焦炉集气管.pdf

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1、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

2、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和系统。系统包括 1#初冷器、1#和 2#鼓风机（1 开 1 备），连接 1#和 2#焦炉；系统包括 3#初冷器、3#和 4#鼓风机（1 开

3、1 备），连接 3#和 4#焦炉，系统和系统鼓风机输出端合并，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8090C，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 3540C，然后通过鼓风机送往下道工序。如图所示。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：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；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；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

4、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；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；循环氨水流量和温度的变化，荒煤气冷却1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；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；炉门、炉盖密封不严引起集气管压力降低；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

5、统的观察，发现湘钢焦化厂的原有控制系统存在如下情况：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；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；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。1#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

6、前吸力曲线3 控制策略不管是系统还是系统，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，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，采用了变频器组成单回路的闭环，

7、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。23.2 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

8、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。对于系统来说，在下面两种情况下增大初冷器前吸力 1 的设定值：1#焦炉集气管压力 P1P1max,1#焦炉集气管阀位 V1V1max,2#焦炉集气管压力 P2P2max；2#焦炉集气管压力 P2P2max,2#焦炉集气管阀位 V2V2max，1#焦炉集气管压力 P1P1

9、max。在下面两种情况减小器初冷前吸力 1 的设定值：1#焦炉集气管压力 P1P1min,1#焦炉集气管阀位 V1 对于系统来说，在下面两种情况下增大初冷器前吸力2 的设定值：3#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；4#焦炉集气管压力 P4P4max,4#焦炉集气管阀位 V4V4max，3#焦炉集气管压力 P3P3max。在下面两种情况减小初冷器前吸力 2 的设定值：3#焦炉集气管压力 P3P3min,1#焦炉集气管阀位 V35 改造后系统运行效果系统改造后，对于系统来说，由于变频器调节能力很强，器前吸力波动很小，集气管

10、压力基本能控制在8020Pa，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 8050Pa，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3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来说，基本不存在什么问题，但对于系统，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

11、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。焦炉集气管压力自动控制方法及其实现2008-10-29 9:41:41【文章字体：大中小】推荐 收藏 打印摘

12、要通过对焦炉煤气集气管压力系统的分析研究，建立控制系统的集气管压力协调控制方案，使得系统在传统 PID 控制的基础上，能够按照系统实际运行状况智能选择控制策略。通过 SUPCON JX-300X DCS集散控制系统，实现压力变送器、电动执行机构、调节阀、热电阻等等监测信号在 DCS 中达到计算机实施监控和控制，在上位机上，均可进行监控和数据程序的管理。焦炉是冶金行业中最复杂的炉窑。焦炉的加热过程是单个燃烧室间歇、全炉连续并受多种因素干扰的热工过程，是典型的大惯性、非线性、时变的复杂系统。集炉集气管压力是焦炉生产中重要的工艺参数。通过对焦炉煤气集气管压力系统的分析研究，建立控制系统的集气管压力协

13、调控制方案，使得系统在传统PID 控制的基础上，能够按照系统实际运行状况智能选择控制策略。通过SUPCON JX-300X DCS集散控制系统，经过相应的程序运算，实现对集气管压力生产过程自动控制。1 控制方案控制系统设计如图 1 所示，包括 3 个单独的闭环控制回路：1#炉集气管压力控制回路，2#炉集气管压力控制回路及风机吸力控制回路。1#炉 2#炉集气管压力控回路通过各自集气管压力调节阀门完成各自系统的闭环控制，风机吸力控制回路通过调节鼓风机转速来调节整个系统的吸力（即风机入口吸力）。3 个控制回路共同作用的结果决定了两座焦炉集气管的压力。4其中，风机吸力控制回路的取压点应设置在初冷器前，

14、这是因为初冷器一般有23 座冷却塔串联组成，塔内容积较大，不仅造成调节性能的滞后，而且会引起初冷器前压力的频繁波动，极不利于集气管压力的控制。通过对现场实际情况和控制系统的测试及分析，发现可以利用风机吸力对整个管道系统煤气压力的控制作用来降低长乃至消除两个相互干扰的集气管压力之间的耦合，同时根据两座焦炉的工况调整各自集气管压力阀门，维持两者的平衡，保证焦炉压力的稳定。因此，必须将1#炉集气管压力，2#炉集气管压力，风机吸力3 个参数综合起来考虑，各个单独的闭环控制回路的调节动作由控制策略运算模块根据整个系统压力和两集气管压力的变化情况统一协调，以降低两集气管压力间的耦合程度。1.1 数字 PI

15、D 控制算法在焦炉集气管压力控制系统中，执行机构采用防爆电动执行机构去驱动阀门，控制器的输出相对于控制量的增加，此时控制器应采用数字PID 增量式控制算法。增量式算法不需要做累加，控制量增量的确定仅与最近几次偏差采样值有关，计算误差对控制量计算的影响较小。增量式算法得出的是控制量的增量，例如在阀门控制中，只输出阀门开度的变化部分，误动作影响小，必要时还可通过逻辑判断限制或禁止本次输出，不会严重影响系统的工作。增量式算法，易于实现手动到自动的无冲击切换。在焦炉集管压力控制系统中执行机构带积分部件，因此应当选用增量式算式。1.2 集气管压力控制保证集气管压力稳定是焦炉生产的重要指标。目前的控制方案

16、以 PID 控制规律为基础，在正常工况时，采用PID 单回路分别调节 2 个集气管压力，2 个集气管压力采用均匀控制，以保证集气管压力均衡。5当压力发生大幅变化时，PID 调节回路无法兼顾减小超调和快速响应的要求，此时须采用规则表对集气管压力进行快速调节。压力变化情况分为两种：（1）换向时，集气管压力会产生剧烈变化，集气管调压阀在接受到换向开始信号时，应保持阀位输出，换向结束后，此阀位还应保持一定的时间，以使集气管压力恢复到平稳状态。在实际的工艺生产过程中，每 30min 一次的炉底换向剧烈扰动将引起集气管压力大幅度波动，调节跟踪不上，很难平衡。为了避免调节过程中由于炉底换向导致的调节不及时，

17、采用时间最优 PID 控制，也叫快速时间最优控制原理，它是研究满足约束条件下获得允许控制的方法。而且依照一定法则加以切换，使系统从一个初始状态转到另一个状态所经历的过渡时间最短，这种类型的最优切换系统称为开关控制系统。通过软件程序上设置一个阀位保持器，利用液压交换机上送来一换向信号，当系统接收到换向信号时，集气管压力在换向时自动切到手动，换向结束 30s 后自动回到自动状态切换为换向前回路状态。即系统保持30s 换向前的阀位输出。这样一来当交换完成时，系统将很快调整好集气管压力。（2）推焦、装煤等情况时，集气管压力也会产生大幅变化，此时采用规则表，采集集气管压力的变化率、偏差范围等参数，根据压

18、力变化范围、偏差范围等设定集气管压力的输出信号。1.3 鼓风机前吸力控制由于 2 根集气管最终都汇集到一根总管，总管吸力的调节对各集气的压力影响都很大。正常控制时，采用串级控制，2 个集气管压力平均值作为外环，总管吸力作为内环。同时根据各管开度、当前压力以及机前吸力情况，对总管蝶阀开度作出修正。1.4 PID 参数的确定6在凑试时，对参数实行先比例，后积分，再微分的整定步骤。（1）首先只整定比例部分。即将比例系数由小变大，并观察相应的系统响应，直到得到反应快，超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差已小到允许范围内，并且响应曲线已属满意，则只需用比例调节器即可，最优比例系数可由此确定。2 计算

19、机控制系统实现根据焦炉的生产规模和控制要求，分析目前计算机过程控制和DCS 系统的特点及应用，采用DCS 控制系统实现焦炉集气管压力过程控制，有利于焦炉工艺操作条件和化产回收工艺条件，提高控制质量，稳定焦炭质量，提高化产回收率，延长设备使用寿命。根据工艺设计的实际要求，结合公司目前的实际情况，并参考工程经验，依据系统的可靠性、系统操作和维护的方便性、系统配置的合理性。焦炉生产过程计算机控制系统，组成如图5所示的总体结构。系统采用浙大中控技术有限公司生产的SUPCON JX-300X DCS系统。压力变送器、电动执行机构、调节阀、热电阻等监测的信号送往DCS 中，实现计算机实施监控，在上位机上，

20、均可进行监控和数据程序的管理。经过相应的程序运算，实现对集气管压力生产过程自动控制的目的。72.1 DCS 系统构成系统主要由下列单元组成：工程师站（ES）；操作站（OS）；通讯网络（SCnet）；过程控制站（PCS）；系统软件。2.2 DCS 系统操作及维护的方便性操作人员通过屏幕的监控操作站，可以实现对现场工艺流程的监控、实时数据采集、实时流程查看、实时趋势浏览、报警记录与查看、开关量变位记录与查看、历史数据存储与查看、生产过程报表生成与输出等功能。大大降低了操作人员的劳动强度、提高了生产过程的自动化控制水平。DCS 系统的热插拔技术、在线维护、在线下装及独具特色的故障诊断功能，使系统维护

21、与操作更加方便可靠。3 结论（1）实现了焦炉集气管压力控制系统。在减少人为误差、减轻工人劳动强度、加强现代化管理等方面有着积极的意义。（2）稳定了焦炉集气管压力的波动，控制在120Pa40Pa 范围内，有利于稳定和提高焦炭质量，以达到有利于环保和节能的目的，达到清洁工厂的目的。（3）每天节约入炉煤气3600m3；按厂内价焦炉煤气 0.1 元立方米，则全年可创效益约 13.14万元。同时在提高焦炭质量、延长一代炉龄方面所创效益不可估量8项目概述某焦化厂煤气鼓风机，设计是处理两座 6 米焦炉的煤气量，现采用工频恒速驱动方式，通过调节风机前后阀门和开关循环管的方法来调节焦炉集气管压力，浪费能源，严重

22、影响焦炉集气管压力的稳定。焦炉集气管压力系统是一个耦合严重、具有严重非线性、时变特性、扰坳变化剧烈的多变量系统；当一个焦气管压力产生波动时，就会引起另一个集气管压力的波动。采用经典控制理论其基本算法是 PID 或它的延伸，当波动较大时，就会造成整个焦气管系统拉锯，出现振荡现象，难以保证集气管压力的稳定。针对上述存在的问题，本公司开发的BP3Y 系列煤气生产输配高压变频调速系统主控单元硬件设备采用 S7-300 PLC+工业控制计算机、美国 ROBICON 公司高压变频器；控制软件是根据现代控制理论，由我公司技术部独立开发成功的自寻优模糊控制软件系统，具有解除各控制回路之间的耦合，并根据不同波形

23、采取不同的控制参数来响应，达到焦炉集气管压力稳定的目的。该系统不改变原有工频运行条件，不变动原有设备基础，不另购新电机，不影响生产，仅用一个月左右的时间完成改造并投入运行。系统参数及控制要求：鼓风机型号、额定流量、数量：D900-23、B52m3/min、2 台。鼓风机电机：800kW、6000V、2 级、2 台。控制参数：集气管压力。监控参数：脱硫系统前煤气压力9初冷塔前吸力初冷塔后压力循环氨水主管出口压力各座焦炉氨水分压循环水进初冷塔温度（I 段、II 段）循环水出初冷塔温度（I 段、II 段）机前煤气温度机后煤气温度集气管温度燃气发电煤气流量焦炉煤气总管流量控制对象：一台 800kW/6

24、kV ROBICON 高压变频器高压电动机、两座 6 米焦炉段集气管电动执行器变频调速装置任选手动/自动变频运行方式，具有远程/就地控制功能。工控系统故障时，变频器手动运行；变频器故障时，工控系统仍能对机前吸力和集气管压力进行自动调节。主控单元采用 SIEMENS S7-300 PLC，具有耐冲击，耐强电能力，通过信号隔离器与外界信号隔离。计算机控制系统提供联网通讯接口。变频器选用，必须符合国家的电气标准规范，要充分考虑焦化厂的 2 次条件，环境条件。变频器要工作可靠，维护检修方便，要具有良好的调速性能，谐波分量要小。两台鼓风机可选其中任意变频调速，并有工频运行、手动变频运行、自动变频运行三种

25、方式，变频和工频可在鼓风机运行时，不停机安全切换，切换过程中仍能保证焦炉集气管压力稳定。优化焦炉集气管压力控制，确保焦炉集气管压力稳定同时获得最佳的节能效果，集气管压力要稳定在 1305Pa 范围内。变频系统要具有过载、过流、过热、过压、欠压保护功能，变频设备要有防止雷击引起的电网电压波动保护功能。变频系统要有故障报警，故障诊断功能。变频系统在特殊情况下，突发故障停运时，在一定时间内，要保证鼓风机维持变频时的转速运行，并发出重故障报警，以给工艺一段调整时间，后切换到工频。10变频控制系统要有较强抗扰能力，工业控制机的选用要考虑与焦化厂原有计算机的通讯，联网。与变频器配合的高压开关柜设计要符合国

26、家规定的电气标准规范，高压柜内元件要选用经久耐用，质量较好的部件。计算机显示画面要美观大方，系统稳定，安全。要有工艺流程，设备运行状态显示，历史趋势，密级管理、操作查询、报警打印等功能。电气设计要符合防爆标准规范。与变频器配合的高压开关柜要有安全联锁装置，防止违章切换对工艺设备及变频设备造成损坏。高压柜设在焦化厂中央变电所备用柜处，变频器及操作台设在鼓风机室。控制系统方案描述：11方案描述工艺过程控制方案由于该焦化厂新炉为双焦炉，故可以将机前蝶阀尽量开大，通过调节煤气鼓风机的转速来稳定焦炉集气管压力。鼓风机工频运行时，维持一个较大的机前吸力，一般机前调节蝶阀开度只有 50%，靠调节机前蝶阀来调

27、节焦炉煤气生产中因人工操作（加煤、开、关氨水）引起的压力波动峰值。鼓风机变频运行时，机前蝶阀是全开的，机前吸力很小，鼓风机转速较低，节能效果很好。但采用高压变频调速器驱动的煤气鼓风机又有其特殊性，即转速升、降均需一定的时间才能达到设定转速。而焦炉生产中人工操作（加煤、开、关氨水）时压力波动幅值很大，要求变频运行鼓风机必须在短时间内通过调节转速使机前吸力满足集气管压力变化的要求。在非人工操作时，变频鼓风机调节频繁又影响系统的稳定性和控制精度。由此可见，采用经典控制理论的 PID 调节无法满足焦炉集气管的压力系统稳定的技术要求。我们在其它焦化厂煤气鼓风机高压变频改造高度过程事实证明确实如此。根据焦

28、炉生产过程中人工操作的突发性强、焦炉集气管压力瞬间波动幅值大的特别，根据现代控制理论，采用模糊控制软件系统，采用逻辑判断、去扰动，根据不同波形采用不同的控制参数进行瞬息万变判断、自组织、多参数响应的方法，根据集气管压力变化波形不断自动调整、较正控制参数，达到敏感性和稳定性的统一。优化焦炉生产工艺参数，确保集气管压力稳定的同时获得最佳节能效果。方案特点本技术方案可完全满足“风机参数及控制要求”及“变频改造要求”内容。在分析控制对象的基础上提出了一种自判断、自组织、多参数的自寻优控制方法：根据集气管压力变化波形、工控机不断自动调整、校正控制参数，达到敏感性和稳定性的统一。优化焦炉生产工艺参数，确保

29、焦气管压力稳定的同时获得最佳节能效果。设计专用二维模糊控制器对焦炉集气管的压力系统进行自动控制，以达到技术要求。当变频器需要快速反应时，采用双频制动技术，使系统可以既获得良好的动态性能，又不致于在大惯性负载应用场合出现减速过电压故障停机。12数据采集配置灵活简单易用的组态手段和工具具有丰富、实用、友好的实时监控界面模块安装方便、维护简单卡件可配电输出信号点点隔离系统配置灵活，可在线修改组态集气管压力二维模糊控制软件系统功能监视系统的模拟量和数字量显示工艺流程画面建立趋势画面并获得趋势信息显示并确认报警显示操作指示13自动和手动控制方式的选择及调整过程设定值和偏置焦炉集气管压力模糊控制管理各类报表及打印可在线、离线进行参数设定、检查与修改，并完成控制功能操作监视现场测控打印输出超限报警全部超出正常值的检测点具有报警功能，可以实现音响报警14