PID在套筒竖窑中的应用.doc

PID在套筒竖窑中的应用The Application of PID in BASK- 1 -摘要：首先介绍了套筒竖窑的工艺流程及其控制方法，然后阐述了具体的PID控制算法，最后逐一列出了采用此算法所取得的实际效果。关键词：套筒竖窑；PIDAbstract: At first, this paper introduces the process of BASK（BECKENBACH ANNULAR SHAFT KILN）and the control method relevantly, then expounds the specific control algorithm of PID, and illustrates the practical effect by the algorithm one by one at last.Key words: BASK; PID1 前言上海宝钢集团一钢公司的不锈钢精品基地建设，需要高品质的活性石灰（活性度350ml），它是炼钢必不可少的原料，用它代替普通冶金石灰用于炼钢，能达到节能降耗、提高钢材质量的目的。套筒竖窑是德国贝肯巴赫炉窑公司发明的活性石灰生产的先进工艺，它实现了在一个窑身内存在并流煅烧。因此新建一座500t/d套筒竖窑，总投资约1亿元，它的建成投产能够基本满足冶炼的需要。2 套筒竖窑工艺及其控制方法套筒竖窑工艺流程如下图所示：图1 工艺流程图单斗提升机将石灰石运至窑顶，经料斗、密封闸门及旋转布料器进入环形套筒内。套筒竖窑有上、下两层烧嘴并均匀错开布置，将套筒竖窑分成两个煅烧带，上煅烧带为逆流，下煅烧带为并流。并流带下部为冷却带，石灰在冷却带的底部通过出料装置排出。冷却空气预热后汇集到冷却空气环管中，作为助燃空气送到各个烧嘴。预热的驱动空气从换热器出来后进入驱动空气环管，并被送到喷射器，作为喷射器的动力气体。上层燃烧室中为不完全燃烧，不完全燃烧的气体进入下料层时与来自下方的含过剩空气的气流相遇，使不完全燃烧的气体得到完全燃烧。下层燃烧室中为完全燃烧。窑内所有的废气都经废气风机引出，然后经冷风阀混入冷风进入除尘器除尘后排入大气。在活性石灰的整个生产过程中，煅烧控制是其中的关键。煅烧是石灰高温分解的关键一步，该工艺步骤的核心技术是控制燃烧室的温度范围，具体控制方法如下：（1）通过控制循环气体的温度来调节煅烧状况进而保证石灰质量。（2）控制供热进行调节。在排料速度及循环气体温度稳定的条件下，通过改变热量输入的办法同样可以调节石灰质量。3 PID控制及其调节过程3.1基本概念一般的受控对象可近似为一阶惯性加纯延时环节，可以用PID控制器进行无误差逼近。PID控制具有以下优点：（1）原理简单，使用方便。（2）适应性强，可以广泛应用于化工、热工、冶金、炼油以及造纸、建材等各种生产部门。（3）鲁棒性强，即其控制品质对控制对象特性的变化不大敏感。因此直到现在，PID控制仍然是应用最广泛的基本控制方式。3.2调节器动作规律的选择考虑到对象特性、负荷变化、主要扰动和系统控制要求等具体情况，同时还考虑到系统的经济性以及系统投入方便等，决定采用PI调节。3.3 PI调节的动作规律PI调节就是综合P、I两种调节的优点，利用P调节快速抵消干扰的影响，同时利用I调节消除残差。它的调节规律为u=（e+） （式 1）式中：比例带，可视情况取正值或负值；Ti积分时间。和Ti是PI调节器的两个重要参数。下图是PI调节器的阶跃响应，它是由比例动作和积分动作两部分组成的。在施加阶跃输入的瞬间，调节器立即输出一个幅值为e/的阶跃，然后以固定速度e/Ti变化。当t=Ti时，调节器的总输出为2e/。这样，就可以根据图确定和Ti的数值。图2 PI调节器的阶跃响应3.4 PI调节器的参数整定（1）方法概述当系统安装好以后，系统能否在最佳状态下工作，主要取决于调节器各参数的设置是否得当。参数整定的方法可归纳为两大类：理论计算整定法和工程整定法。在工程实际中流行的是后一类，它虽然是一种近似的经验方法，但相当实用。（2）本工程中的参数整定方法本工程中，参数整定方法采用工程整定法中的经验整定法。此方法实质上是一种经验试凑法：根据运行经验，先确定一组调节器参数，并将系统投入运行，然后人为加入阶跃扰动（通常为调节器的设定值扰动），观察被调量或调节器输出的阶跃响应曲线，并依照调节器各参数对调节过程的影响，改变相应的整定参数值。一般先后Ti，如此反复试验多次，直到获得满意的阶跃响应曲线为止。表1就不同对象给出了调节器参数的经验数据。1表1 经验法调节器参数经验数据整定参数被控对象*100Ti/min温度2060310压力30700.43流量401000.114 PID控制算法及其实际效果4.1 概述为了实现套筒竖窑控制系统中的模拟量调节，共采用了10个PID控制回路，具体的PID控制算法如下图所示：图3 PID控制框图4.2 控制供热的PID控制算法（1）下燃烧器煤气流量调节器FIC410FIC410通过控制调节阀FV410的开度对下燃烧器煤气的流量进行调节，其传递函数如下：Gc（S）=0.005（1+） （式 2）式中：0.005PID调节器的增益系数；10PID调节器的积分时间常数，单位：秒。其中，FIC410的设定值：FIC410_SP=GF*PERC410 （式 3）式中：PERC410下燃烧器煤气流量分配百分比；GF每小时煤气消耗量，单位：Nm3/h。对于GF，有以下公式：GF=TPD*1000*HC/（24*PCI） （式 4）式中：TPD每日石灰产量，单位：吨/天；HC每公斤石灰消耗热量，单位：kcal/kg；PCI煤气热值，单位：kcal/Nm3。（2）上燃烧器煤气流量调节器FIC430FIC430通过控制调节阀FV430的开度对上燃烧器煤气的流量进行调节，其传递函数如下：Gc（S）=0.005（1+） （式 5）式中：0.005PID调节器的增益系数；10PID调节器的积分时间常数，单位：秒。其中，FIC430的设定值：FIC430_SP=GF*PERC430 （式 6）式中：PERC430上燃烧器煤气流量分配百分比。PERC410与PERC430相除，称为煤气分配比，取值范围由工艺给出。（3）下燃烧器助燃气体流量调节器FIC321FIC321通过控制调节阀FV321的开度对下燃烧器助燃气体的流量进行调节，其传递函数如下：Gc（S）=0.01（1+） （式 7）式中：0.01PID调节器的增益系数；10PID调节器的积分时间常数，单位：秒。其中，FIC321的设定值：FIC321_SP=GF*FIC321_TA*FIC321_K （式 8）式中：FIC321_TA空气与煤气的配比，即空煤比，取值范围由工艺给出。FIC321_K下燃烧器的空煤比修正系数，取值范围由工艺给出。（4）上燃烧器助燃气体流量调节器FIC322FIC322通过控制调节阀FV322的开度对上燃烧器助燃气体的流量进行调节，其传递函数如下：Gc（S）=0.005（1+） （式 9）式中：0.005PID调节器的增益系数；10PID调节器的积分时间常数，单位：秒。其中，FIC322的设定值：FIC322_SP=GF*FIC322_TA*FIC322_K （式 10）式中：FIC322_TA空气与煤气的配比，即空煤比，取值范围由工艺给出。FIC322_K上燃烧器的空煤比修正系数，取值范围由工艺给出。4.3 控制循环气体温度的PID控制算法（1）下内筒冷却空气放散流量调节器FIC310FIC310通过控制调节阀FV320的开度对下内筒冷却空气的放散流量进行调节，其传递函数如下：Gc（S）=0.001（1+） （式 11）式中：0.001PID调节器的增益系数；10PID调节器的积分时间常数，单位：秒。其中，FIC310的设定值：FIC310_SP=TPD*1*KFIC310/24 （式 12）式中：KFIC310修正系数，取值范围由工艺给出。（2）上内筒冷却空气放散流量调节器FIC350FIC350通过控制调节阀FV350的开度对上内筒冷却空气的放散流量进行调节，其传递函数如下：Gc（S）=0.001（1+） （式 13）式中：0.001PID调节器的增益系数；10PID调节器的积分时间常数，单位：秒。其中，FIC350的设定值：FIC350_SP=TPD*1*KFIC350/24 （式 14）式中：KFIC350修正系数，取值范围由工艺给出。（3）热交换器出口处的驱动空气温度调节器TIC520TIC520通过控制调节阀FV602（位于热交换器出口处）的开度对热交换器出口处的驱动空气温度进行调节，其传递函数如下：Gc（S）=0.01（1+） （式 15）式中：0.01PID调节器的增益系数；10PID调节器的积分时间常数，单位：秒。（4）驱动风机出口压力调节器PIC510PIC510通过控制变频器SIC502的给定，间接控制驱动风机M502的速度对驱动风机的出口压力进行调节，其传递函数如下：Gc（S）=0.3（1+） （式 16）式中：0.3PID调节器的增益系数；0.3PID调节器的积分时间常数，单位：秒。（5）除尘风机入口压力调节器PIC606PIC606通过控制变频器SIC606的给定，间接控制除尘风机M606的速度对除尘风机的入口压力进行调节，其传递函数如下：Gc（S）=0.2（1+） （式 17）式中：0.2PID调节器的增益系数；0.6PID调节器的积分时间常数，单位：秒。（6）下燃烧室压力调节器PIC611PIC611通过控制变频器SIC605的给定，间接控制废气风机M605的速度对下燃烧室压力进行调节，其传递函数如下：Gc（S）=0.3（1+） （式 18）式中：0.3PID调节器的增益系数；0.2PID调节器的积分时间常数，单位：秒。注：对于（3）（6）中的设定值（TIC520_SP、PIC510_SP、PIC606_SP、PIC611_SP），均由操作人员通过CRT进行设置，取值范围由工艺给出。4.4 PID控制算法的实际效果（1）控制供热PID控制算法的实际效果控制目标：将上、下燃烧室的温度（TT631636、TT611616）控制在11001300C的范围之内。下燃烧室的温度（TT616）曲线如下图所示：图4 下燃烧室的温度曲线（TT616）上燃烧室的温度（TT636）曲线如下图所示：图5 上燃烧室的温度曲线（TT636）（2）控制循环气体温度的PID控制算法的实际效果控制目标：将循环气体的温度（TT651）控制在820920C的范围之内。循环气体的温度（TT651）曲线如下图所示：图6 循环气体的温度曲线（TT651）5 结束语套筒竖窑自2004年2月15日点火投产以来，产量、质量等技术指标稳步提高。目前，10个PID控制回路全部投运正常，石灰活性度稳定在350ml以上，完全满足了不锈钢对活性石灰的需求。表2是新、旧石灰窑平均活性度的对比数据。表2