一种转炉煤气柜柜位自动耦合控制方法及控制系统与流程

本发明涉及煤气柜控制，具体涉及一种转炉煤气柜柜位自动耦合控制方法及控制系统。

背景技术：

1、转炉煤气是钢铁企业重要的二次能源，其主要成分为一氧化碳（co），具有较高的热值利用价值，通常被回收存储于转炉煤气柜中，再通过煤气管网供给锅炉发电、轧钢加热炉等缓冲用户使用。然而，转炉煤气的产生受炼钢间歇式生产节奏影响显著。在转炉吹氧冶炼期，煤气产生量集中且瞬时产气量大；而在转炉加料、测温、取样、出钢、溅渣护炉等非吹氧阶段，煤气产生量急剧下降甚至为零。这种“集中发生、集中停产”的间歇式生产特性，导致转炉煤气柜柜位在短时间内出现大幅波动，给煤气柜的安全运行和煤气的充分利用带来了巨大挑战。

2、目前，转炉煤气柜柜位的控制通常采用人工电话调度的方式。具体而言，煤气调度人员通过监控系统观察煤气柜柜位的变化，当柜位偏高时，电话通知下游缓冲用户（如燃气锅炉、加热炉等）增加煤气使用量；当柜位偏低时，电话通知下游用户减少煤气使用量。这种依赖于人工判断和电话通讯的控制模式在实际运行过程中存在以下突出问题：

3、一是用户增量不及时导致煤气放散。当炼钢工序集中产生大量转炉煤气时，煤气柜柜位快速攀升，若调度人员未能及时发现并通知用户增量，或用户侧因设备响应速度慢、负荷调整滞后等原因未能及时增加煤气消耗量，煤气柜柜位将被迫升高至安全上限。当柜位超过安全设定值时，煤气柜将自动拒收转炉煤气，炼钢侧转炉煤气放散塔被迫点火放散，造成大量可回收能源的浪费，同时增加了碳排放。

4、二是用户减量不及时导致发电降低。当炼钢工序处于停产或换炉间隙期时，转炉煤气产生量骤减，煤气柜柜位快速下降。若调度人员未能及时通知用户减量，或用户侧减负荷速度过慢，煤气柜柜位将持续下降至安全下限。为保证煤气柜结构安全（防止活塞碰撞柜底或煤气倒灌），系统将被迫切断对用户的煤气供应，燃气发电机组可能因快速降低负荷，造成炉膛负压等参数达到锅炉联锁条件引发安全联锁停炉，相应发电机组联锁停机，发电量大幅下降。重新启动燃气锅炉和发电机组需要2~8h，造成高炉、焦炉煤气放散或者中断转炉煤气回收等，将直接影响企业的经济效益。

5、针对上述转炉煤气回收与利用过程中的柜位控制问题，现有技术中已有一些涉及煤气系统自动控制的方案。例如，中国专利cn114353114a公开了一种混合煤气自动配比控制方法，该方法以转炉煤气柜柜位信号为基础，通过线性比例换算确定转炉煤气的可配出量，进而调节混合煤气的压力和热值。然而，该方案主要针对高炉煤气、焦炉煤气与转炉煤气混合后供给轧钢加热炉等用户的配比控制场景，其控制目标是稳定混合煤气的热值和压力，而非直接控制煤气柜柜位本身。在该方案中，煤气柜柜位仅作为计算转炉煤气配出量的前馈信号，柜位本身并非被控对象。对于转炉煤气直接供给锅炉发电的应用场景，该方案并未给出如何根据柜位实时波动自动调节锅炉用气量、实现柜位闭环控制的技术启示。

6、因此，亟需一种转炉煤气柜柜位自动耦合控制方法及控制系统解决上述问题。

技术实现思路

1、为此，本发明提供一种转炉煤气柜柜位自动耦合控制方法及控制系统，以煤气柜柜位作为直接被调量，通过建立以柜位为被调量、以锅炉转炉煤气调节阀开度为执行机构的pid单回路调节模型，并结合锅炉运行边界安全闭锁逻辑和柜位-阀位折线表动态限幅策略，实现对煤气柜柜位的实时自动闭环控制，从而克服人工调度存在的滞后性和不准确性，提高转炉煤气回收利用率，减少放散浪费，保障锅炉安全稳定运行。

2、本发明第一方面提出一种转炉煤气柜柜位自动耦合控制方法，包括以下步骤：

3、s1：采集转炉煤气柜的实时柜位信号，对实时柜位信号进行品质判断和一阶惯性滤波处理，得到有效柜位值及柜位变化趋势；

4、s2：基于有效柜位值及柜位变化趋势，建立以有效柜位值为被调量、以锅炉转炉煤气调节阀开度为执行机构的pid单回路调节模型；

5、s3：实时获取锅炉运行边界参数，边界参数包括炉膛负压、烟气含氧量、主汽压力、发电负荷、主汽温度及主汽压力变化速率；

6、s4：根据边界参数生成闭锁增减信号，当任意边界参数超出预设安全阈值范围时，闭锁pid单回路调节模型的相应增减动作；

7、s5：基于预设的柜位-阀位折线表，对pid单回路调节模型的输出值进行动态限幅，生成最终阀位指令；

8、s6：根据最终阀位指令驱动锅炉转炉煤气调节阀动作，自动耦合增减锅炉煤气使用量，将煤气柜柜位控制在预设安全区间内。

9、在一些实施例中，s1步骤中采集转炉煤气柜的实时柜位信号具体为：同时采集至少两个独立设置的煤气柜柜位计信号，对多个煤气柜柜位计信号进行两两差值比对；当差值小于预设偏差阈值时，取平均值作为实时柜位信号；当差值大于等于预设偏差阈值时，判定信号品质坏，发出报警并强制将pid单回路调节模型切换为手动模式。

10、在一些实施例中，s1步骤中的一阶惯性滤波处理用于滤除传感器高频噪声信号；一阶惯性滤波的时间常数根据煤气柜活塞升降速度设定。

11、在一些实施例中，s2步骤中，pid单回路调节模型采用强比例弱积分参数，比例带范围为100%~150%，积分时间范围为0s~2s，微分时间设定为0。

12、在一些实施例中，s4步骤中边界参数的预设安全阈值范围具体为：

13、炉膛负压的预设安全范围为-100pa~-10pa；

14、烟气含氧量的预设安全范围为1.8%~3%；

15、主汽压力的预设安全范围为16.5mpa~17.5mpa；

16、发电负荷的预设安全范围为60mw~100mw；

17、主汽温度的预设安全范围为530℃~570℃；

18、主汽压力变化速率的预设安全阈值为0.05mpa/min。

19、在一些实施例中，s5步骤中的柜位-阀位折线表根据历史运行数据拟合并分段设定，动态限幅具体为：将有效柜位值划分为多个连续区间，每个区间对应一组pid单回路调节模型输出值的上限幅值和下限幅值；当有效柜位值处于目标区间时，将pid单回路调节模型的输出值钳制在对应的上限幅值和下限幅值之间。

20、在一些实施例中，s5步骤中的柜位-阀位折线表具体为：以煤气柜有效柜位值为横坐标、以调节阀开度限幅为纵坐标，煤气柜柜位最大值为80km3，按以下分段函数进行动态限幅：

21、当柜位值＜23km3时，阀门开度限幅为0%，维持阀门关闭；

22、当柜位值为23~26km3时，阀门开度限幅为1%~5%；

23、当柜位值为26~30km3时，阀门开度限幅为5%~10%；

24、当柜位值为30~35km3时，阀门开度限幅为10%~15%；

25、当柜位值为35~40km3时，阀门开度限幅为15%~30%；

26、当柜位值为40~50km3时，阀门开度限幅为30%~45%；

27、当柜位值为50~60km3时，阀门开度限幅为45%~55%；

28、当柜位值为60~70km3时，阀门开度限幅为55%~70%；

29、当柜位值≥70km3时，阀门开度限幅为100%，阀门全开；

30、各分段区间内调节阀开度随柜位值升高或降低呈线性递增或递减关系。

31、在一些实施例中，步骤s5中的动态限幅具体为：将pid单回路调节模型的输出值与柜位-阀位折线表确定的当前柜位值对应的开度限幅上下限进行比较，若输出值小于下限值则以下限值作为最终阀位指令，若输出值大于上限值则以上限值作为最终阀位指令，若输出值介于上下限之间则以输出值作为最终阀位指令。

32、在一些实施例中，转炉煤气柜柜位自动耦合控制方法还包括自动切手动判定步骤：当pid单回路调节模型的阀位指令输出值与锅炉转炉煤气调节阀的实际阀位反馈值的偏差绝对值大于30%时，或当任意一路采集的柜位信号品质判定为坏时，或当边界参数中任意一项超出其对应预设安全阈值的1.2倍保护动作值时，强制将pid单回路调节模型切换为手动模式并发出声光报警。

33、本发明第二方面提出一种转炉煤气柜柜位自动耦合控制系统，用于执行上述的控制方法，包括：

34、信号采集模块，用于采集转炉煤气柜柜位信号及锅炉运行边界参数；

35、信号处理模块，用于对柜位信号进行品质判断和一阶惯性滤波，得到有效柜位值及柜位变化趋势；

36、pid调节模块，内置强比例弱积分参数，用于根据有效柜位值及柜位变化趋势生成基础阀位指令；

37、安全闭锁模块，用于根据边界参数生成闭锁增减信号，以闭锁pid调节模块的相应增减动作；

38、限幅输出模块，内置柜位-阀位折线表，用于根据当前有效柜位值对所述基础阀位指令进行动态限幅，生成最终阀位指令；

39、执行驱动模块，用于根据最终阀位指令驱动锅炉转炉煤气调节阀动作。

40、本发明提供的转炉煤气柜柜位自动耦合控制方法及控制系统，具备如下有益效果：本发明以转炉煤气柜柜位为直接被调量，通过建立pid单回路调节模型实现对煤气柜柜位的实时闭环自动控制，从根本上克服了人工电话调度存在的响应滞后和人为疏忽问题，有效避免了因用户增减量不及时导致的煤气放散浪费和发电机组停机损失。同时，通过多路柜位信号品质判断与冗余保护、锅炉运行边界参数安全闭锁、以及柜位-阀位折线表动态限幅的三重安全机制，确保在自动调节柜位过程中锅炉始终运行于安全边界内，并针对大滞后强间歇工况定制强比例弱积分的pid参数以有效抑制系统超调震荡，相较于现有混合煤气配比控制方案，本发明控制目标明确、结构简洁、可靠性高，实现了转炉煤气回收利用与锅炉发电的协调优化，具有显著的经济效益和环保效益。