雙PID控制在煤氣鼓風(fēng)機(jī)壓力調(diào)節(jié)中的應(yīng)用

李 強(qiáng)，張 靈

（1.太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院，太原 030024；2.山西西山煤氣化有限責(zé)任公司，山西 古交 030205；3.太原理工大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院，太原 030024）

雙PID控制在煤氣鼓風(fēng)機(jī)壓力調(diào)節(jié)中的應(yīng)用

李 強(qiáng)1，2，張 靈3

（1.太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院，太原 030024；2.山西西山煤氣化有限責(zé)任公司，山西 古交 030205；3.太原理工大學(xué)電氣與動力工程學(xué)院，太原 030024）

針對煉焦實際復(fù)雜工況,設(shè)計了以集氣管翻板調(diào)節(jié)為主、煤氣鼓風(fēng)機(jī)變頻調(diào)節(jié)為輔的雙PID控制集氣管壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)；并介紹了PID控制中被控量的確定、控制過程、控制實現(xiàn)。

鼓風(fēng)機(jī)；變頻；PID；集氣管壓力

山西西山煤氣化有限責(zé)任公司焦化一廠的設(shè)計生產(chǎn)能力60萬t，公司系西山為古交礦區(qū)3萬余戶居民供應(yīng)城市煤氣，由于生產(chǎn)工藝經(jīng)常調(diào)整，加之市場變化和產(chǎn)量的變化，所以生產(chǎn)工藝參數(shù)要經(jīng)常變化。鼓風(fēng)機(jī)是焦化生產(chǎn)的核心部件，直接影響焦?fàn)t上升管壓力變化，影響后續(xù)工藝的調(diào)節(jié)。在設(shè)計之初，充分考慮到工藝調(diào)整節(jié)能降耗、市場變化及后續(xù)工藝建設(shè)的多種因素，選用了高壓變頻裝置控制鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)，并結(jié)合后臺采用DCS采集、分析工藝參數(shù)信號，進(jìn)行自動壓力調(diào)節(jié)。

目前，焦化廠采用的鼓風(fēng)機(jī)為西安陜鼓通風(fēng)設(shè)備有限公司的離心式鼓風(fēng)機(jī)，型號D900-1.09/0.9，進(jìn)口流量900 m3/min，工作轉(zhuǎn)速5 863 r/min，軸功率710 kW，進(jìn)口壓力0.079 MPa，進(jìn)口溫度22℃，出口壓力0.109 MPa。拖動采用佳木斯電機(jī)股份有限公司的隔爆型變頻調(diào)速三相異步電動機(jī)，型號YBKSPT 500-2，功率710 kW，配套變頻裝置為九洲電氣生產(chǎn)的POWER SMART 10000V/054 A型高壓大功率變頻調(diào)速裝置。焦化廠設(shè)計爐型為TJL5500D型，系雙聯(lián)火道、廢氣循環(huán)、下噴、復(fù)熱式側(cè)裝搗固煤餅焦?fàn)t。由于產(chǎn)量限制設(shè)計為1×65孔，導(dǎo)致焦?fàn)t集氣管設(shè)計為不對稱“F”型布局，給焦?fàn)t集氣管壓力的控制與管理帶來一定的困難。針對煉焦實際復(fù)雜工況,設(shè)計了以集氣管翻板調(diào)節(jié)為主、煤氣鼓風(fēng)機(jī)變頻調(diào)節(jié)為輔的雙PID控制集氣管壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可根據(jù)負(fù)荷的變化進(jìn)行自動調(diào)節(jié)集氣管煤氣流量和壓力,既滿足了生產(chǎn)需要,又達(dá)到了節(jié)能降耗和提高控制水平之目的。

1 煤氣壓力的調(diào)節(jié)系統(tǒng)

焦化廠煤氣壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，如圖1所示。首先給定集氣管壓力，通過集氣管翻板執(zhí)行機(jī)構(gòu)與鼓風(fēng)機(jī)的配合實現(xiàn)上升管壓力平衡穩(wěn)定；其次給定鼓風(fēng)機(jī)后壓力，通過風(fēng)機(jī)后流控制調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、煤氣放散控制閥與鼓風(fēng)機(jī)配合實現(xiàn)機(jī)后壓力平穩(wěn)；用此二系統(tǒng)結(jié)合起來控制整個壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn)定。PID控制屬于閉環(huán)控制。將壓力傳感器檢測到的煤氣壓力實際值反饋到DCS站,與壓力信號給定值相比較,判斷是否達(dá)到了預(yù)期的控制目的。若沒有達(dá)到則根據(jù)兩者的差值進(jìn)行調(diào)整,直到達(dá)到預(yù)定的控制目的為止[1-2]。

系統(tǒng)以集氣管翻板調(diào)節(jié)為主（集氣管翻板開度、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整由鼓風(fēng)機(jī)房操作）、鼓風(fēng)機(jī)變頻調(diào)節(jié)操作為輔；焦?fàn)t地下室不對集氣管翻板調(diào)節(jié)，可以監(jiān)視。集氣管自動調(diào)節(jié)的前提，必須是人工手動調(diào)節(jié)基本穩(wěn)定才可投入自動運行，如果人工手動，手動就無法控制，投入自動控制是不現(xiàn)實的。煤氣鼓風(fēng)機(jī)的操作,首先要保證焦?fàn)t的微正壓操作,煤氣鼓風(fēng)機(jī)的抽吸量取決于焦?fàn)t粗煤氣的發(fā)生量。鼓風(fēng)機(jī)的操作要根據(jù)焦?fàn)t集氣管的壓力情況而定。

2 系統(tǒng)的控制原理

生產(chǎn)過程中，將集氣管壓力、翻板開度、橫管初冷器前煤氣總管吸力、機(jī)前吸力、機(jī)后壓力、風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速等信號接入控制系統(tǒng)，通過相互間平衡調(diào)節(jié)來穩(wěn)定集氣管壓力?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)操作工設(shè)定的集氣管壓力，對吸氣管調(diào)節(jié)翻板的開度進(jìn)行PID控制——當(dāng)實際壓力高于設(shè)定壓力時，逐漸增大翻板開度；當(dāng)實際壓力低于設(shè)定壓力時，逐漸減小翻板開度。當(dāng)翻板執(zhí)行機(jī)構(gòu)關(guān)到一定程度（該值可設(shè)定），集氣管壓力仍有低于設(shè)定壓力的趨勢時，控制系統(tǒng)將發(fā)出降低鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制信號，以減小吸力；反之，當(dāng)翻板執(zhí)行機(jī)構(gòu)開到一定程度，集氣管壓力仍有高于設(shè)定壓力的趨勢時，控制系統(tǒng)將發(fā)出增加鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制信號，以增大吸力。

鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速是根據(jù)集氣管壓力和橫管初冷器前煤氣總管壓力進(jìn)行串級調(diào)節(jié)，即按集氣管壓力徑PID運算出橫管初冷器前的煤氣總管壓力的設(shè)定值，根據(jù)橫管初冷器前煤氣總管壓力的設(shè)定值和測量值徑PID運算計算出鼓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使鼓風(fēng)機(jī)參與到了集氣管壓力的控制當(dāng)中。每一個集氣管翻板及鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速都可實現(xiàn)“手動”與“自動”的無擾切換[3]。鼓風(fēng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工藝要求如下：對鼓風(fēng)機(jī)采用變頻調(diào)速控制，首先要保證煉焦?fàn)t炭化室壓力為微正壓，其抽氣量取決于煤氣的發(fā)生量，其大小應(yīng)按煉焦?fàn)t煤氣集氣管壓力實際情況而定。初冷器前的吸力直接來源于煉焦?fàn)t集氣管壓力，其變化將直接反應(yīng)集氣管的壓力變化。由于該吸力正處于整個煤氣傳輸系統(tǒng)的中間位置，其變化相對比較穩(wěn)定。因此，由鼓風(fēng)機(jī)和變頻器組成該系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的條件下，取初冷器前的吸力作為調(diào)速控制系統(tǒng)的被控量，這樣有利于焦?fàn)t的實際控制操作和系統(tǒng)的穩(wěn)定。風(fēng)機(jī)系統(tǒng)調(diào)節(jié)煤氣壓力原理，如圖2所示。

風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)煤氣壓力系統(tǒng)的控制目標(biāo)是：保持整個生產(chǎn)過程中初冷器前的煤氣總管壓力的穩(wěn)定。鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速是根據(jù)集氣管壓力和橫管初冷器前的煤氣總管壓力進(jìn)行串級調(diào)節(jié)[4-5]。

3 系統(tǒng)工況

實際生產(chǎn)中，大致存在三種工況。

1）正常狀態(tài)：當(dāng)橫管初冷器前的煤氣總管壓力在0～1 600 Pa范圍內(nèi)，初冷器阻值在正常范圍1 000 Pa內(nèi)，1號、2號集氣管翻板和鼓風(fēng)機(jī)變頻都在自動運行狀態(tài)。

2）非正常狀態(tài)：a.當(dāng)遇到1號、2號集氣管壓力其中一個波動較大、當(dāng)橫管初冷器前的煤氣總管壓力在正常工藝范圍內(nèi)時，可將波動較大的集氣管翻版切到手動狀態(tài)運行，翻板開度可做適當(dāng)調(diào)整，當(dāng)達(dá)到要求時再投入自動運行。b.當(dāng)遇到1號、2號集氣管壓力同時波動較大、當(dāng)橫管初冷器前的煤氣總管壓力在正常工藝范圍內(nèi)時，可將1號、2號集氣管同時切到手動運行，運行穩(wěn)定后再投入自動。c.當(dāng)遇到集氣管壓力持續(xù)升高，翻板開度均在80%以上時，需將鼓風(fēng)機(jī)變頻切換為手動狀態(tài)，人工逐漸遞增頻率，遞增頻率不宜過大，保持0.1 Hz逐級遞增；并注意觀察壓力變化情況，若遞增頻率過快會導(dǎo)致集氣管壓力產(chǎn)生二次波動。d.當(dāng)遇到集氣管壓力持續(xù)升高，翻板開度都在80%以上時，鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速又在4 000轉(zhuǎn)以上、橫管初冷器前煤氣總管吸力大于或等于3 000 Pa時，靠自調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)是無法滿足調(diào)節(jié)要求，需組織相關(guān)部門檢查生產(chǎn)工藝。控制集氣管壓力調(diào)節(jié)時不能急于調(diào)節(jié)。例如：遇到換向或特殊工況擾動造成壓力瞬間波動，不要急于調(diào)節(jié)翻板開度或增減風(fēng)機(jī)變頻頻率，這樣會造成集氣管壓力波動。待30～60 s后如果集氣管壓力仍波動，再進(jìn)行人工干預(yù)控制。

3）生產(chǎn)工藝系統(tǒng)突發(fā)大的波動狀況或工況不穩(wěn)定時：崗位操作人員需立即將鼓風(fēng)機(jī)變頻切換為手動狀態(tài)；根據(jù)集氣管壓力、選擇壓力波動較大的一方，將集氣管翻板控制模式切換為手動狀態(tài)進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)集氣管壓力穩(wěn)定以后，先把翻板投入自動狀態(tài)運行，待生產(chǎn)工藝參控參數(shù)在正常值范圍內(nèi)；再將鼓風(fēng)機(jī)變頻投入自動狀態(tài)運行。換向時較大擾動的，處理方法：當(dāng)換向信號到來時延時6 s程序內(nèi)給翻板加大7%開度的同時，程序內(nèi)PID自動停止運算；換向結(jié)束后翻板延時20 s恢復(fù)換向前的開度，程序內(nèi)翻板調(diào)節(jié)PID恢復(fù)運算。

4 結(jié)束語

本文所述以集氣管翻板調(diào)節(jié)為主，煤氣鼓風(fēng)機(jī)變頻調(diào)節(jié)為輔的雙PID控制集氣管壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在上海新華DCS系統(tǒng)中實現(xiàn)組態(tài)運行的效果良好，大大改善了焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)及現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境，能夠滿足實際生產(chǎn)的工藝要求，能保持集氣管壓力穩(wěn)定在要求的工藝范圍內(nèi)，增加了車間荒煤氣的回收量，提高了焦炭的精煉品質(zhì)，控制了荒煤氣無序排放，節(jié)能降耗的經(jīng)濟(jì)效益顯著。雙PID控制集氣管壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)，對于焦?fàn)t煤氣生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)提高有著重要意義。

[1]申凌云,何俊正.基于PI D控制的煤氣鼓風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)[J].電機(jī)與控制應(yīng)用.2009，36(5):55-57.

[2]杜振慧.變頻調(diào)速裝置在煤氣鼓風(fēng)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].玻璃,2003(3):20-21.

[3]李盛,許建寧.鼓風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速和集氣管壓力自控裝置的改造[J].燃料與化工,2000(4):188-191.

[4]王暢平，楊學(xué)武.煤氣鼓風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的PID控制[J].電工技術(shù)，2003（10）：30-31.

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Application of Double PID Control in Pressure Control of Gas Blower

LI Qiang1,2，ZHANG Ling3
(1.College of Information Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China; 2.Xishan Coal Gasification Co.,Ltd.,Gujiao 030205,China;3.College of Electrical and Power Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan 030024,China)

According to the actual complex working condition of coking,a pressure control system with double PID control for gas collector was designed,mainly on flap control of the gas collector and frequency regulation of gas blower as a supplement.In addition,the paper introduces the determination of controlled variables,control process,and realization in the PID.

blower;frequency conversion;PID;gas collector pressure

TM921.51

A

1672-5050（2015）01-0076-03

10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2015.01.025

（編輯：劉新光）

2014-10-14

李強(qiáng)（1972-)，男，河北滄州人，在讀工程碩士研究生，高級工程師，從事焦化電氣技術(shù)管理工作。