李 强,张 灵
(1.太原理工大学信息工程学院,太原 030024;2.山西西山煤气化有限责任公司,山西 古交 030205;3.太原理工大学电气与动力工程学院,太原 030024)
双PID控制在煤气鼓风机压力调节中的应用
李 强1,2,张 灵3
(1.太原理工大学信息工程学院,太原 030024;2.山西西山煤气化有限责任公司,山西 古交 030205;3.太原理工大学电气与动力工程学院,太原 030024)
针对炼焦实际复杂工况,设计了以集气管翻板调节为主、煤气鼓风机变频调节为辅的双PID控制集气管压力调节系统;并介绍了PID控制中被控量的确定、控制过程、控制实现。
鼓风机;变频;PID;集气管压力
山西西山煤气化有限责任公司焦化一厂的设计生产能力60万t,公司系西山为古交矿区3万余户居民供应城市煤气,由于生产工艺经常调整,加之市场变化和产量的变化,所以生产工艺参数要经常变化。鼓风机是焦化生产的核心部件,直接影响焦炉上升管压力变化,影响后续工艺的调节。在设计之初,充分考虑到工艺调整节能降耗、市场变化及后续工艺建设的多种因素,选用了高压变频装置控制鼓风机系统,并结合后台采用DCS采集、分析工艺参数信号,进行自动压力调节。
目前,焦化厂采用的鼓风机为西安陕鼓通风设备有限公司的离心式鼓风机,型号D900-1.09/0.9,进口流量900 m3/min,工作转速5 863 r/min,轴功率710 kW,进口压力0.079 MPa,进口温度22℃,出口压力0.109 MPa。拖动采用佳木斯电机股份有限公司的隔爆型变频调速三相异步电动机,型号YBKSPT 500-2,功率710 kW,配套变频装置为九洲电气生产的POWER SMART 10000V/054 A型高压大功率变频调速装置。焦化厂设计炉型为TJL5500D型,系双联火道、废气循环、下喷、复热式侧装捣固煤饼焦炉。由于产量限制设计为1×65孔,导致焦炉集气管设计为不对称“F”型布局,给焦炉集气管压力的控制与管理带来一定的困难。针对炼焦实际复杂工况,设计了以集气管翻板调节为主、煤气鼓风机变频调节为辅的双PID控制集气管压力调节系统,可根据负荷的变化进行自动调节集气管煤气流量和压力,既满足了生产需要,又达到了节能降耗和提高控制水平之目的。
焦化厂煤气压力调节系统,如图1所示。首先给定集气管压力,通过集气管翻板执行机构与鼓风机的配合实现上升管压力平衡稳定;其次给定鼓风机后压力,通过风机后流控制调节机构、煤气放散控制阀与鼓风机配合实现机后压力平稳;用此二系统结合起来控制整个压力调节系统的稳定。PID控制属于闭环控制。将压力传感器检测到的煤气压力实际值反馈到DCS站,与压力信号给定值相比较,判断是否达到了预期的控制目的。若没有达到则根据两者的差值进行调整,直到达到预定的控制目的为止[1-2]。
系统以集气管翻板调节为主(集气管翻板开度、风机转速调整由鼓风机房操作)、鼓风机变频调节操作为辅;焦炉地下室不对集气管翻板调节,可以监视。集气管自动调节的前提,必须是人工手动调节基本稳定才可投入自动运行,如果人工手动,手动就无法控制,投入自动控制是不现实的。煤气鼓风机的操作,首先要保证焦炉的微正压操作,煤气鼓风机的抽吸量取决于焦炉粗煤气的发生量。鼓风机的操作要根据焦炉集气管的压力情况而定。
生产过程中,将集气管压力、翻板开度、横管初冷器前煤气总管吸力、机前吸力、机后压力、风机转速等信号接入控制系统,通过相互间平衡调节来稳定集气管压力。控制系统根据操作工设定的集气管压力,对吸气管调节翻板的开度进行PID控制——当实际压力高于设定压力时,逐渐增大翻板开度;当实际压力低于设定压力时,逐渐减小翻板开度。当翻板执行机构关到一定程度(该值可设定),集气管压力仍有低于设定压力的趋势时,控制系统将发出降低鼓风机转速的控制信号,以减小吸力;反之,当翻板执行机构开到一定程度,集气管压力仍有高于设定压力的趋势时,控制系统将发出增加鼓风机转速的控制信号,以增大吸力。
鼓风机转速是根据集气管压力和横管初冷器前煤气总管压力进行串级调节,即按集气管压力径PID运算出横管初冷器前的煤气总管压力的设定值,根据横管初冷器前煤气总管压力的设定值和测量值径PID运算计算出鼓风机的转速,使鼓风机参与到了集气管压力的控制当中。每一个集气管翻板及鼓风机转速都可实现“手动”与“自动”的无扰切换[3]。鼓风机调速系统的工艺要求如下:对鼓风机采用变频调速控制,首先要保证炼焦炉炭化室压力为微正压,其抽气量取决于煤气的发生量,其大小应按炼焦炉煤气集气管压力实际情况而定。初冷器前的吸力直接来源于炼焦炉集气管压力,其变化将直接反应集气管的压力变化。由于该吸力正处于整个煤气传输系统的中间位置,其变化相对比较稳定。因此,由鼓风机和变频器组成该系统的执行机构的条件下,取初冷器前的吸力作为调速控制系统的被控量,这样有利于焦炉的实际控制操作和系统的稳定。风机系统调节煤气压力原理,如图2所示。
风机调节煤气压力系统的控制目标是:保持整个生产过程中初冷器前的煤气总管压力的稳定。鼓风机转速是根据集气管压力和横管初冷器前的煤气总管压力进行串级调节[4-5]。
实际生产中,大致存在三种工况。
1)正常状态:当横管初冷器前的煤气总管压力在0~1 600 Pa范围内,初冷器阻值在正常范围1 000 Pa内,1号、2号集气管翻板和鼓风机变频都在自动运行状态。
2)非正常状态:a.当遇到1号、2号集气管压力其中一个波动较大、当横管初冷器前的煤气总管压力在正常工艺范围内时,可将波动较大的集气管翻版切到手动状态运行,翻板开度可做适当调整,当达到要求时再投入自动运行。b.当遇到1号、2号集气管压力同时波动较大、当横管初冷器前的煤气总管压力在正常工艺范围内时,可将1号、2号集气管同时切到手动运行,运行稳定后再投入自动。c.当遇到集气管压力持续升高,翻板开度均在80%以上时,需将鼓风机变频切换为手动状态,人工逐渐递增频率,递增频率不宜过大,保持0.1 Hz逐级递增;并注意观察压力变化情况,若递增频率过快会导致集气管压力产生二次波动。d.当遇到集气管压力持续升高,翻板开度都在80%以上时,鼓风机转速又在4 000转以上、横管初冷器前煤气总管吸力大于或等于3 000 Pa时,靠自调系统调节是无法满足调节要求,需组织相关部门检查生产工艺。控制集气管压力调节时不能急于调节。例如:遇到换向或特殊工况扰动造成压力瞬间波动,不要急于调节翻板开度或增减风机变频频率,这样会造成集气管压力波动。待30~60 s后如果集气管压力仍波动,再进行人工干预控制。
3)生产工艺系统突发大的波动状况或工况不稳定时:岗位操作人员需立即将鼓风机变频切换为手动状态;根据集气管压力、选择压力波动较大的一方,将集气管翻板控制模式切换为手动状态进行调节。当集气管压力稳定以后,先把翻板投入自动状态运行,待生产工艺参控参数在正常值范围内;再将鼓风机变频投入自动状态运行。换向时较大扰动的,处理方法:当换向信号到来时延时6 s程序内给翻板加大7%开度的同时,程序内PID自动停止运算;换向结束后翻板延时20 s恢复换向前的开度,程序内翻板调节PID恢复运算。
本文所述以集气管翻板调节为主,煤气鼓风机变频调节为辅的双PID控制集气管压力调节系统,在上海新华DCS系统中实现组态运行的效果良好,大大改善了焦炉煤气生产及现场作业环境,能够满足实际生产的工艺要求,能保持集气管压力稳定在要求的工艺范围内,增加了车间荒煤气的回收量,提高了焦炭的精炼品质,控制了荒煤气无序排放,节能降耗的经济效益显著。双PID控制集气管压力调节系统,对于焦炉煤气生产企业的技术提高有着重要意义。
[1]申凌云,何俊正.基于PI D控制的煤气鼓风机变频调速系统[J].电机与控制应用.2009,36(5):55-57.
[2]杜振慧.变频调速装置在煤气鼓风系统中的应用[J].玻璃,2003(3):20-21.
[3]李盛,许建宁.鼓风机变频调速和集气管压力自控装置的改造[J].燃料与化工,2000(4):188-191.
[4]王畅平,杨学武.煤气鼓风机变频调速系统的PID控制[J].电工技术,2003(10):30-31.
[5]彭光文.煤气鼓风机变频调速系统的应用[J].燃料与化工,2003,44(4):58-59.
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
(编辑:刘新光)
2014-10-14
李强(1972-),男,河北沧州人,在读工程硕士研究生,高级工程师,从事焦化电气技术管理工作。