焦炉集气管压力控制系统的改进

1、24燃料与化工Fuel&ChemicalProcesses焦炉集气管压力控制系统的改进杨桦1徐兴福宁芳青2左殿杰1倪应国1（1.南京钢铁联合有限公司炼铁新厂，南京210035；2.安徽工业大学，马鞍山243002）南钢炼铁新厂现有3座6m焦炉，3、4焦炉为1组，配套煤气处理量为52800m3/h的煤气净化设施，5焦炉与1套煤气处理量为31000m3/h的煤气净化设施配套。在该系统实施之前，3座焦炉的集气管压力是分散式控制，集气管压力调节装置与鼓风机液力耦合器调节是相互独立的单回路闭环控制系统。这种单回路控制方式不能很好地保证集气管压力稳定，导致焦炉冒烟冒火或负压运行，使大量煤粉进入下一

2、道工序，恶化操作，虽不断调整系统整定参数，但并未从根本上解决问题。技术方案工艺特点集气管压力控制系统是受多种因素影响的复杂系统，主要表现在以下几个方面1-2：1）集气管之间的相互耦合影响。2座焦炉4个集气管共用1个风机，而风机对各个集气管的吸入管距离长短不等，并且管路不对称，因此吸力分配不可能都合适。在机前吸力不变的情况下，任一焦炉压力的波动，都会影响其他焦炉压力的稳定。2）焦炉炉况对系统的影响。由于2座焦炉装煤、推焦、炉门开启时间不同，势必引起压力的波动。3）机前吸力变化的影响。在鼓风机能力不变的情况下，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，进而引起机前吸

3、力的变化。在煤气发生量稳定的情况下，该吸力会引起集气管压力的波动。系统的调节品质会因参数变化而变差，使压力难以稳定在80控制方案1）采用解耦控制算法，消除焦炉集气管之间的压力控制耦合，避免相互干扰。根据多变量过程控制系统解耦理论，常规解耦收稿日期：2009-12-30作者简介：杨桦（1964-），男，教授级高级工程师设计方法要求对象是线性定常，且被控对象要有精确的数据模型。就本系统而言，由于焦炉炉况的多样性及煤气用户用量的随机性，难以用一固定数学模型表示其特性，真正的对角化解耦无法实现。从实用的角度出发，只需将耦合产生的影响降低到最低限度，使它不致影响主回路调节即可。2）风机前吸力的调节与集气

4、管压力调节的协调控制。主要考虑：稳定初冷器前吸力；避免风机转速的频繁改变；尽量减小风机负荷。初冷器前的吸力控制综合考虑集气管、循环管、风机等参数，以循环管调节蝶阀为主，循环管调节蝶阀的动作范围在030%（可在工程师状态下修改）。当循环管调节蝶阀在8%20%范围内动作时，风机不动作；循环管调节蝶阀8%，表明风机吸力不足，缓慢增加风机吸力，直到循环管调节蝶阀8%为止；循环管调节蝶阀20%，表明风机吸力过大，缓慢减小风机吸力，直到循环管调节蝶阀20%为止。初冷器前吸力的设定值由人工设定。控制方案的总体框架包括3个主要部分：基本控制回路部分、解耦部分、可测干扰抑制部分。基本控制回路部分采用预测PID控

5、制算法，共包括6个控制回路：1#、2#、3#、4#集气管压力控制回路、鼓风机入口吸力速度控制回路、鼓风机入口吸力循环管控制回路。这6个控制回路是先进控制的核心部分，使系统具有快速的动态上升特性、良好的鲁棒性能以及快速的抑制不可测干扰的能力。解耦部分的目的是消除控制器之间的相互影响，1个控制器动作，其他控制器也进行相应的动作，避免系统的振荡。我们采取动态解耦算法，并通过适当的变换实现解耦。解耦控制器具有如下结构形式：2010年11月第41卷第6期燃料与化工Fuel&ChemicalProcesses25󰀁d12（s）d1n（s）󰀂1󰀄

6、83045;D（s）=󰀂d21（s）1d2n（s）󰀂󰀂󰀅󰀅󰀃dn1（s）d󰀅n2（s）1󰀆可测干扰抑制部分又分为集气管可测干扰抑制系统和入口吸力可测干扰抑制系统。考虑单输入单输出(SISO)参数不确定过程，其传递函数为：GP=KPe-Ls（1）Kp、T、L为不确定性参数，它们的标称值分别用Kp0、T0、L0表示。假如所期望的闭环传递函数规定如下：-L0sG0=e（2）0其中为可调参数。当1时，系统的开环时间常数和闭环时间常数相同；当1时，系统的闭环响应速度比开环响应速

7、度慢；当1时，系统的闭环响应速度比开环响应速度快。于是便可以得到控制器的传递函数：GC=（3）KP0（T0s+1-e-L0s)控制器的输入、输出关系为：u（s）=1(1+1)e（s）-1(1-e-L0s）u（s）4）P000（K(1+)e（s）项具有PID控制器的结构形P0T0s式，而-1(1-e-L0s）u（s）项可以解释为控制器在t0时刻的输出是基于在时间区间（t-L0，t）的控制作用的。因此，这种控制器被称为预测PID控制器。预测PID控制器的结构见图1。将式（4）离散化，可以得到控制器的基本形式：k+1u(k+1)=1e(k+1)+TSP0P00e（i）-i=0kTS0u（i）-u（i

8、-L）（5）i=0Se=ysp-y，它表示参考信号ysp和实际过程输出值y的差值。在控制器参数设置中，一些参数的意义和式（5）有关：增益参数KP0、时间常数T0、滞后时间L0、调节快慢参数、控制系统的运行周期STS。系统投运前后比较初冷器系统3#、4#、5#焦炉的6个集气管压力分别采用独立的单回路压力控制，3#、4#焦炉共用1套初冷、风机系统，5#焦炉单独采用1套初冷、风机系统，风机的转速采用液力耦合器控制。在新控制方案实施之前，初冷器前吸力在0.51.3kPa范围内波动，新控制方案实施以后，初冷器前的压力波动减小到±40Pa。集气管压力在新控制方案投运之前，集气管压力的波动幅度较大，经常出现“冲顶”现象（集气管压力大于350Pa）。新控制方案投运后，集气管压力的波动在95%以上，基本不超过±20Pa，在推焦、平煤或其他异常操作情况下，压力短期超标（不超过250300Pa），但10s左右即可调节正常。3需完善的问题若风机机后压力过高，如大于19kPa以上，要维持集气管压力的稳定，必然导致风机电流过大（超过风机额定电流值）。在实际控制中，为了保证风机的安全，对风机的转速进