焦炉集气管压力控制方法的研究

【摘 要】焦化厂集气管压力是重要的工艺参数，在焦化生产过程中，它因受多种因素（出焦、装煤、喷洒高压氨水、换向、煤气发生量（生产周期的安排）、工艺设备及管道阻力等）的影响而常常发生波动，因而影响焦炭的质量和焦炉的寿命，本文结合神华蒙西焦化厂焦炉的实际情况，采用了PID控制，进行集气管压力的改造。从近年来的运行情况看，经过改进的系统运行良好，稳定性很高，达到自动控制的要求，减少煤气外溢，保护环境减少污染物排放，延长炉体寿命。

【关键词】焦化；集气管压力；PID控制；模糊控制系统

在焦炉炼焦过程中，会有大量荒煤气产生，荒煤气由集气管收集，倘若焦炉炉体内操作形成负压时，空气就会进入炉体，导致焦炭燃烧、灰分增加、焦炭质量下降、湿煤气中氧含量增加影响甲醇的正常生产，加重冷却系统的负担并缩短炉体使用寿命；压力过高时，荒煤气将会冒出，降低了荒煤气的回收率并污染环境。因而对焦炉集气管压力进行控制使其稳定在生产工艺所需范围内是保证安全生产、提高产品质量、减少环境污染、延长炉龄的重要技术措施。焦炉集气管压力系统是一个耦合严重、具有严重非线性、扰动频繁剧烈的多变量时变系统。由于集气管压力控制对象没有精确的数学模型，因而采用常规方法很难实现有效调节，严重影响了生产的正常进行。又因为通常两座焦炉的后续工艺设备（初冷器、风机等）是共用的，所以，当一个集气管内的压力波动时，就会使另一个集气管的压力随之波动。若波动量较大时，就会使整个集气管压力控制系统造成拉锯式的振荡现象，很难用常规方法加以控制。

一、工艺分析

我厂是两座58型焦炉每座焦炉有两个集气管，共用一套鼓冷系统。两座焦炉各炭化室发生的煤气首先进入各自的煤气管，在集气管控制蝶阀后汇合进入煤气总管，再经气液分离器、初冷器、电捕和鼓风机将焦炉煤气送至后续工段。工艺流程见图1。

集气管压力存在以下问题：（1）我厂采用的高压氨水喷洒无烟装煤系统，装煤时用3MPa左右的高压氨水在桥管氨水喷头处喷洒，桥管喷洒区域的后方及上升管内产生较大的负压，并在炭化室内靠近上升管底部区域形成负压，使荒煤气及烟尘由X+2、X+4炭化室经上升管、桥管吸入集气管内，以避免荒煤气从机侧装煤口处溢出，喷洒氨水时集气管压力达到300Pa～500Pa，使大量荒煤气外溢。装煤结束停止氨水喷洒时，集气管压力负向波动有时在0Pa以下。（2）焦炉耦合。集气管系统包括四个集气管管段的压力控制，四个集气管压力控制之间由于管道互通，共用一台鼓风机，因此存在非常强的耦合效应，导致各个集气管压力的调节相互干扰，互相激励，难以稳定。（3）焦炉换向。焦炉换向期间焦炉停止加热。在使用焦炉煤气加热的情况下，回炉煤气量减少，使得机后压力改变，进而改变风机的吸气量，影响集气管压力，成为“诱发”集气管压力不稳定的根源之一。（4）焦炉产气量波动。每座焦炉在结焦的不同阶段产生的荒煤气的量是变化的，对于同一座焦炉，不同的结焦周期下单位时间内产生的荒煤气的量也是不同的。（5）初冷器和管道阻力变化。荒煤气中部分杂质会粘凝在初冷器和煤气管道内，实际的煤气流通截面面积相应变化，导致阻力变化，阻力越大，集气管压力对风机吸力越不灵敏。

二、控制方案

四个集气管压力调节翻版、冷鼓的大循环调节的执行机构全部投入PID调节，以适应自身的压力调节所需。鼓风机变频器采用手、自动调节转速，手动时用电位器调节转速，自动时用DCS控制系统中的PID调节转速。其中集气管和大循环执行机构设为集气管压力调节的主要调节对象，鼓风机转速调节只是辅助调节，以避免频繁调节转速可能将风机转速调幅过大，把焦炉生产的各个信号（装煤开始、装煤结束、推焦开始、推焦结束、交换）通过MODBUS协议接入DCS系统，以确定喷洒氨水的时刻，在大循环PID调节中加入开始氨水喷洒、停止氨水喷洒和交换这些固定扰动的提前量，保证初冷器前吸力稳定。只要初冷器前吸力稳定集气管压力的变化量就不会太大，依靠集气管压力调节翻板PID调节基本上可以达到集气管压力的稳定。具体如下：（1）1#压力测量根据1#压力给定值进行调节，2#压力测量根据2#压力给定值进行调节。见图2集气管压力调节原理图。（2）当系统采集到装煤信号时，系统自动识别所装煤的炉号，并将此炉号对应的集气管翻板打开一顶开度，同时调节大循环翻板，从根本上解决了装煤瞬间集气管压力突然增大，导致煤气外溢。（3）装煤结束时，高压氨水压力降低，集气管压力瞬间降低，此时集气管翻板和大循环翻板动作，将瞬间减小的压力通过翻板补偿调节，达到了集气管保持正压操作，确保煤气含氧量不超标。（4）废气交换时，系统采集交换信号，将交换所引起机后压力的变化通过调节大循环翻板，最大程度的减小对集气管压力的扰动。通过大循环调节翻板实现初冷器前吸力动态控制。为及时应对焦炉装煤、推焦、换向和机后阻力的变化，动态地调整初冷器前吸力。以上控制基本上实现了集气管压力的自动PID控制，为了进一步提高集气管的控制精度，将集气管压力控制在非常理想的范围内，又采用了在PID基础上的模糊控制系统。模糊控制系统基本原理是将人的思维方式和操作经验赋予计算机，使之智能跟踪焦炉压力的变化，输入变量采用1#、2#焦炉集气管压力信号和初冷前吸力信号，控制变量分别用于控制1#、2#焦炉集气管调节翻板和大循环控制翻板，输入变量根据压力偏差和压力偏差变化率定出其论域，其次给出模糊量级，偏差e具体分为7级（模糊控制规则见下表1），偏差变化率e分为5级。

本次改造实现了不装煤90%的时间段内，集气管压力控制在P给？0Pa，允许10%的时间段内P给？0Pa；在每一炉装煤过程中，90%时段内控制在P给？0Pa，10%的时段集气管压力在0Pa～250Pa间波动，即开高压氨水阀门瞬间集气管压力正向波动最大值不允许超过250Pa，关高压氨水阀门瞬间，集气管压力负向波动最小值不允许低于0Pa。实现了集气管压力的可控性。

参考文献

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