焦炉集气管压力与鼓风机综合控制系统

焦炉集气管压力与鼓风机综合控制系统焦炉集气管压力与鼓风机综合控制系统在炼焦过程中，集气管中的压力不断改变，特别是在焦炉装煤时，会造成集气管压力大幅波动。

集气管压力过低时，空气会进入炉体，导致焦炭燃烧，降低煤气质量，如果大量空气吸人到炭化室及荒煤气中，甚至会引起生产事故。

当压力过高时，荒煤气将会从炉门、炉盖等处冒出，一方面可能烧毁炉门铁件，污染环境，另一方面降低了荒煤气的回收率。

压力波动过大，还会对焦炉除尘系统造成不利影响。

由于影响因素多而且难以克服，各调节回路间又存在较复杂的耦合作用，使集气管压力调节成为焦炉控制中的一个技术难题…。

针对这种典型的具有工况复杂、强干扰、多变量、耦合、时变、非线性等特点的装置 ] ，中冶焦耐工程技术有限公司设计了焦炉集气管压力与鼓风机综合控制系统，目前已在山西洪洞、辽宁本溪、江苏张家港等国内多家大型焦化厂成功应用，并取得满意的控制效果。

1 控制目标根据炼焦生产的原理，要求集气管压力维持在适当范围内，才能保证结焦末期炭化室底部不出现负压，焦炉又不出现冒烟现象。

焦炉集气管压力与鼓风机综合控制系统能实现多座焦炉的解耦控制，快速消除干扰，同时使多座焦炉集气管压力稳定，减小环境污染，并通过自动调整鼓风机前的吸力，实现鼓风机前整个煤气系统的自动控制。

1． 1 对象特性分析某典型焦化厂焦炉集气管压力系统如图 1 所示，焦炉荒煤气从各炭化室通过上升管时被低压循环氨水冷却，然后进入集气管，从集气管到初冷器分为两个吸气系统，即1，2 号焦炉为一个系统， 3，4 号焦炉为一个系统，经过初冷器和电捕焦油器后，由鼓风机送往化产工序。

多座焦炉共用鼓风、冷凝系统及集气管并联成一根总管进入初冷器，构成集气管之间的压力耦合，对其中任何一个对象的调节都会影响到另一个对象，由于气体具有可压缩性，一旦煤气发生量、用户负荷或鼓风机转速等波动较大，就会造成系统的不稳定。

1． 2 主要影响因素集气管压力受到焦炉煤气发生量、调节阀的开度、鼓风机吸力、机前和机后阻力等多方面因素的影响，还会遇到多组焦炉煤气管道的不对称性，以及管网压力的波动等问题 J 。

这些因素的影响是动态和不确定的，无法求得对象准确的数学模型。

焦炉正常生产过程中，集气管压力的主要影响因素如下：(1) 焦炉操作的影响焦炉炭化室处在不同的结焦时刻，荒煤气的发生量不相同。

在我国多数焦化厂的装炉煤水分偏高，水汽化后的体积要增大 1 000多倍，在装炉的2. 5〜3 min内，只要有1 /10的水汽化，就可以产生上百 m 的蒸汽，使荒煤气发生量较结焦末期瞬时增加，造成本座焦炉集气管压力急剧升高，这将加剧装煤过程烟尘外泄 J ，并可能使集气管压力调节阀快速进入不灵敏区，从而失去调节作用。

(2) 常规调节系统的局限性由于常规调节系统的参数整定是在一定工艺状况下进行的，而焦炉集气管压力却是时变和非线性的，所以调节系统本身参数整定具有局限性。

焦炉集气管在初冷器前管道互通，对任何一座焦炉集气管压力的调节过程必然影响到其它焦炉集气管压力的稳定，从而形成典型的集气管并联耦合振荡现象，这种振荡在装煤和喷洒高压氨水的过程中尤为严重。

2 系统结构焦炉集气管压力与鼓风机综合控制系统硬件设备利用已有集散控制系统(DCS)的系统资源，不再增加额外的硬件投资；应用软件采用模块化结构，利用DCS内部控制模块及内部语言编写，部分采用C语言编写的模块，通过OPG!信技术和DCS间无缝连接，与国内外DCS兼容性好。

图 2 所示为应用软件模块结构。

3 控制原理传统 PID 控制很难兼顾减小超调和提高响应速度的要求，尤其当测量值瞬时大幅度变化时，调节就显得力不从心。

焦炉集气管压力与鼓风机综合控制系统采用变参数 PID 控制算法，根据期望响应，用偏差信号的非线性函数分别自动调整比例、微分和积分参数的大小，以改善系统的动态特性。

综合控制系统集成非线性PID控制、智能解耦、前馈控制、模糊控制等多种先进控制策略的优点，结合鼓风机前吸力调节各座焦炉集气管压力，在运行过程中不断调整控制模块参数，以适应各种生产状况的变化，增强了抗干扰能力，基本控制原理如下：(1) 各调节回路均采取智能非线性PID控制，自动根据生产情况选取最合适的 PID 参数组合值，并设有死区，使偏差达到工艺要求范围的同时，避免因控制对象反应滞后而出现超调并避免调节阀频繁动作。

(2) 当焦炉集气管压力变化产生耦合作用时，自动采用消耦合控制模式，消除集气管压力的耦合扰动；当各座焦炉集气管压力较长时间存在按同一方向变化的偏差时，通过调节鼓风机前吸力加以克服。

(3) 对鼓风机前吸力采取多参数智能控制方法，将多座焦炉集气管压力和阀位反馈信号模糊识别、综合处理后作为鼓风机前吸力调节的前馈值，自动动态调整鼓风机前吸力调节回路的控制参数。

(4) 监视各焦炉集气管调节阀的开度，对各集气管压力调节阀的响应特性进行非线性补偿，克服调节阀动态响应特性畸变的影响；监视阀门动作方向，对机械死区进行补偿；通过动态自动优化鼓风机前吸力设定值，使调节阀的工作点经常处在线性可调区。

4 主要控制模块本系统的主要控制模块如图 2 所示。

其中焦炉集气管压力控制模块、鼓风机前吸力控制模块和前馈控制模块的基本控制回路在DCS内通过组态方式建立，回路的工作参数通过 C语言编写的程序动态调整；偏差预处理模块、耦合检测和消除模块以及调节阀开度整定与动态补偿模块利用C语言编制。

4． 1 偏差预处理模块焦炉集气管压力通常只有100 Pa左右，很容易受到各种干扰的影响，通过对偏差(即设定值和测量值的差 )进行预处理，能使调节模块准确识别有效偏差信号，快速消除干扰并避免振荡发生，如果偏差在工艺允许的范围内，则不进行频繁调整，以延长液力耦合器、鼓风机、执行机构和调节阀的寿命。

上述控制思想通过对偏差信号进行折线校正来实现。

图3为偏差校正曲线，通过设定死区 (D ) 对集气管压力偏差 (E )值进行修正，得出有效的偏差信号 (E )，并传递给集气管压力和鼓风机前吸力控制模块的非线性PID算法进行控制。

4．2 耦合检测和消除模块焦炉集气管压力系统是一个多变量耦合系统，焦炉与焦炉并联，存在着负耦合关系，焦炉与鼓风机串联，存在着正耦合关系。

控制回路参数整定不当是诱发耦合的主要原因，因为手动调节时一般不会出现耦合。

系统各控制回路采用可变死区可以预防耦合的发生，耦合监测和消除模块可以监控由于操作或控制系统灵敏度高可能造成的下述耦合。

(1) 各焦炉集气管间的耦合控制焦炉进行操作时，经常会出现一座焦炉集气管压力过高，而其他焦炉集气管压力过低的不平衡状态，不是造成跑火放散，就是在炭化室底部产生负压。

此时的特征是：两集气管压力反方向波动，但鼓风机前吸力变化不大。

解决焦炉集气管间耦合问题的方法如下：设e〜e分别为1〜4号焦炉集气管压力偏差；e为鼓风机前吸力控制模块的偏差。

当 e +e +e +Pr4<80 Pa 并且 abs(e I)+abs(er2)+abs(Pr3)+abs(e|4)>200 Pa 并且 abs(eI5)<0 ．15 kPa 条件满足，而且持续时间超过 5 s ，则认为发生耦合，采用消耦合控制模式，将偏差最大的调节模块的输出调整到安全状态，就可以很快消除耦合。

(2) 集气管与鼓风机间的耦合控制如果鼓风机前吸力波动较大，可能会引起各座焦炉集气管压力同时产生振荡。

其特征是：各集气管压力同方向波动，但与鼓风机前吸力变化方向相反。

此时可以通过降低鼓风机前吸力调节模块增益来消除耦合。

4． 3 前馈控制模块前馈控制能快速补偿干扰对被控变量的影响，但要求获得对象的数学模型，同时干扰可测。

由于本系统中对象模型参数不确定，因此对干扰只实现了部分补偿，可以在一定程度上提高系统响应时间。

本系统将前馈控制与反馈控制结合起来，利前馈控制克服主要干扰的影响，反馈控制克服其余干扰以及前馈补偿不完全的部分，即使在大而频繁的干扰下，依旧可以获得优良的控制品质。

前馈值 D(t) 的计算方法如下：式中分别为前馈调节模块的比例增益和积分时间。

4． 4 调节阀开度整定与动态补偿模块一般情况下，不同的鼓风机前吸力都可以保证集气管压力在工艺允许的范围内，但对应集气管压力调节阀的开度却不同。

相同的煤气流量，如果阀门开度大，所需要的鼓风机吸力就小，如果阀门开度小，所需要的吸力就大。

由于受管道阻力和工艺阀门的影响，调节阀动态特性只有在一定区间才可能近似等百分比，因此，在保证集气管压力处于正常范围的前提下，可以将调节阀整定在调节效果最理想的开度。

当焦炉集气管压力调节阀开度不在合适的区间时，即使压力能稳定在合理的范围内，也要通过调节鼓风机前吸力来改变焦炉集气管压力调节阀的开度，以便系统能更有效地克服未来可能出现的干扰。

为避免对正常调节过程造成较大干扰，鼓风机前吸力调节过程以缓慢改变吸力设定值的方式来实现，吸力设定值的修正值式中，e州〜e 一分别为阀门开度偏离合理范围的差值；K分别为模块的比例增益和积分时间。

由于调节阀不是在理想条件下工作，对应同一调节增量，在不同开度时的调节效果不一样，所以需要补正。

阀门开度小时，输出变化要平缓；阀门开度大时，输出变化应该快。

如果上次开阀方向和本次开阀方向不一致，还要增加补偿值，用于对其机械死区的动态补偿。

4．5 集气管压力控制模块集气管压力用带有死区的位置式非线性 PID 方式控制，设有死区的目的在于当偏差达到工艺要求范围时，可以避免控制对象反应滞后而出现的超调并避免调节阀频繁动作。

当集气管压力正常波动时，本模块采用小比例增益、小积分时间来持续缓慢调节集气管压力，可以克服干扰并防止振荡；当集气管压力波动较大时，模块采用较大比例增益、较大积分时间来控制集气管压力，迅速克服干扰，并避免超调。

如果可调节变量达到限制值，则积分作用停止，如果偏差使积分作用回到可调节范围，则积分作用重新被启用，当设定值发生变化时，弱化比例作用。

其数学表达式为：式中， U(t) ， e， (t) 分别为 t 时刻控制器输出和输入偏差信号； [e (t)] ， [e (t)] ，。

[e (t)] 分别为集气管压力控制模块比例增益、积分时间和微分时间的三个非线性函数。

4． 6 鼓风机前吸力控制模块鼓风机前吸力与集气管压力有着密切联系，人工操作时，其设定值不会经常调整。

在本系统中，由鼓风机前吸力控制模块动态调整鼓风机前吸力。

同时为安全起见，将鼓风机轴位移、轴振动和转速纳入系统的在线监控，并作为吸力调节的约束条件，达到稳定集气管压力并防止鼓风机喘振的目的。

如果多座焦炉集气管压力调节回路的偏差持续同方向变化，则可以通过调节鼓风机前吸力来克服单独调节各个集气管压力所造成的调节阀问的耦合作用，避免当焦炉荒煤气变化较大时各集气管调节阀开到极限状态，迅速稳定焦炉集气管压力。