焦炉集气管压力控制简介

焦炉集气管压力控制简介
1工艺介绍
焦化工业是冶金工业的重要组成部分。

高温炼焦得到的焦炭用于高炉冶炼、铸造和气化：炼焦过程中生产的焦炉煤气经回收、净化后，既是高热值燃料，又是重要的有机合成工业原料。

煤在炼焦时约75%变成焦炭供冶金使用，还有25%生成煤气及各种化学产品。

焦碳的生产过程叫炼焦，它的生产过程是将配好的煤装入炭化室，然后对炭化室加温，干馏成焦，由推焦机推出。

在炼焦过程中，每座焦炉所生产的从炭化室溢出的850℃左右的荒煤气进入上升管后，在桥管处经循环氨水喷洒冷却至80-850℃左右，通过集气管、吸力导管后引入气液分离器，煤气由气液分离器上方导出后，进入初冷器，从初冷器出来的煤气由煤气鼓风机加压后，通过压力管道将大部分送往下道工序。

2 焦炉集气管压力控制的必要性
在炼焦生产过程中，焦炉集气管压力是炼焦生产中的重要参数，它的稳定性直接影响着焦炉的使用寿命和焦碳的生产。

当炉体内操作形成负压时，空气就会从炉门、炉盖等处进入炉体，导致焦炭燃烧、灰分增加、焦炭质量下降，大量的空气进入炉内甚至可能引起爆炸[1]。

进入的空气还会同炉体建筑材料发生化学反应，导致炉体剥蚀，缩短炉体使用寿命；空气还会促使荒煤气燃烧，使煤气系统温度增高，从而加重了冷却系统的负担,产生不必要的能源消耗。

当炉体内的压力过高时，荒煤气将会从炉门、炉盖等处冒出，一方面造成跑烟冒火，污染环境；另一方面降低了荒煤气的回收率，造成能源的浪费。

根据炼焦和化产回收的工艺原理，要求焦炉集气管压力应维持在80-120Pa 范围内，吸力管压力控制在1400-1600Pa内（视炉型和路况有所变化），才能保证碳化室底部不出现负压，又不致出现冒烟跑火，浪费能源，污染环境现象[2]。

3影响集气管压力的扰动因素
1、炭化室内间歇地装煤和推焦对集气管压力产生较大的冲击；
2、各焦炉之间的相互耦合，在器前吸力稳定的情况下，任一焦炉压力的波动，都会影响另一焦炉压力；
3、器前吸力变化的影响，在鼓风机抽力不变的情况下，机后设备的阻力发生变化或煤气用户的用量发生变化时，都会引起机后压力的变化，进而引起器前吸力的变化，在煤气发生量稳定的情况下，该吸力势必引起集气管压力的波动；
4、结焦时间的变更和加热制度的变化使得产气量存在明显波动；
5、煤的成分、装煤量的变化以及实际推焦时间的变化也会影响到集气管的压力变化；
6、循环氨水流量和温度的变化，荒煤气冷却系统是否畅通、阻力大小也影响压力的稳定及气量传输的动态特性，鼓风机入口排液系统、鼓风机后管线是否畅通直接影响压力系统的稳定；
7、荒煤气的温度高低直接影响输气系统正常运行，过高时风机负荷加重且易发生危险，过低时则会导致冷却系统结萘；
8、炉门、炉盖密封不严引起集气管压力降低；
9、氨水量的变化形成瀑布，从而增加荒煤气的流动阻力[1] [3]。

4控制难点
焦炉集气管压力控制系统具有a 耦合严重；b 严重非线性和时变特性；c
幅值波动大；d 扰动变化激烈；e多变量影响因素系统复杂；f很难建立精确的数学模型。

5控制焦点-解耦
焦炉集气管压力控制系统内耦合分为并联集气管间控制作用的耦合（负耦合或并联耦合）、集气管压力与鼓风机前压力间的耦合（正耦合或串联耦合）。

对于多座焦炉并联的系统，集气管间的耦合是目前许多控制系统投运不好的重要原因。

耦合强度与管道阻力、传输距离有关，集气管之间距离越近，耦合越强。

对于三个集气管或者三个集气管以上的系统，由于集气管间耦合作用，控制其压力比以往两集气管系统难度要大得多[5]。

焦炉集气管与以鼓风机为代表的后续工艺设备相串联，焦炉集气管压力的变化将引起总流量变化，进而引起鼓风机前负压变化，这又会引起各焦炉集气管压力的变化，形成串联耦合，因此鼓风机前负压与集气管压力有着密切联系，因此同常将两者进行协调控制[4] [6]。

6控制方案
被控制量通常为：集气管压力、鼓风机前压力、初冷器前压力。

底层控制手段有：对于集气管子回路，集气管阀门的翻板；对于风机系统，机前调节阀、风机的液力耦合器调速或变频调速控制、回流阀翻版（采用大循环控制时使用）[4]。

控制方案选择上通常是将控制系统分为一下两大部分：
第一部分为集气管压力回路级控制系统，这部分通常采用传统PI控制、自校正控制[4]、也有选择神经网络PID控制器[13]，或模糊控制器[12] [19]等。

第二部分为解耦控制，可分为集气管间解耦，集气管与风机系统间解耦。

集气管间的控制解耦又可细分为：组内解耦和组间解耦[12]。

由于组内焦炉之间管道相对较短，而组间的集气管道较长，所以组内焦炉间耦合的时间特性要比组间耦合时间特性相对快得多。

所以组间解耦可在组内解耦的基础上单给予以处理。

通常选用模型解耦[5] [8] [13] [18] [19]、规则解耦[12] [14]、相关性分析[3] [17]等几种方法。

风机系统的控制，通常选择人工控制、随动控制[1] [4]、专家系统协调控制[1] [3] [8] [12]、模型解耦控制[5] [14]、规则解耦[18]、模型解耦控制[14]等。

此外，还有变结构模糊控制[10]、基于多智能体的集气管压力智能协调控制[11]、三输入模糊协调控制算法等先进控制方法[21]。

[1]闰俊生，张其志，李文斯. JW-8601焦炉压力微机控制系统[J].化工自动化及仪表,1991, 19(1).24-28.
应用：山西焦化厂
硬件控制平台：单板微机DDC控制
控制方案：串级控制
集气管压力独立单回路控制，系统采用最典型的PID控制；由计算机根据两个集气管的压力和阀门翻板开度控制开度控制机前负压（借助控制回流翻板开度实现），作为副调，但不维持鼓风器前负压为定值。

解决问题：一个集气管压力太高，而另一个集气管压力太低的不平衡状态。

将集气管压力低的给定值提高，将集气管压力高的给定值降低，以自动修正给定值，使两个集气管的压力逐步趋于平衡，为调节鼓风机器前吸力创造条件。

[2] 李春华. 焦炉集气管压力多变量模糊控制系统[J].煤炭学报,2001, 26(2).195-198.
应用：鸡西矿务局煤气厂
硬件平台：嵌入式单片机系统
控制方案：模糊解耦控制
输入信号经采样及A/ D转换成数字信号送入fuzzy控制器中，经模糊化处理后，选择模糊控制规则，再进行模糊决策经D/ A转换后，去控制电动执行器的蝶阀角度，以改变集气管和吸气管的荒煤气流量，使压力随之变化，从而达到集气管压力自动控制的目的。

模糊控制适应于这类数学模型未知及多变的系统，特别对多控点且控点间又具有相互影响的耦合系统，它具有鲁棒性强及对参数变化适应性强等特点，具有人的智能思维功能，比较容易地实现系统的解耦，消除了集气管压力的耦合振荡，获得了很好的控制效果。

[3] 王学武，顾幸生，谭得健.焦炉集气管压力的复合控制[J]. 化工自动化及仪表,2004, 31(6).18-20.
控制方案：PID控制、解耦控制、专家控制
单个集气管压力的调节，采用PID控制；针对组内集气管之间耦合的解耦控制采用补偿系数法；针对集气管之间耦合的解耦控制采用设定点动态调整法；对机前吸力的控制采用专家系统制，控制集气管阀门和风机转速，采用专家控制。

组内耦合对控制响应较快，并且耦合关系对组内集气管压力产生的影响是已知的，所以
可以采用补偿系数法进行解耦；由于组间耦合对控制响应较慢，不宜采用补偿系数法，通过负耦合关系的分析，采用设定点动态调整的解耦方法。

[4] 张可仁，侯国强. 一种焦炉压力微机控制系统[J].化工自动化及仪表,1994, 21.16-19.
硬件控制平台：工业控制计算机，DDC控制
控制方案：串级控制
集气管压力回路分别采用自校正PID控制（克服系统时变特性），作为主调。

由计算机根据两个集气管的压力和阀门翻板开度控制器前负压（通过控制鼓风机的转速实现），作为副调，但不维持鼓风机前负压为定值。

[5] 秘启春，刘光辉，孟月波. 焦炉集气管压力系统智能控制与仿真[J]. 西安科技大学学报,2005, 25(3).362-364
控制方案：模糊解耦控制
将集气管压力控制系统分为两部分：集气管压力单回路参数在线自调节模糊控制和模糊规则逐层解耦控制。

这样既满足控制品质要求，又尽量降低算法的复杂性，便于维护。

单回路自调节模糊控制器采用核心为PI的增量式算法；由于耦合强度与管道阻力、传输距离有关，因此提出模糊规则逐层解耦方案，首先对耦合较强的两个集气管做第一次解耦，在此基础上，再与耦合较弱的集气管做第二次解耦，依此类推。

[6] 李希胜，吴并臻. 焦炉集气管压力自动检测与控制系统[J]. 矿冶,12001, 10 (3).75-77.
硬件控制平台：S7-400PLC+FM455C控制器备用
两个焦炉的集气管并联后与后续工艺设备串联，故相互间存在严重的耦合关系。

焦炉及其集气管是一条总管上的并联支路，即为典型的双变量负耦合系统。

焦炉集气管与以鼓风机为代表的后续工艺设备相串联，焦炉集气管压力的变化将引起总流量变化，进而引起鼓风机前负压变化，这又会引起各焦炉集气管压力的变化。

显然，各焦炉集气管压力与鼓风机机前负压之间存在正耦合关系。

控制方案：模糊控制器
在常规控制中，设计所得的控制器往往只能满足被控对象某一个运行状态下的性能最优，或在某一个条件下的稳定，而不能使被控对象在大范围内具有良好的控制性能。

在集气管压力控制中，扰动因素较多，情况复杂，采用常规控制器难以满足需要。

为此，将集气管压力以及初冷器前压力等信息,加以模糊化，鉴于被控参数为压力，控制器内核采用PI控制规律。

[7] 舒雄鹰. 焦炉煤气集气管压力控制系统[J].矿冶,2001,6(12).78-81.
硬件控制平台：西门子PLC+上位机组态，PROFIBUS总线
控制方案：针对集气管压力对象之问互相干扰的特点，采用协调控制思想，实现压力系统设定值控制。

采用协调控制思想，实现1#、2#集气管压力及风机吸力的设定值控制(SCC)，协调两个集气管压力及风机吸力调节动作，以保证焦炉压力的稳定。

当各个系统的压力在小范围内波动时，各系统分别进行控制，维持本系统及整个系统的平衡；当压力在大范围内波动时，则根据不同情况对二个系统进行设定值控制，从而保证集气管压力的稳定。

[8] 阳春华，沈德耀. 集气管压力的智能控制设计与实现[J]. 小型微型计算机系统,1999, 20 (7).550-554.
应用：链钢焦化厂
硬件控制平台：工业控制计算机+霍尼韦尔控制器的两级系统
控制方案：将经典PID控制、前馈控制、专家控制相结合，设计混合智能控制器。

采用PID控制器分别控制两个集气管蝶阀翻板，构成两个集气管压力PID控制回路；构成专家控制器，控制液力耦合器来改变鼓风机转速以调节鼓风机前吸力；构成前馈控制器，补偿由两个集气管蝶阀翻板动作或鼓风机转速改变给集气管压力带来的扰动。

[9] 候来灵，王学倍. 多集气管压力微机控制系统[J]. 化工自动化及仪表,1999, 20 (7).550-554.
应用：太原化工焦化厂
硬件控制平台：工业控制计算机+PLC
控制方案：集气管单回路采用PI调节。

根据采集到集气管荒煤气流量和集气管压力情况，依靠专家知识进行综合分析，作出正确判断，发出相应指令，以决定鼓风机调节阀是否动作、动作幅度、动作快慢以及在特殊情况下超常规动作的实施。

[10] 周国雄，吴敏，曹卫华，雷琪. 焦炉集气管压力的变结构模糊控制研究[J]. 信息与控制,2007, 36(6)732-738.
控制方案：变结构模糊控制
从集气管压力数据曲线的运行趋势分析，当集气管压力超过工艺给定值的较大值时，集气管压力变化比较平缓，压力平均偏差变化率偏小，集气管压力难以迅速回到工艺给定范围内；而当集气管压力处于工艺给定值的附近时，压力变化较快，因此针对集气管压力的偏差变化率以及偏差变化的情况，需根据压力波动范围的不同，选择相应的模糊控制器，针对集气管压力波动幅值大扰动剧烈特点进行控制。

而决策由专家系统控制器给予。

[11] 秦斌，吴敏，王欣，阳春华. 基于MAS的分布式焦炉集气管压力解耦控制[J]. 控制理论与应用,2006, 23(6).961-965.
硬件平台；S7-400+PC机OPC方式通信
控制方案：基于多智能体的集气管压力智能协调控制
在控制agent中，采用TS模糊神经回归网络对被控对象进行分布式建模；运用分布式智能协调解耦算法进行解耦控制，采用遗传协调进化算法对多个agent协调优化；而本地控制根据所属区域不同分别完成焦炉集气管本地局部控制、初冷器前压力和鼓风机安全控制；通过agent模态变迁进行模式切换，以适应快速突变环境。

被控量焦炉集气管压力、初冷器前压力、及鼓风机前压力；执行器主要有每座焦炉上集气管的蝶阀、横管上的蝶阀)和鼓风机变频调速器。

[12] 孙伟，杨东平，岳东，程玉虎. 焦炉集气管压力系统智能控制策略[J]. 中国矿业大学学报,2000, 29(5).503-505.
应用：徐州钢铁厂焦化分厂
控制方案：专家规则与模糊控制相结合的多级智能控制
各种集气管压力调节回路采用可变调节因子模糊控制算法，保证各集气管压力回路调节快，超调小，精度高；模糊解耦控制针对各种耦合的程度和关系，引入组内解耦和组间二种解耦规则控制；总管吸力监督控制通过总管吸力调节保证各焦炉控制蝶阀具有较好的调节功能，避免蝶阀开度极限状态的出现，吸力调节执行器为回流阀，采用专家系统实现。

[13]秦斌，吴敏，王欣，王腾. 基于模糊神经网络的多变量解耦控制[J]. 小型微型计算机系统,2002, 23(5).561-564.
控制方案：基于PID神经网络和RBF模糊神经网络的多变量解耦控制
分级：基本实时智能控制级和专家智能控制协调级。

基本实时智能控制级由神经网络PID控制器和多变量模糊解耦控制器两部分组成，由多变量模糊解耦控制器根据解耦参考模型进行解耦控制，构成解耦后的广义被控对象，然后用单输入单输出神经网络PID控制算法控制系统各变量的动态特性。

专家系统依据系统性能在线实时协调控制策略，根据不同炉况启动不同的控制策略。

[14] 刘晓强，郝榕，谭得健，孙伟. 补偿解藕算法在集气管压力控制中的应用[J].中国矿业大学学报,2000, 29(2).215-218.
应用：兖州矿区焦化厂
控制方案：基于规则的解耦控制
在分析了集气管耦合关系的前提下，提出了基于规则的补偿解耦算法，过分管控制补偿和设定点动态调整，实现了焦炉组内、组间并联解耦；通过规则控制，实现焦炉与鼓风机串联解耦该算法也可用于其它类似的耦合系统。

[15] 吴晓苏，张中明. 焦炉集气管压力工业过程控制的研究[J]. 煤炭转化,2007, 30(1).26-30.
[16] 龚瑞昆，工玉兵，张冰，李静源，石馨月. 集气管压力控制系统建模与解耦[J].化工自动化及仪表.,2008, 35(4).19-22.
控制方案：针对出焦、进煤、炉门密封不好等因索影响对集气管压力问题，采用机理建模建立集气管压力对象简化模型。

采用前馈补偿法解耦，构建阀门间的影响关系模型。

[17] 潘海鹏. 一种强耦合对象的综合控制算法研究与应用[J].仪器仪表学报,2004, 25(4).531-533.
应用：安阳钢铁公司焦化厂
控制硬件：PLC+PC两级计算机控制系统
控制方案：变积分PI控制相关性分析法
通过改变积分系数，保证单座焦炉的稳定。

用相关性分析（系数查表法）及补偿消除焦炉之间集气管压力的耦合扰动。

[18] 王学雷，尚文生，庄诚. 焦炉集气管压力智能协调控制系统及其应用[J]. 东南大学学报(自然科学版),2005, 35 (2).236-239.
硬件平台：S7-300+上位WINCC
控制方案：分层智能协调控制
控制分为三层，基础控制级，解耦级和协调级。

基础级，PID控制器单回路调节，并解耦级得到的解耦补偿；解耦介绍两种方法：模型解耦和规则解耦，模型解耦采用系统辨识的方法进行建模，风机转速调节用规则解耦实现；协调级由专家系统实现。

[19] 周国雄，赖旭芝，曹卫华，吴敏. 焦炉集气管压力智能解耦控制系统的应用[J]. 中南大学学报(自然科学版),2006, 37 (3).558-561.
控制方案：模糊控制、PID控制、解耦控制和专家控制
考虑到现实的生产工艺要求，当焦炉集气管压力偏差在-60-60Pa之外时，使用模糊控制
器难以使其迅速回到平衡区，在这种情况下，控制目的是尽快减小偏差，采用PID控制器进行控制；若偏差在模糊控制的范围内，则采用模糊控制器。

专家系统用以协调选择，并根据蝶阀特性建立专家控制规则，提高控制品质。

[20] 刘晓强，郝榕，谭得健. 焦炉集气管分管压力自适应模糊控制算法[J]. 辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2009, 19 (4).390-393.
控制方案：自适应模糊控制算法，在线调整参数
[21] 周国雄，吴敏，雷琪，曹卫华. 多输入模糊协调控制算法及应用研究[J]. 系统仿真学报,2008, 20 (13).3366-3370.
控制方案：三输入模糊协调控制算法
结合该集气管压力的特点以及蝶阀执行的执行响应时间和动作特性，提出了一种适合该焦炉集气管压力系统的三输入模糊协调控制算法，它将压力偏差,偏差平均变化率和偏差瞬时变化率作为模糊控制算法的输入，蝶阀开度作为输出，吸力通过前馈进行补偿。