煤为原料的造气炉炉况优化控制法

摘要

本发明公开了优化控制以煤为原料的造气炉炉况的方法，包括排渣时间自调、入炉蒸汽用量优化控制、吹风量优化控制、炉渣结疤自动消除控制。本发明为间歇式循环制气过程提供了一套有效的控制方法，它克服了经验控制的盲目性，为降低生产消耗、增加生产以及实现微型电子计算机全自动控制提供了有效手段。

说明书

本发明涉及以煤为原料的造气炉炉况控制方法。

现在普遍采用的以煤为原料的造气炉制气过程，一直是合成氨生产中引人关注的环节。炉况的好坏，直接影响到生产的消耗和设备的正常运行。目前，主要是用经验控制，盲目性很大，经济效益差，有人试图通过测定炉内汽化层温度进而实现炉况的自动控制，如CN86108708号、CN86200790号专利申请所公开的技术均是采用一个较为庞大的以水为介质的系统，直接伸至炉内气化层进行测温，其安装、使用、维护、准确性等均不理想，不利于推广应用。DE2935771号专利文献分开了造气炉工艺设备与检测设备相结合的生产技术，但只适于连续式反应的生产过程而不适于我国普遍采用的间歇式循环制气的复杂过程。

本发明的目的是，设计出以煤为原料的造气炉炉况优化控制方法，通过对所述造气炉的排渣时间寻优、入炉蒸汽用量寻优、吹风量寻优、消除炉内结疤诸因素中的一个或一个以上的因素进行控制，使炉况经常保持最佳状态，以得到最大的出力，降低消耗，增加生产。同时，使所设计的控制方法为闭环控制，它易于用微型电子计算机实行自动控制。

本发明是建立在这样的基础上的：设计者详尽观察并仔细研究了影响炉况的各种因素，建立专门的方法检测入炉蒸汽分解率（该方法的专利申请号是CN85100353，已通过审定）来评价炉况的好坏。简言之，蒸汽分解率，即入炉的蒸汽利用率较高，炉况就越好。因为单炉的瞬间出力A＝蒸汽分解率×蒸汽用量，A值越大，单炉发气量就越大，炉况越好。

本发明的排渣时间寻优控制的内容是，以造气炉的炉底温度为依据，控制每个制气循环中的排渣时间占空比，当炉底温度峰值低于选定的下限值时，其占空比为100%，渣全排;当炉底温度峰值高于选定的上限值时，其占空比为0，不排渣;当炉底温度处在选定的上、下限值之间时，其占空比正比于上限值与实际炉底温度峰值之差，并据此排渣。

下面对本发明的排渣时间寻优控制做出进一步说明。

在制气过程中，观察蒸汽分解率（ψ）的变化过程表明，炉底温度过高时排渣会下红碳，使ψ值降低;炉底温度过低时炉内灰渣层过厚，上吹制气时使炉底积存大量的水，降低吹风热效率，同样使ψ值下降，且还易使炉顶温度升高出现挂炉现象。因此，炉底温度应有一个合适的范围，在此条件下，气化层位置适中，发气情况好，炉渣含煤量最低。由此产生了本发明所述排渣时间寻优的控制方法，即由炉底温度状况确定排渣时间的占空比并据以排渣。占空比是一定温度下某时间的排渣率。其方法是：

（1）预先一次性给定炉底温度的上限值（T_上限）和下限值（T_下限）;

（2）在每一制气循环过程中，测定炉底温度的峰值（T_底）;

（3）由炉底温度峰值（T_底）确定排渣时间占空比（参见附图1）：

a、当炉底温度峰值（T_底）低于下限值（T_下限）时，其排渣时间占空比为100%，

b、当炉底温度峰值（T_底）高于上限值（T_上限）时，其排渣时间占空比为0，

c、当炉底温度峰值（T_底）处在上限值（T_上限）和下限值（T_下限）之间时，

占空比＝（T_上限-T_下限）·α

其中，给定系数α是这样确定的，即当T_底＝T_下限时，α＝制气循环周期值/（T_上限-T_下限）（秒/℃）;

（4）由占空比确定排渣时间与排渣量：

a、占空比＝1时，为排渣时间，且炉渣全部排出，

b、占空比＝0时，不排渣，

c、占空比在0与1之间时，为排渣时间，排渣量由占空比确定。

本发明的蒸汽用量优化控制是，在制气过程中，上吹制气开始后，对蒸汽分解率定点取样得出上吹蒸汽分解率，再提取下吹时的蒸汽分解率峰值为下吹蒸汽分解率，由此二值经过确定的关系式得出上、下吹制气时对应的蒸汽阀门开度值（蒸汽用量），以此控制入炉蒸汽用量

下面对本发明的蒸汽用量优化控制做出进一步说明。

实际生产表明，在每个制气循环过程中，蒸汽分解率的变化过程可以用附图2的曲线表示。由它可知，在上吹及下吹制气过程中，蒸汽分解率均存在一个明显的峰值或峰值区间。上吹时，它受回收气的影响很大。为避开这种干扰，简化工作程序，建立如下控制方法：

（1）上吹制气开始后，延迟一固定时间，对蒸汽分解率定点取样，做为上吹蒸汽分解率ψ上;

（2）提取下吹时的蒸汽分解率峰值做为下吹蒸汽分解率ψ下;

（3）由式  B＝ψ上/（ψ上-ψ下）

A_上＝A·（B/B₀）

A_下＝A_上·（B/B₀）

确定上、下吹制气时对应的蒸汽阀门开度值A_上、A_下，其中B₀为控制的给定值，在大于0至1之间取值，可一次性给定（例如为0.8），A为前一制气循环中上吹阀门的开度值。

（4）用A_上和A_下值分别控制上吹与下吹的蒸汽阀门开度，以控制入炉蒸汽用量。

其中，步骤（1）中所述的延迟一固定时间，要长于测量的纯带后时间。

本方法使用了“相对变化”的概念，它考虑了单个制气循环中因不断吸热导致上、下吹制气时ψ峰值的单向变化特征，使下吹的蒸汽分解率尽可能靠近上吹时的值，这样就能使总的蒸汽分解率最高。由于采用了相对变化值，它的可靠性更高。且用其控制阀门开度，速度快，自适应能力强。在每一制气循环中，上、下吹的阀门只动作一次，对延长阀门寿命很有利。

本发明的吹风量优化控制在于寻求为条件许可的造气炉的最大出力A值。由于A＝蒸汽分解率×蒸汽用量，它正比于制气过程单炉的瞬间发气量，在有关数字模式不清楚的情况下，采用自学习程序，用登山法原理，逐步改变吹风量的值，同时观察A值的变化，以求得最大A值时的吹风量，其优化控制方法有二，分述如下。

本发明的第一种吹风量优化控制方法是：

（1）以每次加碳后的制气过程为考察对象，当某种动因使吹风量增加一个步长△t时，从加碳后的第a个制气循环起，至第a+8个循环止，分别提取各个循环中下吹期间的蒸汽分解率ψ_下i;

（2）将ψ_下i值同与其对应的蒸汽流量Q_下i相乘，求出

（ψ×O）＝ψ_下i×Q_下i/8

（3）将（ψ×O）与吹风量变化前的同类值（ψ×O）相比，当［（ψ×O）－（ψ×O）o］≥C（C为常数）时，使吹风量增加一个步长;

（4）观察（ψ×O）的变化情况，按步骤（3）处理，如此循环直至（ψ×O）不随△t按比例变化时止。（此时得到吹风量步长最大值，即吹风量所许可的极限值）;

（5）吹风量减少一个步长;

（6）观察（ψ×O）的变化，当（ψ×O）变大时，吹风量减少一个步长，否则就保持吹风量不变。

步骤（1）中的A值为正整数，通常在10以内取值。上述过程直至若干加碳周期后因某种动因而重复上述过程时为止。其中的下吹蒸汽流量Q_下i也可以用下吹蒸汽阀门开度值代替。吹风量增加的动因可由以下诸因素中的一个或一个以上的因素导致：（a）选优设备刚投入运行时，（b）设备处在选优的过渡过程中，（c）造气炉经过较长时间的稳定工作而蒸汽流量偏小时，（d）防止炉渣结疤的控制过程。所述常数C的值由[（ψ×Q）/吹风时间]·（1-1/8）来决定，其中引入1/8数是考虑到该寻优的主要目的是尽可能提高造气炉的出力，而随着其出力的增加所增加的吹风量产生的部分热量将被气质变化及水夹套增加的吸热所带走。

本发明的第二种吹风量优化控制方法是：

（1）在某种动因的作用下，使吹风量增加时，检测加碳后第a个制气循环中炉顶温度的峰值T_顶1以及第a+8个制气循环中的炉顶温度T_顶2;

（2）求出变差值 △T_顶＝T_顶2-T_顶1;

（3）将△T_顶与吹风量变化前的同类数据相比，若该变差值下降，使吹风量增加一个步长;

（4）重复步骤（3），直至吹风量达到许可的极限值。

本方法中影响吹风量的动因及a的取值均与第一种吹风量优化控制方法中的相同。本方法是在第一种方法的基础上，注意到这样一个“相关变化”而建立的，即在炉底温度取恒值的条件下，吹风量由大变小而接近许可的最大值时，在同等条件下所考核的炉顶温度的变差值反而成下降趋势，这点可以从附图3的曲线得到说明。图中的三条曲线分别表示三个不同制气强度条件下炉内温度的分布关系（表示为正态分布）。比较可知，在炉底温度被锁定的条件下，制气强度越大，曲线中心就越靠近炉底，气化区越集中;在一次加碳的制气过程中，炉顶温度的变化量亦随制气强度的不同而变化，制气强度越大，其对应的炉顶温度变化量就越小。这就从理论上证实了实际观察效果。

本发明的炉内炉渣结疤（即炉渣结块）自动消除控制方法是：

（1）观察炉内状况，直至发现接近结疤;

（2）增加吹风量，使气化层温度升高，从而使疤块烧碎。

炉内结疤会使排渣困难而炉底温度仍呈下降趋势，这样导致单炉发气量大幅度下降而破坏正常生产。

对于本发明的上述诸因素控制方法，可以考虑对程序制气的上、下吹时间比进行调整。因为，下吹时间过短会使造气炉火层上移过快，炉渣烧不透，残碳量高;下吹时间过长，又将使气化层压缩得过窄，影响气化层的反应表面积。调整方法是：在手动操作所选定的上、下吹时间比的基础上，考虑不同蒸汽用量的影响，使下吹起始时间＝a₀+B/2;当B＝B₀时，a₀+B₀/2＝手动操作时选定的下吹时间。

本发明的实施例为上述各因素综合控制的实际应用举例，从所述方法可知本发明各控制方法均为闭环控制，它可以简便地运用微型电子计算机实现微机自动控制，其详尽过程参见附图4。

本实施是应用了本发明方法而设计的一个机、电、仪相结合的造气炉优化监控仪系统。所述炉底温度控制的极限分别是T_上限为200℃、T_下限为150℃（其它参数的选定前已述及，不再赘述）。

本发明可对炉况实现寻优控制，选择最佳工作状态，使其出力最大，炉顶的表面温度低，炉顶与炉底温度稳定，炉渣含碳量达到5%以下，平均蒸汽分解率由原来的30%提高到50%以上，不结疤，不挂炉，吨氨总耗煤减少200公斤标准煤。

附图说明：

图1是炉温一排渣时间占空比曲线，其中：

纵轴2-占空比

横轴T_D-炉底温度

T₁-下限值

T₂-上限值

图2是蒸汽分解率变化曲线，其中：

a-吹风  b-回收

c-上吹  d-下吹

e-第二次上吹

图3是炉内碳层标高与炉温关系曲线，其中：

a-气化层位置  b-大强度制气

c-中强度制气  d-低强度制气

e-炉底  H轴-造气炉内碳层标高

图4是应用本方法的自动控制原理图，其中：

1-蒸汽分解率分析仪  2-微机CMC-80A

3-电动操作器  4-电气转换或伺服放大

5-排渣时间控制  6-造气炉水煤气

7-针形阀  8-自动机同步开关信号

9-自动机到位开关信号  10-吹风量起始给定

11-ψ数字显示  12-停炉控制

13-微机程序检误与自动复位  14-自动机程序优化控制与指示

15-入炉蒸汽流量调节  16-蒸汽总管

17-ψ模拟量记录  18-同步输出信号

19-T_底20-T_顶