置，当用户使用状态发生波动时，将通过输配管网与加压系统传输至混合站出口即加压站进口，导致该处的压力值P1发生波动，当用户用量上升时P1值将下降，需要提高煤气流量，以满足用户需要；反之，当用户用量下降时P值将上升则需要降低煤气流量。故在本发明中以加压站进口压力作为控制参数，以压力值P1作为控制变量，在控制系统中调用PID模块，通过实验计算设定增益值GAIN、积分时间TI与微分时间TD等控制参数，通过实际压力值P与按照工艺(防止倒送气与高焦煤管道间窜气)、设备(加压站风机压力不能低于某一个值)状态设定的压力值PS0比较，控制系统负反馈作用调整焦炉煤气流量调节阀TJ开度，达到控制焦煤流量V1的目的。在实际运用中为了保证生产工艺的与设备的正常运行，在控制程序中增加了焦煤调节阀阀位最低限位功能。
2.2、高煤流量控制单元
为保证热值，在高煤流量控制单元将焦煤流量V1看做“固定值”，焦煤流量V1与热值自动调整与报警模块设定的配比值KS，高煤理论流量VGS在控制系统中按照公式VGS＝KS×V1自动计算后作为高煤流量控制变量，调用PID控制模块，设定控制参数，通过实际高煤流量V2与理论值VGS比较，控制系统负反馈，调整高煤流量调节阀TG，达到控制高煤流量的目的。
2.3、流量报警单元
焦煤流量V1、高煤流量V2分别显示在HMI系统中，并在预算控制终端与HMI系统中增加混合煤气总流量V＝V1+V2流量低判断报警功能。
3、压力与风机负载控制模块
以图1、图5进行说明，该模块包括：加压站出口(供气)压力控制单元、加压机负载控制单元、压力报警单元。
3.1、加压站出口压力控制单元
加压站出口压力控制单元由变频器与回流调节阀组成，两者均加压站出口压力作为控制参数，用户使用过程中流量的变化通过加压站出口压力波动体现，正常运行过程中根据工艺要求及降低能源消耗为依据设定出口压力目标控制值PS2，以加压站出口压力值P2作为控制变量，为达到节能的目的，该单元的控制逻辑为：当出口压力P2上升高于设定值PS2时,变频器调节供电频率，由经过设定的PID调节模块控制频率调整速率，电机转速下降，当频率下降至某一值(根据变频器功能设定)时，此时P2仍高于设定值PS1，回流阀调节阀TH调节功能开始运行，按照设定的PID调节参数控制压力P2，阀门开度上升，直到满足
3.2、加压机负载控制单元
加压机负载控制单元主要由各加压机进口调节阀TR组成，该单元与流量自动调整模块中的焦煤流量调节阀TJ共同作用，保证加压机进口压力(即混合站出口压力)P1稳定且不低于引发加压机喘振的最高压力，同时在用户用量波动较大时调节加压机负载，该部分阀门在正常生产时由于前方焦煤调节阀及后方变频器与回流阀的作用，基本不需要动作，处于全开的位置，只有当压力值低于加压机喘振的的最高压力时，方可按照设定的PID参数动作。
3.3、压力报警单元
在加压站控制逻辑中设置进口压力低与出口压力高、出口压力低比较判断功能，并在HMI系统显示进口压力P1与P2，设置进口压力低(避免机组喘振)、出口压力高低(满足用户需要，降低能源)报警功能。
整个方案中，热值监控采用准确的高炉煤气、焦炉煤气每日化验数据作为控制来源；热值报警设置了低热值报警与高热值报警，以保证在满足用户使用的前提下实现焦炉煤气的充分合理利用；高焦煤配比控制由通过调整高煤流量调节阀跟踪焦煤流量实现；混合站焦煤流量调节方案由加压站混煤进口压力预判用户使用状态，根据用户用气量的波动，调整混合站焦煤调节阀实现；加压站控制模型包含加压机回流阀、进口调节阀、变频器等及上述调整控制设备间的控制逻辑及相应的参数设定；焦煤流量调节阀在进口压力过低时设置阀位最低限位，确保加压站进口压力满足机组运行条件；加压站变频器、回流调节阀根据加压站后供气压力按照触发条件触发后根据设定的PID调整；加压机负荷由进口调节阀根据控制逻辑进行调整；
本发明专利的推广应用前景
本发明专利提供了一套冶金企业混合煤气系统的自动运行方案，该方案主要由三个模块组成，分别用于控制混煤系统的热值、流量及供气压力、风机负载调整，可以在冶金企业动力介质加工转换领域推广。
需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。
