焦炉集气管压力控制系统研究

3、减少对环境的污染：在整个炼焦过程中，炭化室的压力是不断变化的。如果压力在炼焦过程中不能调节，则在装煤及结焦阶段将会导致大量的污染有毒烟气外溢，不但影响设备，而且也会造成对大气的污染以及有可能会影响到生产人员的安全，因此对炭化室的压力调节就显得非常有必要，而且很关键。
4、稳定集气管的压力调节:由于采用单孔炭化室的压力调节，相当于是对每一孔焦炉在不同的阶段都实再压力检测及控制，从而使集气总管的压力更加的稳定，使鼓冷风机的控制更加的稳定，降低了操作人员的操作强度。
因此从整个焦炉工艺来看，对集气管的压力控制是起到改善焦炉生产，提高焦炭质量减少对环境污染及减少对人员伤害的一种工艺控制。从工艺角度来看并不复杂，从检测方面来看也不复杂，但从控制设备的设计及控制来看，由于是对压力的微差压控制，所以对控制程序及精度都要求很高。
焦炉集气管的压力控制工艺主要由以下方面组成：
1.3、工艺控制设备。喷氨水工段是整个焦炉集气管压力控制的重要一个环节，在焦炉集气管压力控制中，就是通过控制在上升桥断部分的喷淋出来的氨水的高度来进行烟气流量的大小，进而进行对炭化室压力控制的调节，这部分是集气管压力控制的关键设备，主要由一套PLC控制的气缸设备组成，这套气缸设备包括气源的流量控制，同时对气缸的行程进行回路控制，也需要采集气缸的行程量，包括气缸的行程与氨水高度位置的对应关系，这部分是我们程序控制的关键点，当然，这一套设备是机械工艺提供的特殊设备，也是为焦炉集气管压力控制而开发出来的特殊机械设备，在其它焦炉中也还没有用到。
1.1、炭化室内的信号检测。炭化室内的压力由于工艺的制约，并不能直接通过检测设备进行检测，因为炭化室内都是燃烧的红焦炭，而且空间也不一定，如果直接想通过压力仪表来检测的话，将及大的提高成本以及维护的难度，因此我们在工艺允许的情况下，选择在炭化室的上升管处来进行对烟气的引压检测，同时需要检测这个引压点的温度值。
虽然焦炉的集气管压力的调节控制在焦炉生产中起着非常重要的作用，但由于这种控制的技术还很不成熟，控制难度也非常的大，因此目前国内的焦炉生产线还基本上不具备有这种控制功能，只有宝钢、武钢、鞍钢等几家国有大型钢厂的大型的焦炉生产线上使用了国外研制的单孔集气管压力调节控制系统，而且使用的效果并不是很理想。因此在技术发展突飞猛进及自动控制水平发展日新月异的时代，焦炉的这种自动控制水平感觉上有些脱节，虽然国际上的公司开发出了一些集气管压力的控制模型并应用于国内外的焦炉生产线上，但具有中国自主知识产权的焦炉集气管压力控制系统软件还只停留在起步阶段，国内也有一些自动工程公司和设计院已开始进行这方面的引进及研究，也取得了一些成果，因此，在这种基础上如果能研发出一套能适应所所焦炉的集气管压力调节控制系统，将具有深远而重大的意义。
②控制技术：从控制技术角度来看，本控制系统相对来说不是那么复杂，所涉及的工艺也不复杂，对信号的处理也相对简单，滞后性也较小，但由于炭化室的煤气产生是一个不定性的过程，而且并不是连续线性的，是一会大，一会小，同时也会有压力突变的过程，并且在整个结焦段是不允许间断工作的，因此需要确保这个控制系统具有长期运行的连续性和高可靠性，同时要求系统在运行过程中要能实时地采集数据，处理数据，在很短的时间内完成推理和决策，所需的数据都需要在线采集。根据这种工艺情况，自动控制采用PLC或DCS加中央控制计算机的模型来建立控制系统。
本课题将根据焦炉工艺的特点以及单孔压力控制和集气管的压力特点，结合自动控制技术，选择和应用国际上优秀的控制模型理论，来完成焦炉集气管压力控制系统软件的开发。
2、课题实施的应用价值
本课题中焦炉集气管压力控制系统的应用价值是延长焦炉的使用寿命以及提高焦炭的质量指标，极大的减少对环境的污染，改善鼓冷风机的控制能力:
一、课题的目的、意义和应用价值
1、课题的目的和意义
焦炉的生产在冶金行业中主要是为高炉提供一种高热量，高质量的燃料。焦炭在钢铁的生产中是不可或缺的一种燃料，高炉的生产可以用喷煤粉的技术，但在炉内必须有高热值的焦炭来进行生铁冶炼。因此，高炉的生产在一定程度上就受焦炉生产的制约，包括焦炉的产量，焦炭的质量等等。可以说，焦炉是钢铁生产中的燃料环节，焦炭的质量直接影响着炼铁和炼钢的质量，而目前焦炉的自动控制水平还非常低，基本上只局限于能生产出合格的焦炭，而没有考虑焦炉里面的压力控制对焦炉本身的寿命和对焦炭质量的影响以及对焦炉化产部分的控制影响。
焦炉集气管压力调节主要是解决在焦炭结焦成熟的过程中保持单孔内压力稳定的一种控制手段和技术，同时也稳定总管的压力，进行影响化产鼓冷风机的稳定。通过对单孔压力调节的稳定，能生产出更高质量的焦炭，同时极大的提高焦炉的使用寿命，达到节约成本，提高生产率的目的。由于单孔炭化室的压力调节是微压力调节，最好的状态是控制炭化室的压力在60~200Pa的微压力值下，而压力控制本身就是一个难于控制的一个环节，受干扰的控制量比较多，微压力控制就显得更加困难，系统的波动会更加的频繁，振幅也会更加的宽。
二、课题所属领域国内外研究现状和发展趋势
1、炭化室集气管压力控制的工艺流程
集气管的压力控制是焦炉生产过程中的一道工序，所有的焦炉生产都将通过一套集气管设备，再通过鼓风机的抽风，把焦炉内的烟气从焦炉炭化室抽到化产工段。焦炉结焦过程本身就是一种动态的过程，从装煤阶段开始，在焦炉的炭化室内就开始燃烧并进行结焦，在结焦过程中将会产生大量的烟尘及有毒的二氧化碳、一氧化炭、氢气等有毒及可燃烧的气体，在整个结焦过程中，炭化室的压力也是不稳定的，如果只是通过鼓冷风机的抽风，只调节集气管总管的压力，则针对具体的炭化室的压力就起不到调节的功能，因为每一孔的炭化室内的烟气排出是有一定的设计的，在产生大烟气的阶段，由于排出系统的原因，会使压力升高很大，而且针对炭化室的控制工艺要求来说，把炭化室的压力控制在微正压力状态是最有利于焦炉的生产的。
国外钢铁工业计算机控制系统的发展基本经历了三个阶段：在1965年前为第一阶段，各控制回路采用模拟调节器进行控制，计算机是用来给出调节器的设定值。1970年前后为第二阶段，使用一台直接数字控制计算机及程序控制器控制，这样要求较高的可靠性，所以要有备用系统。1975年以后为第三阶段，由微型计算机控制几个回路，代替一个多回路的直接数字控制计算机，这样使控制功能分散，可靠性较高。进入上世纪90年代开始，大量的控制计算机、PLC、DCS应用到钢铁生产线上，极大的改善了钢铁生产的自动控制，焦炉生产线上也全部采用PLC或DCS加工业控制计算机的控制模式，使钢铁工业的自动控制水平跃上了一个全新的台阶。
③人工智能技术的应用：由于控制系统并不复杂，只是控制精度要求高，同时对参数的变化也是随炭化室的压力而随机变化的，突变性较大，因此在人工智能技术上采用可自整定的模型PID控制技术。在建立控制模型时，就分三个阶段来建立系统模型，因此在三个阶段有不同的参数值，可以在PLC程序中固定，也可以通过HMI画面来在线设定，这点可以根据现场的调试情况而定。由于主要控制阶段是在结焦的中间段，因此模型的重点也体现在这个阶段，所以这部分的控制参数并不是固定的，需要根据炭化室的压力来进行调整，而且每一个炭化室的压力参数也是不相同的，同时相邻二个炭化室之间的压力也会有一定的影响，需要把这个影响作为干扰因素引入并量化到控制模型中。
1.4、控制描述。由于炭化室产生的烟气是随结焦时间变化而变化的，但在初始装煤阶段将产生最大的煤气量，而在炼焦成熟阶段将基本上不产生煤气，因此，想要对炭化室的压力进行调节，使炭化室的压力保持在一个微正压力状态，就需要对产生的煤气进行按量排放，从而通过煤气流量的排出来控制炭化室内的煤气量，进而达到调节压力的目的，排出煤气的主要动力可来自鼓冷风机的抽几力度，但如果在煤气产生量很小的后期阶段对焦炭产生非常不利的影响，为此就需要建立一个对煤气流量的调节。根据工艺的要求，在装煤开始炼焦阶段，控制氨水高度的气缸实行全开控制，使炭化室内的煤气能尽快的排出炭化室，以降低炭化室的压力，而在结焦后期，气缸生程达到最到，全关煤气排出口，保持炭化室内的微正压力，只在这二个阶段的正常结焦阶段进行氨水的高度控制，因此，通过控制气缸的行程就可以实现炭化室压力的控制。
1、提高焦炉的使用寿命:由于在整个结焦过程中，炉内的压力是不一样的，刚装煤时，产生的煤气最大，因此这个时间的压力也最大，在结焦过程中直到结焦成熟，压力就会慢慢变小，直到基本上没有压力，如果不能保持炭化室的压力稳定，而焦炉会一天天的处在不断变化的压力中，对焦炉的寿命会产生很大的影响。
2、提高焦炭的质量：如果单孔炭化室的压力维持一定程度的稳定，将大大的提升焦炭的质量，使焦炭更紧密，并且提高焦炭的热值。
1.2、上升管的烟气冷却。由于从炭化室出来的烟气都是高温有毒并且带有很多灰尘颗粒的气体，因此在上升管处安装了一套工艺设备，这套工艺设备起到把烟气冷却，同时除掉大部分烟气中的灰尘的目的，这套设备是通过喷洒氨水来实现的，氨水的喷洒可以不进行控制流量控制，只要生产就可以一直喷淋，同时增加了防堵措施，也就是增加一路喷淋系统，进行轮流喷淋。
2、焦炉自动控制技术简介
随着自动化技术的发展和计算机技术的进步，大量的计算机控制应用到了钢铁生产线中，当然在焦炉的生产控制中，也引入了计算机控制技术。在焦炉自动控制中，一般都会使用智能仪表进行数据采集，再通过PLC来计算及处理采集进来的数据，并根据制作相关的程序，控制数据的输出，控制现场设备的精确运行，并把相关的数据送到计算机终端，也就是HMI上显示，同时通过HMI可以直接把生产指令下到PLC，再通过程序的运行和执行，把指令转化为数据入信号通过输出模块送到现场的执行设备上，进而实现调节的目的。目前在冶金自动控制技术广泛应用的生产线上，可以提高工厂设备的装备水平，并且节约能源，促进生产的柔性化和集成化，提高劳动生产率以及提高产品的产量和质量。焦炉集气管压力控制的目的是为了提高产品的质量，减少环境污染，提高操作人员的安全，并延长焦炉的使用寿命而开发的一套控制系统。在新开发的这套焦炉集气管压力控制系统中使用的自动控制技术主要有以下几个方面。
2.3、控制系统
国外六十年代初期就开始在焦炉生产过程中采用电子计算机。初期仅作为检测、报警、记录、打印等，后来逐步用作开环和闭环控制。目前焦炉的生产控制都采用PLC或DCS系统和微型计算机相结合、计算机与常规仪表相结合、控制设备与通讯设备相结合的最优控制与管理系统。近年来由于检测装置的不断完善，大规模集成电路及计算技术的飞跃发展，致使计算机控制功能日臻完善，可靠性不断提高以及价格不断降低，使焦炉生产中计算机的应用日趋广泛。这对提高产品质量，减轻劳动强度等起了较大的作用。