焦炉集气管压力控制的研究

1 引言
在焦炉炼焦过程中，会有大量的荒煤气产生，荒煤气由集气管收集,通过输气管网由鼓风机送往后续工段处理。由于产气量随结焦时间而变化，集气管中的压力不断改变，特别是在炭化室进行推焦、装煤时会造成集气管压力大幅波动。当炉体内操作形成负压时，空气就会从炉门、炉盖等处进入炉体，导致焦炭燃烧、灰分增加、焦炭质量下降。进入的空气还会同炉体建筑材料发生化学反应，导致炉体剥蚀，缩短炉体使用寿命；空气还会促使荒煤气燃烧，使煤气系统温度增高，从而加重了冷却系统的负担,产生不必要的能源消耗。当炉体内的压力过高时，荒煤气将会从炉门、炉盖等处冒出，一方面造成跑烟冒火，污染环境；另一方面降低了荒煤气的回收率，造成能源的浪费[1>。综上所述，集气管压力的稳定不但影响焦炭的质量，也关系到焦炉的寿命。所以我们必须对集气管压力进行控制，使其维持在设定的压力范围内，考虑到焦炉集气管压力控制对象的数学模型难以建立，本文以湘钢焦化厂工艺过程控制技术改造项目为研究对象，利用经典控制与智能控制相结合进行集气管压力的控制。
2 工艺分析
2.1 工艺流程
目前湘钢焦化厂现有四座焦炉、三台初冷器（2开1备）以及四台鼓风机（2开2备）。由于中间的闸阀都关死了，整个系统可以看成两套独立的系统Ⅰ和系统Ⅱ。系统Ⅰ包括1#初冷器、1#和2#鼓风机（1开1备），连接1#和2#焦炉；系统Ⅱ包括3#初冷器、3#和4#鼓风机（1开1备），连接3#和4#焦炉，系统Ⅰ和系统Ⅱ鼓风机输出端合并，2#初冷器备用。焦炉煤气从各炭化室通过上升管，并在上升管被循环氨气冷却到80~90°C，然后进入集气管。在气液分离器与焦油、氨水分离，进入初冷器，在初冷器冷却到35~40°C，然后通过鼓风机送往下道工序。如图１所示。

2.2 影响集气管压力的因素
通过分析，影响焦炉集气管压力的因素[2>：①炭化室内间歇地装煤和推焦对集气管压力产生较大的冲击；②各焦炉之间的相互耦合，在器前吸力稳定的情况下，任一焦炉压力的波动，都会影响另一焦炉压力；③器前吸力变化的影响，在鼓风机抽力不变的情况下，机后设备的阻力发生变化或煤气用户的用量发生变化时，都会引起机后压力的变化，进而引起器前吸力的变化，在煤气发生量稳定的情况下，该吸力势必引起集气管压力的波动；④结焦时间的变更和加热制度的变化使得产气量存在明显波动；煤的成分、装煤量的变化以及实际推焦时间的变化也会影响到集气管的压力变化；⑤循环氨水流量和温度的变化，荒煤气冷却系统是否畅通、阻力大小也影响压力的稳定及气量传输的动态特性，鼓风机入口排液系统、鼓风机后管线是否畅通直接影响压力系统的稳定；⑥荒煤气的温度高低直接影响输气系统正常运行，过高时风机负荷加重且易发生危险，过低时则会导致冷却系统结萘；⑦炉门、炉盖密封不严引起集气管压力降低；⑧氨水量的变化形成瀑布，从而增加荒煤气的流动阻力。
2.3 原有系统的情况
经过很长一段时间对原有系统的观察，发现湘钢焦化厂的原有控制系统存在如下情况：①集气管压力波动大，在焦炉加高压氨水或者机后压力很大的时候，压力有时能达到400Pa左右，焦炉严重冒烟,有时煤气发生量小或者机后压力很小的时候，压力能达到-300Pa左右；②初冷器前吸力经常达到最大值，并且经常出现急剧上升和下降的现象；③当集气管处于高压或者低压，并且长时间不能下来或者上去时，操作人员不得不开大或者关小机前闸阀，这种情况在每个班都要出现好多次，特别是夜班更多。④1#和2#，3#和4#集气管压力耦合现象严重。如图2、图3所示。

图2 原有系统在正常工况下集气管压力和器前吸力曲线

图3 原有系统在大扰动工况下集气管压力和器前吸力曲线
3 控制策略
不管是系统Ⅰ还是系统Ⅱ，首先我们要稳定的是初冷器前的吸力，只有这个吸力大致稳定了，集气管的压力才能得到很好的控制。因此，我们制定了下列的控制策略。本次改造工程中采用西门子S7-300系列PLC(CPU315-2DP)与西门子SIMOVERT MV变频器作为控制核心，PLC和变频器之间通过Profibus-DP通讯，上位机监控软件采用杰控的FameView。
3.1 器前吸力的控制
对于系统Ⅰ，以初冷器前吸力为被调量，以横管上蝶阀的开度为控制量组成单回路的闭环控制系统，采用常规PID控制算法来控制蝶阀达到稳定器前吸力的目的。对于系统Ⅱ，采用了变频器组成单回路的闭环，也是以初冷器前吸力为被控对象，通过改变频率进而改变鼓风机的转速达到稳定初冷器前吸力的目的（此时横管上的蝶阀手动处于全开状态），也是采用的常规PID算法。
3.2 集气管压力的控制
对于四个集气管压力，都是以集气管压力为被调量，以集气管上的蝶阀的开度为控制量组成单回路闭环控制系统，采用变参数PID控制算法；鉴于压力在正常范围波动时，固定参数PID控制能取得很好的效果，但是当压力很高或者很低时，调节就显得力不从心，本应该快速地开大阀门或者本应该快速关小阀门，这时候却做不到这些。因此，我们将压力分段考虑，压力在不同的区段用不同的P值，通过改变P值来做到快速的调节阀门开度来脱离高压或者低压状态。
4 专家系统控制
尽管采用上述的控制策略能应付大多数情况，但是当集气管的阀位为全开而压力依然很高或者当集气管的阀位为全关而压力依然很低时常规PID算法的收敛速度难以满足调节要求，这时候采用专家系统就显得很有效。专家系统总的思想是通过对集气管压力和阀位的考虑来改变初冷器前吸力的设定值，让集气管压力快速地脱离极限状况。
对于系统Ⅰ来说，在下面两种情况下增大初冷器前吸力1的设定值：①1#焦炉集气管压力P1〉P1max, 1#焦炉集气管阀位V1〉V1max, 2#焦炉集气管压力P2〉P2max；②2#焦炉集气管压力P2〉P2max, 2#焦炉集气管阀位V2〉V2max，1#焦炉集气管压力P1〉P1max。在下面两种情况减小器初冷前吸力1的设定值：①1#焦炉集气管压力P1〈P1min, 1#焦炉集气管阀位V1对于系统Ⅱ来说，在下面两种情况下增大初冷器前吸力2的设定值：①3#焦炉集气管压力P3〉P3max, 3#焦炉集气管阀位V3〉V3max, 4#焦炉集气管压力P4〉P4max；②4#焦炉集气管压力P4〉P4max, 4#焦炉集气管阀位V4〉V4max，3#焦炉集气管压力P3〉P3max。在下面两种情况减小初冷器前吸力2的设定值：①3#焦炉集气管压力P3〈P3min, 1#焦炉集气管阀位V35 改造后系统运行效果
系统改造后，对于系统Ⅱ来说，由于变频器调节能力很强，器前吸力波动很小，集气管压力基本能控制在80±20Pa，在装煤、加氨水等大扰动情况下，压力能在很短时间内恢复正常。对于系统Ⅰ来说，横管上蝶阀的调节能力远远不如变频器那么强，初冷器前吸力相对波动比较大，集气管压力能基本控制在80±50Pa，在装煤、加氨水等大扰动情况下，压力能在较短时间内恢复正常。如图4、图5所示。

图4 改造后系统在正常工况下集气管压力和器前吸力曲线

图5 改造后系统在大扰动工况下集气管压力和器前吸力曲线
6 改造后系统依然存在的问题
对于系统Ⅱ来说，基本不存在什么问题，但对于系统Ⅰ，在煤气发生量很小或者机后压力很高时，横管上的蝶阀处于较低开度或者较高开度阀位时，蝶阀对初冷器前吸力的调节能力显得很弱，有时甚至吸力不可控，这种情况下也造成集气管压力处于很低或者很高的状况，并且很长时间也不能恢复，现场的操作人员不得不去把机前的闸阀关一点或者开一点，每个班发生这种情况一到两次，这种现象可能与蝶阀本身工作方式有关。
7 结束语
实践表明，本文提出的一些控制策略在湘钢焦化厂的此次焦炉集气管压力自动控制系统改造中是很有效的，改造是成功的，得到了湘钢焦化厂的一致认可。另外，系统Ⅱ所用的变频器是湘钢焦化厂使用的第一台变频器，起初他们是不认同变频器的，但系统Ⅱ最后达到如此好的控制效果改变他们起初对变频器的观点.