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1、焦炉集气管压力的智能协调控制叶鲁彬 王屹 杨建波（浙江中控技术股份有限公司， 杭州 310053）摘要：焦炉集气管压力之间耦合严重，稳定性较差，极易出现压力振荡现象。综合考虑多集气管及风机、回流的特性，设计了一种集气管压力的智能协调控制方案：集气管翻板阀采用双模式PID算法，风机或回流阀进行整体吸力的协调控制，同时引入了振荡检测机制，并对压力振荡进行抑制。该控制方案的效果已在焦化企业现场得到了实践验证，并在多个现场应用。关键词：集气管压力，耦合，振荡，智能协调控制Intelligent Collaboration Control of Gas Collection Pipe Pressure
2、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 reporte
3、d 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
4、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
5、, Coupling, Oscillation, Intelligent Collaboration Control1 引言在焦化生产企业中，集气管压力是炼焦生产过程中的关键指标之一。集气管压力过高容易引起焦炉的煤气泄漏，造成煤气的浪费与环境的污染；压力过低则炭化室容易吸入空气，使焦炭燃烧，影响焦炭的质量及焦炉的寿命，严重时还会影响到后续电捕装置的安全运行等。通常，焦化厂里同时采用多台焦炉生产装置，连接多根集气管，各管之间存在严重的耦合性，压力对象稳定性较差。在炼焦操作中，扰动因素很多，例如加煤、喷淋高压氨水、出焦、加热换向，会造成集气管压力的不稳定，某一根集气管的压力波动会对其它集气管造成影
6、响，极易发生压力振荡现象，给安全生产带来较大影响。常规PID控制较难满足该对象对稳定性和控制性能的要求1, 2。针对集气管压力这一高度耦合的对象，许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为实际对象建立准确的数学模型6, 7，由于数学模型中一些工艺参数值的获取往往比较困难，而且随着时间推移会发生变化。因此在实际应用中，准确建模是比较棘手的任务。一旦存在模型失配，对解耦效果影响较大，失配严重时甚至会不正确的控制动作。为了提高控制系统的稳定性和鲁棒性，根据集气管压力对象的特性，提出一种智能协调控制算法：采用双模式PID，在不同的偏差下施以不同强度的控制作用，避免单一控制强度难以解决控
7、制性能和稳定性这一对矛盾；风机和集气管翻板阀协调控制，调节管路中的吸力水平，更加及时得消除扰动；引入压力振荡的检测机制，一旦压力存在振荡趋势，就进行抑制。目前基于该算法，浙江中控技术股份有限公司开发了“多焦炉多集气管压力优化控制解决方案”，在多个焦化厂应用，控制效果已凸现。2 焦炉集气管的先进控制策略的设计2.1焦炉集气管工艺流程典型的焦炉工艺流程如图1。煤在焦炉中干馏，得到焦炭和焦炉煤气，其中煤气从焦炉顶部上升管进入集气管，经过桥管汇总后进入初冷器进行冷却，再通过电捕除去煤气中的焦油，最后煤气通过风机后进入后续深加工或供气单元。风机提供了煤气在整个管路中流动的动力。风机出口处有一路循环管，将
8、部分煤气送回初冷器前，通过回流阀进行控制，用于辅助调节风机的整体吸力。每根集气管上有一个翻板阀，用于调节管内压力；风机吸力则是采用变频或液力耦合器调节；循环回流阀也是翻板阀。图1 焦炉集气管工艺流程2.2焦炉集气管压力智能协调控制算法集气管路的压力对象是一个多输入多输出的系统，集气管翻板阀和风机、回流阀都会对整个管路中的压力产生影响，如图2。图2 集气管路系统输入输出关系根据集气管整个管路压力系统的特性，并融合了大量现场操作经验，设计了智能协调控制算法，具体逻辑结构如图3。图3 智能协调算法结构示意(1) 根据多变量过程控制方案的设计原则，操作变量和被控变量的配对应选择最相关的通道。根据工艺分
9、析，集气管上翻板阀是对管内压力影响最直接、最快的操作手段，因此选择每根集气管的翻板阀来控制该管压力。集气管容积较大，管中气体压缩性较大，阀门开关动作过剧烈容易造成压力的波动，因此过强的PI作用对管内压力的稳定性很不利。PI作用过弱则对扰动的抑制作用较弱，降低控制效果。因此为了达到稳定性和控制性能的平衡，设计了双模式PI控制，在不同的压力情况下，比例和积分强度有所差异，以适用不同的工况。(2) 初冷器前吸力是整体管路动力输送能力的体现，对集气管压力水平有较大影响，风机负荷变化对其作用最为明显，因此采用风机转速调节初冷器前吸力。风机出口部分煤气通过回流管返回初冷器前，通过回流阀控制回流量。回流阀调
10、节与风机转速调节共同组成选择控制结构，一般情况下，关闭回流阀以节能；而在一些特殊工况下，风机转速降到最低（防止喘振），此时采用回流阀调节以增大吸力的调节能力。(3) 大量实践经验和现场试验表明，焦炉装煤和燃气换向的操作对集气管压力的扰动影响较大，整个管路的吸力水平都会有明显改变。此外，当焦炉生产负荷改变时，也会影响集气管路中的压力水平。此时仅仅依靠集气管上翻板阀的调节，速度和调节能力往往不足以抑制压力扰动，因而设计了风机协调机制，对整体吸力水平进行调节，及时适应管路整体流动的动力需求。(4) 集气管压力是极易发生振荡的对象，从操作安全考虑，为其设计振荡检测算法。在振荡发生的初期就能够及时检测，
11、并根据振荡强度自适应修正PI作用强度，增加闭环系统的稳定性和鲁棒性。3 应用案例根据该集气管压力智能协调控制算法，浙江中控技术股份有限公司开发了“多焦炉多集气管压力优化控制”软件。该软件运行在工控机上，并通过OPC协议与DCS进行通讯。在某焦化厂进行投运，该装置包含两座焦炉，每座焦炉包含两根集气管，风机采用液力耦合器进行转速调节。之前，该现场采用常规PID控制，效果如图4。图中为3#焦炉对应的A、B两根集气管，白线为集气管压力，绿为压力设定值，蓝线为翻板阀位。可以看出，由于翻板阀没有与整体管路的压力水平进行协调，阀门经常处于过高开度，对压力波动的抑制不够，造成集气管压力在受到扰动时的波动较大。
12、图4 某焦化厂集气管压力曲线（采用常规PID控制） 在该现场投运智能协调控制算法之后，压力变化曲线如图5。从结果中可以得出扰动发生后，集气管压力在调节作用下较快地回复至设定值，整体波动不大。与常规PID控制相比，稳定性、调节能力都有显著提高。图5 某焦化厂集气管压力曲线（采用智能协调控制算法）基于集气管智能协调控制算法的软件产品已在多个焦化企业现场投运，实现了焦炉集气管以及风机装置操作的自动化，大大降低了人工操作强度，抑制了压力扰动，减少焦炉生产对环境的影响，同时降低了煤气的浪费。4 结论集气管压力是焦炉生产过程中的关键参数之一，焦炉集气管压力受扰动影响大，各管压力之间存在较强的耦合作用，极容
13、易产生振荡现象，给生产稳定和安全性带来严重影响。根据集气管路的压力特性，设计了一种智能协调控制算法，综合考虑集气管翻板阀、风机转速的调节。此外针对极易振荡的特性，增加了振荡检测的功能，及早发现振荡趋势，采取减弱控制作用来首先保证压力的稳定。浙江中控基于该算法已研发了“多焦炉多集气管压力优化控制”，在实际应用中验证了其有效性和优越性。目前已在多个焦化企业投运，显著提高了焦炉生产自动化和节能环保水平。参考文献1 阎瑾, 吴敏, 曹卫华, 基于耦合度的集气管压力智能解耦控制. 冶金自动化, 2008. 32(4): p. 9-14.2 Wu, M.等, Intelligent Decoupling
14、Control of Gas Collection Process of Multiple Asymmetric Coke Ovens. IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, 2009. 56(7): p. 2782-2792.3 潘海鹏, 基于解耦控制的焦炉集气管压力控制系统. 化工自动化与仪表, 2004. 31(1): p. 16-17.4 王学武, 顾幸生, 谭得健, 焦炉集气管压力的复合控制. 化工自动化与仪表, 2004. 31(6): p. 18-20.5 薄敬东等, 集气管压力控制系统建模与解耦. 自动化仪表, 2008. 2
15、9(11): p. 25-28.6 孟月波, 嵇启春, 王学雷, 焦炉集气管压力系统建模与仿真. 系统仿真学报, 2005. 17(10): p. 2314-2316.7 张中明, 吴晓苏, 焦炉集气管压力数学建模及自动调节的实现. 中国矿业, 2007. 16(3): p. 100-103.作者简介：叶鲁彬,1984年出生，男，浙江宁海人，2011年毕业于浙江大学控制科学与工程系，博士学位，工程师，从事工业控制与自动化工作。通讯地址：浙江杭州市滨江区长河街道滨康路352号中控软件园 A座6楼，邮政编码：310052，联系电话：0-13858035312电子邮箱：。王屹，1964年出生，女，工学学士，工程师，从事电气自动化专业教学与研究。通讯地址：长春市卫星路3278号，邮政编码：130033，联系电话：0-13944861381 电子邮箱：。杨建波，1982年出生，男，河北石家庄人，2004年毕业于河北科技大学电气工程及其自动化专业，助理工程师，从事工业控制与自动化工作。通讯地址：浙江杭州市滨江区长河街道滨康路352号中控软件园 A座6楼，邮政编码：310052，联系电话：0-13931866905 电子邮箱：。
