CN105316012B - 一种大型焦炉结焦过程炭化室压力调节控制装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大型焦炉结焦过程炭化室压力调节控制装置及方法。该装置包括上升管盖控制装置、氨水注入装置、炭化室压力检测装置、调压装置、数学建模装置和控制装置。数学建模装置依据焦炉结焦时间和炭化室压力的特性，运用机理分析并采用近视处理建立炭化室压力控制的动态数学模型，将结焦全过程分为若干阶段，并得到各个阶段的压力的目标设定值；炭化室压力检测装置检测和采集焦炉炭化室的压力数据，控制装置比较实际结焦时间和目标结焦时间，将各阶段对应的压力设定值作为单个炭化室的压力调节目标值输出给调压设备，实现对炭化室压力的调节控制。本发明生产自动化程度高，能够大大提高生产效率，同时大幅降低人工成本。
Description
技术领域
本发明属于焦炉技术领域，具体涉及一种大型焦炉结焦时单个炭化室压力调节的自动控制的装置及方法，能够方便地实现大型焦炉结焦过程中炭化室压力的调节。
背景技术
目前，新型焦炉必须集大型化、环保化、机械化和自动化于一体，焦炉系统已普遍采用自动化控制技术，把传统焦炉对吸气管压力粗放式的调节方式改变为通过调节每个炭化室上升管压力来控制集气管压力的精细化调节方式，并实现了每个炭化室的结焦过程的全自动化操作，降低劳动强度，为焦炉的高效生产和环保节能提供了有力的技术保证。
图1所示为传统焦炉的荒煤气系统结构，由简单的上升管、上升管盖、桥管、集气管等基本结构组成，在控制中存在以下问题：
1)焦炉炭化室压力控制为集气管总管调节，各炭化室压力不均衡，且随装煤、推焦影响大；
2)焦炉装煤时，因炭化室为正压装煤，，装煤孔冒烟着火逸尘现象严重；
3)推焦时，上升管与集气管以及大气直接相通，极易将空气串入荒煤气系统，造成含氧量高；
4)结焦时，各炭化室压力不均衡，对焦炭质量造成影响，且荒煤气回收率也不是很高；
5)生产自动化程度低，大大降低生产效率，同时大幅增加人工成本。
发明内容
本发明针对上述问题，提供一种能满足大型焦炉单个炭化室结焦过程炭化室压力的自动控制方法及装置。
焦炉结焦过程、结焦时间和加热制度的变化使得产气量明显波动，煤的成份、装煤量的变化以及实际结焦时间也会影响集气管压力的变化。本发明依据焦炉结焦时间，根据炭化室压力的特性，运用机理分析建模的方法，采用合理的近视处理，建立了一种炭化室压力控制的动态数学模型，进而利用该动态数学模型对炭化室压力进行自动控制。
具体来说，本发明采用的技术方案如下：
一种焦炉结焦过程炭化室压力调节控制装置，其包括：
上升管盖控制装置，用于控制焦炉炭化室的上升管盖的打开和关闭；
氨水注入装置，用于向焦炉炭化室的集气管内注入氨水，对荒煤气进行消尘和降温；
炭化室压力检测装置，用于检测和采集焦炉炭化室的压力数据；
数学建模装置，用于建立炭化室压力控制的动态数学模型，按照结焦时间将结焦全过程为分为若干阶段，并得到各阶段炭化室压力的目标设定值；
调压装置，连接所述炭化室压力检测装置和数学建模装置，用于根据炭化室压力的目标设定值，在结焦过程中对炭化室压力进行自动调节；
控制装置，连接上述各装置，用于通过程序控制功能比较实际结焦时间和目标结焦时间，对炭化室压力的调节过程进行控制。
进一步地，所述数学建模装置按照结焦时间将结焦全过程为分九个阶段，各时间区间为0-10％，11-20％，21-30％，31-40％，41-50％，51-60％，61-70％，71-80％，81-100％。
一种环保型焦炉荒煤气系统，包括依次连接的上升管、桥管和集气管，还包括上述焦炉结焦过程炭化室压力调节控制装置。
一种采用上述装置的焦炉结焦过程炭化室压力调节控制方法，其步骤包括：
1)数学建模装置依据焦炉结焦时间和炭化室压力的特性，运用机理分析建模的方法并采用合理的近视处理，建立炭化室压力控制的动态数学模型；
2)数学建模装置按照结焦时间将结焦全过程分为若干阶段，根据所述动态数学模型得到各个阶段的压力的目标设定值；
3)炭化室压力检测装置检测和采集焦炉炭化室的压力数据，控制装置通过计算机程序控制功能比较实际结焦时间和目标结焦时间，将各阶段对应的压力设定值作为单个炭化室的压力调节目标值输出给调压设备，实现对炭化室压力的调节控制。
进一步地，步骤2)将结焦全过程为分九个阶段，各时间区间为0-10％，11-20％，21-30％，31-40％，41-50％，51-60％，61-70％，71-80％，81-100％。
与传统焦炉相比，本发明的的有益效果如下：
1)焦炉炭化室压力控制为独立调节，各炭化室压力均衡，且不会受到其它炭化室装煤、推焦影响；
2)装煤时，因炭化室为独立负压装煤，装煤孔冒烟着火逸尘现象几乎消除；
3)推焦时，上升管与集气管采用水封隔断，杜绝空气串入荒煤气系统造成的含氧量高；
4)结焦时，各炭化室压力为独立调节，各炭化室压力均衡，且压力调节为自动分段调节，生产的焦炭质量较稳定，且荒煤气回收率提高，结焦过程中杜绝了冒烟冒火；
5)生产自动化程度高，大大提高生产效率，同时大幅降低人工成本。
附图说明
图1为传统焦炉的荒煤气系统结构示意图。
图2为本发明的大型环保型焦炉荒煤气系统结构示意图。
图3为本发明的炭化室压力检测装置结构示意图。
图4是本发明的活塞组件结构图。
图5a-图5c是本发明的调压装置的工作原理图，其中图5a是推焦状态示意图，图5b是装煤状态示意图，图5c是结焦过程示意图。
图6是本发明的控制装置的控制过程示意图。
图7是本发明的大型环保焦炉系统自动控制框图。
图8是本发明的焦炉结焦过程炭化室压力调节控制方法的流程图。
图中标号说明：
1-上升管，2-上升管盖，3-桥管，4-集气管，5-上升管盖控制装置；6-氨水注入装置，61-快注氨水阀，62-大氨水喷嘴，63-小氨水喷嘴；7-炭化室压力检测装置，压力变送器71，可调流量计72，氮气保护开闭器73，清洗开闭器74，取压开闭器75，卡套式接头76，桥管法兰盖77和取压导管78，不锈钢挠性连接管79；8-调压装置，81-导流槽，82-分位器，83-活塞组件，84-活塞调节气缸，85-U型架，86-水封装置；9-数学建模装置，10-控制装置。
具体实施方式
下面通过具体实施例和附图，对本发明做进一步说明。
焦炉结焦过程，结焦时间和加热制度的变化使得产气量明显波动；煤的成份、装煤量的变化以及实际结焦时间也会影响集气管压力的变化。炭化室压力控制是结焦全过程控制，本发明按照结焦时间，分若干阶段给定设定值，比如分成九个阶段。遵循从结焦初期到结焦末期，炭化室压力设定值由小到大的规律。
焦炉结焦时压力调节就是将模型中的压力值作为目标设定值，在结焦过程对炭化室压力进行自动调节从而调节荒煤气的流量，保证炭化室内荒煤气的压力稳定。本发明是采用PLC编程指令而编制的程序控制功能，对结焦时间分析计算判断，通过计算机进行压力等数据的精确采集，并对调压设备进行控制，这种调节方式可确保每个炭化室压力在全部结焦过程中受控在一定的范围内，保证集气管压力稳定性。
本发明在图1所示传统焦炉荒煤气系统基础上，建立了一种大型环保型焦炉荒煤气系统，除了简单的上升管1、上升管盖2、桥管3、集气管4等基本结构外，另增加了上升管盖控制装置5、氨水注入装置6、炭化室压力检测装置7、调压装置8、数学建模装置9、控制装置10及其它机械辅助部件。图2中示意出了部分新增部件。下面具体介绍各新增部件的结构及功能。
1)上升管盖控制装置5
该控制装置可以是上升管盖控制气缸，如图2所示，通过气缸控制上升管盖的打开和关闭。
2)氨水注入装置6
该装置向焦炉炭化室的集气管内注入氨水，用来对进入集气管内的荒煤气进行消尘和降温。氨水注入装置6包括两个支管，其中一个支管采用快注氨水阀61，另一个支管上设置大氨水喷嘴62和小氨水喷嘴63，如图2所示。
快注氨水阀61采用扇型执行机构实现，用于快速补充后文所述调压装置中分位器内的水位。大小氨水喷嘴，分别位于桥管入口及中部，大氨水喷嘴62在桥管入口处对荒煤气进行一次消尘和降温，小氨水喷嘴63在桥管中部处对荒煤气进行二次消尘和降温。
3)炭化室压力检测装置7
炭化室压力检测装置也可称为炭化室压力数据采集装置、炭化室压力取压装置，用于检测和采集压力数据。图2中的A所示是该炭化室压力检测装置的入口。图3是该炭化室压力检测装置的结构示意图，具体包括：
a)压力变送器71：
采用高精度、高灵敏的微压力变送器。本发明对变送器的取压方式及取压装置进行了特别设计。压力变送器的感应膜片为精密材质，故设计中采用氮气隔离检测，将一定流量的氮气作为导压介质通过氮气主管进入变送器的入口。而荒煤气则将压力传递到氮气隔离层上，通过氮气隔离层再将荒煤气的压力传递给压力变送器的检测膜片，使变送器的检测膜片不接触荒煤气，从而保证压力变送器的测量精度不会因粘附焦油或其它成分附着而受到影响，同时保证压力变送器的检测膜片不会因粘附焦油、粉尘及荒煤气中腐蚀性物质而造成损坏。
b)可调流量计72：设于氮气主管上，用于调节隔离保护介质氮气的流量，确保不会因流量太大造成测量不准，也不会因流量太小而没起到保护的作用。
c)氮气保护开闭器73：用于打开和关断保护气体氮气，便于可调流量计的维护和检修。
d)清洗开闭器74：用于日常维护的简便操作，定期打开清洗开闭器用特制的钢丝刷进行清理取压导管内的附着物，确保畅通。
e)取压开闭器75：连接清洗开闭器，用于打开和关断需实时检测的荒煤气，便于变送器的维护和检修。
f)卡套式接头76：主要用于当清洗开闭器都无法清洗时，很方便的整体拆下取压装置，离线进行处理。
g)桥管法兰盖77和取压导管78：取压导管78通过桥管法兰盖77伸入桥管内部，桥管法兰盖77起密封作用。
上述主要部件之间采用不锈钢挠性连接管79进行连接，防止机械力造成连接接头松动，破裂。同时便于安装及拆卸。
4)调压装置8
如图2所示，调压装置包括：
导流槽81，位于调压装置的底部、集气管上部，用于形成荒煤气流通通道，并与分位器配合形成不同流通面积的荒煤气通道；
分位器82，位于调压装置最底部、集气管中部，用于存储氨水形成水封，并与导流槽配合形成不同流通面积的荒煤气通道；
活塞组件83，位于调压装置的中部，用于与分位器和导流槽配合，调节荒煤气通道的大小，图2中表示了活塞的两个上下极限位置；活塞组件的放大图如图4所示，具体由球面塞83A、内活塞83B、活塞筒83C、活塞筒上导流沟槽83D、活塞筒连接法兰83E、活塞杆83F、活塞杆连接接手83G等部件组成；
活塞调节气缸84，用于驱动活塞组件上下移动，调节分位器内的水位达到荒煤气通道的大小，从而实现调节炭化室压力；
U型架85，用于机械装置的安装和定位。
调压装置的活塞杆与桥管盖采用水封隔断，即图中水封装置86，水封装置可以采用现有技术实现。
调压装置连接炭化室压力检测装置，用于根据给定的压力目标值(如后文数学建模装置所述)调节单个炭化室的压力。图5a-图5c是调压装置的工作原理图。
图5a是推焦状态示意图。系统控制活塞组件的下部球型塞全部落下，同时通过限位器将内活塞定位在64％，与分位器的下出口完全密封，即分位器出口关闭，如图中B所示。此时两个氨水喷头62和63喷洒的氨水水位逐步上升直至达到活塞组件的满流沟槽顶部，如图中C所示。但水位不能到分位器顶部，即这时的小流量氨水及少量荒煤气可以通过活塞内孔从中间溢流到集气管。但推焦过程中要求炭化室与集气管隔绝，此时，快注氨水阀同时打开，大量氨水涌入到分位器中，使得分位器中的液位迅速达到分位器顶部，阻塞荒煤气，如图中D所示。将所有通道全部堵死，推焦炉号的桥管与集气管完全隔绝。桥管通过上升管盖与大气相连，此时桥管压力接近0帕。分位器水位已到达顶部时，两个氨水喷嘴还在继续补充氨水，使分位器内的水始终满且溢流，即“连续水满流”，如图中E所示。图中F表示满流水，G表示导流槽完全浸入。
图5b是装煤状态示意图。系统控制活塞组件的下部球型塞全部提起，同时定位通过限位器将内活塞在100％，与分位器的下出口完全脱开，即分位器出口全开，如图中H所示，此时两个氨水喷头喷洒的氨水直接从分位器出口流出。如图中I所示(导流槽完全开放)，由于分位器出口全开，气流完全不受干扰，图中J表示未受干扰的气流。装煤时，煤灰及荒煤气被桥管中的负压吸入集气管，有效降低灰尘量，改善环境。装煤的过程中，桥管压力在正压和负压之间波动。图5b中P表示满流沟槽关闭。
图5c是结焦过程示意图。装完煤，活塞组件的球面塞和内活塞都达到最低位置，此时就开始了结焦过程。两个氨水喷头喷出的氨水开始在分位器中形成液位，根据程序实现给定的压力来调整内活塞上下移动。需要指出的是，在整个结焦的过程中，桥管压力始终靠内活塞上下移动调节液位来控制，内活塞移动范围从限位器看为0％-64％，球面塞在结焦过程中和推焦时一直都是将分位器口塞住，仅在装煤过程中才提起。图5c中，K为导流槽沟槽部分水封，L表示调节的气流，M表示满流装置沟槽部分水封，N为通过吸水管(指球面塞轴向中间焊接有一个通孔管)的水流，O表示分位器出口关闭。
5)数学建模装置9
数学建模装置依据焦炉结焦时间，根据炭化室压力的特性，运用机理分析建模的方法，采用合理的近视处理，建立炭化室压力控制的动态数学模型，并根据所述动态数学模型得到结焦过程中各阶段的压力的目标设定值。
机理分析：焦炉结焦共四个阶段第一阶段常温至200度是干燥阶段，第二阶段200℃至500℃是蒸馏阶段，第三阶段500℃至800℃是半焦阶段，第四阶段800℃至1050℃是熟焦阶段。
近视处理：四个阶段时间上并不线形，但都有大致的加热时间，对四个阶段的时间分别进行线形分割为更小的阶段。
比如，本发明优选将其划分为九个小阶段。该九个小阶段的具体参数如表1所示。
表1.九个阶段参数列表
根据该表格得到一个荒煤气发生量的离散经验值(即压力设定的目标值)。
6)控制装置10
图6是控制装置10的示意图，连接上述各装置，通过采用PLC编程指令编制的程序控制功能，比较实际结焦时间和目标结焦时间，将各阶段对应的压力设定值作为单个炭化室(1#～N#碳化室)的压力调节目标值输出给调压设备。
图7是本发明的上述大型环保焦炉系统自动控制框图。首先选择碳化室自动/手动模式：如果是手动模式，则由HMI操作人员进行人工操作；如果选择自动模式，则由PLC自动完成如该图所示的结焦、推焦、装煤顺序控制及辅助功能。
图8是焦炉结焦过程炭化室压力调节控制方法的流程图，其中：T：时间结焦时间；T1——T9：预设九个时间区间；P1——P9：预设九个压力设定目标值；SP：压力调节设定目标值。对其步骤说明如下：
1)计算结焦时间
将当前实际结焦时间与结焦过程总的目标结焦时间相除后换算成百分比数。
T/TZ×100％＝TP
其中，T:当前实际结焦时间；TZ：总的目标结焦时间；TP：结焦时间百分比。
2)判断结焦时间
表2是预设的结焦九个时间区间与炭化室压力目标值的对照列表。根据该表，将计算的TP分别与预设的九个时间区间进行比较判断，TP在哪段时间区间就将该段区间对应的压力设定值作为单个炭化室压力调节目标值输出。如图7所示，可以选择自动方式进行调节，也可以由人工手动调节压力。
表2.结焦时间与炭化室压力的对照列表
其中，T1——T9为预设的九个时间区间设定值，P1——P9为预设的九个压力设定目标值。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，本发明的保护范围应以权利要求所述为准。
Claims (7)
1.一种焦炉结焦过程炭化室压力调节控制装置，其特征在于，包括：
上升管盖控制装置，用于控制焦炉炭化室的上升管盖的打开和关闭；
氨水注入装置，用于向焦炉炭化室的集气管内注入氨水，对荒煤气进行消尘和降温；
炭化室压力检测装置，用于检测和采集焦炉炭化室的压力数据；
数学建模装置，用于依据焦炉结焦时间和炭化室压力的特性，运用机理分析建模的方法并采用合理的近视处理，从而建立炭化室压力控制的动态数学模型，并按照结焦时间将结焦全过程为分为九个阶段，并得到各阶段炭化室压力的目标设定值；所述九个阶段的各时间区间为0-10%，11-20%，21-30%，31-40%，41-50%，51-60%，61-70%，71-80%，81-100%；
调压装置，连接所述炭化室压力检测装置和数学建模装置，用于根据炭化室压力的目标设定值，在结焦过程中对炭化室压力进行自动调节；
控制装置，连接上述各装置，用于通过程序控制功能比较实际结焦时间和目标结焦时间，将所述九个阶段对应的压力的目标设定值作为单个炭化室的压力调节目标值输出给调压装置，对炭化室压力的调节过程进行控制；
所述调压装置包括：
导流槽，位于调压装置的底部、集气管上部，用于形成荒煤气流通通道，并与分位器配合形成不同流通面积的荒煤气通道；
分位器，位于调压装置最底部、集气管中部，用于存储氨水形成水封，并与导流槽配合形成不同流通面积的荒煤气通道；
活塞组件，位于调压装置的中部，用于与分位器和导流槽配合，调节荒煤气通道的大小；
活塞调节气缸，用于驱动活塞组件上下移动，调节分位器内的水位达到荒煤气通道的大小，实现炭化室压力的调节；
水封装置，用于使调压装置与桥管盖实现水封隔断；
所述氨水注入装置包括两个支管，其中一个支管设置快注氨水阀，用于快速补充所述调压装置中分位器内的水位；另一个支管设置大氨水喷嘴和小氨水喷嘴，大氨水喷嘴在桥管入口处对荒煤气进行一次消尘和降温，小氨水喷嘴在桥管中部处对荒煤气进行二次消尘和降温。
2.如权利要求1所述的焦炉结焦过程炭化室压力调节控制装置，其特征在于：所述上升管盖控制装置为上升管盖控制气缸。
3.如权利要求1所述的焦炉结焦过程炭化室压力调节控制装置，其特征在于，所述炭化室压力检测装置采用压力变送器检测压力，所述压力变送器采用氮气进行隔离检测：将一定流量的氮气作为导压介质通过氮气主管进入压力变送器的入口，而荒煤气则将压力传递到氮气隔离层上，再通过氮气隔离层将荒煤气的压力传递给压力变送器的检测膜片。
4.如权利要求3所述的焦炉结焦过程炭化室压力调节控制装置，其特征在于，所述炭化室压力检测装置还包括：
可调流量计，设于氮气主管上，用于调节隔离保护介质氮气的流量；
氮气保护开闭器，用于打开和关断保护气体氮气，便于可调流量计的维护和检修；
清洗开闭器，用于进行日常清理维护；
取压开闭器，用于打开和关断需实时检测的荒煤气，便于压力变送器的维护和检修；
卡套式接头，用于实现炭化室压力检测装置的整体拆卸，离线进行处理；
桥管法兰盖和取压导管，取压导管通过桥管法兰盖伸入桥管内部，桥管法兰盖起密封作用；
可调流量计、氮气保护开闭器、清洗开闭器、取压开闭器、卡套式接头、桥管法兰盖和取压导管之间采用不锈钢绕性连接管进行连接。
5.如权利要求1所述的焦炉结焦过程炭化室压力调节控制装置，其特征在于：所述活塞组件包括球面塞、内活塞、活塞筒和活塞杆。
6.一种环保型焦炉荒煤气系统，包括依次连接的上升管、桥管和集气管，其特征在于，还包括权利要求1至5中任一项所述的焦炉结焦过程炭化室压力调节控制装置。
7.一种采用权利要求1所述焦炉结焦过程炭化室压力调节控制装置对焦炉结焦过程炭化室压力进行调节控制的方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）数学建模装置依据焦炉结焦时间和炭化室压力的特性，运用机理分析建模的方法并采用合理的近视处理，建立炭化室压力控制的动态数学模型；
2）数学建模装置按照结焦时间将结焦全过程分为九个阶段，根据所述动态数学模型得到各个阶段的压力的目标设定值；所述九个阶段的各时间区间为0-10%，11-20%，21-30%，31-40%，41-50%，51-60%，61-70%，71-80%，81-100%；
3）炭化室压力检测装置检测和采集焦炉炭化室的压力数据，控制装置通过计算机程序控制功能比较实际结焦时间和目标结焦时间，将各阶段对应的压力的目标设定值作为单个炭化室的压力调节目标值输出给调压装置，实现对炭化室压力的调节控制。
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