（检测技术与自动化装置专业论文）多焦炉集气管压力控制策略的研究.pdf

山东轻工业学院硕士学位论文 摘要 焦炉是一个分布参数、非线性、时变、多变量紧密耦合的被控对象，其中集 气管压力则是焦炉操作的重要参数之一。焦炉本体的正常操作如：焦炉开炉门、 关炉门、推焦、装煤、平煤、结焦时间的变更和加热制度的变化等，都将造成焦 炉煤气发生量的变化，产生对集气管压力的直接扰动。当一个集气管压力产生波 动时，就会引起相邻的另一个集气管压力的波动，当波动较大时，就会造成全局 的集气管压力出现波动现象。对焦炉集气管压力进行控制，使其稳定在生产工艺 所需范围内，是保证安全生产、提高焦炭产量与质量、节约能源、减少环境污染、 延长焦炉炉龄的重要技术措施。多座焦炉集气管压力系统是一个强干扰、多耦合、 非线性、时变的复杂多变量系统，在多座焦炉并联生产条件下，集气管压力控制 对象存在复杂的耦合关系，且尚无精确的数学模型，这就给集气管压力控制系统 的设计带来困难，难以实现精确的控制。 本文首先大体介绍了“潍坊振兴焦化厂焦炉集气管压力控制系统 项目的工 程概况，然后针对集气管压力系统的特点，在分析目前国内外所建焦炉集气管模 型后，通过分析影响焦炉集气管压力控制的多种因素，采用机理建模的方法，建 立了一种新的多焦炉集气管压力系统的数学模型。本文在比较了目前各种解耦方 法的优缺点后，针对集气管压力控制的特点，基于彼此相邻通道的波动引起的耦 合振荡现象，采用模糊控制技术，采用了一种基于模糊逻辑的模糊解耦方法，用 于集气管压力控制。最后，在m a t l a b 软件环境下，对所建模型进行仿真，仿 真结果较为满意。 关键词：焦炉；集气管压力；模糊控制；多变量解耦 山东轻工业学院硕士学位论文 a b s t r a c t ac o k eo v e nr e p r e s e n t sak i n do fc o n t r o l l e do b j e c tw i t haf u l ls p e c t r u mo fc l o s e l y c o u p l e df a c t o r s ，s u c ha sd i s t r i b u t e dp a r a m e t e r s ，n o n l i n e a r i t y , t i m e - d e p e n d e n tc h a n g e a n dm u l t i v a r i a b l ef e a t u r e s ；a m o n gt h e m ，t h ep r e s s u r eo fg a sc o l l e c t o r si st h ek e y p a r a m e t e r s t h en o r m a lo p e r a t i o n so fc o k eo v e n s ，s u c ha so p e n i n gt h e i rd o o r s ，c l o s i n g t h e i rd o o r s ，p u s h i n gc o k e ，c o a l i n g ，s m o o t h i n gc o a l ，t h ec h a n g eo fc o k i n gt i m ea n d h e a t i n gr u l e s ，w i l lc a u s ec h a n g i n go fg a sp r o d u c t i o no fc o k eo v e n sa n dd i s t u r b i n gg a s c o l l e c t o rp r e s s u r e w h e nt h ep r e s s u r eo fag a s c o l l e c t o rc h a n g e s ，a n o t h e ro n ew i l la l s o c h a n g e s c o n t r o l l i n gt h eg a sc o l l e c t o rp r e s s u r ei nt h ep r o p e rr a n g ei sai m p o r t a n t t e c h n i c a lm e a s u r eo fk e e p i n gs a f em a n u f a c t u r e ，i n c r e a s i n gt h eq u a n t i t ya n dq u a l i t yo f c o k e ，e c o n o m i z i n ge n e r g ys o u r c e ，p r o t e c t i n ge n v i r o n m e n t ，p r o l o n g i n gt h el i f eo f c o k e o v e n s 硼1 em u l t ig a sc o l l e c t o rp r e s s u r es y s t e mo fc o k eo v e n si sac o m p l i c a t e d m u l t i v a r i a b l e ，n o n l i n e a ra n dt i m ev a r i a n t ，s t r o n ge x t e r n a ld i s t u r b a n c e sa n dc o m p l e x c o u p l i n gr e l a t i o n so n e si nt h e c o k eo v e ng r o u p w h e ns e v e r a lc o k eo v e n sa r e c o n n e c t e di np a r a l l e l ，t h e r ea l em a n ye x t e r n a ld i s t u r b a n c ef a c t o r s ，a sw e l la sc o m p l e x c o u p l i n gr e l a t i o n s ，s ot h ed i s c h a r g eh e a d e rp r e s s u r es y s t e mo f c o k eo v e n si sac o m p l e x m u l t i v a r i a b l ec o n t r o ls y s t e ma n dt h e r ei sn om a t h e m a t i c a lm o d e lu pt on o w t h ea b o v e c i r c u m s t a n c e sw i l lc r e a t es o m ed i f f i c u l t i e sf o rt h e d e s i g n o fad i s c h a r g eh e a d e r p r e s s u r eo fc o k eo v e nc o n t r o ls y s t e m ，w h o s ed i f f i c u l t i e sm a k ei th a r dt or e a l i z ea n a c c u r a t ec o n t r 0 1 t 1 1 i sp a p e ri n t r o d u c e st h ee n g i n e e r i n go u t l i n eo f “c o k eo v e nc o l l e c t o rp r e s s u r e c o n t r o ls y s t e mo fw e i f a n g z h e n x i n gc o k i n gf a c t o r y ”p r o j e c t f i r s t l y , m a k i n g r e f e r e n c et oa l lk i n d so fm o d e l so ft h ec o l l e c t o r sa th o m ea n da b r o a da n d a n a l y z i n gt h e f a c t o r s 、i t hi n f l u e n c et h eg a sc o l l e c t o rp r e s s u r e an e wd y n a m i cm o d e lb a s e do n p h y s i c sc o n c e p ts t r a t e g i e si se s t a b l i s h e d s e c o n d l y , a f t e rc o m p a r i n gt h ed i f f e r e n c eo f s o m ek i n d so fd e c o u p l i n gc o n t r o lm e t h o d ，a i m i n ga tt h ef e a t u r eo ft h ec o k eo v e n p r e s s u r es y s t e ma n db a s e do nt h ec o u p l i n gp h e n o m e n a c a u s e db yt h ef l u c t u a t eb e t w e e n b o r d e ru p o nc o l l e c t o r s ，ak i n dm e t h o do fd e c o u p l i n gb a s e do nf u z z yt e c h n i q u ei s p r e s e n t e da n du s e dt oc o n t r o lt h es y s t e m f i n a l l y , t h es i m u l a t i n gm o d e l sf o rg a s c o l l e c t o rp r e s s u r es y s t e ma n dg a sc o l l e c t o rp r e s s u r ec o n t r o ls y s t e mi se s t a b l i s h e du n d e r t h ec o n d i t i o no fs o f t w a r em a t l a b ，w h i c hi sv e r yp o p u l a ra th o m ea n da b r o a dt o d a y 1 1 1 er a t i o n a l i t ya n dv a l i d i t yo ft h ee s t a b l i s h e dm o d e l i n ga n dc o n t r o lm e t h o dw e r et e s t e d a b s t r a c t b ys i m u l a t i n gr e s u l t s i ts h o w st h a tt h es i m u l a t i n ge f f e c ti ss a t i s f a c t o r y k e yw o r d s ：c o k eo v e n ，g a sc o l l e c t o rp r e s s u r e ，f u z z yc o n t r o l ，m u l t i v a r i a b l ed e c o u p l i n g i l 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。文 中引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或 成果，与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 论文作者签名： 墨坚璺 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属山东轻工 业学院。山东轻工业学院享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为山东轻工业学院。 论文作者签名： 毫丝豆 导师签名： 日期：立! 垒年月旦日 日期：里乒年兰月血 山东轻工业学院硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 焦炉集气管压力系统概述 1 1 1 炼焦工艺过程 焦化工业是冶金工业的重要组成部分。高温炼焦得到的焦炭用于高炉冶炼、 铸造和气化；炼焦过程中生产的焦炉煤气经回收、净化后，既是高热值燃料，又 是重要的有机合成工业原料。煤在炼焦时约7 5 变成焦炭供冶金使用，还有2 5 生成煤气及各种化学产品。实现炼焦及化学产品回收的自动化，对 我国煤炭资源的综合利用有着重要的作用。焦炉主要由炭化室、燃烧室、蓄热室、 斜道区、炉顶和基础部分组成。图1 1 是焦炉及其基础断面结构示意图【l 】。 卜装煤车；2 - 磨电线架；3 - 拦焦车；4 - 焦侧操作台；5 - 熄焦车；6 一交换开闭器：7 - 熄焦车轨道基础； 8 一分烟道；9 - 仪表小房；l o _ 推焦车；1 1 - 机侧操作台；1 2 - 集气管；1 3 - 吸气管；1 4 - 推焦车轨道基础； 1 5 - 炉柱；1 6 一基础构架；1 7 - 燃烧室；1 8 一基础项板；1 9 - 蓄热室；2 0 - 炭化室；2 1 - 炉项区；2 2 - 斜道区； 图1 1 焦炉及其基础断面结构示意图 现代炼焦炉由炭化室、燃烧室、蓄热室、斜道区、炉顶、基础、烟道等组成。 炭化室中煤料在隔绝空气条件下受热变成焦炭。一座焦炉有几十个炭化室和燃烧 室相间配置，用耐火材料( 硅砖) 隔开。每个燃烧室有2 0 - 3 0 个立火道。来自蓄热 室的经过预热的煤气( 高热值煤气不预热) 和空气在立火道底部相遇燃烧，从侧 面向炭化室提供热量。蓄热室位于焦炉的下部，利用高温废气来预热加热用的煤 气和空气。斜道区是连接蓄热室和燃烧室的斜通道。炭化室、燃烧室以上的炉体 称炉顶，其厚度按炉体强度和降低炉顶表面温度的需要确定。炉顶区有装煤孔和 第l 章绪 论 上升管孔通向炭化室，用以装入煤料和导出煤料干馏时产生的荒煤气。还设有看 火孔通向每个火道，供测温、检查火焰之用，根据检测结果，调节温度和压力。 整座焦炉砌筑在坚固平整的混凝土基础上，每个蓄热室通过废气盘与烟道连接， 烟道设在基础内或基础两侧，一端与烟囱连接。 一个炭化室又称为一个炉孔，一座炼焦炉由数十个炉孔组成。按加热系统的 结构不同，现代炼焦炉有多种类型，大致可分为：双联火道式，上升气流火道和 下降气流火道成对组合，整个燃烧室由若干组双联火道组成；两分火道式，整个 燃烧室的半侧火道均走上升气流，另半侧火道均走下降气流；上跨焰道式，整个燃 烧室的各火道分为若干组，通过上跨焰道与相邻燃烧室的火道组相联。炼焦炉的 生产能力决定于炭化室的尺寸和结焦时间。 炼焦炉主要部位由硅砖砌成，为使密封性好，要采用异形砖砌筑。通常一座 大型炼焦炉要使用4 0 0 种以上的砖，甚至超过1 0 0 0 种。一座3 6 孔容积为3 5 4 米3 的炼焦炉需用耐火材料约8 4 0 0 吨。要按照严格质量标准施工，并应在烘炉时 充分考虑硅砖的性质，以保证运行良好并延长寿命。焦炉烘炉后，炭化室区域的 膨胀近2 0 0 毫米。烘炉的日膨胀率一般采取不大于0 0 3 5 ，烘炉天数为5 0 - - 6 0 天。因炼焦炉烘炉时有较大的膨胀，某些与炉体相联接的设备和结构，要在烘炉 末期炉体膨胀基本结束后，才最终进行联接、固定和密封。 炼焦炉调温是为了最大限度地发挥炼焦炉的生产能力和最好的热工效率。调 温分为三个阶段：刚投产时，炉温有较大波动，调温工作的主要内容是监督全炉 燃烧室的温室保持均衡，调整某几个温度过高或过低的燃烧室。当结焦时间逐步 缩短到1 6 - 1 8 小时，就转入正式的调温阶段。这时以焦饼( 炭化室中的整个焦体) 沿高向和长向均匀成焦和焦饼中心温度达9 5 0 - 1 0 5 0 为依据，调节全炉加热系 统的温度和压力，制定合理的加热制度并把它稳定下来。此阶段的调温工作约需 半年时间。此后过渡到经常性的调温阶段，根据煤料、加热煤气和大气条件等情 况的变化，及时调整供热，使各炭化室的焦饼在规定的结焦时间内沿长向和高向均 匀炼成焦炭。炼焦炉的耗热量是评定焦炉热工管理的重要指标。一般用焦炉煤气 加热时，每公斤干煤的耗热量约为5 5 0 千卡；用高炉煤气加热时约为6 3 0 千卡。 炼焦炉烘炉阶段由于硅砖的膨胀是非线性的，上下部位膨胀速度不一，有被 拉成阶梯裂纹的可能。正常生产过程中，由于炭化室的周期性装煤和出焦，炉温 波动很大，砌体也会产生一定程度的胀缩变化。再加各种机械设备对砌体的撞击， 均可能导致砌体变形和开裂。因此要利用可调节的弹簧势能，通过护炉设备连续 不断地向砌体施加数量足够、分布合理的保护性压力，使砌体从烘炉、开工到正 常生产的整个过程中始终保持完整和严密，一直到焦炉停产，均应维持这种保护性 压力，并定期检查、调整。护炉铁构件对焦炉施加的总负荷，按炉高计算，每米为 1 5 2 0 吨。由于硅砖的残存膨胀和不可避免地产生的裂缝，将导致炉长逐年膨 2 山东轻工业学院硕士学位论文 胀，正常的年膨胀量应不大于1 0 毫米，护炉设备管理较好的焦炉，投产二、三年后 年膨胀量可在5 毫米以下。炉长的总膨胀量是炉体衰老的标志之一。 炼焦炉的一代炉龄一般为2 5 年左右，在操作、维护好的情况下可达3 0 年以 上。2 0 世纪3 0 年代以前，焦炉炭化室容积一般不超过2 0 米。1 9 2 7 年炭化室高6 米、有效容积达3 0 米3 的大容积炼焦炉首次在德国建成投产。6 0 年代起许多国 家相继建造了大容积炉。目前广泛使用的大型炼焦炉尺寸为：炭化室高6 7 5 米， 长1 5 1 7 米，平均宽0 4 - 0 4 6 米，有效容积达5 0 米左右。 中国的第一批近代炼焦炉于1 9 1 9 年在鞍山建成投产，以后在石家庄、石景山、 本溪、大连和吉林等地相继建成。由于长期战争，大都遭到破坏，1 9 4 9 - 1 9 5 9 年， 恢复了1 1 座、4 4 8 孔旧炼焦炉：新建、改建2 4 座、1 2 3 9 孔炼焦炉。1 9 5 7 年起自 己独立设计炼焦炉，1 9 6 5 年起开始研究设计大容积炼焦炉。1 9 7 0 年第一座3 6 孔 高5 5 米，有效容积达3 5 4 米3 的大容积炼焦炉投产，生产中各项主要指标均达到 较好水平。 焦炉炉型主要是烈型焦炉，型焦炉种类繁多，有两分式、下喷式、侧入 式及捣固式等不同类型，具有代表性的有j n 6 0 型焦炉、j n 5 5 型焦炉和j n 4 3 型 焦炉。 ( 1 ) j n 6 0 型和j n x 6 0 型焦炉 j n 6 0 型焦炉为双联火道、焦炉煤气下喷、废气循环、复热式顶装焦炉。炉体 结构特点是：蓄热室主墙宽度为2 9 0 m m ，采用三沟舌结构：单墙宽度为2 3 0 m m ， 采用单沟舌结构。斜道宽度为1 2 0 m m 。边斜道出口宽度为1 2 0 m m ，中部斜道出 口宽度为9 6 m m 。这样，即可大量减少砖型，又可提高边火道温度。有些焦炉采 用高低灯头结构。炭化室墙的厚度上下一致，均为1 0 0 m m 。炭化室墙面采用宝塔 砖结构。炉头采用硅砖咬缝结构，炉头砖与保护板咬合很少。燃烧室由1 6 对双联 火道组成。在装煤孔和炉头处的炭化室盖顶用粘土砖砌筑，以防止急冷急热而过 早地断裂。其余部分均用硅砖，以保持炉顶的整体性及严密性。炉项装煤孔和上 升管孔的座砖上加铁箍。炉头先砌并设灌浆孔，以使炉顶更为严密。炉顶由焦炉 中心线至机、焦两侧炉头，有5 0 m m 的坡度，以便排水。焦炉中心线处的炉顶厚 度为1 2 5 0 m m ，机焦侧端部的炉顶厚度为1 2 0 0 m m 。 j n x 6 0 8 7 型是1 9 8 7 年专为宝钢二期焦炉而设计的下调式焦炉。它的外形和 基本尺寸与j n 6 0 型焦炉相同，亦为双联火道，焦炉煤气下喷，废气循环、复热 式顶装焦炉。其不同之处是蓄热室分格。其优点是气流分布均匀，热工效率高； 火道温度调节是在地下室通过蓄热室篦子砖上的可调节孔调节，因此调节简便、 准确、容易。其缺点是蓄热室结构复杂、砌筑困难；如格子砖堵塞，则不易更换， 因此未推广使用。在总结了宝钢二期焦炉生产经验的基础上，经现场结合，我院 又新设计了j n x 6 0 2 型下调式焦炉在宝钢三期焦炉上使用。其设计作了许多改进， 第1 章绪论 选用了新材质，改善了炉头加热和操作环境。 ( 2 ) j n 5 5 型焦炉 j n 5 5 型焦炉炉体结构特点是，每个炭化室下面有两个宽度相同的蓄热室，在 蓄热室异向气流之间的主墙内设垂直砖煤气道，单墙和主墙均用带沟舌的异型砖 砌筑，以保持其严密性。斜道区用硅砖砌筑。斜道宽度为1 3 0 m m 。边斜道( 第1 、 2 、3 1 、3 2 火道) 出口为1 1 0 m m ，中部斜道出口宽度为8 0 m m 。这既可提高炉头火 道温度，又可减少斜道区的砖型数量。燃烧室由1 6 对双联火道组成。立火道底部 设有废气循环孔，可使焦饼上下加热均匀。由于打开炭化室炉门时炉头下部比上 部散热多，以及在炉头一对火道内设废气循环容易产生短路，故机、焦侧炉头第 一对火道下部不设废气循环孔。机、焦侧边火道的宽度减小为2 8 0 m m ( 中部各火 道宽度为3 3 0 m m ) ，以减小边火道的热负荷，从而提高边火道温度。焦炉煤气喷 嘴均为低灯头。沿炭化室高向炉墙厚度一致。炉头采用直缝结构。炉顶厚度为 1 1 7 4 m m 。每个炭化室设有四个装煤孔和两个上升管孔。炭化室盖顶砖以上为粘 土砖、红砖和隔热砖。炉顶表面层采用缸砖砌筑。 ( 3 ) 删3 型焦炉 j n 4 3 型焦炉已形成系列，包括j n 4 3 5 8 1 型焦炉( 又称5 8 型焦炉) 、j n 4 3 5 8 2 型焦炉( 又称5 8 2 型焦炉) 和j n 4 3 8 0 型焦炉。j n 4 3 型焦炉是中国早期设计和建 设的，其后又经多次改进。炉体结构特点是在每个炭化室( 或燃烧室) 下面有两个 宽度相同的蓄热室。在蓄热室异向气流之间的主墙内设垂直砖煤气道，焦炉煤气 道通过它供入炉内；在j n 4 3 5 8 1 型和j n 4 3 8 0 型焦炉上，同向气流之间的单墙， 采用双沟舌“z 型砖砌筑，而j n 4 3 5 8 2 型焦炉则采用标准砖砌筑。蓄热室下部 小烟道顶部采用圆孔扩散式箅子砖，以使蓄热室气流分布均匀；小烟道两侧衬以 粘土砖，以保护由硅砖砌筑的单主墙；小烟道底部和蓄热室封墙均砌有隔热砖， 以减少散热。斜道出口处设有可更换的不同厚度的调节砖，以调节各立火道的煤 气和空气量。j n 4 3 5 8 - 2 型焦炉和j n 4 3 8 0 型焦炉的炉头火道，其斜道口宽度较中 部立火道的斜道口宽度为大，以提高炉头温度。j n 4 3 型焦炉炉体的斜道区全部用 硅砖砌筑。燃烧室由2 8 个立火道组成，每两个火道为一组，组成双联火道。每对 立火道隔墙上部设有跨越孔，底部设有废气循环孔。每个炭化室设有三个装煤孔 和一个或二个上升管孔。j n 4 3 5 8 1 型和j n 4 3 5 8 2 型焦炉炭化室的盖顶砖为粘土 砖，j n 4 3 8 0 型焦炉则为硅砖。在炭化室盖顶砖之上用粘土砖、红砖和隔热砖砌 筑，以减少炉顶散热。炉顶表面层，用缸砖砌筑，以提高炉顶表面的耐磨性。 j n 4 3 5 8 1 型焦炉在炉顶设有烘炉水平道，j n 4 3 5 8 2 型和j n 4 3 8 0 型焦炉则将烘 炉水平道取消，以减少炉顶漏气和降低炉顶温度和炉顶空间表面温度。 j n x 4 3 型下调式焦炉( 仅湘潭钢铁公司使用) 采用蓄热室分格设计，设有可 调箅子砖孔。特别适用于用贫煤气加热的焦化厂。 4 山东轻工业学院硕士学位论文 j n k 4 3 9 8 d 型焦炉是宽炭化室( 5 0 0 m m ) ，双联火道，焦炉煤气下喷，废气 循环的顶装焦炉，是适应市场需要而设计的一种焦炭质量高，炉体寿命长，环保 好，经济适用，投资省的新型焦炉。有单热式和复热式两种结构。此型焦炉特别 适用于山西优质煤的炼焦，可炼制成优质的冶金焦和铸造焦。 ( 4 ) j n d 系列捣固焦炉 d 捣固焦炉我国设计的捣固焦炉有炭化室高3 2 m 、3 8 m 和4 3 m 三种。这 三种焦炉均为双联火道、废气循环、下喷式焦炉。j n d 3 8 型、j n d 3 2 型焦炉前两 者炭化室宽4 6 0 m m ，j n d k 4 3 型焦炉炭化室宽为5 0 0 m m ，炭化室锥度均为1 0 m m 。 捣固焦炉炭化室墙面第一层砖厚到1 2 0 m m ，炉顶设上升管孔供排出荒煤气用，炉 顶还设有排气孔供与消烟车对接以排出装煤烟气或供补充加煤用。 j n d k 4 3 9 9 d 型焦炉是最新设计的， 焦炉的捣固型，因此它具有其一切优点。 牢固的特点，加大了炭化室中心距。 国内最大的捣固焦炉，是j n k 4 3 9 8 d 型 只是为了适合捣固焦炉的结构需要更加 目前正在开发设计炭化室高5 5 m 的捣固焦炉。 ( 5 ) j n 2 8 9 7 型，d 2 8 9 7 型焦炉 j n 2 8 9 7 型，j n d 2 8 9 7 型焦炉是鞍山焦化耐火材料设计研究总院结合我国土 焦改造的目标，特别是针对山西省土焦及改良型焦炉而设计的2 0 万吨规模焦化厂 使用的顶装式焦炉和捣固焦炉。该两种型号的焦炉在设计上遵循工艺简单，适用， 技术装备水平适中，环保条件有所改善，投资数额为乡镇企业能够接受的原则， 选用了宽炭化室，粘土砖，宽蓄热室，双联火道，焦炉煤气侧喷，单热式焦炉。 由于小型焦炉采用宽炭化室，双联火道，因此焦碳质量高；针对山西缺水， 煤气净化短流程的特点，采用了焦炉煤气侧喷加热；又由于采用粘土砖宽蓄热室， 因此节省了大量投资。 ( 6 ) 6 6 5 f 型，6 6 5 d 型焦炉 6 6 5 f 型，6 6 5 d 型焦炉是在原6 6 型焦炉多年实践的基础上，进行多次改进 而新设计的复热式6 6 5 f 及单热式6 6 5 d 型焦炉作为1 0 万吨规模小型焦化厂的通 用炉型，适用于原6 6 型焦炉大修改造。这两种炉型为两分火道，焦炉煤气侧喷式 焦炉，结构简单，严密，投资省。 根据国家经贸委文件的指示精神，从1 9 9 9 年开始我国已不再批准建设炭化室 高4 m 以下的焦炉。 焦炭的生产过程是将配好的煤装入炭化室，然后对炭化室加温，干馏成焦， 由推焦机推出。 在炼焦过程中，每座焦炉所生产的从炭化室溢出的8 5 0 。c 左右的荒煤气进入 上升管后，在桥管处经循环氨水喷洒冷却至8 0 - 8 5 左右，通过集气管、吸力导 管后引入气液分离器，煤气由气液分离器上方导出后，进入初冷器，从初冷器出 第l 章绪论 来的煤气由煤气鼓风机加压后，通过压力管道将大部分送往下道工序。 炼焦炉的机械设备包括护炉设备、煤气设备、焦炉机械。焦炉砌体的外部应 安装护炉设备，包括炉门框和保护板、护炉柱、纵横拉条、弹簧及炉门。炼焦炉 的煤气设备包括：荒煤气导出设备和加热煤气两大系统。加热煤气设备中又包括 有定期换向用的交换设备。荒煤气导出设备包括有上升管、桥管、水封阀、集气 管、吸气管和他们的附属设备。焦炉机械包括：装煤车、拦焦车、熄焦车和推焦 车，用以完成炼焦炉的装煤出焦任务。 1 1 2 焦炉集气管的基本组成【1 】 集气管属于汇集从各炭化室导出的粗煤气的焦炉附属设备。 集气管是用钢板焊接而成的圆形或槽型的管道，安装在由炉柱支承的许多托 架上，与上升管相连，汇集各炭化室产生的荒煤气。各炭化室的粗煤气经上升管 进入集气管。由炭化室逸出的粗煤气温度约8 0 0 。在上升管桥管和集气管内， 粗煤气被喷洒的热氨水降温并冷凝出大部分煤焦油，集气管中粗煤气冷却的极限 温度是粗煤气的绝热饱和温度。集气管压力是保持各炭化室底部在整个结焦过程 内都处于正压的关键。集气管上部每隔一个炭化室设有带盖的清扫孔，以清扫沉 积于底部的焦油和焦油渣。 通常上部还设有氨水喷嘴，以迸一步冷却煤气。集气管通过兀型管、焦油盒 与吸气管相连。集气管中的氨水、焦油和焦油渣等通过焦油盒导入吸气管，沿集 气管全长设有若干焦油渣清扫孔，靠集气管的坡度及液体的位差流走。故集气管 可以水平安装( 靠位差流动) ，为了便于氨水和煤焦油从集气管流出，集气管安装 也可朝氨水流出口方向有乱1 0 的倾斜度，倾斜方向与焦油、氨水的导出方向相 同。在集气管端部设有蒸汽清扫管、工业水管和氨水管，以备在焦炉开工和发生 事故时使用。集气管上设有放散管，以便在集气管压力过大时放散粗煤气。集气 管的一端或两端设有水封式焦油盒，以备定期捞出沉积的焦油渣。为调节集气管 压力，在集气管和吸气管间的“兀 管道专供荒煤气排出，设有手动和自动调节 翻板，“兀 型管的下方焦油盒供焦油、氨水通过。，经“n ”型管和焦油盒后， 煤气与焦油、氨水又汇合于吸气管，为使焦油、氨水顺利流至回收车间的气液分 离器并保持一定的流速，吸气管应有0 0 1 0 0 1 5 的坡度。 集气管分单双两种形式。单集气管多分布在焦炉的机侧，它具有投资省。钢 材用量少，炉顶通风较好等优点，但装煤时炭化室内气流阻力大，容易冒烟、冒 火。 炉顶机、焦两侧都装有上升管和集气管时，称为双集气管。两侧集气管间， 有横贯焦炉的集气管连接。 煤气由炭化室两侧析出而汇合于吸气管，能够降低集气管两端的压力差，使 6 山东轻工业学院硕士学位论文 全炉炭化室压力分布较均匀；装煤时降低了炉顶空间的煤气压力，减轻了冒烟冒 火，易于实现无烟装煤；生产时，荒煤气在炉顶空间停留的时间短，减少了化学 产品的分解，有利于提高化学产品的产量和质量；结焦末期由于机、焦侧集气管 的压力差，使部分荒煤气经炉顶空间环流，降低了炉顶空间温度和石墨的形成。 双集气管还有利于实现炉顶机械化清扫炉盖等操作。但双集气管消耗材料多，投 资大，炉顶通风较差，使操作条件变坏。 1 1 3 焦炉集气管压力系统分析 在炼焦生产过程中，焦炉集气管的压力是焦化行业生产中的重要参数，焦气 管压力的稳定性直接影响着焦炭的生产和焦炉的使用寿命。当焦炉集气管的压力 为负压( 相对于外界大气压) 时，空气会从炉门、炉盖等渠道进入焦炉体内导致 焦炭燃烧、灰份增加、焦炭质量下降；进入的空气还会同炉体建筑材料发生化学 反应，造成炉体剥蚀，缩短炉体使用寿命；而且空气还会促进荒煤气燃烧，使煤 气系统温度升高，从而加重了冷却系统的负担，产生不必要的能源消耗。当焦炉 集气管压力过高时，荒煤气会从炉门、炉盖等处冒出，一方面造成环境污染，另 一方面降低了荒煤气的回收率而造成能源浪费。可见，控制焦炉集气管压力的稳 定在炼焦生产过程中十分重要。 多座焦炉集气管压力系统由多个集气管、初冷器、鼓风机及回流装置组成。 多焦炉的集气管压力控制系统是一个具有强干扰、时变、非线性、多耦合的复杂 多变量系统。集气管压力频繁波动，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 焦炉炉况对系统的影响 煤种、结焦时间、高压氨水、交换机交换等都会改变焦炉煤气流量，特别是 在炭化室进行出焦、装煤以及换向加热时会造成集气管压力的大幅度干扰，这些 均是对集气管压力产生的直接干扰；鼓风机前吸力的变化、循环氨水流量的变化、 用户负荷的变化又是集气管压力的间接扰动。 ( 2 ) 鼓风机吸力变化对系统的影响 由于受外供焦炉煤气用户负载的影响，经常出现鼓风机机前、机后压力大幅 波动，机f j 机后压力的变化影响鼓风机机f j 和初冷器前吸力，进而影响集气管煤 气压力。假如改变突然而又剧烈，那么压力将会产生强烈震荡。为有效抵制焦炉 煤气压力的变化，在控制中要求有较稳定的吸力来满足工艺要求。 ( 3 ) 系统的耦合对系统的影响 焦炉的集气管先并联后，再与后续工艺串联，故焦炉相互间存在严重耦合关 系。所有焦炉及其集气管是一条总管上的并联( 或者组并联) 支路，当一个集气 管压力发生改变时，另外一个集气管压力也会随之改变，即为典型的多变量负耦 合系统。各焦炉集气管与以鼓风机为代表的后续工艺设备相串联，任一焦炉煤气 7 第1 章绪论 发生量及操作状态的变化，都将引起流量的变化，进而引起鼓风机吸力变化，从 而引起集气管压力的变化，显然，各焦炉集气管压力与鼓风机吸力之间存在正耦 合关系。随工艺管路设置方式、管道阻力和各焦炉装煤时间的不同，耦合强弱也 有所不同。 1 1 4 国内外焦炉集气管压力控制现状及研究热点 以前的集气管压力控制大都使用液压比例控制、电动单元仪表系统，如前苏 联的“国立焦化工业设计院焦化机械设计院”设计的集气管压力控制系统【2 】、上 海浦东煤气厂采用的“定阀门集气管调节系统” 3 1 、马钢焦化厂j n 6 0 - - 8 2 型焦炉 采用的定制调节系统【4 l 。 近年来，绝大多数焦化厂采用了p l c 、单片机或工控机系统，对焦炉集气管 的压力及鼓风机吸力进行自动化控制，如保定地区焦化厂采用的p l c 控制系统【5 】、 铁岭焦化厂用s t d - - 5 8 0 1 工控机构成的c r b 集气管压力系统 6 】、太原化工焦化 厂集气管两级计算机控制系统，上位机为工控机，为工控4 8 6 ，下位机为p l c t 7 1 。 目前的控制方案以p i d 控制为主，长期以来控制总不能得到理想结果，且工 人劳动强度大。这是因为p i d 控制器结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方 便，技术上也比较成熟，广泛应用于工业生产过程控制，但是对于需要快速抑止 扰动、时变、非线性的系统就不能获得较为理想的控制效果。p i d 控制将被控对 象的运行过程作为一个整体考虑，设计所得的控制器往往只能满足被控对象某一 个运行状态下的性能最优，或在某一条件域下的稳定，而不能使被控对象在大范 围内具有良好的控制性能。 如今，炼焦工业生产日趋规模化，但对于多焦炉集气管压力的控制目前尚存 在一些还没有解决好的问题：例如多集气管压力之间存在严重耦合，所建立的数 学模型不太准确；解耦控制的实施较为复杂，理论整定方法在实际应用中有一定 困难等等。因此，多焦炉集气管压力的平衡和稳定控制是焦化生产企业迫切需要 解决的难题。 近年来，一些先进的控制算法正在逐步引入，如采用可变增益的p i d 算法 8 , 1 3 】、 采用自校正调节器的集气管压力自适应控制系统【9 1 、前馈控制算法【1 2 】，但这些算 法依然需要获得精确的数学模型。很多文献提到了智能控制【9 1 6 】，采用模糊控制、 专家控制等先进策略，取得不错的控制效果。还有文献【1 4 , 1 7 提出基于多变量模 糊神经网络的控制算法，并应用于焦炉集气管压力智能控制工程实际中，但是还 有待于更多的实际工程验证。 1 2 论文背景项目介绍 本文所选课题来源于“潍坊振兴焦化厂焦炉集气管压力控制系统项目。 8 山东轻工业学院硕士学位论文 潍坊振兴焦化厂焦化系统共有五座焦炉，六根集气管，系统工艺流程如图1 2 所示。其中1 。一4 。四座焦炉为单集气管结构，5 。和6 。实为一座焦炉的两根集气管， 为了便于进行后面的工作，将5 。和6 4 分为两座单集气管焦炉。 1 3 本文所做工作 本论文研究的主要内容是针对多焦炉集气管压力系统，建立合理的数学模型， 提出焦炉集气管压力控制方案，给出算法，使其能够稳定在要求的范围内。 作者的主要观点是，由于焦炉集气管压力系统是一个具有强耦合、非线性、 强扰动的复杂多变量系统，应用经典控制手段无法解决现有问题。认真分析焦炉 集气管压力系统自身特性，采用模糊控制等智能控制技术是建立焦炉集气管压力 控制系统有效控制手段的必由之路。 图1 2 潍坊振兴焦化厂焦炉集气管压力系统工艺流程图 本文首先针对焦炉集气管压力系统的特点，在分析国内外焦炉集气管压力系 统建模研究成果的基础上，运用机理建模的方法，建立了一种新形式的焦炉集气 管压力系统多变量数学模型。 同时，本文在比较了目前各种解耦方法的优缺点后，针对集气管压力控制的 特点，基于相邻通道的波动引起的耦合现象，设计模糊规则解耦控制器，对六个 集气管做组内、组间解耦；保证集气管压力的稳定。 在此基础上，应用强大的m a t l a b 软件建立焦炉集气管压力系统及控制系 统的仿真模型，仿真检验了所建模型的正确性和控制方法合理性。 以上是本文所做的具体工作。 同时，需要说明的是，机前吸力控制是焦炉集气管压力控制的辅助手段，鼓 风机系统采用变频技术，通过控制鼓风机旋转速度来实现机前吸力控制。这部分 的工作是由其他工作人员完成。本文中假设机前吸力总是满足条件。 9 山东轻工业学院硕士学位论文 第2 章焦炉集气管压力系统建模 2 1 过程建模的必要性和建模方法 1 8 a 9 , 2 0 l 被控对象的数学模型是指工业生产过程的数学模型，特别是其动态模型，也 就是指对象在各输入变量( 包括控制量和干扰量) 作用下，其相应输出量( 被控 制量) 变化关系的数学表达式。 成功建模是成功控制的基础，很多情况表明，对复杂对象的控制成功与否取 决于对被控对象的动态特性分析或估计的准确与否。 对象的数学模型有非参量形式和参量形式之分。非参量形式是用曲线或者数 据表格来表示，形象直观但不便于对系统综合设计；参量形式则是用数学方程来 表示，便于系统综合设计及参数整定。参量模型通常可用微分方程、传递函数、 脉冲响应函数以及状态空间表达式等不同形式来表达。 常用的建模方法有机理分析建模和测试法( 即系统辨识方法) 两种。 机理分析法就是根据对象内在机理，通过静态与动态的物料平衡或能量平衡 关系以及反映流体流动、传热、传质、化学反应等基本规律的运动方程和某些设 备的特性方程等，从中获取所需要的数学模型。该方法的优点在于充分提示对象 的内在规律【2 l 】，但对比较复杂的实际生产过程来说，这种建模方法也有一定的局 限性【2 2 】。许多工业的工艺过程的内部工艺过程较为复杂，对某些物理、化学过程 尚不完全清楚，使得复杂过程的数学模型较难建立。 测试法( 系统辨识法) 是根据系统的输入输出数据，通过过程辨识和参数估 计的方法，测算系统模型的理论和方法，其实质是从一组模型类中选择一个模型， 按照某种准则，使之能最好的符合所关心的实际过程的动态特性。但该方法得到 的数学模型仅仅能够反映输入输出之间的特性，而得不到反映系统内部特性的信 息。确定控制对象合理的数学模型是分析、设计控制系统最重要的一步，只有根 据控制系统的目的，在充分分析系统工作原理的基础上，采用合适的方法，才能 得到合理的数学模型。 由于对焦炉集气管压力系统的工作过程有较清楚的认识，对其工作机理也有 较深入的研究，因此，本文采用机理建模的方法。 2 2 焦炉集气管压力系统建模现状 焦炉集气管压力系统是一个复杂的多输入多输出( m i m o ，m u l t i i n p u t m u l t i - o u t p u t ) 系统，了解其动态特性，建立其数学模型是对其控制的前提。但由 第2 章焦炉集气管压力系统建模 于焦炉集气管压力系统是一个复杂的多变量系统，获得精确的数学模型是极其困 难和不经济的，因而需要借助于近似模型设计的方法，建立能够满足工程需要的 近似模型。 目前，针对焦炉集气管压力系统建模和仿真的研究成果，一些文献有相关介 绍【2 3 】【2 4 1 ，但是所建模型存在以下一些问题： 第一、在多集气管系统中，各集气管距离远近不同，相同扰动对其影响也各 不相同，集气管间耦合程度也受管道距离远近的影响。但以往模型在建立过程中 通常不考虑距离因素，忽略了管阻压降，这样势必造成建立的模型不能很好地反 映实际系统。 第二、在实际当中，焦炉集气管压力控制主要是依靠改变各集气管上的阀门 开度来控制集气管压力的，阀门开度是控制量。但以往模型并未与阀门开度建立 直接联系，这给后续控制器的设计和仿真带来许多不便与麻烦，不利于控制系统 的建立与实现。 本文在分析目前国内外焦炉集气管压力系统建模的现有成果后，通过分析影 响集气管压力控制的多种因素，根据集气管压力的静态特性，运用机理分析建模 的方法，采用合理的近似处理，建立一种新型的焦炉集气管压力系统的动态数学 模型。 2 3 焦炉集气管压力系统分析建模 前面已经对系统组成作了简单介绍，为了便于得出其数学模型，在这里，我 们进一步分析。图2 1 是系统对象动态特性示意图。 图中，方框、斜线代表集气管压力系统的各个组成部分，包括集炉、集气管、 风机、阀门等。只。、只：、e ，、e 。、只，、只。分别是焦炉产出煤气产生的压力； g 、q 、q 、q 4 、q 5 、q 6 分别是从1 。、2 。、3 。、4 。、5 4 、6 4 焦炉进入集气管的煤 气流量；置、昱、b 、只、只、忍分别是1 。、2 4 、3 。、4 4 、5 4 、6 。焦炉集气管的煤 气压力；e 7 是鼓风机前压力；日、另、只、兄分别是管后煤气压力； 墨c 1 、恐c 2 、坞c 3 、蜀q 、兄c 5 、民c 6 、蜀：c l ：、r ：，c 2 。、玛。c 3 。、心，c 4 ，、b s c 5 s 、 r ，c 6 ，分别为对应对象的阻力系数和容量系数。 足：、恐，、b 。、墨，、b 。、民，是管道之间的阻力系数，由管道本身决定， 是固定值；墨、如、玛、r 4 、b 、民也是阻力系数，是由阀门开度决定，是变 1 2 山东轻工业学院硕士学位论文 化值。因此，模型中将局、马、坞、蜀、b 、民作为系统的控制输入量，用以 表示阀门开度。 图2 1 集气管动态特性示意图 需要说明的是，当生产需要确定后，在无扰动的理想情况下，焦炉产出煤气 所产生的压力只应该是定值。但由于在实际中不可能达到无扰动，装煤、扣盖等 操作必然会使焦炉产出的煤气所产生的压力发生变化，因此，只可视为系统的扰 动量。为方便准确分析系统动态特性，明确不同扰动对系统压力产生的不同影响， 在建立系统动态数学模型时，将。、只：、只，、只。、只5 、圪作为系统的扰动输 入。 只是鼓风机前压力，机