宋宏鵬
（山西焦煤集團(tuán)五麟煤焦開發(fā)有限責(zé)任公司，山西 汾陽 032200）
摘 要：焦?fàn)t集氣管系統(tǒng)屬于焦?fàn)t系統(tǒng)中比較重要的組成部分，其主要負(fù)責(zé)對(duì)焦?fàn)t生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)中所產(chǎn)生的焦?fàn)t煤氣進(jìn)行收集，然后對(duì)其進(jìn)行氣液分離、洗滌、冷卻等一系列的凈化操作，最終實(shí)現(xiàn)民用供氣。然而，焦?fàn)t集氣管具有耦合嚴(yán)重、擾動(dòng)大、非線性等缺陷，此時(shí)就需要根據(jù)焦?fàn)t集氣管壓力系統(tǒng)的實(shí)際情況來制定智能控制對(duì)策，這樣不僅可以確保焦?fàn)t集氣管壓力系統(tǒng)的穩(wěn)定性、快速性和協(xié)調(diào)性，而且還可以有效抑制外界擾動(dòng)的影響，提高焦?fàn)t集氣管壓力系統(tǒng)的運(yùn)行效率。
關(guān)鍵詞：焦?fàn)t集氣管壓力系統(tǒng)；影響因素；智能控制對(duì)策
在焦?fàn)t工業(yè)生產(chǎn)過程中，焦?fàn)t集氣管壓力的穩(wěn)定與否將會(huì)直接決定焦?fàn)t生產(chǎn)效率的高低。在焦?fàn)t集氣管壓力系統(tǒng)運(yùn)行過程中，出焦、裝煤、煤氣量發(fā)生變化、爐底換向、管道阻力變化等都會(huì)導(dǎo)致焦?fàn)t集氣管壓力出現(xiàn)比較大的波動(dòng)。如果焦?fàn)t集氣管壓力比較低時(shí)，會(huì)導(dǎo)致空氣進(jìn)入爐體，從而誘發(fā)焦碳燃燒，焦碳質(zhì)量下降，灰份增加，既增加了冷卻系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，而且還會(huì)縮短爐體使用壽命，反之如果壓力過高時(shí)，會(huì)導(dǎo)致荒煤氣冒出，引發(fā)跑煙冒火現(xiàn)象，既降低了荒煤氣回收效率，又會(huì)引發(fā)環(huán)境污染。如今，大多數(shù)焦?fàn)t集氣管壓力存在比較大范圍的波動(dòng)，缺乏一定的自動(dòng)化程度，從而導(dǎo)致焦?fàn)t集氣管壓力系統(tǒng)運(yùn)行效率低下。此時(shí)就需要在對(duì)上述問題分析的基礎(chǔ)上，制定出一套系統(tǒng)、完善的智能控制對(duì)策，其可以達(dá)到改善環(huán)境的目的，而且還可以有效提高煤氣質(zhì)量和回收量，提高焦?fàn)t集氣管壓力系統(tǒng)的運(yùn)行效率。
1 影響焦?fàn)t集氣管壓力系統(tǒng)的因素
通過大量的現(xiàn)場(chǎng)觀察、分析研究、技術(shù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，影響集氣管壓力系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性的因素比較多，尤其是多座焦?fàn)t并聯(lián)生產(chǎn)，其常見的干擾因素包括了以下幾個(gè)方面：（1）出焦計(jì)劃在大范圍內(nèi)雖然力求產(chǎn)氣量平穩(wěn)均勻，但是其在小范圍內(nèi)往往會(huì)出現(xiàn)產(chǎn)氣量明顯波動(dòng)的現(xiàn)象。（2）各焦?fàn)t工藝輸氣管線所存在的阻力存在一定的差異，導(dǎo)致集氣管壓力會(huì)在一定程度上受到鼓風(fēng)機(jī)吸力變化的影響。（3）裝煤扣蓋現(xiàn)象一般會(huì)誘發(fā)集氣管壓力出現(xiàn)比較大范圍內(nèi)的沖擊干擾。（4）多座焦?fàn)t工藝輸氣管存在不同的匯總方式，而且也會(huì)產(chǎn)生不同的相互耦合。（5）鼓風(fēng)機(jī)后管線、鼓風(fēng)機(jī)入口排液系統(tǒng)是否暢通會(huì)對(duì)壓力系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生直接影響。（6）荒煤氣冷卻系統(tǒng)阻力大小、是否暢通也會(huì)對(duì)氣量傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)特性及壓力的穩(wěn)定產(chǎn)生影響。（7）由于生產(chǎn)需要，會(huì)導(dǎo)致配煤比的設(shè)定發(fā)生改變。（8）荒煤氣溫度的高低將會(huì)對(duì)輸氣系統(tǒng)正常運(yùn)行與否產(chǎn)生直接影響，如果荒煤氣溫度過低將會(huì)導(dǎo)致冷卻系統(tǒng)結(jié)萘，反之如果荒煤氣溫度過高，將會(huì)加重風(fēng)機(jī)負(fù)荷，從而誘發(fā)運(yùn)行危險(xiǎn)。（9）裝煤量發(fā)生變化。（10）焦炭產(chǎn)量的變化，會(huì)導(dǎo)致出爐數(shù)發(fā)生相應(yīng)的改變。（11）出焦事件發(fā)生變化。（12）爐蓋、爐門密封不嚴(yán)會(huì)導(dǎo)致集氣管壓力下降。上述因素的存在都會(huì)對(duì)焦?fàn)t集氣管壓力系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)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(shí)際上，不同的干擾，其對(duì)焦?fàn)t集氣管壓力系統(tǒng)產(chǎn)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(duì)策，以確保焦?fàn)t集氣管壓力系統(tǒng)的正常、高效運(yùn)行。
2 焦?fàn)t集氣管壓力系統(tǒng)智能控制理論及方法
通過對(duì)影響焦?fàn)t集氣管壓力系統(tǒng)現(xiàn)有控制弊端及頻繁波動(dòng)原因進(jìn)行分析后可以得出如下結(jié)論：從最初的分散式控制方法轉(zhuǎn)變?yōu)榧锌刂?，該過程中主要的采樣信號(hào)包括各焦?fàn)t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(tài)、風(fēng)機(jī)小循環(huán)與大循環(huán)電動(dòng)閥門開度、機(jī)后壓力、螺絲鼓風(fēng)機(jī)吸力、煤氣的瞬時(shí)流量等，需要借助相關(guān)的算法來對(duì)上述信號(hào)進(jìn)行分析和處理。
焦?fàn)t集氣管壓力系統(tǒng)智能控制理論主要是在智能模糊協(xié)調(diào)控制原理的基礎(chǔ)上，將日常實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)與人腦的邏輯思維方式結(jié)合在一起，借助計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，來對(duì)焦?fàn)t集氣管壓力及相關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，并對(duì)集氣管壓力變化情況給予自動(dòng)跟蹤，以便能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)外部設(shè)備動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，確保集氣管壓力處在一個(gè)相對(duì)比較穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。
2.1 焦?fàn)t集氣管壓力參數(shù)設(shè)定
要想實(shí)現(xiàn)對(duì)集氣管壓力的偶合震蕩和周期性突變現(xiàn)象進(jìn)行有效控制時(shí)，就需要引入集氣管壓力在單位時(shí)間內(nèi)的平均差異量和集氣管壓力差異量的計(jì)算方法來進(jìn)行計(jì)算，該過程中一般還需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況進(jìn)行測(cè)試，設(shè)定時(shí)間周期在8~10s，并借助計(jì)算機(jī)完成如表1所示的運(yùn)算參數(shù)。
2.2 模塊化控制系統(tǒng)
在焦?fàn)t集氣管壓力系統(tǒng)智能控制過程中，一共設(shè)計(jì)了補(bǔ)充模塊、優(yōu)先使用模塊、應(yīng)急處理模塊3個(gè)模塊，并按照集氣管壓力變化范圍和外部設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，來完成 3 個(gè)控制模塊的有效切換，其切換流程如圖 1 所示。
（1）優(yōu)先使用模塊。該模塊的啟動(dòng)條件D＞30%且D＜90%，并借助計(jì)算機(jī)完成對(duì)焦?fàn)t集氣管壓力信號(hào)的有效采集。
（2）補(bǔ)充模塊。在調(diào)整焦?fàn)t集氣管壓力時(shí)，一旦電動(dòng)碟形翻板閥門開度大于規(guī)定范圍D＜90%時(shí)，且未達(dá)到調(diào)整要求時(shí)，此時(shí)計(jì)算機(jī)將會(huì)直接啟動(dòng)第二個(gè)控制模塊來達(dá)到補(bǔ)充調(diào)節(jié)的目的。如果D=90%，則可以判定電動(dòng)碟形翻板閥門處于全開狀態(tài)，無法滿足焦?fàn)t集氣管壓力調(diào)節(jié)需求，此時(shí)只能通過提高螺絲鼓風(fēng)棚的瞬時(shí)流量的方法，使上述問題得到有效改善。實(shí)際上，可以選擇多臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)同時(shí)并用，并設(shè)定一臺(tái)變頻調(diào)速鼓風(fēng)，并把其運(yùn)行頻率控制在35Hz以下，借助計(jì)算機(jī)系統(tǒng)就可以完成對(duì)焦?fàn)t集氣管壓力的循環(huán)采樣工作，隨后就可以通過提高風(fēng)機(jī)工作頻率的方式，來使機(jī)前吸力提高，并達(dá)到降低集氣管壓力的目的。在壓力調(diào)節(jié)過程中，如果風(fēng)機(jī)的工作頻率趨近或等于35Hz時(shí)，將會(huì)引發(fā)第二個(gè)控制模塊暫停工作，并完成對(duì)第一控制模塊的有效啟動(dòng)，以達(dá)到繼續(xù)調(diào)整集氣管壓力的目的。如果D=30%時(shí)，則可以判定電動(dòng)碟形翻板閥門處于全關(guān)狀態(tài)，無法滿足焦?fàn)t集氣管壓力調(diào)節(jié)需求，此時(shí)可以適當(dāng)?shù)亟档惋L(fēng)機(jī)小循環(huán)的閥門開度，從而達(dá)到降低機(jī)前吸力，提高焦?fàn)t集氣管壓力的目的。在進(jìn)行壓力調(diào)整過程中，小循環(huán)的閥門開度為0時(shí)，將會(huì)引發(fā)第二個(gè)控制模塊停止運(yùn)行，并調(diào)整為第—控制模塊運(yùn)行，以完成對(duì)焦?fàn)t集氣管壓力的有效調(diào)整。
（3）應(yīng)急處理模塊。如果遇到特殊情況或焦?fàn)t氣體交換時(shí)，將會(huì)導(dǎo)致焦?fàn)t集氣管壓力迅速增高，甚至能夠超過400Pa，此時(shí)計(jì)算機(jī)將會(huì)直接啟動(dòng)第三個(gè)控制模塊，并根據(jù)實(shí)際情況發(fā)出交換指令，首先系統(tǒng)會(huì)把電動(dòng)碟形翻板閥門調(diào)節(jié)至90%左右，其次逐漸地提高鼓風(fēng)機(jī)的頻率，通過增大風(fēng)機(jī)流量的方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)焦?fàn)t集氣管壓力的有效調(diào)節(jié)。待交換時(shí)間(46.6s)結(jié)束時(shí)，還能夠?qū)⒐娘L(fēng)機(jī)的頻率還原為到35Hz，此時(shí)將會(huì)引發(fā)第三控制模塊關(guān)閉，并調(diào)整為第一控制模塊繼續(xù)工作。
3 焦?fàn)t集氣管壓力系統(tǒng)智能控制策略
3.1 壓力回路級(jí)控制
通常情況下，焦?fàn)t集氣管壓力系統(tǒng)的控制流程如圖2所示。從圖2中可以發(fā)現(xiàn)4座焦?fàn)t分為2組，在組內(nèi)每2個(gè)焦?fàn)t集氣管匯總后，繼續(xù)向下匯總，并通過鼓風(fēng)機(jī)側(cè)單集氣總管上，然后借助各蝶閥開度的調(diào)節(jié)，來確保焦?fàn)t集氣管壓力的穩(wěn)定運(yùn)行。
實(shí)際上，各焦?fàn)t集氣管壓力回路級(jí)控制中被調(diào)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(duì)集氣管壓力回路的特點(diǎn)給予充分的考慮。如果系統(tǒng)的偏離或偏差趨勢(shì)相對(duì)比較大時(shí)，需要盡可能地降低偏差；如果偏差適中時(shí)，需要盡可能地抑制偏差；如果偏差較小時(shí)，需要適當(dāng)?shù)靥岣哒{(diào)節(jié)精度；如果偏差達(dá)到了工藝要求時(shí)，需要以減小蝶閥動(dòng)作次數(shù)和保持穩(wěn)定為主。壓力回路級(jí)智能控制策略如下：（1）各集氣管壓力調(diào)節(jié)回路。其一般需要借助可變凋節(jié)因子模糊控制算法，來確保各集氣管壓力回路超調(diào)小、調(diào)節(jié)快、精度高。（2）模糊解耦控制。根據(jù)各耦合的關(guān)系和程度，來選擇組間解耦和組內(nèi)解耦2種解耦規(guī)則對(duì)壓力系統(tǒng)進(jìn)行控制。（3）總管吸力監(jiān)督控制。其一般是借助總管吸力來實(shí)現(xiàn)對(duì)焦?fàn)t集氣管壓力系統(tǒng)的有效調(diào)節(jié)，從而確保各焦?fàn)t控制蝶閥具有非常理想的調(diào)節(jié)功能，避免誘發(fā)蝶閥開度極限狀態(tài)。
3.2 解耦級(jí)模糊控制
3.2.1 組內(nèi)解耦
某焦?fàn)t集氣管壓力如果出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，往往會(huì)對(duì)組內(nèi)另一座焦?fàn)t壓力產(chǎn)生或多或少的影響，此時(shí)需要通過組內(nèi)解耦來確定蝶閥控制增量的修正量，從而在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)組內(nèi)平衡。同時(shí)，對(duì)各焦?fàn)t集氣管壓力回路進(jìn)行分析后可以發(fā)現(xiàn)，在其回路調(diào)節(jié)增量中可以對(duì)壓力的波動(dòng)給予有效地反映，此時(shí)組內(nèi)解耦控制規(guī)則的輸入一般需要選擇 2 個(gè)控制回路的控制增量 U1和U2，同時(shí)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(nèi)焦?fàn)t之間管道具有相對(duì)比較短的距離，且組間的集氣管道相對(duì)比較長，這樣以來組內(nèi)焦?fàn)t間耦合的時(shí)間往往要高于組間耦合時(shí)間。同時(shí)，組間解耦一般可以在組內(nèi)解耦的基礎(chǔ)上來對(duì)其進(jìn)行單獨(dú)處理，從而確保兩組之間的壓力處于平衡狀態(tài)。
3.3 總管級(jí)吸力監(jiān)督控制
在焦?fàn)t集氣管壓力系統(tǒng)中，鼓風(fēng)機(jī)的吸力（總管吸力）一般可以作為焦?fàn)t集氣管壓力調(diào)節(jié)回路的有效控制級(jí)，而總管蝶閥度屬于空置量。4座焦?fàn)t集氣管蝶閥所處的位置狀態(tài)是被控量，此時(shí)可以通過對(duì)總管吸力進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，來確保焦?fàn)t的控制蝶閥達(dá)到比較理想的調(diào)節(jié)功能，避免由于焦?fàn)t供氣量出現(xiàn)大范圍的變化，而使各焦?fàn)t控制蝶閥開度處于全開或全關(guān)的極限狀態(tài)。
實(shí)際上，如果總管調(diào)節(jié)量大時(shí)，一般會(huì)使各焦?fàn)t調(diào)節(jié)回路出現(xiàn)大范圍的波動(dòng)，此時(shí)可以選擇漸次調(diào)節(jié)方法，在爐蝶閥位簧偏離范圍達(dá)到一定要求時(shí)，就能夠?qū)偣艿y進(jìn)行調(diào)節(jié)，偏離大，調(diào)節(jié)大，偏離較小，調(diào)節(jié)較小，有效降低系統(tǒng)調(diào)節(jié)的波動(dòng)。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(diào)節(jié)量）是U，此時(shí)可以借助經(jīng)驗(yàn)規(guī)則來得到總管調(diào)節(jié)量的控制范圍，并得到等級(jí)值控制表u=h（k1、k2、k3、k4）。
4 結(jié)束語
綜上所述，焦?fàn)t集氣管壓力系統(tǒng)屬于焦?fàn)t工作過程中比較重要的組成部分，如果壓力出現(xiàn)較大范圍變動(dòng)時(shí)，將會(huì)對(duì)焦?fàn)t的運(yùn)行效率產(chǎn)生不利影響，此時(shí)就需要根據(jù)實(shí)際情況制定一套針對(duì)性、系統(tǒng)性的智能控制對(duì)策，以實(shí)現(xiàn)對(duì)焦?fàn)t集氣管壓力的有效調(diào)整，提高焦?fàn)t集氣管壓力系統(tǒng)的運(yùn)行效率。
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