河北科技大学  马维明
                                                                                      河北科隆机电科技有限公司 李玉明

  〔摘 要：〕文章叙述了间歇式固定床煤气炉生产普遍采用的且被人们认为是行之有效的“四位一体”技术的特点、功能和应用效果。以便使其在现阶段的造气生产中发挥出更大作用，让中国特色的造气生产达到现代化水平。

    〔关键词：〕油压系统、自动加煤、自动下灰、优化控制，工程实现。

1、概述：

        间歇式、固定床煤气炉的造气生产目前在我国化肥、甲醇行业仍占主导地位，以其投资少、见效快、操作简单的优势，在短时间内很难淘汰。技术改造、扬长避短是间歇式、固定床煤气炉的出路。 “造气集成油压技术；自动加煤技术；自动下灰技术；综合优化控制技术”等四位一体技术的开发成功，在造气生产上应用后，打破了传统而陈旧的生产方式和方法，真正提高了造气生产水平，同时也真正使造气工段象其它工段一样实现了优化下的全自动化连续生产。
        目前，对“造气生产四位一体技术”我们应进行深入了解，以便用好它们为造气生产服务。为此，对“造气生产四位一体技术”我们特作如下介绍。

2、造气集成油压技术 

        造气集成油压技术出现于上世纪80年代中期，已有20多年历史，技术完全成熟，现阶段的油压系统技术只是根据造气炉具体情况在细节上进行合理配置和改造，使系统更安全、可靠运行。 
        油压系统设备合理配置，否则就会先天不足。由于我们理论与实践的高度结合，从理论的角度指导实践，逐步规范了各部分的配套设计。

2.1、油管路和球阀的配置如下表：

2.2、阀站中阀位及换向阀的配置：

        换向阀有两个作用，一个是换向，另一个是决定油流量大小的。而工艺阀门动作速度一个是取决于油的压力，另一个是取决于油的流量。生产当中工艺阀门动作要快，以增加有效制气时间和减少损失。目前我公司有四种换向阀供使用。

        它们的情况及适应工艺阀门规格如下表：

        阀站中换向阀的阀位是根据工艺要求制造。阀站中换向阀的规格可以是根据工艺阀门的通径选择，保证阀门的起落速度。对于Φ2.8米以下造气炉目前最大工艺阀门是DN800的，采用18通径的电磁换向阀，开关速度超不过3秒钟，但有人提出用电液阀，当然可以，但有两个不利因素在里边，一个是成本，电液阀几乎是18通径换向阀的2倍，第二个是电液阀是两体组成，内漏量大，对系统不利。所以电液阀主要用在中氮肥厂，因为他们大都是3米以上造气炉，最大工艺阀门达DN900。

2.3、对于油缸、高压胶管、接头体的配置： 

        首先是根据工艺阀门所需力的大小决定油缸的孔径，然后为了保证工艺阀门的动作速度，油缸上、下油口的规格，高压胶管、接头都要合理配置。具体如下表：

        主要考验扩展性，适应性（冬天合适，夏天油粘度下降，甚至出现换向阀，油缸内漏现象也要合适）。可按下表决定： 
        目前造气炉工艺阀门增多，包括吹风回收，加氮及自动加煤机、自动下灰等自动控制工艺阀门可达20个以上，手动液压阀4个。因此泵站的供油量需要增大。 
        泵站可选择齿轮泵、叶片泵。CB100油泵表示电机每转可供油100mL。 
        我们在设计方案时，对于泵站的选择应是下限档，这样才有余量。我公司泵站采用内置水冷系统，油温检测系统，自动压力检测、自动液位检测控制、自动倒泵控制，保证系统的安全可靠运行。

2.5、油压系统油缸的配置原则：

油压系统压力为4.5Mpa (45kg/cm2 )时油缸工作力表

2.5.1、油缸规格与行程根据系统工艺阀要求来定；缸径的选择确保阀门受向下推力时关紧，向上受拉力时打开，油缸行程确保阀门开、关到位。
2.5.2、油缸的主要特点：（1）油缸与工艺阀门之间是法兰连接，不会出现脱缸跑油现象；（2）油缸内部上、下带缓冲结构，生产当中既保证动作快，又保证系统稳定，减少对阀门的冲击；（3）内部采用聚四氟乙烯密封材料，延长油缸寿命。
2.5.3、油缸上下油口、接头，高压胶管等都是合理配套，没有卡脖子地方。

3、关于机电一体化自动加煤技术 

        机电一体化自动加煤机技术是我们公司经过努力于1997年研发成功，并完成实际应用试验，随后福建永安签下合同烧煤球自动加煤，效益明显，导致整个福建省几乎全部采用，到1999年由全国氮肥协会小氮肥分会技术开发部在秦皇岛召开现场会，进行了技术总结，自动加煤机用到造气生产后单炉发气量相比于手动加煤提高10%-15%,吨氨煤耗下降10%左右，投资回收期三个月左右，此项技术在氮肥行业推广应用以达14年，也是一项完全成熟的技术。
     目前推广的机电一体化自动加煤有各种不同规格型号。

3.1、我们开发研制的加煤机适应性强：

        我们开发研制的加煤机规格有十几种之多，结构形式主要有大小布料器、插板阀和大布料器、圆盘阀、插板阀两钟，可满足多种需要如图1。 

3.1.1、不受造气厂房结构限制(小氮肥任何造气厂房都能手动加煤改自动加煤)。
3.1.2、不受煤种限制(块煤、型煤都有专用加煤机)。全国烧煤球的几乎都采用机电一体化自动加煤机。如果烧煤棒采用机电一体化加煤机可以说是禁区，也确实没人敢闯。不过，我们于06年春为贵州宜化设计、开发专烧煤棒加煤机，经过努力应用成功。现贵州宜化有12台Φ2.65炉，12台Φ3.3炉烧煤棒都用上了我们的加煤机，效果很好。
3.1.3、不受炉子类型限制(Φ2.26米-Φ3.6米炉都有配套加煤机)。
3.1.4、不受工艺条件限制。
        这也正是机电一体化自动加煤与纯机械式加煤机加煤和手动加煤相比，其优点所在。总结是：带有自动加煤控制的专用微机或造气生产综合优化控制系统，它们具有任何工艺要求的软、硬件。
        自动加煤机动作过程简述：正常生产时，每个造气循环(120秒到150秒)加一次煤，圆盘阀与布料器始终有一阀为关闭，即炉子在任何阶段都是密封状态，并且布料器动作时间可调；圆盘阀的动作完全与给料阀动作协调，并且给料时间可调(可精确到0.1秒)。

3.2.质量可靠

        在全国各地合成氨厂，几乎不时地会见到我们研制生产的各类型加煤机，一个共同的感觉是理想。 
        (1)加煤机上的三个阀门动作干脆利索(落)。 
        (2)密封效果好，任何阶段没有气体外泄现象。 
        (3)使用寿命长(有的已用三、五年仍然效 果理想)

4、关于机电一体化自动下灰技术：

4.1、机电一体化自动下灰技术的发展过程： 

        在中、小氮肥厂的造气，下灰一直是手动，其过程是：灰仓积灰达一定程度后，在吹风阶段停炉，使生产系统处在安全停车状态，而后自动或手动打开灰仓阀门下灰，这是一个手动下灰的全过程，用时1～2分钟。 
        为了增加造气炉的有效制气时间和造气实现全自动化连续生产，我们开发、研制、生产了机电一体化自动下灰装置。这样对于一台造气炉而言采用自动下灰技术，主要的好处是能够实现现代化的连续生产，其次就是减少由于手动下灰带来的显热损失和增加有效制气时间。

4.2、机电一体化自动下灰技术的特点及动作过程如图：

4.2.1、自动下灰装置密封性能要好，在自动下灰过程中气体不能有任何的外泄现象。
4.2.1.1、设备自身的保证：自动下灰装置结构如图，因为我们具有生产自动加煤机的经验，所以，其中的上灰门和自动加煤机的圆盘阀结构相当，自动加煤机圆盘阀已被大量采用，密封效果好，得到了公认。这样，上灰门采用圆盘阀结构，本身是万无一失的。
4.2.1.2、控制系统保证： 
        机电一体化自动下灰程序是容在整个制气程序中，形成一个整体，对自动下灰控制既合理又严格，以保证正常生产，从而挖出炉子的潜力。
4.2.2、自动下灰的动作过程描述： 
        正常开车时，上灰门为开的状态，下灰门为关闭状态，这两个阀门是互为联锁的，生产中可以同时关闭但不能同时打开。 
        具体是：①吹风阶段进行10秒后，关闭上灰门；②上灰门关闭3～5秒后打开下灰门把灰渣排出；③灰渣排出后关闭下灰门；④下灰门关闭后3秒打开上灰门，使一个下灰过程完成。这里，在上灰门关闭前3～5秒和上灰门打开后3～5秒的时间内炉盘要停止转动，以保证各灰门的密封效果。

5、关于造气生产综合优化控制技术： 

        我单位技术人员上世纪八十年代初就致力于造气工段控制技术的开发工作，相继开发出“造气微机油压控制技术”；“氢氮比例自动控制技术”；“入炉蒸汽流量自动控制技术”；“机电一体化自动加煤控制技术”；“机电一体化自动下灰控制技术”等。在完善造气各分项控制技术的基础上采用模糊控制技术、自适应控制技术开发了能够总结人的操作经验，能够代替人的思维，使造气生产处于最佳状态的控制技术——造气生产综合优化控制技术。
        中国氮肥协会也把这一技术作为氮肥行业合成氨生产十项高新技术之一向全行业推广，并列为行业循环经济支撑技术推荐给国家发改委。
        造气生产综合优化控制技术的功能：

5.1、常规控制技术：使用单板机和通用DCS都能够实现的技术。

        实现造气工艺阀门的程序控制及阀位检测、联锁报警； 
        实现水夹套及气包液位的PID调节； 
        实现风机和油压系统的管理、报警及联锁； 
        实现单炉操作各参数的历史趋势图、实时趋势图显示；

5.2、优化节能控制技术

5.2.1、合成氨的氢、氮比自动调节技术。 

        合成氨的氢、氮比是合成氨生产最重要的一个参数，合成氨氢氮比的控制, 被控参数为合成工段合成塔内H2与N2 的比例, 控制参数为造气工段造气炉加入的氮气量,对象的显著特点是调节通道长, 干扰因素多，纯滞后时间长，被调参数H2/N2值要经过造气、脱硫、变换、压缩、净化和合成等工段贯穿整个合成氨生产过程，在合成塔入口显示出来, 每个工段的因素都干扰合成工段的H2/N2值，因此,H2/N2 的调节是一种多变量的复杂调节系统, 参数之间的函数关系没有固定的数学模型和分析方法。 
        合成反应是3个氢分子和1个氮分子在一定压力、温度和催化剂的作用下的放热反应，合成气氢、氮比不合格，造成合成系统压力，温度波动，破坏了系统的反应条件，增加了弛放气放空量，造成前工段煤耗、电耗增加，合成氨成本增高。所以氢氮比的自调在合成氨生产中尤为重要。

        基于上述特点，我们按照模糊控制理论与自适应控制的思想方法，应用神经网络理论使氢氮比控制方案中具有自学习、自组织、自分析、自判断、自适应能力。（控制框图如图二十所示），针对生产过程动态变化情况及时修正控制规律，不同情况与不同干扰引起的偏差用不同的控制手段达到稳定H2/N2的目的。目前，采用我们这一技术氢氮比的平均合格率≧98%。大大降低合成氨生产成本。 

        我们设计的氢氮比控制系统1999年荣获河北省教委科技进步一等奖，河北省科技进步三等奖。

5.2.2、实现入炉蒸汽流量的开环配比控制 

        间歇式造气生产，120-150秒一个循环，吹风阶段炉温升高，蓄热，进入上吹阶段，蒸汽与高温的碳反应，分解生成CO、CO2、H2，炉温越高，蒸汽分解率越高。随上吹时间延续，炉温下降，同时蒸汽分解率也下降。进入下吹阶段，因经过上吹后炉温已经下降，下吹阶段的蒸汽分解率已不如上吹阶段，随下吹时间延续，炉温越来越低，到下吹的后半段，蒸汽分解率已经很低，但进入的蒸汽量与下吹开始时相同，大量蒸汽只起到降温作用，而分解不了。因此应该随上吹和下吹阶段的进行，适当减少入炉蒸汽流量，可以减小炉温下降速度，提高蒸汽分解率，改善半水煤气气质成分，节约蒸汽用量，稳定炉况。

        以前此项技术未能推广应用，是因为采用电动调节阀或气动薄膜调节阀在造气环境使用故障率高，不便维修，上吹转下吹动作速度慢，影响制气。因为液压技术在造气已经广泛成熟应用，我单位研发出液压调节阀，克服了电动调节阀或气动薄膜调节阀的缺点，根据煤气炉的运行状况，可以设定蒸汽的起始流量、终结流量、递减的初始时间等参数。 
        这样，既达到节能，又使气体成份最佳，还使炉况（气化层温度）减少波动，进而有利于最佳产气。 
        我们在一个厂试用，安装液压调节阀和V锥蒸汽流量计进行考核对比，在炉况和发气量无变化的情况下，一台炉每个班可节约5-6吨蒸汽，每天15-18吨。按每吨蒸汽成本100元计算，可节约成本1500-1800元。
        此项技术是非常值得推广应用的新型实用技术。

5.2.3、实现自动加煤及炭层高度和加煤量的控制。

        炭层高度与炉况有直接的关系，炭层高度控制是保证实际炭层高度与工艺要求高度相符合；炭层高度与炉条机转速、加煤机每个循环的加煤量有关。采用机电一体化自动加煤机实现自动加煤，根据自动测量的炭层高度，根据在气化层所测温度和生产负荷自动调节每个制气循环的给煤时间，也就自动控制了炭层高度和每个循环所需的加煤量。比如，空层高度理想是1.5米，实际测量是1.4米，说明炭层高了，系统就会在下个循环把插板阀开的时间缩小，减少给煤量使炭层低下来。

5.2.4、自动下灰及炉盘转速和下灰量的控制。

        自动下灰控制是变手动为自动下灰的控制；炉条机转速控制是根据灰渣层厚度决定的，根据所检测的碳层高度、气化层温度，炉底温度，灰仓温度和返焦率而认定的系数，计算机（DCS系统）自动控制炉盘转速，进而控制了下灰量。
        从上可以看出：不管造气情况如何，煤种怎么变，只要炉况能建立起理想状态，而后投到自动，系统（DCS系统）都能够拿实际测量参数与理想状态参数进行比较，有偏差，就能自动调回来。

5.2.5、入炉蒸汽压力的前馈补偿及调节 

        这是一个蒸汽稳压定值调节系统，被调参数是入炉蒸汽压力（工艺要求值），调节参数是蒸汽流量。目的是使入炉蒸汽压力稳定在工艺要求值上，对稳定炉况大有好处。
        煤气炉造气是间歇用蒸汽，每台炉开始上吹，对蒸汽压力系统是一个阶跃干扰，上吹、下吹阀门开度不同对压力也是一干扰，蒸汽的波动是上吹和下吹阀门开关造成的，阀门开蒸汽压力骤降，阀门关蒸汽压力骤升。一般调节方法满足不了这样的调节对象来使被调节参数稳定。因为我们知道上、下吹阀门开关是靠DCS系统给出信号决定的，这样好了，当我们给出上、下吹阀门开关信号时，我们提前一两秒钟把信号给蒸汽压力调节阀，让它按比例提前作开关动作，这就是前馈调节，而后再作PI调节，让蒸汽压力始终稳定在工艺要求值上。

5.2.6、炉况监测与智能优化控制。

        在实现了稳定造气炉生产外部条件的基础上，我们根据造气炉生产的基本原理和造气操作工长期积累的操作经验，应用模糊控制技术原理，把人工操作经验编成计算机专家系统，实现造气生产炉况监测和智能优化控制，从而使炉况最佳、效益最高。
        智能优化控制的基本思路：（1）吹风与制气平衡，即吸热放热平衡；（2）上下平衡，即上吹下吹平衡；（3）加煤与排渣平衡。 
        为了实现这三个平衡，根据上行温度、下行温度、左右灰仓温度、炉底温度、空程温度和返焦率情况，按照不同煤种设定的模糊决策表，计算机通过查表判别炉况运行情况，在一定范围内修正吹风时间、上吹和下吹比例，达到稳定气化层位置、气化层厚度、气化层温度的目的。

采用炉况监测与智能优化的造气炉运行记录如图：

6、结束语：

       技术的变革、发展是这个时代的特点！能够将不断发展的技术产业化、实用化，是我们工程技术人员努力的方向。 
       除了技术本身的发展，技术的工程实现程度也是我们坚持的重点！ 
       河北科隆机电 追求工艺与自控技术的完美结合！ 
       河北科隆机电 追求技术在实际施工中完美实现！