先进控制节能
先进的控制技术可以用来从被称为“废气”的化学反应副产品中提取额外的能量。化学、石化和冶金工厂产生的废气可以根据季节重新使用或出售。随着过去五年能源成本的上涨，优化废气使用已成为保持竞争力的一种方式。
|
先进的控制技术可以用来从被称为“废气”的化学反应副产品中提取额外的能量。化学、石化和冶金工厂产生的废气可以根据季节重新使用或出售。随着过去五年能源成本的上涨，优化废气使用已成为保持竞争力的一种方式。
必要的技术，如前馈控制，可以编程到现有的控制系统中，作为四步计划的一部分:
对流程及其操作有良好的理解;
对现有的控制系统有良好的了解;
确定适当的控制目标和控制变量;而且,
应用正确的先进控制技术。
而且，由于并不总是需要购买专门的软件包和仪器，因此有可能获得很高的投资回报。
适应“现实生活”
QIT-Fer et Titane公司(Sorel-Tracy, PQ, Canada)运营的钛铁矿还原厂就是一个应用于废气使用的优化步骤的例子。一氧化碳(CO)气体作为大量还原过程的副产品而产生。它具有很高的热值，被用作整个QIT冶金综合体的燃料气体。
熔炼炉产生CO气体，而回转窑、锅炉、煤炭干燥机、UGS(定义)工厂和其他用户消耗它。在生产和消费之间的气柜储存CO以吸收高频干扰并保持CO管网中的气体压力恒定。气柜有一个可移动的膜顶，停留时间小于一分钟。
| 该图显示了维持气柜CO水平的初始装置布置和原始PID控制策略。 |
当气柜液位达到上限时，使用两个带有控制阀的火炬堆燃烧多余的CO生产。窑炉燃烧来自气柜的CO和天然气，混合比例在0到100%之间变化。当CO产量和气柜中的CO含量较低时，天然气可以保持窑炉的运行。
旧的控制策略的唯一目标是保持气柜的高度，使用两个常规PID控制器串级排列。主控制器调节气柜液位，从控制器调节窑炉燃料的混合比例。电平控制器的输出被分成两部分——0%到X%用于调制混合比设定值，而X%到100%处理信号阀的调制。
| 在任何24小时内，典型的CO气体生产和消耗都会对气柜的水平造成广泛的扰动。 |
原来，火炬阀和混合比之间没有动态协调。因此，有时CO浓度的扰动会导致控制系统燃烧掉多余的CO气体而且同时向窑炉输送天然气，这种情况发生在有CO气体可用的情况下。这种不稳定时期通常只持续几分钟，但对QIT来说代价高昂，尤其是在天然气价格上涨的情况下
进入新战略
解决这一问题需要采用前馈控制的新策略。采用以下四步计划将其应用于QIT-Fer et Titane工厂:
理解流程及其操作- CO气体产量和消费量在短时间内变化很大(见附图)。不幸的是，由于整个工厂的生产计划和限制，这不能改变。然而，CO的生产和消耗可以测量和分析，以确定由分配管道引起的工艺延迟。延迟越长，控制系统对扰动的补偿就越困难。
对CO气体消耗的详细分析还表明，主要和最频繁的干扰是由UGS工厂引起的。该用户与储罐之间的延迟为20秒。CO生产者和储罐之间的延迟只有一半。了解现有的控制系统-当由于生产或消耗的变化而发生扰动时，由于延迟，控制系统采取的行动过于激进和过迟。储罐液位控制器被积极调整，以快速响应扰动，导致被操纵变量摆动。这反过来又导致CO气体的燃烧和流向窑炉的天然气的增加。
定义适当的控制目标和控制变量新的控制策略具有相同的操纵变量，但不同的目标。其中包括将气柜液位保持在一定范围内，协调天然气进窑时的燃除和混合比，防止燃除(反之亦然)。
在旧的控制策略中，严格的水平控制是唯一的目标。在新的控制策略中，“平滑”被包含在控制器的目标中，以减少被操纵的变量波动。还提出了一项经济目标。在工业应用中，这个重要的目标经常被遗忘，或者没有很好地定义和应用。
新的控制系统还利用了CO生产和消耗的某些测量值，这些测量值是为其他目的收集的，但没有被旧的控制策略使用。不需要额外的器械。这表明了仔细评估控制员的信息需求以避免不必要的新仪器购买的重要性。应用正确的先进控制技术-前馈控制被选为最适合这种应用的先进控制技术，因为扰动是可测量的，众所周知的，并且很容易从存档的过程数据中建模。扰动模型的增益和时间常数由已有的历史记录存储的过程数据计算。
实现目标
新目标是通过在控制战略中引入三个新元素实现的。其中包括基于质量平衡计算(消耗与产量)的前馈控制器，对运输延迟的动态补偿，以及为防止重叠而将火炬阀与气体比控制器耦合。
| 加入先进的控制策略，减少了CO气体同时燃除的周期。天然气消费量下降了76%，这意味着天然气成本大幅降低。 |
实现了6个前馈控制器，分别处理2个扰动变量(CO产量和UGS装置消耗)、3个操纵变量(2个阀门和混合比)和1个控制变量(气柜液位)。其他用户不包括在前馈循环中，因为他们的CO气体消耗相当稳定。
前馈控制器基于过程和扰动模型为运输延迟提供超前/滞后补偿。在新的控制策略中，保留了控制气柜液位的反馈回路，以保持气体液位在其设定值，并校正前馈控制器中的模型误差。然而，由于前馈控制器现在提供了当扰动发生时的主要校正，因此液位控制器的PID参数的调整不那么积极。
模拟案例
新的控制策略最初是用Simulink进行模拟的，Simulink是来自The Mathworks (Natick, MA)的Matlab工具箱，以最大限度地降低成本并加快进度。该模拟器由简单的一阶加延迟传递函数构建，并使用存档数据进行调优。
该模拟有助于设计更好、更快的定制解决方案，也有助于调试。通过将真实CO气体消耗和产量数据导入模拟器，对新的控制策略进行了预调整。同时，还对工厂关闭等特殊情况进行了模拟，以确保先进的控制策略是安全的。
该策略随后在QIT的控制架构上实现，采用施耐德电气(Schneider Electric, MA)的Modicon PLC和Wonderware (Irvine, CA)的人机界面，无需任何额外的硬件或软件支出。采用梯形逻辑语言对程序进行了修改。
自该先进控制策略投入使用以来，CO气体燃烧和天然气使用的同时周期减少了76%。这意味着每年可节省高达100万加元(加元)的天然气成本。
评论?给Vance VanDoren发邮件controleng@msn.com．
| 作者信息 |
| Bernard Pelletier是Hatch Associates (Mississauga, ON, Canada)的高级控制工程师。Vance VanDoren是控制工程。 |
在线信息
有关Hatch和1000多家其他系统集成商和自动化工程公司的更多信息，请登录2003年自动化集成商指南在
您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?你应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得你和你的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。
