焦?fàn)t集氣管壓力控制的研究

1 引言
在焦?fàn)t煉焦過程中，會(huì)有大量的荒煤氣產(chǎn)生，荒煤氣由集氣管收集,通過輸氣管網(wǎng)由鼓風(fēng)機(jī)送往后續(xù)工段處理。由于產(chǎn)氣量隨結(jié)焦時(shí)間而變化，集氣管中的壓力不斷改變，特別是在炭化室進(jìn)行推焦、裝煤時(shí)會(huì)造成集氣管壓力大幅波動(dòng)。當(dāng)爐體內(nèi)操作形成負(fù)壓時(shí)，空氣就會(huì)從爐門、爐蓋等處進(jìn)入爐體，導(dǎo)致焦炭燃燒、灰分增加、焦炭質(zhì)量下降。進(jìn)入的空氣還會(huì)同爐體建筑材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致爐體剝蝕，縮短爐體使用壽命；空氣還會(huì)促使荒煤氣燃燒，使煤氣系統(tǒng)溫度增高，從而加重了冷卻系統(tǒng)的負(fù)擔(dān),產(chǎn)生不必要的能源消耗。當(dāng)爐體內(nèi)的壓力過高時(shí)，荒煤氣將會(huì)從爐門、爐蓋等處冒出，一方面造成跑煙冒火，污染環(huán)境；另一方面降低了荒煤氣的回收率，造成能源的浪費(fèi)[1>。綜上所述，集氣管壓力的穩(wěn)定不但影響焦炭的質(zhì)量，也關(guān)系到焦?fàn)t的壽命。所以我們必須對(duì)集氣管壓力進(jìn)行控制，使其維持在設(shè)定的壓力范圍內(nèi)，考慮到焦?fàn)t集氣管壓力控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型難以建立，本文以湘鋼焦化廠工藝過程控制技術(shù)改造項(xiàng)目為研究對(duì)象，利用經(jīng)典控制與智能控制相結(jié)合進(jìn)行集氣管壓力的控制。
2 工藝分析
2.1 工藝流程
目前湘鋼焦化廠現(xiàn)有四座焦?fàn)t、三臺(tái)初冷器（2開1備）以及四臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)（2開2備）。由于中間的閘閥都關(guān)死了，整個(gè)系統(tǒng)可以看成兩套獨(dú)立的系統(tǒng)Ⅰ和系統(tǒng)Ⅱ。系統(tǒng)Ⅰ包括1#初冷器、1#和2#鼓風(fēng)機(jī)（1開1備），連接1#和2#焦?fàn)t；系統(tǒng)Ⅱ包括3#初冷器、3#和4#鼓風(fēng)機(jī)（1開1備），連接3#和4#焦?fàn)t，系統(tǒng)Ⅰ和系統(tǒng)Ⅱ鼓風(fēng)機(jī)輸出端合并，2#初冷器備用。焦?fàn)t煤氣從各炭化室通過上升管，并在上升管被循環(huán)氨氣冷卻到80~90°C，然后進(jìn)入集氣管。在氣液分離器與焦油、氨水分離，進(jìn)入初冷器，在初冷器冷卻到35~40°C，然后通過鼓風(fēng)機(jī)送往下道工序。如圖１所示。

2.2 影響集氣管壓力的因素
通過分析，影響焦?fàn)t集氣管壓力的因素[2>：①炭化室內(nèi)間歇地裝煤和推焦對(duì)集氣管壓力產(chǎn)生較大的沖擊；②各焦?fàn)t之間的相互耦合，在器前吸力穩(wěn)定的情況下，任一焦?fàn)t壓力的波動(dòng)，都會(huì)影響另一焦?fàn)t壓力；③器前吸力變化的影響，在鼓風(fēng)機(jī)抽力不變的情況下，機(jī)后設(shè)備的阻力發(fā)生變化或煤氣用戶的用量發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起機(jī)后壓力的變化，進(jìn)而引起器前吸力的變化，在煤氣發(fā)生量穩(wěn)定的情況下，該吸力勢(shì)必引起集氣管壓力的波動(dòng)；④結(jié)焦時(shí)間的變更和加熱制度的變化使得產(chǎn)氣量存在明顯波動(dòng)；煤的成分、裝煤量的變化以及實(shí)際推焦時(shí)間的變化也會(huì)影響到集氣管的壓力變化；⑤循環(huán)氨水流量和溫度的變化，荒煤氣冷卻系統(tǒng)是否暢通、阻力大小也影響壓力的穩(wěn)定及氣量傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)特性，鼓風(fēng)機(jī)入口排液系統(tǒng)、鼓風(fēng)機(jī)后管線是否暢通直接影響壓力系統(tǒng)的穩(wěn)定；⑥荒煤氣的溫度高低直接影響輸氣系統(tǒng)正常運(yùn)行，過高時(shí)風(fēng)機(jī)負(fù)荷加重且易發(fā)生危險(xiǎn)，過低時(shí)則會(huì)導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)結(jié)萘；⑦爐門、爐蓋密封不嚴(yán)引起集氣管壓力降低；⑧氨水量的變化形成瀑布，從而增加荒煤氣的流動(dòng)阻力。
2.3 原有系統(tǒng)的情況
經(jīng)過很長(zhǎng)一段時(shí)間對(duì)原有系統(tǒng)的觀察，發(fā)現(xiàn)湘鋼焦化廠的原有控制系統(tǒng)存在如下情況：①集氣管壓力波動(dòng)大，在焦?fàn)t加高壓氨水或者機(jī)后壓力很大的時(shí)候，壓力有時(shí)能達(dá)到400Pa左右，焦?fàn)t嚴(yán)重冒煙,有時(shí)煤氣發(fā)生量小或者機(jī)后壓力很小的時(shí)候，壓力能達(dá)到-300Pa左右；②初冷器前吸力經(jīng)常達(dá)到最大值，并且經(jīng)常出現(xiàn)急劇上升和下降的現(xiàn)象；③當(dāng)集氣管處于高壓或者低壓，并且長(zhǎng)時(shí)間不能下來或者上去時(shí)，操作人員不得不開大或者關(guān)小機(jī)前閘閥，這種情況在每個(gè)班都要出現(xiàn)好多次，特別是夜班更多。④1#和2#，3#和4#集氣管壓力耦合現(xiàn)象嚴(yán)重。如圖2、圖3所示。

圖2 原有系統(tǒng)在正常工況下集氣管壓力和器前吸力曲線

圖3 原有系統(tǒng)在大擾動(dòng)工況下集氣管壓力和器前吸力曲線
3 控制策略
不管是系統(tǒng)Ⅰ還是系統(tǒng)Ⅱ，首先我們要穩(wěn)定的是初冷器前的吸力，只有這個(gè)吸力大致穩(wěn)定了，集氣管的壓力才能得到很好的控制。因此，我們制定了下列的控制策略。本次改造工程中采用西門子S7-300系列PLC(CPU315-2DP)與西門子SIMOVERT MV變頻器作為控制核心，PLC和變頻器之間通過Profibus-DP通訊，上位機(jī)監(jiān)控軟件采用杰控的FameView。
3.1 器前吸力的控制
對(duì)于系統(tǒng)Ⅰ，以初冷器前吸力為被調(diào)量，以橫管上蝶閥的開度為控制量組成單回路的閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用常規(guī)PID控制算法來控制蝶閥達(dá)到穩(wěn)定器前吸力的目的。對(duì)于系統(tǒng)Ⅱ，采用了變頻器組成單回路的閉環(huán)，也是以初冷器前吸力為被控對(duì)象，通過改變頻率進(jìn)而改變鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定初冷器前吸力的目的（此時(shí)橫管上的蝶閥手動(dòng)處于全開狀態(tài)），也是采用的常規(guī)PID算法。
3.2 集氣管壓力的控制
對(duì)于四個(gè)集氣管壓力，都是以集氣管壓力為被調(diào)量，以集氣管上的蝶閥的開度為控制量組成單回路閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用變參數(shù)PID控制算法；鑒于壓力在正常范圍波動(dòng)時(shí)，固定參數(shù)PID控制能取得很好的效果，但是當(dāng)壓力很高或者很低時(shí)，調(diào)節(jié)就顯得力不從心，本應(yīng)該快速地開大閥門或者本應(yīng)該快速關(guān)小閥門，這時(shí)候卻做不到這些。因此，我們將壓力分段考慮，壓力在不同的區(qū)段用不同的P值，通過改變P值來做到快速的調(diào)節(jié)閥門開度來脫離高壓或者低壓狀態(tài)。
4 專家系統(tǒng)控制
盡管采用上述的控制策略能應(yīng)付大多數(shù)情況，但是當(dāng)集氣管的閥位為全開而壓力依然很高或者當(dāng)集氣管的閥位為全關(guān)而壓力依然很低時(shí)常規(guī)PID算法的收斂速度難以滿足調(diào)節(jié)要求，這時(shí)候采用專家系統(tǒng)就顯得很有效。專家系統(tǒng)總的思想是通過對(duì)集氣管壓力和閥位的考慮來改變初冷器前吸力的設(shè)定值，讓集氣管壓力快速地脫離極限狀況。
對(duì)于系統(tǒng)Ⅰ來說，在下面兩種情況下增大初冷器前吸力1的設(shè)定值：①1#焦?fàn)t集氣管壓力P1〉P1max, 1#焦?fàn)t集氣管閥位V1〉V1max, 2#焦?fàn)t集氣管壓力P2〉P2max；②2#焦?fàn)t集氣管壓力P2〉P2max, 2#焦?fàn)t集氣管閥位V2〉V2max，1#焦?fàn)t集氣管壓力P1〉P1max。在下面兩種情況減小器初冷前吸力1的設(shè)定值：①1#焦?fàn)t集氣管壓力P1〈P1min, 1#焦?fàn)t集氣管閥位V1對(duì)于系統(tǒng)Ⅱ來說，在下面兩種情況下增大初冷器前吸力2的設(shè)定值：①3#焦?fàn)t集氣管壓力P3〉P3max, 3#焦?fàn)t集氣管閥位V3〉V3max, 4#焦?fàn)t集氣管壓力P4〉P4max；②4#焦?fàn)t集氣管壓力P4〉P4max, 4#焦?fàn)t集氣管閥位V4〉V4max，3#焦?fàn)t集氣管壓力P3〉P3max。在下面兩種情況減小初冷器前吸力2的設(shè)定值：①3#焦?fàn)t集氣管壓力P3〈P3min, 1#焦?fàn)t集氣管閥位V35 改造后系統(tǒng)運(yùn)行效果
系統(tǒng)改造后，對(duì)于系統(tǒng)Ⅱ來說，由于變頻器調(diào)節(jié)能力很強(qiáng)，器前吸力波動(dòng)很小，集氣管壓力基本能控制在80±20Pa，在裝煤、加氨水等大擾動(dòng)情況下，壓力能在很短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常。對(duì)于系統(tǒng)Ⅰ來說，橫管上蝶閥的調(diào)節(jié)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如變頻器那么強(qiáng)，初冷器前吸力相對(duì)波動(dòng)比較大，集氣管壓力能基本控制在80±50Pa，在裝煤、加氨水等大擾動(dòng)情況下，壓力能在較短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)正常。如圖4、圖5所示。

圖4 改造后系統(tǒng)在正常工況下集氣管壓力和器前吸力曲線

圖5 改造后系統(tǒng)在大擾動(dòng)工況下集氣管壓力和器前吸力曲線
6 改造后系統(tǒng)依然存在的問題
對(duì)于系統(tǒng)Ⅱ來說，基本不存在什么問題，但對(duì)于系統(tǒng)Ⅰ，在煤氣發(fā)生量很小或者機(jī)后壓力很高時(shí)，橫管上的蝶閥處于較低開度或者較高開度閥位時(shí)，蝶閥對(duì)初冷器前吸力的調(diào)節(jié)能力顯得很弱，有時(shí)甚至吸力不可控，這種情況下也造成集氣管壓力處于很低或者很高的狀況，并且很長(zhǎng)時(shí)間也不能恢復(fù)，現(xiàn)場(chǎng)的操作人員不得不去把機(jī)前的閘閥關(guān)一點(diǎn)或者開一點(diǎn)，每個(gè)班發(fā)生這種情況一到兩次，這種現(xiàn)象可能與蝶閥本身工作方式有關(guān)。
7 結(jié)束語(yǔ)
實(shí)踐表明，本文提出的一些控制策略在湘鋼焦化廠的此次焦?fàn)t集氣管壓力自動(dòng)控制系統(tǒng)改造中是很有效的，改造是成功的，得到了湘鋼焦化廠的一致認(rèn)可。另外，系統(tǒng)Ⅱ所用的變頻器是湘鋼焦化廠使用的第一臺(tái)變頻器，起初他們是不認(rèn)同變頻器的，但系統(tǒng)Ⅱ最后達(dá)到如此好的控制效果改變他們起初對(duì)變頻器的觀點(diǎn).