一種水煤漿氣化過程的dmc-pid多變量控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種水煤漿氣化過程的DMC?PID多變量控制方法，具體而言，是采用動態(tài)矩陣控制與比例?積分?微分控制的串級控制系統(tǒng)對水煤漿氣化過程進行多變量控制的方法(以下簡稱DMC?PID控制方法)。水煤漿氣化過程控制系統(tǒng)的特點有：進料流量控制主要包括水煤漿流量串級控制和氧煤比串級控制；氣化室控制的核心為氣化爐爐膛溫度控制；激冷室控制主要包括激冷水流量與粗煤氣溫度的串級控制。利用本發(fā)明的DMC?PID控制方法，本發(fā)明實現(xiàn)在操作變量的可調(diào)范圍內(nèi)，將煤氣化過程主要被控變量控制在工業(yè)要求范圍之內(nèi)，從而有效地解決了水煤漿氣化過程中氣化溫度與合成氣收率之間的多變量耦合等問題。
【專利說明】
一種水煤漿氣化過程的DMC-PID多變量控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及煤化工和自動控制領(lǐng)域中的一種過程控制方法，具體地，是水煤漿氣化過程的DMC-PID多變量控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]我國煤炭資源豐富，2013年煤炭資源探明儲量為1145億噸，位居世界第三。然而，目前我國煤炭利用率總體效率低、污染嚴重。煤氣化技術(shù)是煤炭清潔高效轉(zhuǎn)化的核心技術(shù)，較傳統(tǒng)煤資源利用技術(shù)，煤氣化技術(shù)在環(huán)境保護和資源高效利用方面具有絕對的優(yōu)勢，因此，煤氣化技術(shù)得到廣泛地工業(yè)應用。
[0003]煤氣化過程中，氣化爐是煤氣化過程的核心設(shè)備。激冷式水煤漿氣化爐爐體可以劃分為氣化室和激冷室，水煤漿經(jīng)加壓后通過噴嘴噴入氣化爐內(nèi)與氧氣反應，反應物在高溫高壓下經(jīng)過熱解、燃燒和焦化產(chǎn)生合成氣等混合物后，合成氣通過激冷環(huán)離開氣化爐頂部進入底部的冷卻室，在激冷室進行水激冷以后，合成氣離開氣化爐底部進入其他設(shè)備進行后序處理，而爐渣、大部分的煙煤以及水中高分子化合物通過氣化爐底部定期排出。煤氣化反應可由式(1-1)表示:
[0004]Coal~>aiH2+a2C0+a3CH4+a4C02+a5H20+a6H2S+a7N2+a8Ash+agChar(1-1)
[0005]
[0006]其中，Ct1-Ct9為煤氣化過程中各組分系數(shù)，其隨著煤質(zhì)的不同、進料水煤漿濃度以及氧煤比等發(fā)生變化。此外，該氣化反應的主要產(chǎn)物稱之為有效氣，主要由OKHdPCH4組成，是制作氫氣、甲醇和合成天然氣等化工產(chǎn)品的主要來源。
[0007]PID控制器由于簡單、易懂，在使用中不需要精確的系統(tǒng)等在工業(yè)生產(chǎn)中得到最廣泛的應用。然而，在氣化過程中，氣化溫度和合成氣收率之間相互影響，具有較強的耦合關(guān)系。舉例來說，煤氣化過程的主要反應有蒸汽甲烷重整反應、煤炭的部分氧化反應、CO的氧化反應和水煤氣反應等。其中，蒸汽甲烷重整反應和煤炭的部分氧化反應均為吸熱反應，當爐溫升高時，蒸汽甲烷重整反應和碳的部分氧化反應均向正向反應，即向CO生成的方向發(fā)展。然而，由于蒸汽甲烷重整反應和碳的部分氧化反應產(chǎn)生了較多的CO，而較多的CO又會促使一氧化碳的氧化反應和水煤氣反應向正向進行，從而促使溫度進一步提高，并提高了H2的產(chǎn)出，而H2的增多又會進一步影響蒸汽甲烷重整反應和碳的部分氧化反應。事實上，由于煤氣化是一種在高溫、高壓下涉及多相間相互作用的復雜化學反應過程，煤氣化過程受到煤質(zhì)組成、氣化條件(如氣化溫度和氣化壓力)、煤漿濃度等多變量的影響，耦合關(guān)系會更加復雜，以上這些問題都是常規(guī)PID控制方法難以有效解決的。
[0008]由于DMC在直接處理約束和非常規(guī)動態(tài)特性上具體很大的優(yōu)勢，因此，DMC在化工工業(yè)過程中得到廣泛地應用。串級控制策略由初級模型預測控制(Model Predict1nControl，MPC)和次級PID控制器組成，MPC-PID控制器比傳統(tǒng)PID控制器和單純的MPC都具有絕對的優(yōu)勢?；谑褂檬访芩寡舆t補償器等效模型而提出的內(nèi)膜控制法(Internal ModelControl，頂C)解決了多時間延誤和復雜的相互作用問題。然而，因為史密斯預估器和PID控制器不能解決長延時和模型適應性問題，所以DMC-PID串級控制方法能夠預測和減少誤差，比傳統(tǒng)PID控制和頂C-PID串級控制都要優(yōu)越。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]鑒于以上問題，本發(fā)明的目的是提供一種水煤漿氣化過程的DMC-PID串級控制方法，實現(xiàn)在操作變量的可調(diào)范圍內(nèi)，將煤氣化過程中的被控變量(主要為反應器溫度、有效氣產(chǎn)率等)控制在設(shè)定的工業(yè)值范圍之內(nèi)。
[0010]理論上，煤氣化過程控制結(jié)構(gòu)中的變量由被控變量、操作變量和干擾變量所組成。操作變量為過程輸入，是控制過程能夠人為控制的變量，與此相反，被控變量為過程的輸出，控制的目標是將控制器的輸出控制在某個值或某個合理的工業(yè)范圍之內(nèi)。經(jīng)過對氣化過程控制自由度的分析可以得出:氣化過程主要的操作變量依次為進料氧氣流量、進料煤流量、栗入水煤漿流量、氣化用水流量(含煤中的水分)、激冷用水流量、煤漿槽液位，氣化過程主要的被控變量為反應器溫度和有效氣各組分的收率。此外，氣化過程中相關(guān)操作變量還有氧煤比、水煤比和氮煤比等，相關(guān)被控變量還有冷煤氣效率和反應器壓力等，但是結(jié)合控制自由度分析和工業(yè)實際狀況，本發(fā)明選擇水煤漿流量、氧氣流量等為操作變量，選擇反應器溫度、有效氣收率等為被控變量，同時，選擇水煤漿濃度作為測試變量，用以驗證控制方法的有效性。
[0011]針對常規(guī)PID控制不能有效解決氣化過程中多變量之間的耦合和非線性關(guān)系問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0012]一種水煤漿氣化過程的DMC-PID多變量控制方法，包括如下步驟:
[0013](I)控制系統(tǒng)的變量選擇:選定水煤漿氣化過程中的操作變量和被控變量，并選定用于驗證所述控制系統(tǒng)的測試變量；
[0014](2)控制系統(tǒng)的開環(huán)測試:根據(jù)所述操作變量的實際工業(yè)范圍和所述被控變量的設(shè)定值，對控制器的PID參數(shù)進行整定，并對所述控制系統(tǒng)進行一系列的階躍響應測試；
[0015]所述相應測試方法為:分析每個操作變量對被控變量的影響，先假設(shè)其中一個操作變量不變，而對其他操作變量進行階躍響應測試;經(jīng)過一系列的階躍響應測試后，得到進料氧氣流量和進料煤流量等的階躍變化，以及被控變量氣化爐爐溫和合成氣收率等的動態(tài)響應相關(guān)數(shù)據(jù)；
[0016](3)辨識控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型:采用有限脈沖響應辨識方法，經(jīng)過測試，根據(jù)被控變量的不同系數(shù)及其相對應的均方根誤差，選定穩(wěn)態(tài)時長、控制系數(shù)和平滑因子作為DMC控制器的輸入?yún)?shù)，得到氣化爐溫度和有效氣組分收率的FIR模型預測曲線；
[0017](4)DMC控制器設(shè)計及串級控制系統(tǒng):DMC控制器的輸入變量包括有效氣的體積分數(shù)和氣化爐溫度，輸出信號分別與操作變量相串聯(lián)，以反饋調(diào)節(jié)包括氧氣流量和水煤漿流量的各操作變量;在操作變量和被控變量的工業(yè)范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)DMC控制器的邊界值和預設(shè)值，從而搭載DMC控制器;將DMC的輸出作為PID控制器的設(shè)定值，得到DMC-PID串級控制結(jié)構(gòu)；
[0018](5)氣化過程控制系統(tǒng)測試:選擇與操作變量無關(guān)的相關(guān)變量作為測試變量，以此來測試并驗證所設(shè)計的控制方法。
[0019]進一步地，進料流量控制模塊的進料水流量和進料煤流量相串級，用以控制水煤漿濃度;氣化室控制模塊的核心為氣化爐爐膛溫度控制;激冷室控制模塊的激冷水流量控制與粗煤氣溫度控制相串級。
[0020]煤氣化過程中所選擇的被控變量即DMC控制器的輸入變量，包括氣化爐溫度和合成氣各組分的收率;所選擇的操作變量即DMC控制器的輸出變量，包括進料氧氣量和進料煤楽流量。
[0021]在控制過程中，DMC的輸出作為PID控制器的設(shè)定值，DMC控制器與PID控制器相串級。
[0022]DMC的控制參數(shù)包括穩(wěn)態(tài)時長、控制系數(shù)和平滑因子。
[0023]在操作變量的可調(diào)范圍內(nèi)，氣化過程的被控變量控制在工業(yè)要求的范圍之內(nèi)。
[0024]整個控制系統(tǒng)包含如下控制內(nèi)容:
[0025]在整個水煤漿氣化控制系統(tǒng)中，除了流量控制、液位控制、壓力控制和溫度控制等之外，特別加入了 PID串級控制方法，具體包括:氧煤比比例控制器與氧氣流量控制器的串級控制、進料水流量控制器與進料煤流量控制器的串級控制、合成氣流量加法控制器與水煤漿流量控制器的串級控制、激冷水流量控制器與合成氣溫度的串級控制。
[0026]DMC開環(huán)預測機理可由式1-2表示:
[0027]f = fu+Dd+fd+fn (1-2)
[0028]其中，fu為過去控制行為的系統(tǒng)響應，Dd+fd為抑制干擾的響應，fn則表示為未知干擾或者模型誤差。而采用有限脈沖響應辨識方法，DMC的控制參數(shù)主要由穩(wěn)態(tài)時長、控制系數(shù)和平滑因子等組成。經(jīng)過測試，根據(jù)被控變量的不同系數(shù)及其相對應的均方根誤差，選擇一定的穩(wěn)態(tài)時長、控制系數(shù)和平滑因子作為DMC控制器的輸入?yún)?shù)，可得到氣化爐溫度和有效氣組分收率等的FIR模型預測曲線。
[0029]在DMC-PID串級控制結(jié)構(gòu)搭載設(shè)計完畢后，選擇不會直接改變操作變量值得變量作為測試變量，以此來測試氣化控制系統(tǒng)測試性能。如可選擇水煤漿濃度作為測試變量，通過改變水煤漿濃度± 8 %，對控制結(jié)構(gòu)進行階躍響應測試，并通過觀察DMC-PID串級控制結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應曲線，可以看出DMC-PID串級控制方法的相關(guān)動態(tài)特性。
【附圖說明】
[0030]圖1是激冷型GE水煤漿氣化爐的爐體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖2是變量的影響效果圖；其中(a)是操作變量MVl和MV2的階躍激勵圖，(b)是被控變量CVl和CV2的動態(tài)響應圖；
[0032]圖3是FIR模型識別結(jié)果;其中(a)和(b)分別表示氣化爐爐膛溫度和一氧化碳的結(jié)果;
[0033]圖4是DMC-PID多變量控制方法的流程圖；
[0034]圖5是水煤漿濃度在±8 %的擾動下控制系統(tǒng)的動態(tài)響應圖，其中(a)、( b)、( c)、(d)分別表示進料水煤漿(Coal Water Slurry，CWS)流量、進料氧氣(O2)流量、氣化爐爐膛溫度(POX)和一氧化碳(CO)體積分數(shù)的動態(tài)響應變化曲線。
[0035]符號說明
[0036]I氧氣;2煤漿;3噴嘴;4氣化層;5耐火磚；
[0037]6激冷水;7激冷段;8灰鎖斗；
[0038]9合成氣(主要有效氣成分為CO，H2，CH4，進入后續(xù)工序)。
【具體實施方式】
[0039]下面，用實施例來進一步說明本
【發(fā)明內(nèi)容】
，但本發(fā)明的保護范圍并不僅限于實施例。對本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不背離本發(fā)明精神和保護范圍的情況下做出的其它的變化和修改，仍包括在本發(fā)明保護范圍之內(nèi)。
[0040]實施例1
[0041]本實施例是一種水煤漿氣化過程的DMC-PID多變量控制方法，激冷式水煤漿氣化爐爐體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，水煤漿氣化過程的DMC-PID多變量控制方法的具體實施步驟如下:
[0042]步驟(I):控制系統(tǒng)的變量選擇
[0043]本發(fā)明選擇水煤漿流量和氧氣流量作為操作變量，選擇反應器溫度和CO氣體組分收率作為被控變量來構(gòu)建DMC-PID多變量控制方法。選擇水煤漿濃度作為測試變量進行控制方法的驗證。
[0044]步驟(2):控制系統(tǒng)開環(huán)測試
[0045]根據(jù)氣化爐實際工業(yè)狀況搭載常規(guī)PID控制結(jié)構(gòu)。水煤漿氣化過程控制系統(tǒng)可分為進料流量控制模塊、氣化室控制模塊和激冷室控制模塊。進料流量控制模塊的主要特征是進料水流量和進料煤流量相串級，用以控制水煤漿濃度;氣化室控制模塊的核心為氣化爐爐膛溫度控制;激冷室控制模塊的主要特征為激冷水流量控制器與粗煤氣溫度控制器的串級控制。
[0046]煤氣化爐控制系統(tǒng)的主要控制器描述如下:
[0047]I)進料控制器有干煤流量控制器、進料水流量控制器、激冷水進料控制器和進料氧氣流量控制器；
[0048]2)比例控制器有水煤比控制器和氧煤比控制器；
[0049]3)通過壓力控制閥控制激冷室的合成氣流量來調(diào)節(jié)氣化室的壓力；
[0050]4)通過串級煤流量液位控制器控制進料水煤漿流量來調(diào)節(jié)煤漿槽的液位。同樣，激冷室的液位控制通過調(diào)節(jié)控制閥控制爐渣的排出來實現(xiàn)；
[0051]5)通過調(diào)節(jié)氧煤比和激冷水的流量來分別控制氣化爐溫度和激冷室氣體溫度。
[0052]對上述水煤漿氣化過程的控制器配置PID參數(shù)。其中，煤漿濃度的調(diào)節(jié)值設(shè)定為66.67%，氧煤比比例設(shè)定為1.04，延時器的延時時間設(shè)定為I分鐘。
[0053]根據(jù)操作變量的工業(yè)范圍，斷開溫度和合成氣收率的反饋控制回路，對開環(huán)PID控制結(jié)構(gòu)進行一系列的階躍響應測試。為分析每個操作變量對被控變量的影響，先假設(shè)水煤漿流量不變，而對氧氣流量做獨立的階躍響應測試。設(shè)階躍響應時間間隔為0.3小時，整個測試時長為12.6小時，進料氧氣流量和進料煤流量的階躍變化曲線分別如圖2a (上)和圖2a(下)。經(jīng)過模擬仿真，可得到被控變量爐溫POXT和一氧化碳組分CO的動態(tài)響應曲線分別如圖3b(上)和圖3b(下)。
[0054]步驟(3):辨識控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型
[0055]采用有限脈沖響應辨識方法，DMC的控制參數(shù)主要由穩(wěn)態(tài)時長、系數(shù)和平滑因子等組成。經(jīng)過測試，根據(jù)被控變量的不同系數(shù)及其相對應的均方根誤差，選擇穩(wěn)態(tài)時長為36，控制系數(shù)為30，平滑因子為5作為DMC控制器的輸入?yún)?shù)，得到氣化爐溫度POXT和一氧化碳組分收率CO的FIR模型預測曲線分別如圖3a和圖3b所示，可以看出氣化過程工業(yè)值與模型預測值吻合的很好。
[0056]步驟(4):DMC控制器設(shè)計及串級控制系統(tǒng)
[OO57 ] DMC控制器的輸入變量分別為CO體積分數(shù)和氣化爐溫度，輸出信號分別與氧氣流量和水煤漿流量相串聯(lián)，以反饋調(diào)節(jié)氧氣流量和水煤漿流量。設(shè)定好DMC控制器的當前值和各變量的工業(yè)值范圍，在操作變量和被控變量的工業(yè)值范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，將DMC的輸出分別作為氧氣流量控制器MVI和水煤漿流量控制器MV2的設(shè)定值，得到DMC-PID串級控制結(jié)構(gòu)如圖4所示。
[0058]步驟(5):氣化過程控制系統(tǒng)測試
[0059]在DMC-PID串級控制結(jié)構(gòu)搭載設(shè)計完畢后，選擇水煤漿濃度為測試變量。通過改變水煤漿濃度±8%，對控制結(jié)構(gòu)進行階躍響應測試，得到DMC-PID串級控制結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應曲線如圖5，可以看出DMC-PID串級控制策略能夠?qū)饣^程主要變量控制在工業(yè)范圍之內(nèi)，從而有效地解決水煤漿氣化過程的耦合問題和多變量控制問題。
【主權(quán)項】
1.一種水煤漿氣化過程的DMC-PID多變量控制方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)控制系統(tǒng)的變量選擇:選定水煤漿氣化過程中的操作變量和被控變量，并選定用于驗證所述控制系統(tǒng)的測試變量； (2)控制系統(tǒng)的開環(huán)測試:根據(jù)所述操作變量的實際工業(yè)范圍和所述被控變量的設(shè)定值，對控制器的PID參數(shù)進行整定，并對所述控制系統(tǒng)進行一系列的階躍響應測試； 所述相應測試方法為:分析每個操作變量對被控變量的影響，先假設(shè)其中一個操作變量不變，而對其他操作變量進行階躍響應測試;經(jīng)過一系列的階躍響應測試后，得到進料氧氣流量和進料煤流量等的階躍變化，以及被控變量氣化爐爐溫和合成氣收率等的動態(tài)響應相關(guān)數(shù)據(jù)； (3)辨識控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型:采用有限脈沖響應辨識方法，經(jīng)過測試，根據(jù)被控變量的不同系數(shù)及其相對應的均方根誤差，選定穩(wěn)態(tài)時長、控制系數(shù)和平滑因子作為DMC控制器的輸入?yún)?shù)，得到氣化爐溫度和有效氣組分收率的FIR模型預測曲線； (4)DMC控制器設(shè)計及串級控制系統(tǒng):DMC控制器的輸入變量包括有效氣的體積分數(shù)和氣化爐溫度，輸出信號分別與操作變量相串聯(lián)，以反饋調(diào)節(jié)包括氧氣流量和水煤漿流量的各操作變量;在操作變量和被控變量的工業(yè)范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)DMC控制器的邊界值和預設(shè)值，從而搭載DMC控制器;將DMC的輸出作為PID控制器的設(shè)定值，得到DMC-PID串級控制結(jié)構(gòu)； (5)氣化過程控制系統(tǒng)測試:選擇與操作變量無關(guān)的相關(guān)變量作為測試變量，以此來測試并驗證所設(shè)計的控制方法。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于，進料流量控制模塊的進料水流量和進料煤流量相串級，用以控制水煤漿濃度;氣化室控制模塊的核心為氣化爐爐膛溫度控制;激冷室控制模塊的激冷水流量控制與粗煤氣溫度控制相串級。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于，煤氣化過程中所選擇的被控變量即DMC控制器的輸入變量，包括氣化爐溫度和合成氣各組分的收率;所選擇的操作變量即DMC控制器的輸出變量，包括進料氧氣量和進料煤漿流量。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于，在控制過程中，DMC的輸出作為PID控制器的設(shè)定值，DMC控制器與PID控制器相串級。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于，DMC的控制參數(shù)包括穩(wěn)態(tài)時長、控制系數(shù)和平滑因子。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制方法，其特征在于，在操作變量的可調(diào)范圍內(nèi)，氣化過程的被控變量被控制在工業(yè)要求的范圍之內(nèi)。7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的控制方法，其特征在于，整個控制系統(tǒng)包含如下控制內(nèi)容: 在整個水煤漿氣化控制系統(tǒng)中，除了流量控制、液位控制、壓力控制和溫度控制等之夕卜，特別加入了PID串級控制方法，具體包括:氧煤比比例控制器與氧氣流量控制器的串級控制、進料水流量控制器與進料煤流量控制器的串級控制、合成氣流量加法控制器與水煤漿流量控制器的串級控制、激冷水流量控制器與合成氣溫度的串級控制。
【文檔編號】G05B13/04GK105955020SQ201610288425
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月3日
【發(fā)明人】錢鋒, 鐘偉民, 杜文莉
【申請人】華東理工大學