專利名稱：一種高爐系統(tǒng)與trt裝置分布式協調控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及能源與動力工程技術，特別是涉及一種高爐系統(tǒng)和TRT裝置協調優(yōu) 化控制的方法。
背景技術：
鋼鐵工業(yè)是關系國民經濟命脈的重要產業(yè)，但是高爐冶煉能耗高和污染嚴重的 特點影響鋼鐵工業(yè)的持續(xù)發(fā)展。高爐冶煉是煉鐵過程中最耗能的部分，而且高爐冶煉中 經常會出現干擾，產生波動，影響高爐的穩(wěn)定。高爐冶煉主要是把燒結礦、焦炭放到高 爐中，通過進風口向高爐中鼓吹熱風，反應中產生的還原性氣體將礦石中的鐵元素還原 出來。礦石的成分變化，燒結礦轉鼓強度的變化，以及熱風壓力變化都會對高爐爐內的 溫度分布產生較大影響，主要通過進風操作來調節(jié)爐內溫度。高爐煤氣余壓透平發(fā)電裝 置(以下簡稱TRT裝置)是一種工業(yè)二次能源回收裝置，利用原來浪費在減壓閥組上的 高爐煤氣余壓進行發(fā)電，產生電能，消除減壓閥組上的噪聲，還能調節(jié)高爐頂壓穩(wěn)定， 保障高爐冶煉的正常運行。TRT裝置對鋼鐵企業(yè)進行節(jié)能減排技術具有重要意義。TRT裝置與高爐系統(tǒng)緊密相連，相互影響。高爐系統(tǒng)對TRT裝置的影響很大， 高爐產生的煤氣量越大，壓力越大，煤氣在透平機中做功越多，發(fā)電量越大。如果高爐 系統(tǒng)產生的煤氣量波動較大，就需要對透平機進行較多的調節(jié)，包括對快開旁通閥的調 整，影響TRT裝置的正常運行。反過來，TRT裝置對高爐系統(tǒng)也有很大的關聯影響作用。尤其是在TRT裝置 啟動、升速和緊急停止過程中高爐頂壓會發(fā)生不穩(wěn)定，主要通過TRT透平機靜葉開度來 調節(jié)煤氣流量，達到調節(jié)高爐頂壓的目的。頂壓是高爐冶煉的重要參數，如果頂壓不能 穩(wěn)定，會引起爐內反應劇烈波動，溫度分布發(fā)生變化，高爐出現異常。當爐內壓力高于 額定值時，會使煤氣氣流分布不均，引起崩料，嚴重時會損壞設備。當爐內壓力低于額 定值時，會引起爐內煤氣體積增大，氣流壓力損失增大，煤氣流速上升，使爐喉磨損嚴 重，更有甚者，會引起爐頂設備事故。就TRT裝置的發(fā)電量與高爐生產相比較而言， TRT裝置處于從屬地位，當高爐爐頂壓力波動而影響其正常生產時，TRT裝置會被迫停 機，保證高爐冶煉的正常運行。高爐系統(tǒng)和TRT裝置緊密相連，相互影響。實際煉鐵廠中采取的優(yōu)化控制技 術都是單獨針對高爐系統(tǒng)或者TRT裝置本身來研究的，各自為政，缺乏協調，將來自于 另一系統(tǒng)的輸入看作已知量，相當于切斷了相互之間的關聯耦合作用，孤立的對本地系 統(tǒng)進行優(yōu)化控制，沒有考慮與相關工序的協調優(yōu)化控制，得到的控制效果只是局部最優(yōu) (即對本工序而言是最優(yōu)的)，而非整體最優(yōu)(對整個高爐系統(tǒng)和TRT裝置而言最優(yōu))， 就會導致控制作用過量，影響正常生產，造成資源浪費和效率不高。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種高爐系統(tǒng)與TRT裝置分布式協調控制方法，即從全
4局的、整體的角度對高爐系統(tǒng)和TRT裝置進行協調優(yōu)化控制，通過數據服務器進行信息 交換，高爐系統(tǒng)和TRT裝置分別在本地進行優(yōu)化控制，能夠有效緩解原料成分波動和其 他擾動作用對生產操作和產品質量的影響，減少不必要能源浪費，保障高爐系統(tǒng)和TRT 裝置平穩(wěn)、高效的運行。本發(fā)明采用的技術方案的步驟如下1高爐系統(tǒng)的描述和動態(tài)建模首先對高爐系統(tǒng)進行描述，再根據關聯模型總體架構，在對高爐系統(tǒng)描述和分 析的基礎上，建立高爐系統(tǒng)的動態(tài)關聯模型；2TRT裝置的描述和動態(tài)建模首先對TRT裝置進行描述，再根據關聯模型總體架構，在對TRT裝置的描述與 分析基礎上，建立TRT裝置的動態(tài)關聯模型；3高爐系統(tǒng)和TRT裝置分布式協調控制采用分布式協調控制方法，首先確定高爐系統(tǒng)和TRT裝置的采樣周期，然后 對兩個模型進行優(yōu)化求解，采用可變窗口長度的分布式預測控制方法，建立協調控制機 制，實現高爐系統(tǒng)和TRT裝置協調控制。所述的對高爐系統(tǒng)進行描述，即考慮影響高爐溫度分布和正常運行的主要因 素，按照協調優(yōu)化的關聯模型結構，以高爐頂壓作為關聯輸入，以熱風流量、熱風溫 度、富氧量和噴煤量為控制量，以轉鼓強度、熱風壓力、礦石成分和焦炭質量為干擾， 以高爐煤氣流量和煤氣溫度為關聯輸出，以高爐爐內溫度為內部狀態(tài)，建立高爐系統(tǒng)的 動態(tài)關聯模型。所述的對TRT裝置進行描述，通過機理分析，按照協調優(yōu)化的關聯模型結構， 以高爐煤氣流量和溫度為關聯輸入，以靜葉開度和旁通閥開度為控制量，以雷達料線和 葉片積灰為干擾，以高爐頂壓為關聯輸出，以爐頂壓力、透平機進口壓力、透平機進口 壓力容器入口溫度、透平機進口壓力容器內部溫度、透平機進口壓力容器內部壓力、透平機出口壓力容器溫度和透平機出口壓力容器 內部壓力為內部狀態(tài)，建立TRT裝置的動態(tài)關聯模型。根據高爐系統(tǒng)S1和TRT裝置S2的動態(tài)響應特性確定它們的采樣周期為T1和 T2,其中T1 > T2,利用前向差分法對高爐系統(tǒng)和TRT裝置的連續(xù)模型進行近似離散 化；其中高爐系統(tǒng)裝置&的自身變量以各自的采樣周期為準，關聯變量的 采樣方法如下高爐系統(tǒng)的關聯輸入高爐頂壓為Zl(t) =Ii1(X2Ct)),離散化后變?yōu)?Z1 (壞)=、(毛(H0)，k = k。，k。+l，…，kf，k。和kf為自然數，且k。<kf，毛(辟)表示以 T1為采樣周期對TRT裝置S2的狀態(tài)變量X2 (t)進行虛擬采樣得到的值，得到S1的離散模型 M' 1；因為Τ2<Τ1;則不存在采樣值缺失的問題；同理，TRT裝置的關聯輸入為煤氣流 量和煤氣溫度z2(t) =h2 (Xl(t))，離散化后變?yōu)? 烏(AT2))，k = k。，k。+l，…， kf，Icjnkf為自然數，且IctlSkf，馬(壞)表示以T2為采樣周期對S1的狀態(tài)變量X1 (t)進 行虛擬采樣得到的值，得到S2的離散模型M' 2，由于T2 < T1,則在采樣不重合的時間 點，將出現采樣值缺失的情況，即無法獲取煤氣流量和煤氣溫度的數據，缺失的采樣值 用最近一次采樣值代替。采用二次型優(yōu)化算法對兩個動態(tài)關聯模型進行優(yōu)化求解；高爐系統(tǒng)以高爐模型和生產工藝參數允許范圍為約束條件，以高爐內部溫度分布與設定值之間的偏差最小以 及控制作用最小為優(yōu)化目標；TRT裝置以TRT模型和生產工藝參數允許范圍為約束條 件，以高爐頂壓穩(wěn)定、發(fā)電量最大和控制作用最小為優(yōu)化目標，分別對高爐系統(tǒng)和TRT 裝置進行優(yōu)化求解，解算出控制量發(fā)送給現場控制器?？勺兇翱陂L度的分布式預測控制方法，是采用預測控制的滾動優(yōu)化方法，在t = IcT1時刻，對高爐系統(tǒng)S1和TRT裝置S2的離散模型在未來t = (k+1) T1至t = (k+P) T1時 間段的系統(tǒng)行為進行預測和優(yōu)化，其中P1為S1在t = IcT1時刻進行滾動優(yōu)化的預測時域， Ls = P1 · T1為t = IcT1時刻滾動優(yōu)化的時間窗口長度，其中S1為S1或S2，P1為P1或P2, 1；為1\或乃；當高爐系統(tǒng)與TRT裝置協調優(yōu)化時，預測時間窗口長度由高爐系統(tǒng)S1決 定?？勺兇翱陂L度的分布式預測控制方法，是采用預測控制的模型預測和反饋校正 方法，在t = IcT1時刻，利用S1的離散模型對S1在未來t= (k+1) T1至1= (k+P) T1時間段 的系統(tǒng)行為進行預測，利用實測值對預測結果進行反饋校正，減小偏差。使用二次型優(yōu) 化算法求解S1在未來t=決+1)1；至1= (k+P)!；時間段的最優(yōu)控制問題凡k，其中、為 81或82，？工為？工或^，！；為乃或！^;實現可變窗口長度的分布式預測控制。所述的協調控制機制中協調優(yōu)化過程是建在對系統(tǒng)未來行為預測的基礎上，包 含一系列變長度預測窗口內的優(yōu)化計算；每一個預測窗口內的優(yōu)化計算需迭代多次，直 至收斂，協調優(yōu)化機制包括啟動協調優(yōu)化本地要求啟動協調優(yōu)化；關聯部分要求啟動協調優(yōu)化；停止協調優(yōu)化每一個預測窗口內，高爐系統(tǒng)和TRT裝置的控制量都保持穩(wěn) 定，停止本窗口迭代優(yōu)化，移動預測窗口；當高爐系統(tǒng)與TRT裝置本地狀態(tài)都恢復正 常，停止預測窗口的移動，整個協調優(yōu)化過程結束。本發(fā)明具有的有益效果是本發(fā)明使高爐爐內溫度分布偏差小，高爐爐頂壓力穩(wěn)定，TRT裝置發(fā)電量最 大，控制作用最小，實現兩個系統(tǒng)整體性能最優(yōu)，而且具有收斂速度快、計算效率高、 優(yōu)化性能好等顯著優(yōu)點。


圖1是高爐系統(tǒng)與TRT裝置關聯模型總體結構圖。圖2是TRT裝置綜合模型示意圖。圖3是多輸入單輸出管接頭模型。圖4是單輸入多輸出管接頭模型。圖5是透平機模型示意圖。
具體實施例方式下面將結合附圖和具體實例對本實用新型作進一步的說明。本發(fā)明具體步驟如下一、高爐系統(tǒng)的描述與動態(tài)建模高爐生產是在高溫、高壓、密閉條件下的物理、化學、動力學過程。由于影響高爐安全穩(wěn)定生產、提高鐵水產量和質量的因素很多，爐內的氣體溫度、壓力是相互影 響，都和爐況息息相關。作為衡量高爐爐況和鐵水質量的重要指標之一的溫度信息，鋼 鐵廠主要從物理溫度(鐵水溫度)和化學溫度(鐵水硅含量)中獲得。盡管高爐的爐壁 及爐缸位置裝有為數不少的熱電偶，其測得的溫度可以在中控室計算機上顯示，但因熱 電偶無法測得爐體內部反應區(qū)的溫度，平時通常只將其作為判斷操作爐型的依據，而不 作為爐體溫度參考。將鐵水溫度、鐵水硅含量作為溫度指標的一個很大的缺點就是有滯 后性，如能通過某種方式實時獲取爐內溫度變化情況，并通過改變風溫、噴煤量、風量 等手段調節(jié)及時進行調節(jié)，在原燃料波動較大的現狀下，將對減少異常爐況的發(fā)生、提 高高爐冶煉質量帶來很大幫助。通過研究影響高爐溫度分布和正常運行的主要因素，建立高爐的動態(tài)關聯模 型。按照圖1所示的協調優(yōu)化模型結構，以高爐頂壓作為關聯輸入，以熱風溫度、富 氧量、噴煤量和熱風流量為控制量，以轉鼓強度、熱風壓力、礦石成分和焦炭質量為干 擾，以高爐煤氣流量和煤氣溫度為關聯輸出，以高爐爐內溫度為內部狀態(tài)，建立高爐系 統(tǒng)的動態(tài)關聯模型。高爐偏差狀態(tài)空間方程模型為
權利要求
1.一種高爐系統(tǒng)與TRT裝置分布式協調控制方法，其特征在于該方法的步驟如下1)高爐系統(tǒng)的描述和動態(tài)建模首先對高爐系統(tǒng)進行描述，再根據關聯模型總體架構，在對高爐系統(tǒng)描述和分析的 基礎上，建立高爐系統(tǒng)的動態(tài)關聯模型；2)TRT裝置的描述和動態(tài)建模首先對TRT裝置進行描述，再根據關聯模型總體架構，在對TRT裝置的描述與分析 基礎上，建立TRT裝置的動態(tài)關聯模型；3)高爐系統(tǒng)和TRT裝置分布式協調控制采用分布式協調控制方法，首先確定高爐系統(tǒng)和TRT裝置的采樣周期，然后對兩個 模型進行優(yōu)化求解，采用可變窗口長度的分布式預測控制方法，建立協調控制機制，實 現高爐系統(tǒng)和TRT裝置協調控制。
2.根據權利要求1所述的一種高爐系統(tǒng)與TRT裝置分布式協調控制方法，其特征在 于所述的對高爐系統(tǒng)進行描述，即考慮影響高爐溫度分布和正常運行的主要因素，按 照協調優(yōu)化的關聯模型結構，以高爐頂壓作為關聯輸入，以熱風流量、熱風溫度、富氧 量和噴煤量為控制量，以轉鼓強度、熱風壓力、礦石成分和焦炭質量為干擾，以高爐煤 氣流量和煤氣溫度為關聯輸出，以高爐爐內溫度為內部狀態(tài)，建立高爐系統(tǒng)的動態(tài)關聯 模型。
3.根據權利要求1所述的一種高爐系統(tǒng)與TRT裝置分布式協調控制方法，其特征在 于所述的對TRT裝置進行描述，通過機理分析，按照協調優(yōu)化的關聯模型結構，以高 爐煤氣流量和溫度為關聯輸入，以靜葉開度和旁通閥開度為控制量，以雷達料線和葉片 積灰為干擾，以高爐頂壓為關聯輸出，以爐頂壓力、透平機進口壓力、透平機進口壓力 容器入口溫度、透平機進口壓力容器內部溫度、透平機進口壓力容器內部壓力、透平機 出口壓力容器溫度和透平機出口壓力容器內部壓力為內部狀態(tài)，建立TRT裝置的動態(tài)關 聯模型。
4.根據權利要求1所述的一種高爐系統(tǒng)與TRT裝置分布式協調控制方法，其特征在 于根據高爐系統(tǒng)SJPTRT裝置S2的動態(tài)響應特性確定它們的采樣周期為1\和1，其中 T1 > T2,利用前向差分法對高爐系統(tǒng)和TRT裝置的連續(xù)模型進行近似離散化；其中高爐 系統(tǒng)SjPTRT裝置&的自身變量以各自的采樣周期為準，關聯變量的采樣方法如下高 爐系統(tǒng)的關聯輸入高爐頂壓為Zl(t) =Ii1(X2Ct)),離散化后變?yōu)閆1(壞)=、氏(壞))，k = k0, k0+l,…，kf，kjnkf為自然數，且IctlCkf，毛(A^1)表示以T1為采樣周期對TRT裝置 S2的狀態(tài)變量x2(t)進行虛擬采樣得到的值，得到S1的離散模型M' 1；因為T2 < T1,則 不存在采樣值缺失的問題；同理，TRT裝置的關聯輸入為煤氣流量和煤氣溫度z2(t)= h2(Xl(t))，離散化后變?yōu)閳p呆(壞))，k = kQ，k0+l，…，kf，Ictl和kf為自然數， 且Icc^kf,兩(壞)表示以T2為采樣周期對S1的狀態(tài)變量X1 (t)進行虛擬采樣得到的值，得 到S2的離散模型M' 2，由于T2 < T1,則在采樣不重合的時間點，將出現采樣值缺失的 情況，即無法獲取煤氣流量和煤氣溫度的數據，缺失的采樣值用最近一次采樣值代替。
5.根據權利要求1所述的一種高爐系統(tǒng)與TRT裝置分布式協調控制方法，其特征在 于采用二次型優(yōu)化算法對兩個動態(tài)關聯模型進行優(yōu)化求解；高爐系統(tǒng)以高爐模型和生 產工藝參數允許范圍為約束條件，以高爐內部溫度分布與設定值之間的偏差最小以及控制作用最小為優(yōu)化目標；TRT裝置以TRT模型和生產工藝參數允許范圍為約束條件，以 高爐頂壓穩(wěn)定、發(fā)電量最大和控制作用最小為優(yōu)化目標，分別對高爐系統(tǒng)和TRT裝置進 行優(yōu)化求解，解算出控制量發(fā)送給現場控制器。
6.根據權利要求1所述的一種高爐系統(tǒng)與TRT裝置分布式協調控制方法，其特征在 于可變窗口長度的分布式預測控制方法，是采用預測控制的滾動優(yōu)化方法，在t = IcT1 時刻，對高爐系統(tǒng)S1和TRT裝置S2的離散模型在未來t = (k+1) T1至t = (k+P) T1時間 段的系統(tǒng)行為進行預測和優(yōu)化，其中P1為、在1 = IcT1時刻進行滾動優(yōu)化的預測時域，Ls =P1 · T1St = IcT1時刻滾動優(yōu)化的時間窗口長度，其中S1 Ss1或S2,巧為^或^，T1 為1\或1;當高爐系統(tǒng)與TRT裝置協調優(yōu)化時，預測時間窗口長度由高爐系統(tǒng)81決定。
7.根據權利要求1所述的一種高爐系統(tǒng)與TRT裝置分布式協調控制方法，其特征 在于可變窗口長度的分布式預測控制方法，是采用預測控制的模型預測和反饋校正方 法，在t = IcT1時刻，利用S1的離散模型對S1在未來t=決+1)1；至1= (k+P)!；時間段 的系統(tǒng)行為進行預測，利用實測值對預測結果進行反饋校正，減小偏差。使用二次型優(yōu) 化算法求解S1在未來t=決+1)1；至1= (k+P)!；時間段的最優(yōu)控制問題凡k，其中、為 81或82，巧為？工或^，T1為T1或T2;實現可變窗口長度的分布式預測控制。
8.根據權利要求1所述的一種高爐系統(tǒng)與TRT裝置分布式協調控制方法，其特征在 于所述的協調控制機制中協調優(yōu)化過程是建在對系統(tǒng)未來行為預測的基礎上，包含一 系列變長度預測窗口內的優(yōu)化計算；每一個預測窗口內的優(yōu)化計算需迭代多次，直至收 斂，協調優(yōu)化機制包括啟動協調優(yōu)化本地要求啟動協調優(yōu)化；關聯部分要求啟動協調優(yōu)化；停止協調優(yōu)化每一個預測窗口內，高爐系統(tǒng)和TRT裝置的控制量都保持穩(wěn)定，停 止本窗口迭代優(yōu)化，移動預測窗口；當高爐系統(tǒng)與TRT裝置本地狀態(tài)都恢復正常，停止 預測窗口的移動，整個協調優(yōu)化過程結束。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高爐系統(tǒng)與TRT裝置分布式協調控制方法。分別建立高爐系統(tǒng)和TRT裝置的關聯模型，采用分布式協調控制方法，首先確定高爐系統(tǒng)和TRT裝置的采樣周期，然后對兩個模型進行優(yōu)化求解，采用可變窗口長度的分布式預測控制方法，建立協調控制機制，實現高爐系統(tǒng)和TRT裝置協調控制。本發(fā)明通過數據服務器進行數據交互，讀取關聯系統(tǒng)的數據信息，分別進行優(yōu)化求解，大大減小協調優(yōu)化計算量，從全局的、整體的角度對兩個系統(tǒng)進行協調優(yōu)化控制，有效緩解原料成分波動和其他擾動作用對生產操作和產品質量的影響，減少不必要能源浪費，保證高爐爐內溫度分布正常，爐頂壓力穩(wěn)定，TRT裝置發(fā)電量最大，兩個系統(tǒng)平穩(wěn)、高效的運行。
文檔編號C21B5/00GK102021254SQ20101060366
公開日2011年4月20日 申請日期2010年12月17日 優(yōu)先權日2010年12月17日
發(fā)明者凌飛, 吳平, 李敏, 楊春節(jié), 楊海舟, 沈新榮, 肖冬峰 申請人:浙江大學