在焦化行业中, 焦炉集气管压力是影响焦炭质量、煤气产量和焦炉使用年限的一个重要工艺控制指标。集气管煤气压力控制是许多焦化厂难以解决的问题，其控制系统具有惯性、非线性和时变特性的多扰动、多变量耦合性特点。集气管煤气压力的直接扰动是由于炭化室的操作、结焦时间的变更和加热制度的变化等造成焦炉出炉煤气增减而形成的；而煤气净化系统中初冷器前吸力、循环氨水流量、用户负荷等变化又会造成集气管压力的间接扰动。另外，当同一系统中的一个集气管压力产生波动时, 就会引起相邻另一个集气管压力的波动, 当波动到一定程度时, 就会造成整个集气管系统波动, 出现振荡现象。原设计方案中集气管煤气压力自动控制系统是由几个集气管压力单回路控制和初冷器前吸力单回路控制系统组成的，但实际使用效果很不理想。经过长期的观察和分析研究，我们发现要提高焦炉集气管压力的控制效果，应该从工艺、设备、仪表自动化这几个方面结合实际情况进行综合分析，把影响集气管压力稳定的主要因素找出来，再根据具体的情况对系统的各个环节进行改造和优化。

    2 工艺现状及集气管压力波动分析

    2.1工艺简介

    某公司现有JN60型55孔复热式焦炉两座，采用单集气管和双吸气管形式。荒煤气在桥管内经循环氨水喷洒冷却后，荒煤气中的焦油等同时被冷凝下来，煤气和焦油同循环氨水一起通过吸煤气总管道被气液分离后，液体进入刮渣槽，荒煤气进入3台并联操作的横管初冷器（两用一备）分两段冷却。煤气冷却至2122C进入2台并联操作的电捕焦油器，除掉煤气中夹带的焦油后，送洗涤工段，最后送到带液力耦合器调节转速的两台吸气机（一用一备）中。

    2.2影响集气管煤气压力的因素主要有：

    （1）系统内焦炉诸多炭化室不间歇地装煤、推焦，以及煤气交换机换向造成煤气量的急剧变化使集气管压力产生较大波动。

    （2）同一系统内各焦炉之间相互影响：在初冷器前吸力稳定的情况下，任一焦炉集气管煤气压力的波动和煤气产生量的变化，都会影响另一焦炉压力。

    （3）结焦时间的变更和加热制度的调整，装炉煤配比、装煤量和实际推焦时间的延长、缩短变化造成煤气产生量的变化也会影响到集气管压力波动。

    （4）循环氨水流量和温度的变化，荒煤气冷却系统的流畅与否、阻力大小也影响集气管煤气压力的稳定和气量传输的动态特性。

    （5）吸气机入口排液系统、机后管线阻力的变化。

    （6）焦炉的两段集气管是否连通。

    （7）荒煤气引出总管的位置不在两座焦炉中间影响各段荒煤气支管吸力分配平衡。

    3 焦炉集气管压力控制系统的分析和改造优化

    3.1现有集气管压力控制系统的情况简介

    某公司炼焦炉两座为一组，形成了一套生产系统。其集气管煤气压力控制系统由5个单独的闭环控制回路组成，分别为1#焦炉1#、2#集气管压力控制回路，和2#焦炉1#、2#集气管压力控制回路，吸气机初冷器前煤气吸力控制回路。每座焦炉的1#、2#焦炉集气管压力控制回路通过各自集气管压力调节翻板完成各自系统的闭环控制，吸气机初冷器前煤气吸力控制回路通过液力耦合器调节鼓风机转速来调节初冷器前吸力。5个控制回路共同完成两座焦炉集气管煤气压力的调节控制。   

    3.2 集气管煤气压力控制系统存在的问题

    3.2.1由于两座焦炉并联生产，两座焦炉之间集气管煤气压力存在负耦合关系；焦炉与吸气机之间串联，初冷器前煤气吸力与集气管煤气压力存在正耦合关系[1]。由于煤气工艺管路设置方式不一样，煤气管道的阻力、各焦炉碳化室装煤操作时间的不同会造成耦合强弱有所不同。几种影响因素交叉耦合严重。各控制单回路之间相互干扰、振荡造成超出调节范围的情况经常出现。集气管煤气压力经常出现波动大的情况，有时能达到300Pa以上，造成焦炉盖子乱飞，冒烟严重。

    3.2.2由于液力耦合器本身的特性，在采用液力藕合器来执行吸力调节时系统存在调节滞后、调节动作惯性大、反应速度慢和调节非线性等问题，难以实现快速、精细、均衡的调节目标和效果。再加上由于吸气机设计的比较大，吸气机转速在临界值附近，投入自动运行很可能造成吸气机喘振，器前吸力控制回路根本无法投入自动运行。当集气管煤气压力处于高压或低压并且长时间不正常时，操作人员只能调整吸气机循环管的闸阀，这种情况经常出现，会给岗位操作人员带来较大的操作难度和强度，也对正常生产造成了较大的影响。

    3.3 解决的方案和措施

    3.3.1在吸气机大循环管上加一台调节蝶阀，使初冷器前煤气吸力实现精细调节。通过对现场实际情况和控制系统的研究及分析，我们发现吸气机吸力对整个煤气管道系统的压力具有主要的控制作用，我们可以利用这个作用来降低乃至消除两个相互干扰的集气管压力之间的耦合，同时根据两座焦炉的工况调整各自煤气吸气管道大阀门，维持两者之间的平衡，保证焦炉集气管煤气压力的稳定。按照这个设想，我们考虑在吸气机大循环管手动闸阀旁并联一台气动调节蝶阀，利用此调节阀自动控制回流量来稳定初冷器前吸力，部分取代液力藕合器通过控制吸气机转速来稳定初冷器前吸力。这样可以改善液力藕合调节的粗放性和滞后性，按照这种控制吸力的方式，虽然在局部能耗上有所提升，但在整体上可以避免引起吸气机喘振，在调节上可以提高响应速度达到调节精准的效果。这种控制方式能够克服绝大部分工况下由于机后压力的突发、大幅度波动引起的干扰。

    在选用多大口径的调节蝶阀上，我们收集了近一年来大循环管手动闸阀在不同结焦时间情况下的开度范围、虚扣数、器前吸力、集气管压力变化曲线等大量现场数据，实测闸阀两扣之间的距离，用AUTOCAD算出大循环管手动闸阀这一年运行中最大开度和最小开度时煤气流通“月牙”部分的面积，根据此面积选择调节阀，使调节蝶阀的开度在40%-60%范围内运行。我公司吸气机的大循环管为DN400，通过计算应选用DN200的调节蝶阀，但由于我公司的带压开孔设备在DN400的煤气管道只能开DN150的孔，所以我们选用了DN125的气动调节蝶阀。由于我们选的调节蝶阀相对较小，所以在运行时我们把大循环管手动闸阀稍微开一点，再在此基础上进行调节，解决了调节蝶阀偏小的问题，完全可以满足生产要求。

    3.3.2调整相关PID控制回路的P、I、D参数。PID就是比例、积分、微分调节。PID的参数整定是控制系统设计的核心内容，它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。在自动控制系统中要达到满意的控制要求就必须恰当选择PID的参数，P、I、D参数是在特定的工况下整定出来的，当生产负荷发生较大变化，PID控制回路的P、I、D参数就要重新整定。通过合理设置P、I、D参数，可以降低集气管之间以及初冷器前煤气吸力与集气管煤气压力之间的耦合，稳定集气管的压力。

    3.4进一步优化集气管煤气压力自动调节控制的措施

    3.4.1连通焦炉的一段、二段集气管。某公司每座焦炉集气管分成两段，独立运行未连通。我们在两段集气管之间安装连通管及阀门，通过阀门调节，增大集气管的容量，加强集气管压力的稳定和控制。同一座焦炉的一段集气管与二段集气管之间、同一组焦炉的2座焦炉的集气管之间相互连通，有利于实现各集气管压力之间的动态平衡。

    3.4.2更换吸气机风机叶轮（改小），对吸气机液力耦合器勺管电动执行器机构进行改造。由于吸气机设计的输送能力较大，吸气机运行在临界转速附近，导致即使液力耦合器控制正常也无法投入自动运行。更换吸气机叶轮（改小）仍然是不错的选择，这样既能节约能源，又可以使液力耦合器投入自动运行。

    液力耦合器角行程电动执行机构，当控制液力耦合器转速的执行机构以最小的动作幅度（2％－3％）调节时，吸气机转速变化量最小都在150~250转/分钟，由此引起初冷器前吸力的最小变化在1000Pa左右,调节范围太大，这样不但没有完成对集气管煤气压力的合理调节，反而增加了干扰，形成反作用过大的变化。同时吸气机润滑系统、电器部分也无法承受，因此必须改造，提高控制系统执行机构的动作灵敏度和动作精度。我们将更换吸气机叶轮（改小）来使吸气机能力下降到合理的范围内，从而实现调节功能，降低扰动，提高控制系统的性能。

    3.4.3对炼焦DCS系统的集气管压力控制进行改造。现有的炼焦DCS系统集气管压力控制方案以简单的PID控制为基础，在正常生产时，每座焦炉采用PID单回路分别调节2个集气管压力，以保证集气管压力稳定。

    当压力发生大幅变化时，PID调节回路既要快速响应，将集气管煤气压力迅速调整到合理范围内，同时又要保证不要超出调节范围引起反向波动，而现有的软硬件设备情况很难达到这一要求，因此，需要一方面从硬件上提高集气管煤气压力控制系统执行机构的动作灵敏度和动作精度，另一方面从软件上建立多项规则对集气管压力进行快速调节。

    集气管煤气压力发生大幅度变化主要有以下两种：

    （1） 在煤气交换机交换换向时，集气管煤气压力会产生剧烈变化。集气管煤气调压阀在接到换向开始信号时，应保持阀位输出不变，维持交换前的阀位，换向结束后，此阀位还应保持一定的时间，以使集气管压力恢复到平稳状态。

    在实际的焦炉生产过程中，一般每30min煤气交换机反向交换一次，煤气交换机交换产生的煤气剧烈变化将引起集气管压力大幅度波动，控制系统的调节难以跟踪，无法平衡。为了避免调节过程中由于煤气交换机交换导致的调节不及时，我们采用时间最优PID控制，而且依照一定规则来切换，使系统从一个初始状态转到另一个状态的过渡时间最短，这种类型的最优切换系统称为开关控制系统，主要是这样实现的：在软件程序上设置一个阀位保持器，采用煤气交换机上在交换式送来一个交换信号，系统接收到交换信号时，集气管压力自动切到手动，接到交换完成信号30s后自动回到自动状态，切换为交换前控制状态，即系统保持30s换向前的阀位输出。这样一来当交换完成时，系统将很快调整好集气管压力。

     （2）在推焦和装煤时，集气管煤气压力也会产生大幅变化，此时要采集集气管煤气压力的变化率、偏差范围等参数，并根据压力变化范围、偏差范围等实际生产情况制定合理的规则表，利用软件编程制定规则表，根据不同工况设定合理的集气管煤气压力输出信号，从而实现工况大幅变化，快速精准地调节集气管煤气压力。

    4 完善和优化后效果

    4.1改造和完善优化后的焦炉集气管煤气压力控制系统，有效减少了在集气管煤气压力调节时的人为误差，降低了操作工人的劳动强度，为提高公司管理水平打下了基础。

    4.2改造和完善优化后的焦炉集气管煤气压力控制系统，有效稳定了焦炉集气管煤气压力的波动，使集气管煤气压力稳定控制在120Pa±40Pa范围内，为公司焦炉稳定生产和提高焦炭质量提供了条件，同时对于改善焦炉生产环境和降低焦炉生产能耗发挥了作用。

    4.3通过大循环管调节蝶阀来稳定初冷器前吸力有利于提高焦炉集气管压力的稳定性。

    4.4节约回炉煤气可直接为公司创效益，同时在提高焦炭质量、延长炉龄方面所创效益方面也是不可估量的。

    参考文献：

    [1]陈国昌，李玉成.用CRB系统实现集气管压力的连续控制[J].燃料与化工，1992，23（2）.

    （作者简介：徐志华，男，1970年4月出生，湖北人，本科，工程师，研究方向：自动控制。）