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智能协调控制系统在焦炉集气管压力调节中的应用

1 引言

  焦炉集气管压力、鼓风机前吸力是焦化生产工艺上需要控制好的两个重要参数。其中集气管压力直接影响焦炭的质量、炉体寿命、焦化化产品回收率、能源消耗和环境污染等,而风机前吸力则是整个焦炉和化产回收系统能否在设计工艺条件下运行的关键参数。

  2005年,我厂在原有两座4.3-80型顶装焦炉的基础上增建了一座60孔jndk43-03f型复热式、单集气管捣固焦炉,组成了共五根集气管,同用一套鼓冷系统的生产体系。复杂的工艺使各集气管压力自动调节相互间耦合现象严重,造成各集气管压力难以稳定,机前吸力也难以控制,原设计的集气管压力和机前吸力自动化控制系统事实上难以完全满足新的生产工艺需要,并因此造成三座炉子冒烟冒火现象非常严重,直接影响了焦炉的正常生产以及生产环境。为此,我厂对焦炉集气管压力调节系统进行了优化改进。

2 原控制系统分析

  在3#焦炉投产初期,原1#、2#焦炉集气管压力调节分别由数字调节器、压力变送器等仪表组成单回路控制系统来控制各自的集气管的压力,而3#炉是由交换机控制室的西门子s7-300plc计算机控制系统组成单回路控制系统分别控制a、b两根集气管压力。机前吸力则由鼓风机控制室西门子pcs7控制系统,通过鼓风机转速的自动调节达到控制机前吸力的目的。

  2.1 原控制系统工作原理

  (1) 集气管压力调控。1#、2#焦炉现场变送器将测得的焦炉集气管压力信号转换为4~20madc电信号,送到数字调节器进行pid运算处理,再根据当前压力值同内部给定值的偏差大小,从而输出相应的4~20madc电信号给电动执行机构,控制阀门的开关,达到压力控制的目的。3#焦炉则将现场变送器将测得的焦炉集气管压力信号转换为4~20ma dc电信号送到模块转换成数字信号后再送至plc进行运算处理,然后再输出相应的4~20ma dc电信号给集气管a、b的电动执行机构,达到集气压力控制的目的。

  (2)鼓风机前吸力调控。根据转速越大,吸力越大,反之转速越小,吸力越小的控制规律,风机前吸力变送器检测出的初冷器前吸力信号转换为4~20ma dc电信号,送到模块处理后再送至plc进行运算处理,plc再根据上位机的判断确定当前压力值同内部给定值的偏差大小,从而发出相应的指令通过模块输出信号给电动执行机构,控制风机转速,从而实现风机前吸力的控制。

  2.2 系统存在问题

  (1)焦炉耦合。集气管系统包括四个集气管管段的压力控制,四个集气管压力控制之间由于管道互通,因此存在非常强的耦合效应,导致各个集气管压力的调节相互干扰,互相激励,难以稳定。

  (2)推焦、装煤、喷洒高压氨水等强扰动。推焦、装煤,尤其是喷洒高压氨水,引起集气管压力大幅度波动,同时由于焦炉间的耦合效应,诱发整个集气管压力很长时间难以稳定下来,由此引起炭化室压力偏高或者偏低,出现冒烟冒火或者负压等情况。

  (3)焦炉换向。焦炉换向期间,焦炉停止加热。在使用焦炉煤气加热的情况下,回炉煤气量减少,使得机后压力改变,进而改变风机的吸气量,影响集气管压力,成为诱发集气管压力不稳定的根源之一。

  (4)焦炉产气量波动。每座焦炉在结焦的不同阶段产生的荒煤气的量是变化的,对于同一座焦炉,不同的结焦周期下单位时间内产生的荒煤气的量也是不同的。任何一座焦炉荒煤气发生量的变化在改变自身集气管压力的同时,将改变整个集气管系统内各点压力。

  (5)初冷器和管道阻力变化。荒煤气中部分杂质会粘凝在初冷器和煤气管道内,实际的煤气流通截面面积相应变化,导致阻力变化,风机的实际吸气量改变,进而影响集气管压力。这种阻力的变化也影响风机与集气管压力之间的动态特性。阻力越大,集气管压力对风机吸力越不灵敏。

  (6)风机转速的问题。由于临界转速与设计转速不符,当风机转速达到2000转/分或小于1500转/分时,风机就会发生异常声音,加上集气管压力的不稳定,在自动调节吸力时,可能将风机转速调至过大,以致风机油温升高而烧坏鼓风机。

  因为上述原因造成1#、2#、3#焦炉集气管压力波动极大,焦炉浓烟滚滚,大火冲天,严重影响周边环境,并导致一度停产。

3 改进方案

  为满足工艺要求,我们针对原控制系统设计的不足进行了一系列改进。

  3.1 第一次改进

  因为稳定的机前吸力是保证对集气管压力进行稳定调节的前提,所以在3#焦炉投产初期,针对自动调节风机转速仍难以把握鼓风机前吸力大小的现象,我们利用液力偶合器,通过盘装电动操作器手动调节翻板开关来控制、调节风机转速,以达到稳定控制吸力的大小。

  第一次改进后系统工作原理如图1所示。

  第一次改进后确实稳定了机前吸力,并在一定程度上满足了工艺对压力的要求。但人工调节又无法满足工艺方面压力必须稳定均衡的要求,并且耦合现象仍然存在,各集气管压力还难以稳定。

  3.2 第二次改进

  为解决上述问题,2007年我们将集气管压力控制系统改用智能协调系统。该系统是一种先进的控制手段,可解决传统控制方法无法解决的复杂生产过程的控制问题;实现更加优化的控制目标;满足更加苛刻的生产约束条件,如图2所示。

  (1)系统构成及工作原理。该系统主要由工业控制计算机,液力偶合器,电动执行器,传感器等构成。由工控机对系统进行实时监控,通过采集到的集气管压力,执行器状态,影响集气管压力波动的信号等参数,经工控机运算处理后,将控制信号送执行器执行稳定集气管压力。其控制过程是:以一台工业控制计算机构成控制系统的核心,将集气管压力,碟阀开度,机前吸力,机后压力,风机转速等信号接入控制系统,控制系统根据设定的集气管压力对碟阀开度进pid控制当实际压力高于设定压力时开阀:当实际压力低于设定压力时关阀。当碟阀关到一定程度(该值可以设定)集气管压力仍有低于设定压力的趋势时,控制系统将发出降低鼓风机转速的控制信号,以减小吸力,反之则提高转速,增加吸力。若鼓风机的转速已降到接近临界转速,集气管压力仍低于设定压力(碟阀仍关到最低值)时,为避免鼓风机共振,此时控制系统将不再将低鼓风机转速,而通过语音报警通知操作工进行相应的手动调节。若煤气用户的用气量减小(机后压力增高),导致机前吸力降低而前述方法不能调节时,控制系统可自动打开煤气放散阀或向煤气气柜输气管的调节阀(并可同时发出语音报警)以提示操作工手动。

  系统通过获得影响集气管压力信号,可对放散阀(或输气阀)等进行提前调节,以保证集气管压力的稳定。

  通过鼓风机转速的调节,可使集气管碟阀角度在设定的范围内保证足够的阻力参数,增加调节的灵敏度。最终系统将稳定在至少有一碟阀处于开度最大的状态下,以尽量减小系统的阻力,即最大限度地节省电能。

  由于在正常生产中,鼓风机机前(气液分离器,初冷器等)设备的阻力变化,为了保证生产的安全,设置鼓风机机前吸力上限指标当机前吸力达到我们设定的上限时,不管集气管压力如何,鼓风机都将逐渐减速以使机前吸力恢复到安全值。

  每座焦炉都增设一个控制器这样,当协调控制系统出现故障时可由上升管工在现场手动控制,直至控制系统被修复为止。

  (2)集气管压力智能协调控制系统主要功能有:稳定集气管压力,满足炼焦生产要求;采集炼焦、鼓风、化产数据,自动分析运行工况;动态调整系统运行参数;协调焦炉上升管翻板、初冷器前吸力、风机;克服推焦、装煤、喷洒高压氨水等强干扰;降低设备损耗;降低生产能耗;降低人工劳动强度,提高系统运行可靠性。智能协调控制操作画面如图3所示。

4 应用效果

  经过上述改造后,系统控制不仅满足了新的工艺要求,还产生了良好的效益。稳定了集气管压力,在正常生产工艺条件下,集气管压力90%以上的时间控制在压力设定值不大于10~20pa范围内,满足了新的工艺要求。控制灵敏。若由于装煤,高压氨水等干扰因素使集气管压力超标时,将在30秒内调回,各个分集气管压力控制具有良好的设定值跟踪能力,设定值可在线修改,在强干扰的情况下35秒内恢复正常。减少了集气管压力电动执行机构动作频率,避免执行机构过热,提高了可靠性,降低了磨损;在焦炉数量增减(如因某座焦炉集气管压力调节翻板暂时损坏的情况)集气管压力控制系统要对其余焦炉继续实施有效控制,在恢复正常后,可以无扰动地将其纳入控制系统。在提供新的集气管压力控制方式的同时,保留常规控制方式,二者可以平稳、快捷的切换,对生产没有扰动。实现了风机转速的计算机自动调节,并具有主要参数高/低限报警功能。

5 结束语

  焦炉集气管压力控制系统经过优化后,取得了明显的社会效益:提高集气管压力满足工艺要求后,明显杜绝了焦炉冒烟冒火现象,对改善焦炉工作条件和适应新的环保要求产生了良好效益。化产产率和煤气质量有较大的提高。一是一因为系统压力稳定.使焦炉和煤气净化系统都能在工艺设计条件下运行;二是智能系统的应用优化了工艺条件。智能协调系统安全稳定性好,对焦炉稳产意义重大。

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