煤气熔铝炉控制系统的设计与分析

　　[摘　要]介绍煤气熔铝炉流量比值控制系统的组成、控制原理及系统比值系数的确定,着重分析SLPC可编程调节器功能及其在控制系统中的应用。生产运行表明,整个系统控制精度高,既可以实现煤气熔铝炉的安全运行,又可以降低能源消耗。

　　前言

　　熔铸分厂煤气熔铝炉是以发生炉煤气为燃气对铝及铝合金原料进行加热熔化的工业炉设备,原燃烧控制系统的自动化水平不高,煤气及助燃的空气流量的控制为手动调节方式,即用电动操作器手动控制电动执行机构正转、反转,进而增加或减小调节阀开度,达到调节流量的目的。这种方式无法做到流量的定量控制,特别地,若煤气流量增减速度过快、幅值过大时,较易对整个煤气供气系统的安全造成威胁;并且较易使煤气空气的配比失调,导致煤气量过大或空气量过大。若煤气量过大不仅造成煤气能源浪费,而且排放出的一氧化碳有害气体对大气造成污染;若空气量过大,鼓风机负荷则过大,不仅减少风机寿命,而且过剩空气形成的尾气会带走大量热量,降低热能的利用率。鉴于上述安全及节能两方面原因,同时为提高设备的自动化控制水平,遂对12#、13#煤气熔铝炉燃烧控制系统进行改进。

　　1　系统的组成及其分析

　　改进后的12#、13#煤气熔铝炉燃烧控制系统见图1。此系统为煤气、空气双闭环比值系统。煤气控制回路、空气控制回路均为各自单独的PID闭合控27制回路,两个回路之间通过煤气调节回路的可编程调节器进行比值运算,实现煤气与空气1∶1.15的比值关系。

　　从图1可以看出,煤气、空气每个控制回路中由3部分组成,即信号的检测、变送部分,调节部分以及执行部分。

　　1.1　信号的检测和变送部分

　　煤气的信号检测部分包括差压的检测、煤气压力的检测和煤气温度的检测。由孔板、差压变送器、压力变送器、感温元件、温度变送器及配电器组成;空气的信号检测部分由孔板、差压变送器、配电器和开方器组成。煤气、空气经管道流过孔板前后产生压差信号。

　　1.2　调节部分

　　调节器在自动控制回路中起控制作用,它将给定值与测量流量值相减所得到的偏差信号,按P、I、D(比例、积分、微分)控制规律进行运算,运算结果为4～ 20mA控制信号,输出至电动执行器。由于流量系统控制的目的均为使被调节流量快速准确地跟随给定值,因此两台调节器均采用PI规律。

　　1.2.1　SLDC调节器

　　空气控制回路调节器采用SLDC指示型调节器,完成基本的PID控制功能。由于空气控制回路的流量给定值由煤气控制回路SLPC调节器输出的Y2提供,SLDC调节器应当选择串级外给定,因此控制方式C/A/M选为C。

　　1.2.2　SLPC调节器

　　煤气控制回路调节器采用SLPC可编程调节器,具有基本PID、串级、选择、采样PI、批量PID等控制功能;SLPC可编程调节器还具有丰富的运算功能。本系统选择采样PI控制模块及比值,加减、开方、上下限限幅等运算模块,通过POL编程语言将这些模块连接在一起,构成用户程序,实现煤气流量的限幅控制及1∶1.15的比值输出。SLPC可编程调节器程序流程框图见图2。

　　由图1可看出,对补偿后的煤气流量信号进行比值运算后输出信号Y2,作为空气SLDC调节器的外给定值SV2,使得空气流量跟随煤气流量的变化而变化,二者一直处于较佳配比,实现节能控制。煤气回路的流量给定值通过SLPC调节器本机设定实现,因此SLPC可编程调节器控制方式C/A/M选为A。程序中通过对煤气流量PID控制运算的给定值与测量信号偏差,即对煤气流量一次设定增量进行上下限幅后,再进行PID运算,输出信号Y1控制电动执行器调节流量,再加之回路选择采样PI控制规律,使得在采样周期中仅在控制时间内调节器有一个控制动作,而采样周期的剩余时间控制动作停止,输出信号将予以保持,控制流量以步进的方式比较缓慢地调节到给定值,以防止因调节器一次连续输出变化过大、过快,而造成流量一次连续调节超出规定的安全值及出现蝶阀小幅振荡的情况,从而实现对SLPC调节器的输入偏差与输出量的安全限幅,保证整个煤气系统的安全。

　　1.3　执行部分

　　执行部分由电动执行器(伺服放大器、电动操作器和电动执行机构)及调节阀组成。调节器输出的4～ 20mA控制信号和执行机构的位置反馈信号在伺服放大器内进行综合比较、放大、较性判别后,输出二位开关式220 V交流电,以控制电动执行机构的正反转,从而带动调节蝶阀动作,达到控制流量的目的。

　　本系统伺服放大器选择AI- 808人工智能通用型仪表,其内部硬件采用先进的模块化设计。选用2块L2模块(L2模块是一种继电器常开常闭触点开关输出模块),分别安装在仪表的主输出和启动紧急信号AL1上,并设置参数Sn= 32(输入规格为0.2～ 1V),Ctrl= 5,oP1= 6,oPL= 5,oPH= 95(其中oPL、oPH为输出上下限,对阀门上下限位),实现伺服放大器的功能。此时主输入的2、3端子需外接50Ψ电阻,将调节器输出的4～ 20mA转换为0.2～ 1V信号,反馈输入1、2端子外接250Ψ电阻,将执行机构反馈的4～20mA转换为1～ 5V信号,仪表端子5为公共端,接220VAC的电压,仪表端子7为电机正转开关,仪表端子11为电机反转开关。当调节器输出与执行机构的反馈信号为正偏差时,启动紧急信号AL1上11端子与端子5接通,电机反转,当调节器输出与执行机构的反馈信号为负偏差时,主输出上7端子与端子5接通,电机正转。

　　2　比值控制系统原理

　　如图1所示,煤气流量为主动量,煤气控制回路为主控制回路,空气流量为从动量,空气控制回路为副控制回路。空气流量的变化始终随煤气流量的变化而变化。

　　在稳定状态下,煤气流量通过自身的控制回路控制为给定值。同时煤气调节器对煤气流量信号经比值运算输出作为空气调节器的给定值,空气调节器按此给定值调节空气流量,从而使煤气流量、空气流量保持比值关系。

　　当空气流量受扰动发生变化时,由空气回路克服,不影响煤气回路。而当煤气流量受干扰发生变化时,煤气控制回路在克服干扰的同时经过比值运算,煤气调节器输出信号改变空气调节器的给定值,使空气流量随煤气流量的变化而变化。干扰清理后,煤气流量稳定到给定值,煤气流量和空气流量比值关系一直保持不变。

　　当燃烧过程需要增加或减小煤气流量时,由于煤气、空气采用比值控制,只需增加或减小煤气流量回路的给定值,即可达到煤气流量、空气流量的增加或减小。空气流量的变化始终跟随煤气流量的变化且保持比值关系,从而使燃烧一直处于较佳状态。

　　4　运行效果

　　现场运行表明,该系统控制精度高,性能稳定,工作可靠,在保证煤气系统安全的前提下,使燃烧处于较佳状态,提高了煤气的燃烧效率,节能效果明显,每年节约煤气200万m3,达60多万元;减少了设备维修量,每年降低维修费20万元。同时减轻了对环境的污染,取得了良好的社会效益。