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，在焦化生產過程中，它因受多種因素（出焦、裝煤、噴灑高壓氨水、換向、煤氣發生量（生產周期的安排）、工藝設備及管道阻力等）的影響而常常發生波動，因而影響焦炭的質量和焦爐的壽命，本文結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，經過改進的系統運行良好，穩定性很高，達到自動控制的要求，減少煤氣外溢，保護環境減少污染物排放，延長爐體壽命。

【關鍵詞】焦化；集氣管壓力；PID控制；模糊控制系統

在焦爐煉焦過程中，會有大量荒煤氣產生，荒煤氣由集氣管收集，倘若焦爐爐體內操作形成負壓時，空氣就會進入爐體，導致焦炭燃燒、灰分增加、焦炭質量下降、濕煤氣中氧含量增加影響甲醇的正常生產，加重冷卻系統的負擔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境。因而對焦爐集氣管壓力進行控制使其穩定在生產工藝所需范圍內是保證安全生產、提高產品質量、減少環境污染、延長爐齡的重要技術措施。焦爐集氣管壓力系統是一個耦合嚴重、具有嚴重非線性、擾動頻繁劇烈的多變量時變系統。由于集氣管壓力控制對象沒有精確的數學模型，因而采用常規方法很難實現有效調節，嚴重影響了生產的正常進行。又因為通常兩座焦爐的后續工藝設備（初冷器、風機等）是共用的，所以，當一個集氣管內的壓力波動時，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造成拉鋸式的振蕩現象，很難用常規方法加以控制。

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。兩座焦爐各炭化室發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，再經氣液分離器、初冷器、電捕和鼓風機將焦爐煤氣送至后續工段。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，裝煤時用3MPa左右的高壓氨水在橋管氨水噴頭處噴灑，橋管噴灑區域的后方及上升管內產生較大的負壓，并在炭化室內靠近上升管底部區域形成負壓，使荒煤氣及煙塵由X+2、X+4炭化室經上升管、橋管吸入集氣管內，以避免荒煤氣從機側裝煤口處溢出，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，共用一臺鼓風機，因此存在非常強的耦合效應，導致各個集氣管壓力的調節相互干擾，互相激勵，難以穩定。（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，進而改變風機的吸氣量，影響集氣管壓力，成為“誘發”集氣管壓力不穩定的根源之一。（4）焦爐產氣量波動。每座焦爐在結焦的不同階段產生的荒煤氣的量是變化的，對于同一座焦爐，不同的結焦周期下單位時間內產生的荒煤氣的量也是不同的。（5）初冷器和管道阻力變化。荒煤氣中部分雜質會粘凝在初冷器和煤氣管道內，實際的煤氣流通截面面積相應變化，導致阻力變化，阻力越大，集氣管壓力對風機吸力越不靈敏。

二、控制方案

四個集氣管壓力調節翻版、冷鼓的大循環調節的執行機構全部投入PID調節，以適應自身的壓力調節所需。鼓風機變頻器采用手、自動調節轉速，手動時用電位器調節轉速，自動時用DCS控制系統中的PID調節轉速。其中集氣管和大循環執行機構設為集氣管壓力調節的主要調節對象，鼓風機轉速調節只是輔助調節，以避免頻繁調節轉速可能將風機轉速調幅過大，把焦爐生產的各個信號（裝煤開始、裝煤結束、推焦開始、推焦結束、交換）通過MODBUS協議接入DCS系統，以確定噴灑氨水的時刻，在大循環PID調節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定。只要初冷器前吸力穩定集氣管壓力的變化量就不會太大，依靠集氣管壓力調節翻板PID調節基本上可以達到集氣管壓力的穩定。具體如下：（1）1#壓力測量根據1#壓力給定值進行調節，2#壓力測量根據2#壓力給定值進行調節。見圖2集氣管壓力調節原理圖。（2）當系統采集到裝煤信號時，系統自動識別所裝煤的爐號，并將此爐號對應的集氣管翻板打開一頂開度，同時調節大循環翻板，從根本上解決了裝煤瞬間集氣管壓力突然增大，導致煤氣外溢。（3）裝煤結束時，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翻板動作，將瞬間減小的壓力通過翻板補償調節，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，系統采集交換信號，將交換所引起機后壓力的變化通過調節大循環翻板，最大程度的減小對集氣管壓力的擾動。通過大循環調節翻板實現初冷器前吸力動態控制。為及時應對焦爐裝煤、推焦、換向和機后阻力的變化，動態地調整初冷器前吸力。以上控制基本上實現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，又采用了在PID基礎上的模糊控制系統。模糊控制系統基本原理是將人的思維方式和操作經驗賦予計算機，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#焦爐集氣管調節翻板和大循環控制翻板，輸入變量根據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（模糊控制規則見下表1），偏差變化率△e分為5級。

本次改造實現了不裝煤90%的時間段內，集氣管壓力控制在P給€？0Pa，允許10%的時間段內P給€？0Pa；在每一爐裝煤過程中，90%時段內控制在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。實現了集氣管壓力的可控性。

參考文獻

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