干熄焦气体循环系统控制方法与流程

本发明属于干熄焦气体循环控制技术领域，特别涉及干熄焦循环气体流量自动控制、锅炉入口侧气体温度自动控制以及干熄槽内co浓度的自动控制。

背景技术：

干熄焦是相对于湿熄焦而言，它采用惰性气体将红焦降温冷却的一种熄焦方法。干熄焦的气体循环控制系统是整个干熄焦控制系统的重要组成部分。

在干熄焦生产中，循环气体量要根据排焦量的变化进行相应的调整，以便将排焦温度和锅炉入口气体温度控制在合适的范围。在以往的干熄焦控制系统中，循环气体流量控制基本处于手动状态，在干熄焦操作中，循环气体量的管理和调节重要性容易被忽视。认为只要将红焦冷却，排焦温度控制在200℃以下就行，更有认为排焦温度越低越好，这样可以多吸收和利用红焦的显热，故此习惯以较大的循环风量运行。当排焦量降低时，没有相应的降低循环气体量或者没有及时降低循环气体量，循环风机仍以较大的循环风量运行，从而造成锅炉入口温度降低较快，对生产和操作带来不利影响。在这种情况下要保持锅炉入口温度，潜意识必然会增加空气导入量，这样又会增加焦粉甚至焦炭的烧损，同时较大的循环气体量，必然会造成循环风机较大的电耗。

干熄焦锅炉入口侧气体温度控制。干熄焦锅炉入口侧气体温度，是干熄焦重要的工艺参数之一。它代表着回收红焦显热的效率，直接体现系统的工况。对于锅炉而言，它代表着锅炉的换热效率，极大影响着蒸汽的品质。因此干熄焦锅炉入口侧气体温度是干熄焦系统监控的一个重要工艺参数。干熄焦锅炉入口侧气体温度高于设计值会造成高温事故，锅炉的二级过热器炉管蠕变而产生爆管；低于设计值导入干熄焦系统的空气不能与循环气体中的可燃气体发生燃烧反应，当进入干熄焦炉导致烧损焦炭，不仅影响干熄焦的生产能力，而且严重时会产生爆炸。因此，干熄焦锅炉入口侧气体温度的调节至关重要。

干熄槽内co浓度控制。干熄焦生产过程中，因各种原因co浓度逐渐升高，为了保证人员和设备安全，必须对co的浓度进行控制。在正常生产中，导入空气燃烧和导入氮气都可以控制co的浓度。其中导入空气燃烧更经济，而且还有利于提高锅炉入口温度，从而提高锅炉产气量。

在干熄焦生产过程中，是通过控制循环风机变频器、干熄槽导入空气流量调节阀和旁通循环气体流量调节阀来实现对循环气体流量、锅炉入口气体温度和co浓度的控制。干熄焦生产过程受多重因素的相互影响和作用，给生产操作带来困难，传统控制方式基本处于手动和半自动的状态，控制水平不高，操作人员劳动强度大，在生产操作中有时会被表面现象甚至假象迷惑，对生产造成不良影响。因此，通过干熄焦气体循环系统自动控制方法，实现循环气体流量、锅炉入口温度和co浓度的全自动控制，极大降低操作人员的劳动强度，通过算法自动调整各个相关参数，更好的响应生产过程中的工况变化，在提高产品质量，降低烧损率和节能环保方面显著优于以前的控制方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种干熄焦循环气体流量、干熄焦锅炉入口侧气体温度和干熄槽内co浓度的自动控制方法。

根据当前实际工况，通过对循环风机变频器、干熄槽导入空气流量调节阀和旁通循环气体流量调节阀的控制，实现干熄焦循环气体流量、干熄焦锅炉入口侧气体温度和干熄槽内co浓度的全自动控制。

干熄焦气体循环系统自动控制方法，包括对组态干熄焦气体循环系统自动控制方法启动和运行条件的控制，组态循环气体流量自动控制方法的控制内容和组态锅炉入口侧循环气体温度和co浓度的自动控制方法的控制。

干熄焦气体循环系统自动控制方法，只有具备启动条件和运行条件后才能开始计算和控制过程。不具备条件自动控制方法退出，控制权交回相关设备，触发相应的报警信息，操作人员根据工况，进行人工干预。

具体方法如下：

1、组态干熄焦气体循环系统自动控制方法启动和运行条件的控制

自动控制方法启动条件的判断：要求循环风机变频器在自动控制模式，要求干熄槽导入流量调节阀在自动控制模式，要求旁通气体流量调节阀在自动控制模式。

自动控制方法运行条件的判断：保证气体循环风机、干熄槽导入风机、排焦系统、锅炉给水泵在正常运行状态；循环风量的测量值在20至282knm³/h之间；循环风量的设定值和测量值的偏差绝对值在0至20knm³/h之间；排焦量的设定值和测量值的偏差绝对值在0至5t/h之间；排焦温度在100至180℃之间；干熄槽导入空气流量的测量值在2至29knm³/h之间；旁通气体流量的测量值在3至22knm³/h之间；co浓度测量值在0至12％之间；h2浓度测量值在0至5％之间；o2浓度测量值在0至0.5％之间；主蒸汽温度的测量值在500至555℃之间；主蒸汽流量的测量值在50至95.2t/h之间；锅炉入口温度的测量值在800至980℃之间；预存室料位的测量值在0至7.07m之间；排焦量的测量值在40至200t/h之间；循环风量控制方法的计算值在50至282knm³之间。2、组态循环气体流量自动控制方法的控制

循环气体流量控制方法，是要控制冷却段导入循环气体流量，这只是循环风机吹入到干熄槽中的一部分流量，循环气体流量由三部分构成：冷却段导入循环气体流量、旁通气体流量和放散气体流量。为了实现循环气体流量的自动控制，首先要建立循环气体流量设定值和干熄槽排焦量之间的关系式，循环气体流量设定值＝(排焦量×k+人工修正数)×排焦温度补正系数+旁通气体流量+放散气体流量，其中k为换算系数设置在1.2knm³/t至1.6knm³/t之间。以上关系式的排焦温度补正系数是为了进一步提高控制精度，当排焦温度大于补正设定值180℃时，排焦温度补正系数设置为1.04至1.1之间的数值，当排焦温度小于等于补正设定值180℃时，排焦温度补正系数为1.0。以上关系式的循环气体流量设定值人工修正数范围在正负5knm³/h范围内。

在自动控制方法投入后，根据排焦量的设定值，通过循环气体流量设定值和排焦量关系式计算出循环气体流量设定值，根据循环气体设定值和循环气体流量测量值的偏差，采用pid控制器控制循环风机变频器速度。最终计算的风量必须要在风机的可能范围上限即小于等于282knm³范围内，如果计算结果超过上限，这时是不会进行自动调节的，同时自动控制被停止。

对循环风机入口流量的设定值变化率限制，避免流量设定值剧烈变化，造成干熄焦系统不稳定，通过变化率限制器，限制循环气体流量设定值变化率不超过0.15knm³/s，并且对循环风机入口流量设定值进行平滑斜坡处理。

为了提高控制的稳定性，循环气体流量控制方法将计算得到的循环气体流量设定值减去循环气体流量的测量值，当计算结果的绝对值小于设置的控制宽度即量程范围1％以内时，控制方法保持之前的控制值不变。当计算结果的绝对值大于设置的控制宽度即量程范围1％以内时，控制方法计算得到的当前设定值参与控制。

3、组态锅炉入口侧循环气体温度和co浓度的自动控制方法的控制内容

锅炉入口侧循环气体温度和co浓度的控制方法是通过对干熄槽导入空气流量的调节和旁通的循环气体流量的调节来实现的。锅炉入口侧循环气体温度和co浓度的控制实际上是一对矛盾，相互影响相互作用，所以控制参考的优先级从高到低分别为，首先是干熄焦锅炉主蒸汽发生量，其次是锅炉入口侧循环气体温度，最后是co浓度。首先定义这几个参数的稳定范围，主蒸汽发生量的稳定范围为50t/h至92.5t/h之间，锅炉入口气体温度的稳定范围为960℃至970℃之间，co浓度的稳定范围为5％至6％之间。根据主蒸汽发生量情况，启动相应的控制方法。

当主蒸汽发生量高于稳定范围即大于92.5t/h时，根据co浓度进行控制：

1)co浓度在稳定范围或者低于稳定范围即小于等于6％时，干熄槽导入流量调节修正数＝-k9，旁通气体流量调节修正数＝0；

2)co浓度高于稳定范围即大于6％时，干熄槽导入流量调节修正数＝-c，旁通气体流量调节修正数＝0，系统生成控制异常报警。

当主蒸汽发生量低于或者在允许范围内即小于等于92.5t/h时，按照先控制锅炉入口侧气体温度，后控制co浓度的优先顺序进行控制。

当主蒸汽发生量低于或者在允许范围内即小于等于92.5t/h时，锅炉入口侧气体温度低于稳定范围即小于等于960℃时，此时根据co浓度进行控制：

1)co浓度在低于稳定范围即小于等于5％时，如果旁通气体流量在控制下限，干熄槽导入流量调节修正数＝-a，旁通气体流量调节修正数＝0，系统生成下限异常报警，如果旁通气体流量控制没有在下限，干熄槽导入流量调节修正数＝-k7’，旁通气体流量调节修正数＝-k7；

2)co浓度在稳定范围即大于5％且小于等于6％时，如果旁通气体流量在控制下限，干熄槽导入流量调节修正数＝+k8，旁通气体流量调节修正数＝0，如果旁通气体流量控制没有在下限，干熄槽导入流量调节修正数＝0，旁通气体流量调节修正数＝-k5；

3)co浓度在高于稳定范围即大于6％时，干熄槽导入流量调节修正数＝+k6，旁通气体流量调节修正数＝-k6’。

当主蒸汽发生量低于或者在允许范围内即小于等于92.5t/h时，锅炉入口侧气体温度在稳定范围即大于960℃且小于等于970℃时，此时根据co浓度进行控制：

1)co浓度在低于稳定范围即小于等于5％时，干熄槽导入流量调节修正数＝-k2，旁通气体流量调节修正数＝0；

2)co浓度在稳定范围即大于5％且小于等于6％时，干熄槽导入流量调节修正数＝0，旁通气体流量调节修正数＝0；

3)co浓度在高于稳定范围即大于6％时，干熄槽导入流量调节修正数＝+k1，旁通气体流量调节修正数＝0。

当主蒸汽发生量低于或者在允许范围内即小于等于92.5t/h时，锅炉入口侧气体温度在高于稳定范围即大于970℃时，此时根据co浓度进行控制：

1)co浓度在低于稳定范围即小于等于5％时，干熄槽导入流量调节修正数＝-k11，旁通气体流量调节修正数＝0；

2)co浓度在稳定范围即大于5％且小于等于6％时，如果旁通气体流量在控制上限，干熄槽导入流量调节修正数＝-k4，旁通气体流量调节修正数＝0，如果旁通气体流量控制没有在上限，干熄槽导入流量调节修正数＝0，旁通气体流量调节修正数＝+k3；

3)co浓度在高于稳定范围即大于6％时，如果旁通气体流量在控制上限，干熄槽导入流量调节修正数＝-b，旁通气体流量调节修正数＝0，系统生成上限异常报警，如果旁通气体流量控制没有在上限，干熄槽导入流量调节修正数＝0，旁通气体流量调节修正数＝+k10。

所述的流量调节修正数k1的范围为60nm³/h至140nm³/h之间，所述的k6、k8的范围均在150nm³/h至260nm³/h之间，k2、k4、k7’，k9、k11的范围均在230nm³/h至350nm³/h之间，k3、k5、k6’、k7、k10的范围均在410nm³/h至550nm³/h之间，a、b、c的范围均在180nm³/h至390nm³/h之间。

控制方法开始运行，首次延时30秒开始运算，之后装焦装置关到位或co高警告之后120秒计算一次。

采用上述控制方法后，本发明的有益效果是：

(1)本系统根据排焦量的变化，结合锅炉入口循环气体温度，全自动控制循环气体流量，减少了焦炭的烧损，更好的响应工况变化，并且可以节约能源。

(2)本系统根据主蒸汽发生量、锅炉入口气体温度、co浓度和干熄焦装焦排焦状态，全自动控制干熄槽导入气体流量和旁通气体流量。在保证人员和设备安全的前提下，更好的适应生产节奏，减少焦炭的烧损，提高锅炉入口气体温度，进而提高锅炉产汽量和干熄焦的发电量。

(3)本控制方法不受自动控制系统软、硬件限制，可以在不同控制系统间移植。

本发明是一套应用于干熄焦气体循环过程的自动控制系统。解决以往控制方式控制水平低，操作人员劳动强度大，干熄焦生产过程受多重因素的相互影响和作用，造成的生产操作困难。通过干熄焦气体循环系统自动控制方法，实现循环气体流量、锅炉入口温度和co浓度的全自动控制。根据工况变化自动及时的调整相关参数，满足干熄焦生产的要求，降低焦炭烧损率，极大降低操作人员的劳动强度。

附图说明

附图1循环气体流量自动控制方法功能模块关系图。

附图2锅炉入口侧循环气体温度和co浓度的自动控制方法功能模块关系图。sf为导入空气流量设定值修正数，pt为旁通流量设定值修正数。

具体实施方式

本发明提出的一套应用于干熄焦气体循环系统的全自动控制方法，下面详细说明整个实施过程的具体步骤：

1、安装并组态所需的控制硬件、软件和以太网络等。

(1)安装计算机操作系统和控制软件：计算机采用西门子工控机和微软windows764位操作系统，控制软件采用西门子pcs78.0sp1版本的编程软件。

(2)安装plc硬件控制设备：本实例采用了西门子pcs78.0sp1版本的编程软件相适应的s7400h系列的西门子plc控制设备。

(3)设置plc模件和通讯网络：对plc硬件进行通道和参数设置，通讯采用tcp通讯方式，检测通讯网络连接。

(4)组态编程软件：根据控制内容，编写和测试控制程序。

(5)组态系统的工艺流程画面：实现对现场设备的控制和状态显示等功能。

(6)信号校对：在现场设备安装完成后，通过编程软件对现场设备进行校验，完成信号回路测试。

2.对干熄焦气体循环系统进行自动化系统编程，对系统输入输出信号进行编程，具体实施内容如下：

使用西门子pcs78.0sp1版本的编程软件，编程实现所有设备的基本控制功能，实现设备的启停和调节控制，并完成功能测试。

3.对自动控制方法启动和运行条件进行自动化系统编程，具体实施内容如下：

编写逻辑判断程序，判断循环风机变频器转速调节pid、干熄槽导入风机导入量调节pid和判断旁通气体流量调节pid在自动调节状态。如果全部满足自动状态，则控制方法具备启动条件。

(1)组态干熄焦气体循环系统自动控制方法启动和运行条件的控制内容

干熄焦气体循环系统自动控制方法，只有具备启动条件和运行条件后才能开始计算和控制过程。不具备条件自动控制方法退出，控制权交回相关设备，触发相应的报警信息，操作人员根据工况，进行人工干预。

自动控制方法启动条件的判断：要求循环风机变频器在自动控制模式，要求干熄槽导入流量调节阀在自动控制模式，要求旁通气体流量调节阀在自动控制模式。

自动控制方法运行条件的判断：保证气体循环风机、干熄槽导入风机、排焦系统、锅炉给水泵在正常运行状态；循环风量的测量值在20至282knm³/h之间；循环风量的设定值和测量值的偏差绝对值在0至20knm³/h之间；排焦量的设定值和测量值的偏差绝对值在0至5t/h之间；排焦温度在100至180℃之间；干熄槽导入空气流量的测量值在2至29knm³/h之间；旁通气体流量的测量值在3至22knm³/h之间；co浓度测量值在0至12％之间；h2浓度测量值在0至5％之间；o2浓度测量值在0至0.5％之间；主蒸汽温度的测量值在500至555℃之间；主蒸汽流量的测量值在50至95.2t/h之间；锅炉入口温度的测量值在800至980℃之间；预存室料位的测量值在0至7.07m之间；排焦量的测量值在40至200t/h之间；循环风量控制方法的计算值在50至282knm³之间。

(2)组态循环气体流量自动控制方法的控制内容

循环气体流量控制方法，是要控制冷却段导入循环气体流量，这只是循环风机吹入到干熄槽中的一部分流量，循环气体流量由三部分构成：冷却段导入循环气体流量、旁通气体流量和放散气体流量。为了实现循环气体流量的自动控制，首先要建立循环气体流量设定值和干熄槽排焦量之间的关系式，循环气体流量设定值＝(排焦量×k+人工修正数)×排焦温度补正系数+旁通气体流量+放散气体流量，其中k为换算系数设置在1.2knm³/t至1.6knm³/t之间。以上关系式的排焦温度补正系数是为了进一步提高控制精度，当排焦温度大于补正设定值180℃时，排焦温度补正系数设置为1.04至1.1之间的数值，当排焦温度小于等于补正设定值180℃时，排焦温度补正系数为1.0。以上关系式的循环气体流量设定值人工修正数范围在正负5knm³/h范围内。

在自动控制方法投入后，根据排焦量的设定值，通过循环气体流量设定值和排焦量关系式计算出循环气体流量设定值，根据循环气体设定值和循环气体流量测量值的偏差，采用pid控制器控制循环风机变频器速度。最终计算的风量必须要在风机的可能范围上限即小于等于282knm³范围内，如果计算结果超过上限，这时是不会进行自动调节的，同时自动控制被停止。

对循环风机入口流量的设定值变化率限制，避免流量设定值剧烈变化，造成干熄焦系统不稳定，通过变化率限制器，限制循环气体流量设定值变化率不超过0.15knm³/s，并且对循环风机入口流量设定值进行平滑斜坡处理。

为了提高控制的稳定性，循环气体流量控制方法将计算得到的循环气体流量设定值减去循环气体流量的测量值，当计算结果的绝对值小于设置的控制宽度即量程范围1％以内时，控制方法保持之前的控制值不变。当计算结果的绝对值大于设置的控制宽度即量程范围1％以内时，控制方法计算得到的当前设定值参与控制。

(3)组态锅炉入口侧循环气体温度和co浓度的自动控制方法的控制内容

锅炉入口侧循环气体温度和co浓度的控制方法是通过对干熄槽导入空气流量的调节和旁通的循环气体流量的调节来实现的。锅炉入口侧循环气体温度和co浓度的控制实际上是一对矛盾，相互影响相互作用，所以控制参考的优先级从高到低分别为，首先是干熄焦锅炉主蒸汽发生量，其次是锅炉入口侧循环气体温度，最后是co浓度。首先定义这几个参数的稳定范围，主蒸汽发生量的稳定范围为50t/h至92.5t/h之间，锅炉入口气体温度的稳定范围为960℃至970℃之间，co浓度的稳定范围为5％至6％之间。根据主蒸汽发生量情况，启动相应的控制方法。

当主蒸汽发生量高于稳定范围即大于92.5t/h时，根据co浓度进行控制：

1)co浓度在稳定范围或者低于稳定范围即小于等于6％时，干熄槽导入流量调节修正数＝-k9，k9参数初值为300nm³/h，旁通气体流量调节修正数＝0；

2)co浓度高于稳定范围即大于6％时，干熄槽导入流量调节修正数＝-c，c参数初值为300nm³/h。旁通气体流量调节修正数＝0，系统生成控制异常报警。

当主蒸汽发生量低于或者在允许范围内即小于等于92.5t/h时，按照先控制锅炉入口侧气体温度，后控制co浓度的优先顺序进行控制。

当主蒸汽发生量低于或者在允许范围内即小于等于92.5t/h时，锅炉入口侧气体温度低于稳定范围即小于等于960℃时，此时根据co浓度进行控制：

1)co浓度在低于稳定范围即小于等于5％时，如果旁通气体流量在控制下限，干熄槽导入流量调节修正数＝-a，a参数初值为300nm³/h，旁通气体流量调节修正数＝0，系统生成下限异常报警，如果旁通气体流量控制没有在下限，干熄槽导入流量调节修正数＝-k7’，k7’参数初值为300nm³/h，旁通气体流量调节修正数＝-k7，k7参数初值为500nm³/h；

2)co浓度在稳定范围即大于5％且小于等于6％时，如果旁通气体流量在控制下限，干熄槽导入流量调节修正数＝+k8，k8参数初值为200nm³/h，旁通气体流量调节修正数＝0，如果旁通气体流量控制没有在下限，干熄槽导入流量调节修正数＝0，旁通气体流量调节修正数＝-k5，k5参数初值为500nm³/h；

3)co浓度在高于稳定范围即大于6％时，干熄槽导入流量调节修正数＝+k6，k6参数初值为200nm³/h，旁通气体流量调节修正数＝-k6’，k6’参数初值为500nm³/h。

当主蒸汽发生量低于或者在允许范围内即小于等于92.5t/h时，锅炉入口侧气体温度在稳定范围即大于960℃且小于等于970℃时，此时根据co浓度进行控制：

1)co浓度在低于稳定范围即小于等于5％时，干熄槽导入流量调节修正数＝-k2，k2参数初值为300nm³/h，旁通气体流量调节修正数＝0；

2)co浓度在稳定范围即大于5％且小于等于6％时，干熄槽导入流量调节修正数＝0，旁通气体流量调节修正数＝0；

3)co浓度在高于稳定范围即大于6％时，干熄槽导入流量调节修正数＝+k1，k1参数初值为100nm³/h，旁通气体流量调节修正数＝0。

当主蒸汽发生量低于或者在允许范围内即小于等于92.5t/h时，锅炉入口侧气体温度在高于稳定范围即大于970℃时，此时根据co浓度进行控制：

1)co浓度在低于稳定范围即小于等于5％时，干熄槽导入流量调节修正数＝-k11，k11参数初值为300nm³/h，旁通气体流量调节修正数＝0；

2)co浓度在稳定范围即大于5％且小于等于6％时，如果旁通气体流量在控制上限，干熄槽导入流量调节修正数＝-k4，k4参数初值为300nm³/h，旁通气体流量调节修正数＝0，如果旁通气体流量控制没有在上限，干熄槽导入流量调节修正数＝0，旁通气体流量调节修正数＝+k3，k3参数初值为500nm³/h；

3)co浓度在高于稳定范围即大于6％时，如果旁通气体流量在控制上限，干熄槽导入流量调节修正数＝-b，b参数初值为300nm³/h，旁通气体流量调节修正数＝0，系统生成上限异常报警，如果旁通气体流量控制没有在上限，干熄槽导入流量调节修正数＝0，旁通气体流量调节修正数＝+k10，k10参数初值为500nm³/h。

控制方法开始运行，首次延时30秒开始运算，之后装焦装置关到位或co高警告之后120秒计算一次。

4、组态流程画面的控制内容

完成对冷却段导入空气流量自动控制、锅炉入口侧气体温度自动控制以及干熄槽内co浓度的自动控制，需要在监控流程画面中进行以下几个步骤：

(1)选择控制的工作方式：干熄焦生产稳定一段时间后，操作人员选择控制方法投入，控制方法根据投入条件和运行条件，判断是否运行控制方法。操作人员选择控制方法投入，具备条件则开始控制方法的计算过程。不具备条件控制方法不运行，如果控制方法已经运行，则控制方法停止，操作权限交回各自设备，系统生成报警信息。

(2)根据现场工况修正循环气体流量控制方法的k、排焦温度补正系数等参数。

(3)根据现场工况修正锅炉入口侧循环气体温度和co浓度控制方法的k1至k11、a、b、c等参数。

系统正常运行，当过程参数发生变化，控制方法自动计算循环气体流量设定值、干熄槽导入空气量设定值和旁通气体流量设定值，循环风机变频器、干熄槽导入空气调节阀和旁通气体流量调节阀开始自动调节，完成气体循环系统的自动控制过程。