焦?fàn)t集氣管壓力控制的論文.docx

焦?fàn)t集氣管壓力的智能協(xié)調(diào)控制葉魯彬 王屹 楊建波（浙江中控技術(shù)股份有限公司， 杭州 310053）摘要：焦?fàn)t集氣管壓力之間耦合嚴(yán)重，穩(wěn)定性較差，極易出現(xiàn)壓力振蕩現(xiàn)象。綜合考慮多集氣管及風(fēng)機、回流的特性，設(shè)計了一種集氣管壓力的智能協(xié)調(diào)控制方案：集氣管翻板閥采用雙模式pid算法，風(fēng)機或回流閥進(jìn)行整體吸力的協(xié)調(diào)控制，同時引入了振蕩檢測機制，并對壓力振蕩進(jìn)行抑制。該控制方案的效果已在焦化企業(yè)現(xiàn)場得到了實踐驗證，并在多個現(xiàn)場應(yīng)用。關(guān)鍵詞：集氣管壓力，耦合，振蕩，智能協(xié)調(diào)控制intelligent collaboration control of gas collection pipe pressure in coke oven processesye lu bin yang jian bo（zhejiang supcon co., ltd., hangzhou, zhejiang, 310053）abstract：in the gas collection process of coke ovens, the pipes have high coupling relations, which result in the unstableness of the pressure. the pressure oscillation phenomena are frequently reported in practical productions. this paper proposed an intelligent collaboration control solution, which take the characteristics of gas collection pipes, fan and the recycle pipe into consideration. dual mode pid algorithm is utilized in the gas collection pipe pressure control formulation and the fan speed and recycle valve are manipulated to keep the entire flow power. pressure oscillation detection is introduced here to prevent severe fluctuation of the pipe pressure. the proposed method has been validated and is widely used in the coke production plants.key words： gas collection pipe pressure, coupling, oscillation, intelligent collaboration control1 引言在焦化生產(chǎn)企業(yè)中，集氣管壓力是煉焦生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵指標(biāo)之一。集氣管壓力過高容易引起焦?fàn)t的煤氣泄漏，造成煤氣的浪費與環(huán)境的污染；壓力過低則炭化室容易吸入空氣，使焦炭燃燒，影響焦炭的質(zhì)量及焦?fàn)t的壽命，嚴(yán)重時還會影響到后續(xù)電捕裝置的安全運行等。通常，焦化廠里同時采用多臺焦?fàn)t生產(chǎn)裝置，連接多根集氣管，各管之間存在嚴(yán)重的耦合性，壓力對象穩(wěn)定性較差。在煉焦操作中，擾動因素很多，例如加煤、噴淋高壓氨水、出焦、加熱換向，會造成集氣管壓力的不穩(wěn)定，某一根集氣管的壓力波動會對其它集氣管造成影響，極易發(fā)生壓力振蕩現(xiàn)象，給安全生產(chǎn)帶來較大影響。常規(guī)pid控制較難滿足該對象對穩(wěn)定性和控制性能的要求1, 2。針對集氣管壓力這一高度耦合的對象，許多研究者提出了解耦控制方案1-5。然而解耦算法往往需要為實際對象建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型6, 7，由于數(shù)學(xué)模型中一些工藝參數(shù)值的獲取往往比較困難，而且隨著時間推移會發(fā)生變化。因此在實際應(yīng)用中，準(zhǔn)確建模是比較棘手的任務(wù)。一旦存在模型失配，對解耦效果影響較大，失配嚴(yán)重時甚至?xí)徽_的控制動作。為了提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性，根據(jù)集氣管壓力對象的特性，提出一種智能協(xié)調(diào)控制算法：采用雙模式pid，在不同的偏差下施以不同強度的控制作用，避免單一控制強度難以解決控制性能和穩(wěn)定性這一對矛盾；風(fēng)機和集氣管翻板閥協(xié)調(diào)控制，調(diào)節(jié)管路中的吸力水平，更加及時得消除擾動；引入壓力振蕩的檢測機制，一旦壓力存在振蕩趨勢，就進(jìn)行抑制。目前基于該算法，浙江中控技術(shù)股份有限公司開發(fā)了“多焦?fàn)t多集氣管壓力優(yōu)化控制解決方案”，在多個焦化廠應(yīng)用，控制效果已凸現(xiàn)。2 焦?fàn)t集氣管的先進(jìn)控制策略的設(shè)計2.1焦?fàn)t集氣管工藝流程典型的焦?fàn)t工藝流程如圖1。煤在焦?fàn)t中干餾，得到焦炭和焦?fàn)t煤氣，其中煤氣從焦?fàn)t頂部上升管進(jìn)入集氣管，經(jīng)過橋管匯總后進(jìn)入初冷器進(jìn)行冷卻，再通過電捕除去煤氣中的焦油，最后煤氣通過風(fēng)機后進(jìn)入后續(xù)深加工或供氣單元。風(fēng)機提供了煤氣在整個管路中流動的動力。風(fēng)機出口處有一路循環(huán)管，將部分煤氣送回初冷器前，通過回流閥進(jìn)行控制，用于輔助調(diào)節(jié)風(fēng)機的整體吸力。每根集氣管上有一個翻板閥，用于調(diào)節(jié)管內(nèi)壓力；風(fēng)機吸力則是采用變頻或液力耦合器調(diào)節(jié)；循環(huán)回流閥也是翻板閥。圖1 焦?fàn)t集氣管工藝流程2.2焦?fàn)t集氣管壓力智能協(xié)調(diào)控制算法集氣管路的壓力對象是一個多輸入多輸出的系統(tǒng)，集氣管翻板閥和風(fēng)機、回流閥都會對整個管路中的壓力產(chǎn)生影響，如圖2。圖2 集氣管路系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系根據(jù)集氣管整個管路壓力系統(tǒng)的特性，并融合了大量現(xiàn)場操作經(jīng)驗，設(shè)計了智能協(xié)調(diào)控制算法，具體邏輯結(jié)構(gòu)如圖3。圖3 智能協(xié)調(diào)算法結(jié)構(gòu)示意(1) 根據(jù)多變量過程控制方案的設(shè)計原則，操作變量和被控變量的配對應(yīng)選擇最相關(guān)的通道。根據(jù)工藝分析，集氣管上翻板閥是對管內(nèi)壓力影響最直接、最快的操作手段，因此選擇每根集氣管的翻板閥來控制該管壓力。集氣管容積較大，管中氣體壓縮性較大，閥門開關(guān)動作過劇烈容易造成壓力的波動，因此過強的pi作用對管內(nèi)壓力的穩(wěn)定性很不利。pi作用過弱則對擾動的抑制作用較弱，降低控制效果。因此為了達(dá)到穩(wěn)定性和控制性能的平衡，設(shè)計了雙模式pi控制，在不同的壓力情況下，比例和積分強度有所差異，以適用不同的工況。(2) 初冷器前吸力是整體管路動力輸送能力的體現(xiàn)，對集氣管壓力水平有較大影響，風(fēng)機負(fù)荷變化對其作用最為明顯，因此采用風(fēng)機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)初冷器前吸力。風(fēng)機出口部分煤氣通過回流管返回初冷器前，通過回流閥控制回流量?；亓鏖y調(diào)節(jié)與風(fēng)機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)共同組成選擇控制結(jié)構(gòu)，一般情況下，關(guān)閉回流閥以節(jié)能；而在一些特殊工況下，風(fēng)機轉(zhuǎn)速降到最低（防止喘振），此時采用回流閥調(diào)節(jié)以增大吸力的調(diào)節(jié)能力。(3) 大量實踐經(jīng)驗和現(xiàn)場試驗表明，焦?fàn)t裝煤和燃?xì)鈸Q向的操作對集氣管壓力的擾動影響較大，整個管路的吸力水平都會有明顯改變。此外，當(dāng)焦?fàn)t生產(chǎn)負(fù)荷改變時，也會影響集氣管路中的壓力水平。此時僅僅依靠集氣管上翻板閥的調(diào)節(jié)，速度和調(diào)節(jié)能力往往不足以抑制壓力擾動，因而設(shè)計了風(fēng)機協(xié)調(diào)機制，對整體吸力水平進(jìn)行調(diào)節(jié)，及時適應(yīng)管路整體流動的動力需求。(4) 集氣管壓力是極易發(fā)生振蕩的對象，從操作安全考慮，為其設(shè)計振蕩檢測算法。在振蕩發(fā)生的初期就能夠及時檢測，并根據(jù)振蕩強度自適應(yīng)修正pi作用強度，增加閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性。3 應(yīng)用案例根據(jù)該集氣管壓力智能協(xié)調(diào)控制算法，浙江中控技術(shù)股份有限公司開發(fā)了“多焦?fàn)t多集氣管壓力優(yōu)化控制”軟件。該軟件運行在工控機上，并通過opc協(xié)議與dcs進(jìn)行通訊。在某焦化廠進(jìn)行投運，該裝置包含兩座焦?fàn)t，每座焦?fàn)t包含兩根集氣管，風(fēng)機采用液力耦合器進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。之前，該現(xiàn)場采用常規(guī)pid控制，效果如圖4。圖中為3#焦?fàn)t對應(yīng)的a、b兩根集氣管，白線為集氣管壓力，綠為壓力設(shè)定值，藍(lán)線為翻板閥位?？梢钥闯?，由于翻板閥沒有與整體管路的壓力水平進(jìn)行協(xié)調(diào)，閥門經(jīng)常處于過高開度，對壓力波動的抑制不夠，造成集氣管壓力在受到擾動時的波動較大。圖4 某焦化廠集氣管壓力曲線（采用常規(guī)pid控制） 在該現(xiàn)場投運智能協(xié)調(diào)控制算法之后，壓力變化曲線如圖5。從結(jié)果中可以得出擾動發(fā)生后，集氣管壓力在調(diào)節(jié)作用下較快地回復(fù)至設(shè)定值，整體波動不大。與常規(guī)pid控制相比，穩(wěn)定性、調(diào)節(jié)能力都有顯著提高。圖5 某焦化廠集氣管壓力曲線（采用智能協(xié)調(diào)控制算法）基于集氣管智能協(xié)調(diào)控制算法的軟件產(chǎn)品已在多個焦化企業(yè)現(xiàn)場投運，實現(xiàn)了焦?fàn)t集氣管以及風(fēng)機裝置操作的自動化，大大降低了人工操作強度，抑制了壓力擾動，減少焦?fàn)t生產(chǎn)對環(huán)境的影響，同時降低了煤氣的浪費。4 結(jié)論集氣管壓力是焦?fàn)t生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵參數(shù)之一，焦?fàn)t集氣管壓力受擾動影響大，各管壓力之間存在較強的耦合作用，極容易產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象，給生產(chǎn)穩(wěn)定和安全性帶來嚴(yán)重影響。根據(jù)集氣管路的壓力特性，設(shè)計了一種智能協(xié)調(diào)控制算法，綜合考慮集氣管翻板閥、風(fēng)機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。此外針對極易振蕩的特性，增加了振蕩檢測的功能，及早發(fā)現(xiàn)振蕩趨勢，采取減弱控制作用來首先保證壓力的穩(wěn)定。浙江中控基于該算法已研發(fā)了“多焦?fàn)t多集氣管壓力優(yōu)化控制”，在實際應(yīng)用中驗證了其有效性和優(yōu)越性。目前已在多個焦化企業(yè)投運，顯著提高了焦?fàn)t生產(chǎn)自動化和節(jié)能環(huán)保水平。參考文獻(xiàn)1 閻瑾, 吳敏, 曹衛(wèi)華, 基于耦合度的集氣管壓力智能解耦控制. 冶金自動化, 2008. 32(4): p. 9-14.2 wu, m.等, intelligent decoupling control of gas collection process of multiple asymmetric coke ovens. ieee transactions on industrial 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