宋宏鵬

（山西焦煤集團五麟煤焦開發有限責任公司，山西 汾陽 032200）

摘 要：焦爐集氣管系統屬于焦爐系統中比較重要的組成部分，其主要負責對焦爐生產各個環節中所產生的焦爐煤氣進行收集，然后對其進行氣液分離、洗滌、冷卻等一系列的凈化操作，最終實現民用供氣。然而，焦爐集氣管具有耦合嚴重、擾動大、非線性等缺陷，此時就需要根據焦爐集氣管壓力系統的實際情況來制定智能控制對策，這樣不僅可以確保焦爐集氣管壓力系統的穩定性、快速性和協調性，而且還可以有效抑制外界擾動的影響，提高焦爐集氣管壓力系統的運行效率。

關鍵詞：焦爐集氣管壓力系統；影響因素；智能控制對策

在焦爐工業生產過程中，焦爐集氣管壓力的穩定與否將會直接決定焦爐生產效率的高低。在焦爐集氣管壓力系統運行過程中，出焦、裝煤、煤氣量發生變化、爐底換向、管道阻力變化等都會導致焦爐集氣管壓力出現比較大的波動。如果焦爐集氣管壓力比較低時，會導致空氣進入爐體，從而誘發焦碳燃燒，焦碳質量下降，灰份增加，既增加了冷卻系統的負擔，而且還會縮短爐體使用壽命，反之如果壓力過高時，會導致荒煤氣冒出，引發跑煙冒火現象，既降低了荒煤氣回收效率，又會引發環境污染。如今，大多數焦爐集氣管壓力存在比較大范圍的波動，缺乏一定的自動化程度，從而導致焦爐集氣管壓力系統運行效率低下。此時就需要在對上述問題分析的基礎上，制定出一套系統、完善的智能控制對策，其可以達到改善環境的目的，而且還可以有效提高煤氣質量和回收量，提高焦爐集氣管壓力系統的運行效率。

1 影響焦爐集氣管壓力系統的因素

通過大量的現場觀察、分析研究、技術調研發現，影響集氣管壓力系統運行穩定性的因素比較多，尤其是多座焦爐并聯生產，其常見的干擾因素包括了以下幾個方面：（1）出焦計劃在大范圍內雖然力求產氣量平穩均勻，但是其在小范圍內往往會出現產氣量明顯波動的現象。（2）各焦爐工藝輸氣管線所存在的阻力存在一定的差異，導致集氣管壓力會在一定程度上受到鼓風機吸力變化的影響。（3）裝煤扣蓋現象一般會誘發集氣管壓力出現比較大范圍內的沖擊干擾。（4）多座焦爐工藝輸氣管存在不同的匯總方式，而且也會產生不同的相互耦合。（5）鼓風機后管線、鼓風機入口排液系統是否暢通會對壓力系統的穩定性產生直接影響。（6）荒煤氣冷卻系統阻力大小、是否暢通也會對氣量傳輸的動態特性及壓力的穩定產生影響。（7）由于生產需要，會導致配煤比的設定發生改變。（8）荒煤氣溫度的高低將會對輸氣系統正常運行與否產生直接影響，如果荒煤氣溫度過低將會導致冷卻系統結萘，反之如果荒煤氣溫度過高，將會加重風機負荷，從而誘發運行危險。（9）裝煤量發生變化。（10）焦炭產量的變化，會導致出爐數發生相應的改變。（11）出焦事件發生變化。（12）爐蓋、爐門密封不嚴會導致集氣管壓力下降。上述因素的存在都會對焦爐集氣管壓力系統的運行產生或多或少的影響，其中有的為脈沖型干擾，如換向操作、推焦等，有的為常值干擾如配煤比改變等。實際上，不同的干擾，其對焦爐集氣管壓力系統產生的影響程度存在一定的差異，因此需要采取有效的智能控制對策，以確保焦爐集氣管壓力系統的正常、高效運行。

2 焦爐集氣管壓力系統智能控制理論及方法

通過對影響焦爐集氣管壓力系統現有控制弊端及頻繁波動原因進行分析后可以得出如下結論：從最初的分散式控制方法轉變為集中控制，該過程中主要的采樣信號包括各焦爐集氣管道碟形翻板閥門開度、集氣管壓力變送器、初冷器前壓力變送器、推焦及裝煤周期、爐下交換工作狀態、風機小循環與大循環電動閥門開度、機后壓力、螺絲鼓風機吸力、煤氣的瞬時流量等，需要借助相關的算法來對上述信號進行分析和處理。

焦爐集氣管壓力系統智能控制理論主要是在智能模糊協調控制原理的基礎上，將日常實際工作經驗與人腦的邏輯思維方式結合在一起，借助計算機系統，來對焦爐集氣管壓力及相關數據信息進行采集，并對集氣管壓力變化情況給予自動跟蹤，以便能夠及時、準確地對外部設備動態參數進行調整，確保集氣管壓力處在一個相對比較穩定的運行狀態。

2.1 焦爐集氣管壓力參數設定

要想實現對集氣管壓力的偶合震蕩和周期性突變現象進行有效控制時，就需要引入集氣管壓力在單位時間內的平均差異量和集氣管壓力差異量的計算方法來進行計算，該過程中一般還需要根據現場的實際情況進行測試，設定時間周期在8~10s，并借助計算機完成如表1所示的運算參數。

2.2 模塊化控制系統

在焦爐集氣管壓力系統智能控制過程中，一共設計了補充模塊、優先使用模塊、應急處理模塊3個模塊，并按照集氣管壓力變化范圍和外部設備運行狀態，來完成 3 個控制模塊的有效切換，其切換流程如圖 1 所示。

（1）優先使用模塊。該模塊的啟動條件D＞30%且D＜90%，并借助計算機完成對焦爐集氣管壓力信號的有效采集。

（2）補充模塊。在調整焦爐集氣管壓力時，一旦電動碟形翻板閥門開度大于規定范圍D＜90%時，且未達到調整要求時，此時計算機將會直接啟動第二個控制模塊來達到補充調節的目的。如果D=90%，則可以判定電動碟形翻板閥門處于全開狀態，無法滿足焦爐集氣管壓力調節需求，此時只能通過提高螺絲鼓風棚的瞬時流量的方法，使上述問題得到有效改善。實際上，可以選擇多臺鼓風機同時并用，并設定一臺變頻調速鼓風，并把其運行頻率控制在35Hz以下，借助計算機系統就可以完成對焦爐集氣管壓力的循環采樣工作，隨后就可以通過提高風機工作頻率的方式，來使機前吸力提高，并達到降低集氣管壓力的目的。在壓力調節過程中，如果風機的工作頻率趨近或等于35Hz時，將會引發第二個控制模塊暫停工作，并完成對第一控制模塊的有效啟動，以達到繼續調整集氣管壓力的目的。如果D=30%時，則可以判定電動碟形翻板閥門處于全關狀態，無法滿足焦爐集氣管壓力調節需求，此時可以適當地降低風機小循環的閥門開度，從而達到降低機前吸力，提高焦爐集氣管壓力的目的。在進行壓力調整過程中，小循環的閥門開度為0時，將會引發第二個控制模塊停止運行，并調整為第—控制模塊運行，以完成對焦爐集氣管壓力的有效調整。

（3）應急處理模塊。如果遇到特殊情況或焦爐氣體交換時，將會導致焦爐集氣管壓力迅速增高，甚至能夠超過400Pa，此時計算機將會直接啟動第三個控制模塊，并根據實際情況發出交換指令，首先系統會把電動碟形翻板閥門調節至90%左右，其次逐漸地提高鼓風機的頻率，通過增大風機流量的方式來實現對焦爐集氣管壓力的有效調節。待交換時間(46.6s)結束時，還能夠將鼓風機的頻率還原為到35Hz，此時將會引發第三控制模塊關閉，并調整為第一控制模塊繼續工作。

3 焦爐集氣管壓力系統智能控制策略

3.1 壓力回路級控制

通常情況下，焦爐集氣管壓力系統的控制流程如圖2所示。從圖2中可以發現4座焦爐分為2組，在組內每2個焦爐集氣管匯總后，繼續向下匯總，并通過鼓風機側單集氣總管上，然后借助各蝶閥開度的調節，來確保焦爐集氣管壓力的穩定運行。

實際上，各焦爐集氣管壓力回路級控制中被調量為各集氣管壓力，控制量為集氣管蝶閥開度，該過程需要對集氣管壓力回路的特點給予充分的考慮。如果系統的偏離或偏差趨勢相對比較大時，需要盡可能地降低偏差；如果偏差適中時，需要盡可能地抑制偏差；如果偏差較小時，需要適當地提高調節精度；如果偏差達到了工藝要求時，需要以減小蝶閥動作次數和保持穩定為主。壓力回路級智能控制策略如下：（1）各集氣管壓力調節回路。其一般需要借助可變凋節因子模糊控制算法，來確保各集氣管壓力回路超調小、調節快、精度高。（2）模糊解耦控制。根據各耦合的關系和程度，來選擇組間解耦和組內解耦2種解耦規則對壓力系統進行控制。（3）總管吸力監督控制。其一般是借助總管吸力來實現對焦爐集氣管壓力系統的有效調節，從而確保各焦爐控制蝶閥具有非常理想的調節功能，避免誘發蝶閥開度極限狀態。

3.2 解耦級模糊控制

3.2.1 組內解耦

某焦爐集氣管壓力如果出現波動時，往往會對組內另一座焦爐壓力產生或多或少的影響，此時需要通過組內解耦來確定蝶閥控制增量的修正量，從而在短時間內實現組內平衡。同時，對各焦爐集氣管壓力回路進行分析后可以發現，在其回路調節增量中可以對壓力的波動給予有效地反映，此時組內解耦控制規則的輸入一般需要選擇 2 個控制回路的控制增量 U1和U2，同時所得到的輸出通常是控制增量的修正量V。

3.2.2 組間解耦

通常情況下，組內焦爐之間管道具有相對比較短的距離，且組間的集氣管道相對比較長，這樣以來組內焦爐間耦合的時間往往要高于組間耦合時間。同時，組間解耦一般可以在組內解耦的基礎上來對其進行單獨處理，從而確保兩組之間的壓力處于平衡狀態。

3.3 總管級吸力監督控制

在焦爐集氣管壓力系統中，鼓風機的吸力（總管吸力）一般可以作為焦爐集氣管壓力調節回路的有效控制級，而總管蝶閥度屬于空置量。4座焦爐集氣管蝶閥所處的位置狀態是被控量，此時可以通過對總管吸力進行相應的調整，來確保焦爐的控制蝶閥達到比較理想的調節功能，避免由于焦爐供氣量出現大范圍的變化，而使各焦爐控制蝶閥開度處于全開或全關的極限狀態。

實際上，如果總管調節量大時，一般會使各焦爐調節回路出現大范圍的波動，此時可以選擇漸次調節方法，在爐蝶閥位簧偏離范圍達到一定要求時，就能夠對總管蝶閥進行調節，偏離大，調節大，偏離較小，調節較小，有效降低系統調節的波動。各蝶閥所定義的位置偏差語言值變量一般是K1、K2、K3、K4，而且總管蝶閥的語言值變量（調節量）是U，此時可以借助經驗規則來得到總管調節量的控制范圍，并得到等級值控制表u=h（k1、k2、k3、k4）。

4 結束語

綜上所述，焦爐集氣管壓力系統屬于焦爐工作過程中比較重要的組成部分，如果壓力出現較大范圍變動時，將會對焦爐的運行效率產生不利影響，此時就需要根據實際情況制定一套針對性、系統性的智能控制對策，以實現對焦爐集氣管壓力的有效調整，提高焦爐集氣管壓力系統的運行效率。

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