焦爐集氣管壓力控制方法的研究

【摘 要】焦化廠集氣管壓力是重要的工藝參數(shù)，在焦化生產(chǎn)過程中，它因受多種因素（出焦、裝煤、噴灑高壓氨水、換向、煤氣發(fā)生量（生產(chǎn)周期的安排）、工藝設(shè)備及管道阻力等）的影響而常常發(fā)生波動，因而影響焦炭的質(zhì)量和焦爐的壽命，本文結(jié)合神華蒙西焦化廠焦爐的實際情況，采用了PID控制，進行集氣管壓力的改造。從近年來的運行情況看，經(jīng)過改進的系統(tǒng)運行良好，穩(wěn)定性很高，達到自動控制的要求，減少煤氣外溢，保護環(huán)境減少污染物排放，延長爐體壽命。

【關(guān)鍵詞】焦化；集氣管壓力；PID控制；模糊控制系統(tǒng)

在焦爐煉焦過程中，會有大量荒煤氣產(chǎn)生，荒煤氣由集氣管收集，倘若焦爐爐體內(nèi)操作形成負壓時，空氣就會進入爐體，導(dǎo)致焦炭燃燒、灰分增加、焦炭質(zhì)量下降、濕煤氣中氧含量增加影響甲醇的正常生產(chǎn)，加重冷卻系統(tǒng)的負擔(dān)并縮短爐體使用壽命；壓力過高時，荒煤氣將會冒出，降低了荒煤氣的回收率并污染環(huán)境。因而對焦爐集氣管壓力進行控制使其穩(wěn)定在生產(chǎn)工藝所需范圍內(nèi)是保證安全生產(chǎn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量、減少環(huán)境污染、延長爐齡的重要技術(shù)措施。焦爐集氣管壓力系統(tǒng)是一個耦合嚴重、具有嚴重非線性、擾動頻繁劇烈的多變量時變系統(tǒng)。由于集氣管壓力控制對象沒有精確的數(shù)學(xué)模型，因而采用常規(guī)方法很難實現(xiàn)有效調(diào)節(jié)，嚴重影響了生產(chǎn)的正常進行。又因為通常兩座焦爐的后續(xù)工藝設(shè)備（初冷器、風(fēng)機等）是共用的，所以，當(dāng)一個集氣管內(nèi)的壓力波動時，就會使另一個集氣管的壓力隨之波動。若波動量較大時，就會使整個集氣管壓力控制系統(tǒng)造成拉鋸式的振蕩現(xiàn)象，很難用常規(guī)方法加以控制。

一、工藝分析

我廠是兩座58型焦爐每座焦爐有兩個集氣管，共用一套鼓冷系統(tǒng)。兩座焦爐各炭化室發(fā)生的煤氣首先進入各自的煤氣管，在集氣管控制蝶閥后匯合進入煤氣總管，再經(jīng)氣液分離器、初冷器、電捕和鼓風(fēng)機將焦爐煤氣送至后續(xù)工段。工藝流程見圖1。

集氣管壓力存在以下問題：（1）我廠采用的高壓氨水噴灑無煙裝煤系統(tǒng)，裝煤時用3MPa左右的高壓氨水在橋管氨水噴頭處噴灑，橋管噴灑區(qū)域的后方及上升管內(nèi)產(chǎn)生較大的負壓，并在炭化室內(nèi)靠近上升管底部區(qū)域形成負壓，使荒煤氣及煙塵由X+2、X+4炭化室經(jīng)上升管、橋管吸入集氣管內(nèi)，以避免荒煤氣從機側(cè)裝煤口處溢出，噴灑氨水時集氣管壓力達到300Pa～500Pa，使大量荒煤氣外溢。裝煤結(jié)束停止氨水噴灑時，集氣管壓力負向波動有時在0Pa以下。（2）焦爐耦合。集氣管系統(tǒng)包括四個集氣管管段的壓力控制，四個集氣管壓力控制之間由于管道互通，共用一臺鼓風(fēng)機，因此存在非常強的耦合效應(yīng)，導(dǎo)致各個集氣管壓力的調(diào)節(jié)相互干擾，互相激勵，難以穩(wěn)定。（3）焦爐換向。焦爐換向期間焦爐停止加熱。在使用焦爐煤氣加熱的情況下，回爐煤氣量減少，使得機后壓力改變，進而改變風(fēng)機的吸氣量，影響集氣管壓力，成為“誘發(fā)”集氣管壓力不穩(wěn)定的根源之一。（4）焦爐產(chǎn)氣量波動。每座焦爐在結(jié)焦的不同階段產(chǎn)生的荒煤氣的量是變化的，對于同一座焦爐，不同的結(jié)焦周期下單位時間內(nèi)產(chǎn)生的荒煤氣的量也是不同的。（5）初冷器和管道阻力變化。荒煤氣中部分雜質(zhì)會粘凝在初冷器和煤氣管道內(nèi)，實際的煤氣流通截面面積相應(yīng)變化，導(dǎo)致阻力變化，阻力越大，集氣管壓力對風(fēng)機吸力越不靈敏。

二、控制方案

四個集氣管壓力調(diào)節(jié)翻版、冷鼓的大循環(huán)調(diào)節(jié)的執(zhí)行機構(gòu)全部投入PID調(diào)節(jié)，以適應(yīng)自身的壓力調(diào)節(jié)所需。鼓風(fēng)機變頻器采用手、自動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，手動時用電位器調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，自動時用DCS控制系統(tǒng)中的PID調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。其中集氣管和大循環(huán)執(zhí)行機構(gòu)設(shè)為集氣管壓力調(diào)節(jié)的主要調(diào)節(jié)對象，鼓風(fēng)機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)只是輔助調(diào)節(jié)，以避免頻繁調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速可能將風(fēng)機轉(zhuǎn)速調(diào)幅過大，把焦爐生產(chǎn)的各個信號（裝煤開始、裝煤結(jié)束、推焦開始、推焦結(jié)束、交換）通過MODBUS協(xié)議接入DCS系統(tǒng)，以確定噴灑氨水的時刻，在大循環(huán)PID調(diào)節(jié)中加入開始氨水噴灑、停止氨水噴灑和交換這些固定擾動的提前量，保證初冷器前吸力穩(wěn)定。只要初冷器前吸力穩(wěn)定集氣管壓力的變化量就不會太大，依靠集氣管壓力調(diào)節(jié)翻板PID調(diào)節(jié)基本上可以達到集氣管壓力的穩(wěn)定。具體如下：（1）1#壓力測量根據(jù)1#壓力給定值進行調(diào)節(jié)，2#壓力測量根據(jù)2#壓力給定值進行調(diào)節(jié)。見圖2集氣管壓力調(diào)節(jié)原理圖。（2）當(dāng)系統(tǒng)采集到裝煤信號時，系統(tǒng)自動識別所裝煤的爐號，并將此爐號對應(yīng)的集氣管翻板打開一頂開度，同時調(diào)節(jié)大循環(huán)翻板，從根本上解決了裝煤瞬間集氣管壓力突然增大，導(dǎo)致煤氣外溢。（3）裝煤結(jié)束時，高壓氨水壓力降低，集氣管壓力瞬間降低，此時集氣管翻板和大循環(huán)翻板動作，將瞬間減小的壓力通過翻板補償調(diào)節(jié)，達到了集氣管保持正壓操作，確保煤氣含氧量不超標。（4）廢氣交換時，系統(tǒng)采集交換信號，將交換所引起機后壓力的變化通過調(diào)節(jié)大循環(huán)翻板，最大程度的減小對集氣管壓力的擾動。通過大循環(huán)調(diào)節(jié)翻板實現(xiàn)初冷器前吸力動態(tài)控制。為及時應(yīng)對焦爐裝煤、推焦、換向和機后阻力的變化，動態(tài)地調(diào)整初冷器前吸力。以上控制基本上實現(xiàn)了集氣管壓力的自動PID控制，為了進一步提高集氣管的控制精度，將集氣管壓力控制在非常理想的范圍內(nèi)，又采用了在PID基礎(chǔ)上的模糊控制系統(tǒng)。模糊控制系統(tǒng)基本原理是將人的思維方式和操作經(jīng)驗賦予計算機，使之智能跟蹤焦爐壓力的變化，輸入變量采用1#、2#焦爐集氣管壓力信號和初冷前吸力信號，控制變量分別用于控制1#、2#焦爐集氣管調(diào)節(jié)翻板和大循環(huán)控制翻板，輸入變量根據(jù)壓力偏差和壓力偏差變化率定出其論域，其次給出模糊量級，偏差e具體分為7級（模糊控制規(guī)則見下表1），偏差變化率△e分為5級。

本次改造實現(xiàn)了不裝煤90%的時間段內(nèi)，集氣管壓力控制在P給€？0Pa，允許10%的時間段內(nèi)P給€？0Pa；在每一爐裝煤過程中，90%時段內(nèi)控制在P給€？0Pa，10%的時段集氣管壓力在0Pa～250Pa間波動，即開高壓氨水閥門瞬間集氣管壓力正向波動最大值不允許超過250Pa，關(guān)高壓氨水閥門瞬間，集氣管壓力負向波動最小值不允許低于0Pa。實現(xiàn)了集氣管壓力的可控性。

參考文獻

[1]潘立慧，魏松波.煉焦新技術(shù)[M].冶金工業(yè)出版社，2006：254～256

[2]倪獻智.煉焦生產(chǎn)技術(shù)中的數(shù)學(xué)模型[J].煤炭轉(zhuǎn)化.2004，27（1）：18～23

[3]吳曉蘇，張中明.焦爐集氣管壓力工業(yè)過程控制的研究[J].煤炭轉(zhuǎn)化.2007，30（1）：27