雙PID控制在煤氣鼓風機壓力調節中的應用

李 強，張 靈

（1.太原理工大學信息工程學院，太原 030024；2.山西西山煤氣化有限責任公司，山西 古交 030205；3.太原理工大學電氣與動力工程學院，太原 030024）

雙PID控制在煤氣鼓風機壓力調節中的應用

李 強1，2，張 靈3

（1.太原理工大學信息工程學院，太原 030024；2.山西西山煤氣化有限責任公司，山西 古交 030205；3.太原理工大學電氣與動力工程學院，太原 030024）

針對煉焦實際復雜工況,設計了以集氣管翻板調節為主、煤氣鼓風機變頻調節為輔的雙PID控制集氣管壓力調節系統；并介紹了PID控制中被控量的確定、控制過程、控制實現。

鼓風機；變頻；PID；集氣管壓力

山西西山煤氣化有限責任公司焦化一廠的設計生產能力60萬t，公司系西山為古交礦區3萬余戶居民供應城市煤氣，由于生產工藝經常調整，加之市場變化和產量的變化，所以生產工藝參數要經常變化。鼓風機是焦化生產的核心部件，直接影響焦爐上升管壓力變化，影響后續工藝的調節。在設計之初，充分考慮到工藝調整節能降耗、市場變化及后續工藝建設的多種因素，選用了高壓變頻裝置控制鼓風機系統，并結合后臺采用DCS采集、分析工藝參數信號，進行自動壓力調節。

目前，焦化廠采用的鼓風機為西安陜鼓通風設備有限公司的離心式鼓風機，型號D900-1.09/0.9，進口流量900 m3/min，工作轉速5 863 r/min，軸功率710 kW，進口壓力0.079 MPa，進口溫度22℃，出口壓力0.109 MPa。拖動采用佳木斯電機股份有限公司的隔爆型變頻調速三相異步電動機，型號YBKSPT 500-2，功率710 kW，配套變頻裝置為九洲電氣生產的POWER SMART 10000V/054 A型高壓大功率變頻調速裝置。焦化廠設計爐型為TJL5500D型，系雙聯火道、廢氣循環、下噴、復熱式側裝搗固煤餅焦爐。由于產量限制設計為1×65孔，導致焦爐集氣管設計為不對稱“F”型布局，給焦爐集氣管壓力的控制與管理帶來一定的困難。針對煉焦實際復雜工況,設計了以集氣管翻板調節為主、煤氣鼓風機變頻調節為輔的雙PID控制集氣管壓力調節系統，可根據負荷的變化進行自動調節集氣管煤氣流量和壓力,既滿足了生產需要,又達到了節能降耗和提高控制水平之目的。

1 煤氣壓力的調節系統

焦化廠煤氣壓力調節系統，如圖1所示。首先給定集氣管壓力，通過集氣管翻板執行機構與鼓風機的配合實現上升管壓力平衡穩定；其次給定鼓風機后壓力，通過風機后流控制調節機構、煤氣放散控制閥與鼓風機配合實現機后壓力平穩；用此二系統結合起來控制整個壓力調節系統的穩定。PID控制屬于閉環控制。將壓力傳感器檢測到的煤氣壓力實際值反饋到DCS站,與壓力信號給定值相比較,判斷是否達到了預期的控制目的。若沒有達到則根據兩者的差值進行調整,直到達到預定的控制目的為止[1-2]。

系統以集氣管翻板調節為主（集氣管翻板開度、風機轉速調整由鼓風機房操作）、鼓風機變頻調節操作為輔；焦爐地下室不對集氣管翻板調節，可以監視。集氣管自動調節的前提，必須是人工手動調節基本穩定才可投入自動運行，如果人工手動，手動就無法控制，投入自動控制是不現實的。煤氣鼓風機的操作,首先要保證焦爐的微正壓操作,煤氣鼓風機的抽吸量取決于焦爐粗煤氣的發生量。鼓風機的操作要根據焦爐集氣管的壓力情況而定。

2 系統的控制原理

生產過程中，將集氣管壓力、翻板開度、橫管初冷器前煤氣總管吸力、機前吸力、機后壓力、風機轉速等信號接入控制系統，通過相互間平衡調節來穩定集氣管壓力。控制系統根據操作工設定的集氣管壓力，對吸氣管調節翻板的開度進行PID控制——當實際壓力高于設定壓力時，逐漸增大翻板開度；當實際壓力低于設定壓力時，逐漸減小翻板開度。當翻板執行機構關到一定程度（該值可設定），集氣管壓力仍有低于設定壓力的趨勢時，控制系統將發出降低鼓風機轉速的控制信號，以減小吸力；反之，當翻板執行機構開到一定程度，集氣管壓力仍有高于設定壓力的趨勢時，控制系統將發出增加鼓風機轉速的控制信號，以增大吸力。

鼓風機轉速是根據集氣管壓力和橫管初冷器前煤氣總管壓力進行串級調節，即按集氣管壓力徑PID運算出橫管初冷器前的煤氣總管壓力的設定值，根據橫管初冷器前煤氣總管壓力的設定值和測量值徑PID運算計算出鼓風機的轉速，使鼓風機參與到了集氣管壓力的控制當中。每一個集氣管翻板及鼓風機轉速都可實現“手動”與“自動”的無擾切換[3]。鼓風機調速系統的工藝要求如下：對鼓風機采用變頻調速控制，首先要保證煉焦爐炭化室壓力為微正壓，其抽氣量取決于煤氣的發生量，其大小應按煉焦爐煤氣集氣管壓力實際情況而定。初冷器前的吸力直接來源于煉焦爐集氣管壓力，其變化將直接反應集氣管的壓力變化。由于該吸力正處于整個煤氣傳輸系統的中間位置，其變化相對比較穩定。因此，由鼓風機和變頻器組成該系統的執行機構的條件下，取初冷器前的吸力作為調速控制系統的被控量，這樣有利于焦爐的實際控制操作和系統的穩定。風機系統調節煤氣壓力原理，如圖2所示。

風機調節煤氣壓力系統的控制目標是：保持整個生產過程中初冷器前的煤氣總管壓力的穩定。鼓風機轉速是根據集氣管壓力和橫管初冷器前的煤氣總管壓力進行串級調節[4-5]。

3 系統工況

實際生產中，大致存在三種工況。

1）正常狀態：當橫管初冷器前的煤氣總管壓力在0～1 600 Pa范圍內，初冷器阻值在正常范圍1 000 Pa內，1號、2號集氣管翻板和鼓風機變頻都在自動運行狀態。

2）非正常狀態：a.當遇到1號、2號集氣管壓力其中一個波動較大、當橫管初冷器前的煤氣總管壓力在正常工藝范圍內時，可將波動較大的集氣管翻版切到手動狀態運行，翻板開度可做適當調整，當達到要求時再投入自動運行。b.當遇到1號、2號集氣管壓力同時波動較大、當橫管初冷器前的煤氣總管壓力在正常工藝范圍內時，可將1號、2號集氣管同時切到手動運行，運行穩定后再投入自動。c.當遇到集氣管壓力持續升高，翻板開度均在80%以上時，需將鼓風機變頻切換為手動狀態，人工逐漸遞增頻率，遞增頻率不宜過大，保持0.1 Hz逐級遞增；并注意觀察壓力變化情況，若遞增頻率過快會導致集氣管壓力產生二次波動。d.當遇到集氣管壓力持續升高，翻板開度都在80%以上時，鼓風機轉速又在4 000轉以上、橫管初冷器前煤氣總管吸力大于或等于3 000 Pa時，靠自調系統調節是無法滿足調節要求，需組織相關部門檢查生產工藝。控制集氣管壓力調節時不能急于調節。例如：遇到換向或特殊工況擾動造成壓力瞬間波動，不要急于調節翻板開度或增減風機變頻頻率，這樣會造成集氣管壓力波動。待30～60 s后如果集氣管壓力仍波動，再進行人工干預控制。

3）生產工藝系統突發大的波動狀況或工況不穩定時：崗位操作人員需立即將鼓風機變頻切換為手動狀態；根據集氣管壓力、選擇壓力波動較大的一方，將集氣管翻板控制模式切換為手動狀態進行調節。當集氣管壓力穩定以后，先把翻板投入自動狀態運行，待生產工藝參控參數在正常值范圍內；再將鼓風機變頻投入自動狀態運行。換向時較大擾動的，處理方法：當換向信號到來時延時6 s程序內給翻板加大7%開度的同時，程序內PID自動停止運算；換向結束后翻板延時20 s恢復換向前的開度，程序內翻板調節PID恢復運算。

4 結束語

本文所述以集氣管翻板調節為主，煤氣鼓風機變頻調節為輔的雙PID控制集氣管壓力調節系統，在上海新華DCS系統中實現組態運行的效果良好，大大改善了焦爐煤氣生產及現場作業環境，能夠滿足實際生產的工藝要求，能保持集氣管壓力穩定在要求的工藝范圍內，增加了車間荒煤氣的回收量，提高了焦炭的精煉品質，控制了荒煤氣無序排放，節能降耗的經濟效益顯著。雙PID控制集氣管壓力調節系統，對于焦爐煤氣生產企業的技術提高有著重要意義。

[1]申凌云,何俊正.基于PI D控制的煤氣鼓風機變頻調速系統[J].電機與控制應用.2009，36(5):55-57.

[2]杜振慧.變頻調速裝置在煤氣鼓風系統中的應用[J].玻璃,2003(3):20-21.

[3]李盛,許建寧.鼓風機變頻調速和集氣管壓力自控裝置的改造[J].燃料與化工,2000(4):188-191.

[4]王暢平，楊學武.煤氣鼓風機變頻調速系統的PID控制[J].電工技術，2003（10）：30-31.

[5]彭光文.煤氣鼓風機變頻調速系統的應用[J].燃料與化工，2003，44(4):58-59.

Application of Double PID Control in Pressure Control of Gas Blower

LI Qiang1,2，ZHANG Ling3
(1.College of Information Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China; 2.Xishan Coal Gasification Co.,Ltd.,Gujiao 030205,China;3.College of Electrical and Power Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)

According to the actual complex working condition of coking,a pressure control system with double PID control for gas collector was designed,mainly on flap control of the gas collector and frequency regulation of gas blower as a supplement.In addition,the paper introduces the determination of controlled variables,control process,and realization in the PID.

blower;frequency conversion;PID;gas collector pressure

TM921.51

A

1672-5050（2015）01-0076-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.01.025

（編輯：劉新光）

2014-10-14

李強（1972-)，男，河北滄州人，在讀工程碩士研究生，高級工程師，從事焦化電氣技術管理工作。