一种水煤浆气化过程的DMC-PID多变量控制方法

摘要

本发明涉及一种水煤浆气化过程的DMC‑PID多变量控制方法，具体而言，是采用动态矩阵控制与比例‑积分‑微分控制的串级控制系统对水煤浆气化过程进行多变量控制的方法(以下简称DMC‑PID控制方法)。水煤浆气化过程控制系统的特点有：进料流量控制主要包括水煤浆流量串级控制和氧煤比串级控制；气化室控制的核心为气化炉炉膛温度控制；激冷室控制主要包括激冷水流量与粗煤气温度的串级控制。利用本发明的DMC‑PID控制方法，本发明实现在操作变量的可调范围内，将煤气化过程主要被控变量控制在工业要求范围之内，从而有效地解决了水煤浆气化过程中气化温度与合成气收率之间的多变量耦合等问题。

说明书

技术领域

本发明涉及煤化工和自动控制领域中的一种过程控制方法，具体地，是水煤浆气化过程的DMC-PID多变量控制方法。

背景技术

我国煤炭资源丰富，2013年煤炭资源探明储量为1145亿吨，位居世界第三。然而，目前我国煤炭利用率总体效率低、污染严重。煤气化技术是煤炭清洁高效转化的核心技术，较传统煤资源利用技术，煤气化技术在环境保护和资源高效利用方面具有绝对的优势，因此，煤气化技术得到广泛地工业应用。

煤气化过程中，气化炉是煤气化过程的核心设备。激冷式水煤浆气化炉炉体可以划分为气化室和激冷室，水煤浆经加压后通过喷嘴喷入气化炉内与氧气反应，反应物在高温高压下经过热解、燃烧和焦化产生合成气等混合物后，合成气通过激冷环离开气化炉顶部进入底部的冷却室，在激冷室进行水激冷以后，合成气离开气化炉底部进入其他设备进行后序处理，而炉渣、大部分的烟煤以及水中高分子化合物通过气化炉底部定期排出。煤气化反应可由式(1-1)表示：

Coal→α₁H₂+α₂CO+α₃CH₄+α₄CO₂+α₅H₂O+α₆H₂S+α₇N₂+α₈Ash+α₉Char(1-1)

其中，α₁-α₉为煤气化过程中各组分系数，其随着煤质的不同、进料水煤浆浓度以及氧煤比等发生变化。此外，该气化反应的主要产物称之为有效气，主要由CO、H₂和CH₄组成，是制作氢气、甲醇和合成天然气等化工产品的主要来源。

PID控制器由于简单、易懂，在使用中不需要精确的系统等在工业生产中得到最广泛的应用。然而，在气化过程中，气化温度和合成气收率之间相互影响，具有较强的耦合关系。举例来说，煤气化过程的主要反应有蒸汽甲烷重整反应、煤炭的部分氧化反应、CO的氧化反应和水煤气反应等。其中，蒸汽甲烷重整反应和煤炭的部分氧化反应均为吸热反应，当炉温升高时，蒸汽甲烷重整反应和碳的部分氧化反应均向正向反应，即向CO生成的方向发展。然而，由于蒸汽甲烷重整反应和碳的部分氧化反应产生了较多的CO，而较多的CO又会促使一氧化碳的氧化反应和水煤气反应向正向进行，从而促使温度进一步提高，并提高了H₂的产出，而H₂的增多又会进一步影响蒸汽甲烷重整反应和碳的部分氧化反应。事实上，由于煤气化是一种在高温、高压下涉及多相间相互作用的复杂化学反应过程，煤气化过程受到煤质组成、气化条件(如气化温度和气化压力)、煤浆浓度等多变量的影响，耦合关系会更加复杂，以上这些问题都是常规PID控制方法难以有效解决的。

由于DMC在直接处理约束和非常规动态特性上具体很大的优势，因此，DMC在化工工业过程中得到广泛地应用。串级控制策略由初级模型预测控制(Model Prediction Control，MPC)和次级PID控制器组成，MPC-PID控制器比传统PID控制器和单纯的MPC都具有绝对的优势。基于使用史密斯延迟补偿器等效模型而提出的内膜控制法(Internal Model Control，IMC)解决了多时间延误和复杂的相互作用问题。然而，因为史密斯预估器和PID控制器不能解决长延时和模型适应性问题，所以DMC-PID串级控制方法能够预测和减少误差，比传统PID控制和IMC-PID串级控制都要优越。

发明内容

鉴于以上问题，本发明的目的是提供一种水煤浆气化过程的DMC-PID串级控制方法，实现在操作变量的可调范围内，将煤气化过程中的被控变量(主要为反应器温度、有效气产率等)控制在设定的工业值范围之内。

理论上，煤气化过程控制结构中的变量由被控变量、操作变量和干扰变量所组成。操作变量为过程输入，是控制过程能够人为控制的变量，与此相反，被控变量为过程的输出，控制的目标是将控制器的输出控制在某个值或某个合理的工业范围之内。经过对气化过程控制自由度的分析可以得出：气化过程主要的操作变量依次为进料氧气流量、进料煤流量、泵入水煤浆流量、气化用水流量(含煤中的水分)、激冷用水流量、煤浆槽液位，气化过程主要的被控变量为反应器温度和有效气各组分的收率。此外，气化过程中相关操作变量还有氧煤比、水煤比和氮煤比等，相关被控变量还有冷煤气效率和反应器压力等，但是结合控制自由度分析和工业实际状况，本发明选择水煤浆流量、氧气流量等为操作变量，选择反应器温度、有效气收率等为被控变量，同时，选择水煤浆浓度作为测试变量，用以验证控制方法的有效性。

针对常规PID控制不能有效解决气化过程中多变量之间的耦合和非线性关系问题，本发明采用的技术方案如下：

一种水煤浆气化过程的DMC-PID多变量控制方法，包括如下步骤：

(1)控制系统的变量选择：选定水煤浆气化过程中的操作变量和被控变量，并选定用于验证所述控制系统的测试变量；

(2)控制系统的开环测试：根据所述操作变量的实际工业范围和所述被控变量的设定值，对控制器的PID参数进行整定，并对所述控制系统进行一系列的阶跃响应测试；

所述相应测试方法为：分析每个操作变量对被控变量的影响，先假设其中一个操作变量不变，而对其他操作变量进行阶跃响应测试；经过一系列的阶跃响应测试后，得到进料氧气流量和进料煤流量等的阶跃变化，以及被控变量气化炉炉温和合成气收率等的动态响应相关数据；

(3)辨识控制系统结构模型：采用有限脉冲响应辨识方法，经过测试，根据被控变量的不同系数及其相对应的均方根误差，选定稳态时长、控制系数和平滑因子作为DMC控制器的输入参数，得到气化炉温度和有效气组分收率的FIR模型预测曲线；

(4)DMC控制器设计及串级控制系统：DMC控制器的输入变量包括有效气的体积分数和气化炉温度，输出信号分别与操作变量相串联，以反馈调节包括氧气流量和水煤浆流量的各操作变量；在操作变量和被控变量的工业范围内进行调节DMC控制器的边界值和预设值，从而搭载DMC控制器；将DMC的输出作为PID控制器的设定值，得到DMC-PID串级控制结构；

(5)气化过程控制系统测试：选择与操作变量无关的相关变量作为测试变量，以此来测试并验证所设计的控制方法。

进一步地，进料流量控制模块的进料水流量和进料煤流量相串级，用以控制水煤浆浓度；气化室控制模块的核心为气化炉炉膛温度控制；激冷室控制模块的激冷水流量控制与粗煤气温度控制相串级。

煤气化过程中所选择的被控变量即DMC控制器的输入变量，包括气化炉温度和合成气各组分的收率；所选择的操作变量即DMC控制器的输出变量，包括进料氧气量和进料煤浆流量。

在控制过程中，DMC的输出作为PID控制器的设定值，DMC控制器与PID控制器相串级。

DMC的控制参数包括稳态时长、控制系数和平滑因子。

在操作变量的可调范围内，气化过程的被控变量控制在工业要求的范围之内。

整个控制系统包含如下控制内容：

在整个水煤浆气化控制系统中，除了流量控制、液位控制、压力控制和温度控制等之外，特别加入了PID串级控制方法，具体包括：氧煤比比例控制器与氧气流量控制器的串级控制、进料水流量控制器与进料煤流量控制器的串级控制、合成气流量加法控制器与水煤浆流量控制器的串级控制、激冷水流量控制器与合成气温度的串级控制。

DMC开环预测机理可由式1-2表示：

f＝f_u+D_d+f_d+f_n(1-2)

其中，f_u为过去控制行为的系统响应，D_d+f_d为抑制干扰的响应，f_n则表示为未知干扰或者模型误差。而采用有限脉冲响应辨识方法，DMC的控制参数主要由稳态时长、控制系数和平滑因子等组成。经过测试，根据被控变量的不同系数及其相对应的均方根误差，选择一定的稳态时长、控制系数和平滑因子作为DMC控制器的输入参数，可得到气化炉温度和有效气组分收率等的FIR模型预测曲线。

在DMC-PID串级控制结构搭载设计完毕后，选择不会直接改变操作变量值得变量作为测试变量，以此来测试气化控制系统测试性能。如可选择水煤浆浓度作为测试变量，通过改变水煤浆浓度±8％，对控制结构进行阶跃响应测试，并通过观察DMC-PID串级控制结构的动态响应曲线，可以看出DMC-PID串级控制方法的相关动态特性。

附图说明

图1是激冷型GE水煤浆气化炉的炉体结构示意图；

图2是变量的影响效果图；其中(a)是操作变量MV1和MV2的阶跃激励图，(b)是被控变量CV1和CV2的动态响应图；

图3是FIR模型识别结果；其中(a)和(b)分别表示气化炉炉膛温度和一氧化碳的结果；

图4是DMC-PID多变量控制方法的流程图；

图5是水煤浆浓度在±8％的扰动下控制系统的动态响应图，其中(a)、(b)、(c)、(d)分别表示进料水煤浆(Coal Water Slurry,CWS)流量、进料氧气(O₂)流量、气化炉炉膛温度(POX)和一氧化碳(CO)体积分数的动态响应变化曲线。

符号说明

1氧气；2煤浆；3喷嘴；4气化层；5耐火砖；

6激冷水；7激冷段；8灰锁斗；

9合成气(主要有效气成分为CO，H₂，CH₄，进入后续工序)。

具体实施方式

下面，用实施例来进一步说明本发明内容，但本发明的保护范围并不仅限于实施例。对本领域的技术人员在不背离本发明精神和保护范围的情况下做出的其它的变化和修改，仍包括在本发明保护范围之内。

实施例1

本实施例是一种水煤浆气化过程的DMC-PID多变量控制方法，激冷式水煤浆气化炉炉体结构示意图如图1所示，水煤浆气化过程的DMC-PID多变量控制方法的具体实施步骤如下：

步骤(1)：控制系统的变量选择

本发明选择水煤浆流量和氧气流量作为操作变量，选择反应器温度和CO气体组分收率作为被控变量来构建DMC-PID多变量控制方法。选择水煤浆浓度作为测试变量进行控制方法的验证。

步骤(2)：控制系统开环测试

根据气化炉实际工业状况搭载常规PID控制结构。水煤浆气化过程控制系统可分为进料流量控制模块、气化室控制模块和激冷室控制模块。进料流量控制模块的主要特征是进料水流量和进料煤流量相串级，用以控制水煤浆浓度；气化室控制模块的核心为气化炉炉膛温度控制；激冷室控制模块的主要特征为激冷水流量控制器与粗煤气温度控制器的串级控制。

煤气化炉控制系统的主要控制器描述如下：

1)进料控制器有干煤流量控制器、进料水流量控制器、激冷水进料控制器和进料氧气流量控制器；

2)比例控制器有水煤比控制器和氧煤比控制器；

3)通过压力控制阀控制激冷室的合成气流量来调节气化室的压力；

4)通过串级煤流量液位控制器控制进料水煤浆流量来调节煤浆槽的液位。同样，激冷室的液位控制通过调节控制阀控制炉渣的排出来实现；

5)通过调节氧煤比和激冷水的流量来分别控制气化炉温度和激冷室气体温度。

对上述水煤浆气化过程的控制器配置PID参数。其中，煤浆浓度的调节值设定为66.67％，氧煤比比例设定为1.04，延时器的延时时间设定为1分钟。

根据操作变量的工业范围，断开温度和合成气收率的反馈控制回路，对开环PID控制结构进行一系列的阶跃响应测试。为分析每个操作变量对被控变量的影响，先假设水煤浆流量不变，而对氧气流量做独立的阶跃响应测试。设阶跃响应时间间隔为0.3小时，整个测试时长为12.6小时，进料氧气流量和进料煤流量的阶跃变化曲线分别如图2a(上)和图2a(下)。经过模拟仿真，可得到被控变量炉温POXT和一氧化碳组分CO的动态响应曲线分别如图3b(上)和图3b(下)。

步骤(3)：辨识控制系统结构模型

采用有限脉冲响应辨识方法，DMC的控制参数主要由稳态时长、系数和平滑因子等组成。经过测试，根据被控变量的不同系数及其相对应的均方根误差，选择稳态时长为36，控制系数为30，平滑因子为5作为DMC控制器的输入参数，得到气化炉温度POXT和一氧化碳组分收率CO的FIR模型预测曲线分别如图3a和图3b所示，可以看出气化过程工业值与模型预测值吻合的很好。

步骤(4)：DMC控制器设计及串级控制系统

DMC控制器的输入变量分别为CO体积分数和气化炉温度，输出信号分别与氧气流量和水煤浆流量相串联，以反馈调节氧气流量和水煤浆流量。设定好DMC控制器的当前值和各变量的工业值范围，在操作变量和被控变量的工业值范围内进行调节，将DMC的输出分别作为氧气流量控制器MV1和水煤浆流量控制器MV2的设定值，得到DMC-PID串级控制结构如图4所示。

步骤(5)：气化过程控制系统测试

在DMC-PID串级控制结构搭载设计完毕后，选择水煤浆浓度为测试变量。通过改变水煤浆浓度±8％，对控制结构进行阶跃响应测试，得到DMC-PID串级控制结构的动态响应曲线如图5，可以看出DMC-PID串级控制策略能够将气化过程主要变量控制在工业范围之内，从而有效地解决水煤浆气化过程的耦合问题和多变量控制问题。