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多模型策略在大型焦炉集气管压力控制上的应用

2023-08-22 127 上传者：管理员

摘要：以某大型钢铁企业在7.63米焦炉集气管压力改造过程中的控制需求为基础，分析研究了该炉型工艺、集气管压力波动特点、工艺要求的特殊性等特点，采用多模型控制策略进行优化方案的设计，通过对不同工艺生产阶段对集气管压力波动干扰因素进行分段式控制优化，实现了集气管压力的生产过程平稳控制，达到了改造的工艺控制功能要求。

关键词：
7.63米焦炉
分段式
多模型策略
干扰因素
集气管压力
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7.63米焦炉是国内炭化室最高、单孔炭化室容积最大的焦炉之一，该焦炉是从德国引进的先进炼焦工艺技术，代表了当今世界炼焦工艺技术发展的方向，集中了炼焦工艺、焦炉机械、焦炉自动控制等方面的先进技术，具有国际领先水平。

大型焦炉集气管中的荒煤气导出系统经过了单上升管压力自动调压设备的处理，相对于未做处理的炉型来说，总的集气管压力波动情况有一定的改善。但是具体到不同的焦化企业因焦炉冷鼓的布局不同，集气管压力波动的干扰因素也会有一些特殊的情况，从而影响压力波动的干扰因素会更多，常规的处理方案很难满足生产工艺的控制要求，需要开发一些新的专用方案和方法去适应。

1、背景介绍

某大型钢铁企业在20世纪初引入该工艺，焦炉设计为2*70孔7.63米焦炉，其炭化室长、宽（平均）、高分别为18 000、590、7630 mm，设计结焦时间为25.2小时，单孔焦炭产量约为44.6吨，设计负荷133孔/天，全年焦炭产量近220万吨。

焦炉产生的荒煤气导出系统采用了独特的单炭化室压力调节装置PRoven系统（全称为Pressure Regulated OvenSystem，即单炭化室压力调节系统，是德国伍德（UHDE）公司针对7.63 m焦炉独特设计的），通过该系统可以自动实现在不同的结焦时间，上升管压力在60～160 Pa范围内波动，集气管输出部分为负压状态（常规焦炉无上升管压力单调系统时，集气管压力均为正压），其工作原理如图1所示。

图1 PROven装置的工作原理焦炉在建设之初随工艺引进了国外某品牌的DCS系统，并通过DCS系统进行集气管压力的控制操作，在早期环保政策下，控制效果尚可以满足当时的生产环保要求。近年来，随着国家环保政策的升级，原有系统越来越不能适应当前的生产环保要求。企业为了提升控制效果，对集气管控制系统进行系统改造，希望通过研究开发出全新的、针对该工艺特点的专用方案，提升生产操作控制的效果，满足安全环保的生产要求。

此次开发焦炉专用集气管压力优化控制方案改造的任务由浙江中控焦化APC先控团队承担设计并实施。

2、中控焦化APC简介

2.1集气管压力优化控制方案的发展

多年来焦炉集气管压力自动控制一直是行业内的一个难点和痛点，主要原因是集气管压力的模型特征为多干扰、强耦合、非线性等，使用常规PID控制方式很难长期、安全、稳定运行，国内许多专业公司根据焦化生产的工艺特点先后开发出了模糊控制、专家控制、先进控制等方案和产品，在一定条件下满足了大多数焦化炉型生产工艺需求，如4.3米、5.5米、6米、6.25米等常见炉型。随着先进控制算法、多变量预测算法的发展，集气管压力控制方案也越来越丰富，通过引入新的控制技术方案以适应焦炉生产工艺的需求变化，控制效果得到了很好的提升，满足了焦化企业生产环保的要求。

2.2中控焦化APC优化方案发展

浙江中控焦化APC先控团队从2005年成立，多年来一直致力于焦化生产过程的控制优化方案研究，其中焦炉集气管压力优化控制系统是众多优化产品方案中的一个。

从最初的DCS项目中集气管压力自动控制问题处理入手研究，到目前经过了多年的发展，已形成集工艺、设备、仪表、控制、操作等相关功能于一体的专业化的优化系统产品，经历了三个阶段：

第一阶段：常规DCS系统的模糊控制方案，即在原有DCS系统控制程序中使用专用集气管压力控制模块进行模糊化控制，其特点为：使用方便，在原DCS系统程序中增加功能即可，实现了简单的解耦功能、变PID功能、抗振荡功能等。不足是功能偏少，有一定的工艺和设备适用范围要求，现场调试需要具备一定的生产控制经验。

第二阶段：上位机专用优化软件平台PCO系统功能强大，可适用于原DCS系统是中控的和非中控的（通过OPC通讯采集数据），运行在上位机，可适应不同的工艺和设备要求，但优化服务器较为集中，OPC通讯有一定的滞后，无法实现真正的热冗余。

第三阶段：采用ECS-700系统+VF软硬件平台优化系统，继承了上位机软件的强大功能，并且在运算速度上更胜一筹，模型运行在下位机，系统硬件如主控制器、输入输出模块、网络、电源、服务器等实现了真正的热冗余，可很好地适应各种工艺设备要求，运行稳定可靠，效果良好。

3、方案实现

中控焦化APC团队成员首先到现场对现有控制方案及效果进行了分析，并与企业自动化维护人员进行了详细的沟通讨论，了解到该工艺的一些现状和难点。

3.1工艺情况

焦炉装煤后，就会产生大量的荒煤气经由炭化室到上升管，在上升管处经过PRoven系统的自动调压，输出后汇总到总集气槽，再到本段的集气管，经过手动翻板和自动翻板，就到下一工段：冷鼓工段（初冷器、电捕、风机等）、煤气净化工段，处理后的煤气外供。

可以看出，每座焦炉有三段集气管，两座焦炉共计6段，冷鼓工段位置位于两座焦炉的一侧，其中1#集气管距离风机最近，6#集气管距离风机最远。一般来说，影响集气管压力波动的因素有几种：装煤过程、高压氨水导烟除尘的喷撒、机后压力变化、生产负荷变化、集气管与集气管之间的耦合、集气管与风机之间的耦合、相关仪表设备的调节精度、焦化厂生产区域位置布局等因素，在该焦化厂与常见焦化在设计上有一定的不同，比如7.63米的炉型，没有高压氨水导烟除尘，增加了单炭化室压力自调系统，压力波动相对平稳。风机房与两座焦炉的位置非对称，距离风机最近端集气管和最远端集气管在风机相同转速下，吸力相差较大，存在严重的不平衡，使得越远端的集气管压力相对越难以控制。

3.2控制情况

集气管压力控制方案采用的是DCS系统中的常规PID单回路的控制模式，在焦炉生产的不同阶段会有较大的波动，尤其是装煤时，压力的变化较为剧烈，极易造成振荡，且振幅较大，如果操作人员不及时干预的话，很容易引起振荡发散，造成焦炉炭化室的负压或是正压引起焦炉冒烟冒火。集气管压力变化趋势。

另外由于焦炉与冷鼓风机房的位置的设计，相对1#焦炉来说，2#焦炉距离冷鼓风机较远，其中6#集气管最远，1#集气管最近，在1#焦炉的装煤后期，由于风机转速的下降，初冷器前吸力变小，6#集气管翻板开度到最大值时，压力也不能降到正常范围内，时常会引起冒烟现象的发生。

3.3难点分析

从以上分析看出，影响集气管压力波动的因素有以下几点：

1）每座焦炉有三段集气管，两座焦炉共有六段集气管，调节时存在较强的耦合性；

2）焦炉与冷鼓布局为非对称模式，对各集气管来说，相同的风机所产生的吸力是不平衡的；

3）在生产过程中不同的阶段，压力要求也是不同的，尤其是在装煤和非装煤阶段，压力要求差别较大，非装煤时压力控制值最高，装煤时压力控制值最低；

4）每个炭化室上升管处均装有压力单调设备，不同生产阶段单调设备控制模式不同，输出的荒煤气流量也有较大的变化，这也是引起集气管压力波动的重要因素之一；

5）焦炉生产过程中一些不可预测的干扰因素（如操作、清扫等）时常发生。

3.4方案设计

综合以上控制难点分析，APC团队在原有集气管压力控制的方案上开发出了一些针对性的控制策略。

(1）解耦算法模型（解耦控制法）

集气管压力控制中，不同的翻板之间、翻板与风机或大循环之间均存在较强的耦合性，通过解耦算法模型，可以实时分析耦合强度的变化，耦合诱因分析（源头确认），耦合跟随分析（被动确认），在超过一定阈值时及时对源头和跟随动作进行限制，从而减弱或解除耦合作用。

(2）振荡分析模型（振荡刹车法）

集气管压力控制中振荡是经常会发生的，通过对集气管压力趋势的分析预测，当预测到振荡风险达到设定域值时，抗振荡模型投入运行，及时对翻板控制模型参数进行限制或优化，从而逆转集气管压力的振荡变化趋势，实现压力的平稳控制。

(3）设定值自适应模型（多段法）

通过对工艺的分析发现，集气管压力的主要干扰是在装煤过程、结束两个阶段，与非装煤阶段的压力控制值有一定的偏差，因此对于集气管压力设定值来说，如果不分阶段采用同一个设定值时，可能会出现，在某些阶段压力偏高，易冒烟，某些阶段压力又偏低，易负压。因此自动去识别不同的运行阶段，自动调整集气管压力设定值也是控制优化方案中的一个重点。

于是我们在方案的开发中，对原本固定的集气管压力设定值进行了分段设定、自动识别、自动切换、自动适应等策略。

首先是装煤阶段。

装煤开始信号触发压力设定值由-200 Pa（画面可设定）切换至-350 Pa（画面可设），本段对应所有炉号装煤过程中装煤信号一直处于得电保持状态，直至本段装煤结束信号消失，装煤信号出现下降沿的同时计时器开始计时，进入到下一保压阶段。

保压阶段时间为装煤结束之后持续一小时（具体时间可根据工况调整）。

当保压阶段计时时间大于1小时（画面可设定），进入成焦阶段，压力设定开始升压，由-350 Pa（画面可设）变至-300 Pa（画面可设），之后持续一段时间（画面可设定），当计时时间大于2小时（画面可设定），压力设定升压至-200 Pa，在保压几分钟之后将计时器清零，设定值完成了整体过程切换。

(4）管网平衡控制模型（平衡法）

现场生产过程中由于存在1#、2#炉吸力分配不均的状态，在2#炉6#段及1#炉1#段装煤生产过程中，2#的各段翻板都会持续在最大开度，导致2#炉翻板调节失效，为此专门设计开发了管网吸力平衡控制模型。在以上状态出现时，降低1#炉的吸力，补偿给2#炉，使得2#炉翻板开度降低，可出现开度可控的状态，使得集气管的压力调节优于原系统的调节效果。

新的设计方案与原有集气管压力优化方案有一定的相同和差异，相同点主要体现在基础控制模型上，如双增益PID模式，不同之处主要体现在部分原有模型的重新设计与改进（如解耦与抗振模型），更有利于快速检测与消偏，在模型的多样性上增加了针对7.63米焦炉特殊工艺的专用模型（特定的专家与规则策略）的使用。

4、调试与投运

本次焦炉集气管压力控制优化改造从开始工艺设备技术方案讨论、方案定型、模型开发、现场试用、参数优化、调试过程中针对新问题出现进行方案模型调整等，最终完全投运，历经了六个多月，效果达到预期。

5、应用效果

经过新系统方案的现场应用调试以及对APC模型中的参数的多次修改与优化，在焦炉生产的全过程中，实现了压力设定值的自动切换及自动优化参数的控制，保证了集气管压力的平稳控制效果。

1）集气管压力平稳性由改造前控制的设定值±50 Pa合格率在50%左右提升到了80%左右；

2）大大减少了大负压的发生，降低了煤气中的含氧量（装煤时在0.7%左右，非装煤时在0.2%～3%);

3）杜绝了装煤时集气管压力偏高引起的冒烟冒火情况，改善了焦炉的生产操作环境，煤气的回收量也得到一定提高（此部分暂无具体数据），集气管压力平稳控制，正常工况下无需操作人员干预，全自动安全稳定运行，为焦炉的安全生产、环保生产起到保驾护航作用，达到了改造的预期目标，得到企业的认可。

6、结束语

通过此次方案模型的开发与调试，浙江中控焦化APC团队成员对于7.63米焦炉的工艺、设备、操作等均有了较深的理解，对于大型焦炉中的单上升管压力自动调节设备对集气管压力影响的变化、控制方案等也有了进一步的拓展与实践，为今后相关工艺的优化提供了思路和方向，与原有常规焦炉优化方案进一步整合，可形成更完善的工艺自适应的控制优化解决方案。

参考文献:

[1]贺世泽,李守成.7.63米焦炉的先进技术及运行经验[J]燃料与化工, 2011. 42(4):16-19.

[2]邱全山,毕振清,任瑞峰,等马钢新区7.63米焦炉系统建设及生产运行经验[J].冶金动力, 2011(1):28-31.

[3]张珍.7.63m焦炉集气管压力调节系统-PROven系统调节概述[J]科技情报开发与经济, 2007(27):275-276.

文章来源:李海祥,温美德,林光辉等.多模型策略在大型焦炉集气管压力控制上的应用[J].工业控制计算机,2023,36(08):64-66.