专利名称：一种高炉系统与trt装置分布式协调控制方法
技术领域：
本发明涉及能源与动力工程技术，特别是涉及一种高炉系统和TRT装置协调优 化控制的方法。
背景技术：
钢铁工业是关系国民经济命脉的重要产业，但是高炉冶炼能耗高和污染严重的 特点影响钢铁工业的持续发展。高炉冶炼是炼铁过程中最耗能的部分，而且高炉冶炼中 经常会出现干扰，产生波动，影响高炉的稳定。高炉冶炼主要是把烧结矿、焦炭放到高 炉中，通过进风口向高炉中鼓吹热风，反应中产生的还原性气体将矿石中的铁元素还原 出来。矿石的成分变化，烧结矿转鼓强度的变化，以及热风压力变化都会对高炉炉内的 温度分布产生较大影响，主要通过进风操作来调节炉内温度。高炉煤气余压透平发电装 置(以下简称TRT装置)是一种工业二次能源回收装置，利用原来浪费在减压阀组上的 高炉煤气余压进行发电，产生电能，消除减压阀组上的噪声，还能调节高炉顶压稳定， 保障高炉冶炼的正常运行。TRT装置对钢铁企业进行节能减排技术具有重要意义。TRT装置与高炉系统紧密相连，相互影响。高炉系统对TRT装置的影响很大， 高炉产生的煤气量越大，压力越大，煤气在透平机中做功越多，发电量越大。如果高炉 系统产生的煤气量波动较大，就需要对透平机进行较多的调节，包括对快开旁通阀的调 整，影响TRT装置的正常运行。反过来，TRT装置对高炉系统也有很大的关联影响作用。尤其是在TRT装置 启动、升速和紧急停止过程中高炉顶压会发生不稳定，主要通过TRT透平机静叶开度来 调节煤气流量，达到调节高炉顶压的目的。顶压是高炉冶炼的重要参数，如果顶压不能 稳定，会引起炉内反应剧烈波动，温度分布发生变化，高炉出现异常。当炉内压力高于 额定值时，会使煤气气流分布不均，引起崩料，严重时会损坏设备。当炉内压力低于额 定值时，会引起炉内煤气体积增大，气流压力损失增大，煤气流速上升，使炉喉磨损严 重，更有甚者，会引起炉顶设备事故。就TRT装置的发电量与高炉生产相比较而言， TRT装置处于从属地位，当高炉炉顶压力波动而影响其正常生产时，TRT装置会被迫停 机，保证高炉冶炼的正常运行。高炉系统和TRT装置紧密相连，相互影响。实际炼铁厂中采取的优化控制技 术都是单独针对高炉系统或者TRT装置本身来研究的，各自为政，缺乏协调，将来自于 另一系统的输入看作已知量，相当于切断了相互之间的关联耦合作用，孤立的对本地系 统进行优化控制，没有考虑与相关工序的协调优化控制，得到的控制效果只是局部最优 (即对本工序而言是最优的)，而非整体最优(对整个高炉系统和TRT装置而言最优)， 就会导致控制作用过量，影响正常生产，造成资源浪费和效率不高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高炉系统与TRT装置分布式协调控制方法，即从全
4局的、整体的角度对高炉系统和TRT装置进行协调优化控制，通过数据服务器进行信息 交换，高炉系统和TRT装置分别在本地进行优化控制，能够有效缓解原料成分波动和其 他扰动作用对生产操作和产品质量的影响，减少不必要能源浪费，保障高炉系统和TRT 装置平稳、高效的运行。本发明采用的技术方案的步骤如下1高炉系统的描述和动态建模首先对高炉系统进行描述，再根据关联模型总体架构，在对高炉系统描述和分 析的基础上，建立高炉系统的动态关联模型；2TRT装置的描述和动态建模首先对TRT装置进行描述，再根据关联模型总体架构，在对TRT装置的描述与 分析基础上，建立TRT装置的动态关联模型；3高炉系统和TRT装置分布式协调控制采用分布式协调控制方法，首先确定高炉系统和TRT装置的采样周期，然后 对两个模型进行优化求解，采用可变窗口长度的分布式预测控制方法，建立协调控制机 制，实现高炉系统和TRT装置协调控制。所述的对高炉系统进行描述，即考虑影响高炉温度分布和正常运行的主要因 素，按照协调优化的关联模型结构，以高炉顶压作为关联输入，以热风流量、热风温 度、富氧量和喷煤量为控制量，以转鼓强度、热风压力、矿石成分和焦炭质量为干扰， 以高炉煤气流量和煤气温度为关联输出，以高炉炉内温度为内部状态，建立高炉系统的 动态关联模型。所述的对TRT装置进行描述，通过机理分析，按照协调优化的关联模型结构， 以高炉煤气流量和温度为关联输入，以静叶开度和旁通阀开度为控制量，以雷达料线和 叶片积灰为干扰，以高炉顶压为关联输出，以炉顶压力、透平机进口压力、透平机进口 压力容器入口温度、透平机进口压力容器内部温度、透平机进口压力容器内部压力、透平机出口压力容器温度和透平机出口压力容器 内部压力为内部状态，建立TRT装置的动态关联模型。根据高炉系统S1和TRT装置S2的动态响应特性确定它们的采样周期为T1和 T2,其中T1 > T2,利用前向差分法对高炉系统和TRT装置的连续模型进行近似离散 化；其中高炉系统装置&的自身变量以各自的采样周期为准，关联变量的 采样方法如下高炉系统的关联输入高炉顶压为Zl(t) =Ii1(X2Ct)),离散化后变为 Z1 (坏)=、(毛(H0)，k = k。，k。+l，…，kf，k。和kf为自然数，且k。<kf，毛(辟)表示以 T1为采样周期对TRT装置S2的状态变量X2 (t)进行虚拟采样得到的值，得到S1的离散模型 M' 1；因为Τ2<Τ1;则不存在采样值缺失的问题；同理，TRT装置的关联输入为煤气流 量和煤气温度z2(t) =h2 (Xl(t))，离散化后变为= 烏(AT2))，k = k。，k。+l，…， kf，Icjnkf为自然数，且IctlSkf，马(坏)表示以T2为采样周期对S1的状态变量X1 (t)进 行虚拟采样得到的值，得到S2的离散模型M' 2，由于T2 < T1,则在采样不重合的时间 点，将出现采样值缺失的情况，即无法获取煤气流量和煤气温度的数据，缺失的采样值 用最近一次采样值代替。采用二次型优化算法对两个动态关联模型进行优化求解；高炉系统以高炉模型和生产工艺参数允许范围为约束条件，以高炉内部温度分布与设定值之间的偏差最小以 及控制作用最小为优化目标；TRT装置以TRT模型和生产工艺参数允许范围为约束条 件，以高炉顶压稳定、发电量最大和控制作用最小为优化目标，分别对高炉系统和TRT 装置进行优化求解，解算出控制量发送给现场控制器。可变窗口长度的分布式预测控制方法，是采用预测控制的滚动优化方法，在t = IcT1时刻，对高炉系统S1和TRT装置S2的离散模型在未来t = (k+1) T1至t = (k+P) T1时 间段的系统行为进行预测和优化，其中P1为S1在t = IcT1时刻进行滚动优化的预测时域， Ls = P1 · T1为t = IcT1时刻滚动优化的时间窗口长度，其中S1为S1或S2，P1为P1或P2, 1；为1\或乃；当高炉系统与TRT装置协调优化时，预测时间窗口长度由高炉系统S1决 定。可变窗口长度的分布式预测控制方法，是采用预测控制的模型预测和反馈校正 方法，在t = IcT1时刻，利用S1的离散模型对S1在未来t= (k+1) T1至1= (k+P) T1时间段 的系统行为进行预测，利用实测值对预测结果进行反馈校正，减小偏差。使用二次型优 化算法求解S1在未来t=决+1)1；至1= (k+P)!；时间段的最优控制问题凡k，其中、为 81或82，？工为？工或^，！；为乃或！^;实现可变窗口长度的分布式预测控制。所述的协调控制机制中协调优化过程是建在对系统未来行为预测的基础上，包 含一系列变长度预测窗口内的优化计算；每一个预测窗口内的优化计算需迭代多次，直 至收敛，协调优化机制包括启动协调优化本地要求启动协调优化；关联部分要求启动协调优化；停止协调优化每一个预测窗口内，高炉系统和TRT装置的控制量都保持稳 定，停止本窗口迭代优化，移动预测窗口；当高炉系统与TRT装置本地状态都恢复正 常，停止预测窗口的移动，整个协调优化过程结束。本发明具有的有益效果是本发明使高炉炉内温度分布偏差小，高炉炉顶压力稳定，TRT装置发电量最 大，控制作用最小，实现两个系统整体性能最优，而且具有收敛速度快、计算效率高、 优化性能好等显著优点。
图1是高炉系统与TRT装置关联模型总体结构图。图2是TRT装置综合模型示意图。图3是多输入单输出管接头模型。图4是单输入多输出管接头模型。图5是透平机模型示意图。
具体实施例方式下面将结合附图和具体实例对本实用新型作进一步的说明。本发明具体步骤如下一、高炉系统的描述与动态建模高炉生产是在高温、高压、密闭条件下的物理、化学、动力学过程。由于影响高炉安全稳定生产、提高铁水产量和质量的因素很多，炉内的气体温度、压力是相互影 响，都和炉况息息相关。作为衡量高炉炉况和铁水质量的重要指标之一的温度信息，钢 铁厂主要从物理温度(铁水温度)和化学温度(铁水硅含量)中获得。尽管高炉的炉壁 及炉缸位置装有为数不少的热电偶，其测得的温度可以在中控室计算机上显示，但因热 电偶无法测得炉体内部反应区的温度，平时通常只将其作为判断操作炉型的依据，而不 作为炉体温度参考。将铁水温度、铁水硅含量作为温度指标的一个很大的缺点就是有滞 后性，如能通过某种方式实时获取炉内温度变化情况，并通过改变风温、喷煤量、风量 等手段调节及时进行调节，在原燃料波动较大的现状下，将对减少异常炉况的发生、提 高高炉冶炼质量带来很大帮助。通过研究影响高炉温度分布和正常运行的主要因素，建立高炉的动态关联模 型。按照图1所示的协调优化模型结构，以高炉顶压作为关联输入，以热风温度、富 氧量、喷煤量和热风流量为控制量，以转鼓强度、热风压力、矿石成分和焦炭质量为干 扰，以高炉煤气流量和煤气温度为关联输出，以高炉炉内温度为内部状态，建立高炉系 统的动态关联模型。高炉偏差状态空间方程模型为
权利要求
1.一种高炉系统与TRT装置分布式协调控制方法，其特征在于该方法的步骤如下1)高炉系统的描述和动态建模首先对高炉系统进行描述，再根据关联模型总体架构，在对高炉系统描述和分析的 基础上，建立高炉系统的动态关联模型；2)TRT装置的描述和动态建模首先对TRT装置进行描述，再根据关联模型总体架构，在对TRT装置的描述与分析 基础上，建立TRT装置的动态关联模型；3)高炉系统和TRT装置分布式协调控制采用分布式协调控制方法，首先确定高炉系统和TRT装置的采样周期，然后对两个 模型进行优化求解，采用可变窗口长度的分布式预测控制方法，建立协调控制机制，实 现高炉系统和TRT装置协调控制。
2.根据权利要求1所述的一种高炉系统与TRT装置分布式协调控制方法，其特征在 于所述的对高炉系统进行描述，即考虑影响高炉温度分布和正常运行的主要因素，按 照协调优化的关联模型结构，以高炉顶压作为关联输入，以热风流量、热风温度、富氧 量和喷煤量为控制量，以转鼓强度、热风压力、矿石成分和焦炭质量为干扰，以高炉煤 气流量和煤气温度为关联输出，以高炉炉内温度为内部状态，建立高炉系统的动态关联 模型。
3.根据权利要求1所述的一种高炉系统与TRT装置分布式协调控制方法，其特征在 于所述的对TRT装置进行描述，通过机理分析，按照协调优化的关联模型结构，以高 炉煤气流量和温度为关联输入，以静叶开度和旁通阀开度为控制量，以雷达料线和叶片 积灰为干扰，以高炉顶压为关联输出，以炉顶压力、透平机进口压力、透平机进口压力 容器入口温度、透平机进口压力容器内部温度、透平机进口压力容器内部压力、透平机 出口压力容器温度和透平机出口压力容器内部压力为内部状态，建立TRT装置的动态关 联模型。
4.根据权利要求1所述的一种高炉系统与TRT装置分布式协调控制方法，其特征在 于根据高炉系统SJPTRT装置S2的动态响应特性确定它们的采样周期为1\和1，其中 T1 > T2,利用前向差分法对高炉系统和TRT装置的连续模型进行近似离散化；其中高炉 系统SjPTRT装置&的自身变量以各自的采样周期为准，关联变量的采样方法如下高 炉系统的关联输入高炉顶压为Zl(t) =Ii1(X2Ct)),离散化后变为Z1(坏)=、氏(坏))，k = k0, k0+l,…，kf，kjnkf为自然数，且IctlCkf，毛(A^1)表示以T1为采样周期对TRT装置 S2的状态变量x2(t)进行虚拟采样得到的值，得到S1的离散模型M' 1；因为T2 < T1,则 不存在采样值缺失的问题；同理，TRT装置的关联输入为煤气流量和煤气温度z2(t)= h2(Xl(t))，离散化后变为坧呆(坏))，k = kQ，k0+l，…，kf，Ictl和kf为自然数， 且Icc^kf,兩(坏)表示以T2为采样周期对S1的状态变量X1 (t)进行虚拟采样得到的值，得 到S2的离散模型M' 2，由于T2 < T1,则在采样不重合的时间点，将出现采样值缺失的 情况，即无法获取煤气流量和煤气温度的数据，缺失的采样值用最近一次采样值代替。
5.根据权利要求1所述的一种高炉系统与TRT装置分布式协调控制方法，其特征在 于采用二次型优化算法对两个动态关联模型进行优化求解；高炉系统以高炉模型和生 产工艺参数允许范围为约束条件，以高炉内部温度分布与设定值之间的偏差最小以及控制作用最小为优化目标；TRT装置以TRT模型和生产工艺参数允许范围为约束条件，以 高炉顶压稳定、发电量最大和控制作用最小为优化目标，分别对高炉系统和TRT装置进 行优化求解，解算出控制量发送给现场控制器。
6.根据权利要求1所述的一种高炉系统与TRT装置分布式协调控制方法，其特征在 于可变窗口长度的分布式预测控制方法，是采用预测控制的滚动优化方法，在t = IcT1 时刻，对高炉系统S1和TRT装置S2的离散模型在未来t = (k+1) T1至t = (k+P) T1时间 段的系统行为进行预测和优化，其中P1为、在1 = IcT1时刻进行滚动优化的预测时域，Ls =P1 · T1St = IcT1时刻滚动优化的时间窗口长度，其中S1 Ss1或S2,巧为^或^，T1 为1\或1;当高炉系统与TRT装置协调优化时，预测时间窗口长度由高炉系统81决定。
7.根据权利要求1所述的一种高炉系统与TRT装置分布式协调控制方法，其特征 在于可变窗口长度的分布式预测控制方法，是采用预测控制的模型预测和反馈校正方 法，在t = IcT1时刻，利用S1的离散模型对S1在未来t=决+1)1；至1= (k+P)!；时间段 的系统行为进行预测，利用实测值对预测结果进行反馈校正，减小偏差。使用二次型优 化算法求解S1在未来t=决+1)1；至1= (k+P)!；时间段的最优控制问题凡k，其中、为 81或82，巧为？工或^，T1为T1或T2;实现可变窗口长度的分布式预测控制。
8.根据权利要求1所述的一种高炉系统与TRT装置分布式协调控制方法，其特征在 于所述的协调控制机制中协调优化过程是建在对系统未来行为预测的基础上，包含一 系列变长度预测窗口内的优化计算；每一个预测窗口内的优化计算需迭代多次，直至收 敛，协调优化机制包括启动协调优化本地要求启动协调优化；关联部分要求启动协调优化；停止协调优化每一个预测窗口内，高炉系统和TRT装置的控制量都保持稳定，停 止本窗口迭代优化，移动预测窗口；当高炉系统与TRT装置本地状态都恢复正常，停止 预测窗口的移动，整个协调优化过程结束。
全文摘要
本发明公开了一种高炉系统与TRT装置分布式协调控制方法。分别建立高炉系统和TRT装置的关联模型，采用分布式协调控制方法，首先确定高炉系统和TRT装置的采样周期，然后对两个模型进行优化求解，采用可变窗口长度的分布式预测控制方法，建立协调控制机制，实现高炉系统和TRT装置协调控制。本发明通过数据服务器进行数据交互，读取关联系统的数据信息，分别进行优化求解，大大减小协调优化计算量，从全局的、整体的角度对两个系统进行协调优化控制，有效缓解原料成分波动和其他扰动作用对生产操作和产品质量的影响，减少不必要能源浪费，保证高炉炉内温度分布正常，炉顶压力稳定，TRT装置发电量最大，两个系统平稳、高效的运行。
文档编号C21B5/00GK102021254SQ20101060366
公开日2011年4月20日 申请日期2010年12月17日 优先权日2010年12月17日
发明者凌飞, 吴平, 李敏, 杨春节, 杨海舟, 沈新荣, 肖冬峰 申请人:浙江大学