焦爐集氣管壓力控制的研究

1 引言
在焦爐煉焦過程中，會有大量的荒煤氣產生，荒煤氣由集氣管收集,通過輸氣管網由鼓風機送往后續工段處理。由于產氣量隨結焦時間而變化，集氣管中的壓力不斷改變，特別是在炭化室進行推焦、裝煤時會造成集氣管壓力大幅波動。當爐體內操作形成負壓時，空氣就會從爐門、爐蓋等處進入爐體，導致焦炭燃燒、灰分增加、焦炭質量下降。進入的空氣還會同爐體建筑材料發生化學反應，導致爐體剝蝕，縮短爐體使用壽命；空氣還會促使荒煤氣燃燒，使煤氣系統溫度增高，從而加重了冷卻系統的負擔,產生不必要的能源消耗。當爐體內的壓力過高時，荒煤氣將會從爐門、爐蓋等處冒出，一方面造成跑煙冒火，污染環境；另一方面降低了荒煤氣的回收率，造成能源的浪費[1>。綜上所述，集氣管壓力的穩定不但影響焦炭的質量，也關系到焦爐的壽命。所以我們必須對集氣管壓力進行控制，使其維持在設定的壓力范圍內，考慮到焦爐集氣管壓力控制對象的數學模型難以建立，本文以湘鋼焦化廠工藝過程控制技術改造項目為研究對象，利用經典控制與智能控制相結合進行集氣管壓力的控制。
2 工藝分析
2.1 工藝流程
目前湘鋼焦化廠現有四座焦爐、三臺初冷器（2開1備）以及四臺鼓風機（2開2備）。由于中間的閘閥都關死了，整個系統可以看成兩套獨立的系統Ⅰ和系統Ⅱ。系統Ⅰ包括1#初冷器、1#和2#鼓風機（1開1備），連接1#和2#焦爐；系統Ⅱ包括3#初冷器、3#和4#鼓風機（1開1備），連接3#和4#焦爐，系統Ⅰ和系統Ⅱ鼓風機輸出端合并，2#初冷器備用。焦爐煤氣從各炭化室通過上升管，并在上升管被循環氨氣冷卻到80~90°C，然后進入集氣管。在氣液分離器與焦油、氨水分離，進入初冷器，在初冷器冷卻到35~40°C，然后通過鼓風機送往下道工序。如圖１所示。

2.2 影響集氣管壓力的因素
通過分析，影響焦爐集氣管壓力的因素[2>：①炭化室內間歇地裝煤和推焦對集氣管壓力產生較大的沖擊；②各焦爐之間的相互耦合，在器前吸力穩定的情況下，任一焦爐壓力的波動，都會影響另一焦爐壓力；③器前吸力變化的影響，在鼓風機抽力不變的情況下，機后設備的阻力發生變化或煤氣用戶的用量發生變化時，都會引起機后壓力的變化，進而引起器前吸力的變化，在煤氣發生量穩定的情況下，該吸力勢必引起集氣管壓力的波動；④結焦時間的變更和加熱制度的變化使得產氣量存在明顯波動；煤的成分、裝煤量的變化以及實際推焦時間的變化也會影響到集氣管的壓力變化；⑤循環氨水流量和溫度的變化，荒煤氣冷卻系統是否暢通、阻力大小也影響壓力的穩定及氣量傳輸的動態特性，鼓風機入口排液系統、鼓風機后管線是否暢通直接影響壓力系統的穩定；⑥荒煤氣的溫度高低直接影響輸氣系統正常運行，過高時風機負荷加重且易發生危險，過低時則會導致冷卻系統結萘；⑦爐門、爐蓋密封不嚴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阻力。
2.3 原有系統的情況
經過很長一段時間對原有系統的觀察，發現湘鋼焦化廠的原有控制系統存在如下情況：①集氣管壓力波動大，在焦爐加高壓氨水或者機后壓力很大的時候，壓力有時能達到400Pa左右，焦爐嚴重冒煙,有時煤氣發生量小或者機后壓力很小的時候，壓力能達到-300Pa左右；②初冷器前吸力經常達到最大值，并且經常出現急劇上升和下降的現象；③當集氣管處于高壓或者低壓，并且長時間不能下來或者上去時，操作人員不得不開大或者關小機前閘閥，這種情況在每個班都要出現好多次，特別是夜班更多。④1#和2#，3#和4#集氣管壓力耦合現象嚴重。如圖2、圖3所示。

圖2 原有系統在正常工況下集氣管壓力和器前吸力曲線

圖3 原有系統在大擾動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Ⅰ還是系統Ⅱ，首先我們要穩定的是初冷器前的吸力，只有這個吸力大致穩定了，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，上位機監控軟件采用杰控的FameView。
3.1 器前吸力的控制
對于系統Ⅰ，以初冷器前吸力為被調量，以橫管上蝶閥的開度為控制量組成單回路的閉環控制系統，采用常規PID控制算法來控制蝶閥達到穩定器前吸力的目的。對于系統Ⅱ，采用了變頻器組成單回路的閉環，也是以初冷器前吸力為被控對象，通過改變頻率進而改變鼓風機的轉速達到穩定初冷器前吸力的目的（此時橫管上的蝶閥手動處于全開狀態），也是采用的常規PID算法。
3.2 集氣管壓力的控制
對于四個集氣管壓力，都是以集氣管壓力為被調量，以集氣管上的蝶閥的開度為控制量組成單回路閉環控制系統，采用變參數PID控制算法；鑒于壓力在正常范圍波動時，固定參數PID控制能取得很好的效果，但是當壓力很高或者很低時，調節就顯得力不從心，本應該快速地開大閥門或者本應該快速關小閥門，這時候卻做不到這些。因此，我們將壓力分段考慮，壓力在不同的區段用不同的P值，通過改變P值來做到快速的調節閥門開度來脫離高壓或者低壓狀態。
4 專家系統控制
盡管采用上述的控制策略能應付大多數情況，但是當集氣管的閥位為全開而壓力依然很高或者當集氣管的閥位為全關而壓力依然很低時常規PID算法的收斂速度難以滿足調節要求，這時候采用專家系統就顯得很有效。專家系統總的思想是通過對集氣管壓力和閥位的考慮來改變初冷器前吸力的設定值，讓集氣管壓力快速地脫離極限狀況。
對于系統Ⅰ來說，在下面兩種情況下增大初冷器前吸力1的設定值：①1#焦爐集氣管壓力P1〉P1max, 1#焦爐集氣管閥位V1〉V1max, 2#焦爐集氣管壓力P2〉P2max；②2#焦爐集氣管壓力P2〉P2max, 2#焦爐集氣管閥位V2〉V2max，1#焦爐集氣管壓力P1〉P1max。在下面兩種情況減小器初冷前吸力1的設定值：①1#焦爐集氣管壓力P1〈P1min, 1#焦爐集氣管閥位V1對于系統Ⅱ來說，在下面兩種情況下增大初冷器前吸力2的設定值：①3#焦爐集氣管壓力P3〉P3max, 3#焦爐集氣管閥位V3〉V3max, 4#焦爐集氣管壓力P4〉P4max；②4#焦爐集氣管壓力P4〉P4max, 4#焦爐集氣管閥位V4〉V4max，3#焦爐集氣管壓力P3〉P3max。在下面兩種情況減小初冷器前吸力2的設定值：①3#焦爐集氣管壓力P3〈P3min, 1#焦爐集氣管閥位V35 改造后系統運行效果
系統改造后，對于系統Ⅱ來說，由于變頻器調節能力很強，器前吸力波動很小，集氣管壓力基本能控制在80±20Pa，在裝煤、加氨水等大擾動情況下，壓力能在很短時間內恢復正常。對于系統Ⅰ來說，橫管上蝶閥的調節能力遠遠不如變頻器那么強，初冷器前吸力相對波動比較大，集氣管壓力能基本控制在80±50Pa，在裝煤、加氨水等大擾動情況下，壓力能在較短時間內恢復正常。如圖4、圖5所示。

圖4 改造后系統在正常工況下集氣管壓力和器前吸力曲線

圖5 改造后系統在大擾動工況下集氣管壓力和器前吸力曲線
6 改造后系統依然存在的問題
對于系統Ⅱ來說，基本不存在什么問題，但對于系統Ⅰ，在煤氣發生量很小或者機后壓力很高時，橫管上的蝶閥處于較低開度或者較高開度閥位時，蝶閥對初冷器前吸力的調節能力顯得很弱，有時甚至吸力不可控，這種情況下也造成集氣管壓力處于很低或者很高的狀況，并且很長時間也不能恢復，現場的操作人員不得不去把機前的閘閥關一點或者開一點，每個班發生這種情況一到兩次，這種現象可能與蝶閥本身工作方式有關。
7 結束語
實踐表明，本文提出的一些控制策略在湘鋼焦化廠的此次焦爐集氣管壓力自動控制系統改造中是很有效的，改造是成功的，得到了湘鋼焦化廠的一致認可。另外，系統Ⅱ所用的變頻器是湘鋼焦化廠使用的第一臺變頻器，起初他們是不認同變頻器的，但系統Ⅱ最后達到如此好的控制效果改變他們起初對變頻器的觀點.