李少鋒 李二軍 王朝云
（中國(guó)平煤神馬集團(tuán)平頂山京寶焦化有限公司 平頂山 467494）
摘要：焦?fàn)t立火道溫度的在線連續(xù)測(cè)量和火落時(shí)間的自動(dòng)生成，并指導(dǎo)修正標(biāo)準(zhǔn)溫度。通過對(duì)生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)的分析，建立了火落時(shí)間對(duì)標(biāo)準(zhǔn)火道溫度的修正模型，直接根據(jù)生產(chǎn)工況的變化，實(shí)時(shí)地調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)火道溫度；實(shí)現(xiàn)了用煉焦指數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)全爐各炭化室的工作狀態(tài)?？梢詫?shí)時(shí)地發(fā)現(xiàn)、或預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)炭化室的異常情況。
關(guān)鍵詞：焦?fàn)t；火道溫度；火落溫度；連續(xù)測(cè)溫
焦?fàn)t是冶金行業(yè)中最復(fù)雜的爐窯，焦?fàn)t的加熱過程是單個(gè)燃燒室間歇、全爐連續(xù)、受多種因素干擾的熱工過程，是典型的大慣性、非線性、時(shí)變快的復(fù)雜系統(tǒng)。京寶焦化公司的焦?fàn)t加熱控制工藝流程同國(guó)內(nèi)大多數(shù)企業(yè)十分類似，根據(jù)不同結(jié)焦時(shí)間，人為確定一個(gè)經(jīng)驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)火道溫度，操作工每2小時(shí)測(cè)量一次全爐平均溫度，然后根據(jù)焦?fàn)t平均溫度與標(biāo)準(zhǔn)溫度的偏差，加減煤氣流量、調(diào)整分煙道吸力。焦?fàn)t加熱生產(chǎn)過程仍然是粗放式的，這種生產(chǎn)方式有以下問題：
（1）標(biāo)準(zhǔn)溫度的確定完全有人工經(jīng)驗(yàn)確定，并且往往偏高，導(dǎo)致能耗加大，焦炭過火；
（2） 立火道溫度的測(cè)量采用傳統(tǒng)的人工測(cè)溫方法，測(cè)溫精度低，誤差大；
（3）加熱控制手段落后，仍采用人工 加減煤氣流量的方法；
綜上所述，京寶焦化公司本次實(shí)施的焦?fàn)t高效熱工控制系統(tǒng)的研究項(xiàng)目，可以實(shí)現(xiàn)
① 自動(dòng)、在線、連續(xù)測(cè)量直行溫度；
② 自動(dòng)火落判斷與焦炭成熟度；
③ 焦餅溫度長(zhǎng)期測(cè)量；
④ 自動(dòng)調(diào)整加熱煤氣流量和分煙道吸力；
⑤ 優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)溫度；
⑥ 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)異常爐號(hào)、及時(shí)發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)隱患。
對(duì)于穩(wěn)定爐溫、降低能耗、提高焦炭質(zhì)量，對(duì)推進(jìn)焦化技術(shù)進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了資源高效利用，建設(shè)國(guó)內(nèi)第一流的焦化企業(yè)都是非常有必要的。
1 立火道溫度的自動(dòng)測(cè)量與火道溫度模型的研究
1.1立火道溫度全自動(dòng)在線連續(xù)測(cè)量測(cè)溫原理
具有一定溫度的物體都在不停地向周圍空間發(fā)出紅外輻射能量，物體的紅外輻射能量的大小與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。因此，通過對(duì)物體自身輻射的紅外能量的測(cè)量，便能準(zhǔn)確地測(cè)定它的表面溫度，這就是紅外輻射測(cè)溫所依據(jù)的客觀基礎(chǔ)。
物體向周圍空間輻射紅外的強(qiáng)度分布為：
其中C—光速、h—普朗克常數(shù)、k—玻爾滋曼常數(shù) 、
T—絕對(duì)溫度、λ--光波波長(zhǎng)、ε—黑度系數(shù)（發(fā)射率）
所有實(shí)際物體的輻射量除依賴于輻射波長(zhǎng)及物體的溫度之外，還與構(gòu)成物體的材料種類、表面狀態(tài)和環(huán)境條件等因素有關(guān)，通常用發(fā)射率來描述這一特征。發(fā)射率表示實(shí)際物體的熱輻射與黑體輻射的接近程度，其值在零和小于1的數(shù)值之間。根據(jù)輻射定律，只要知道了材料的發(fā)射率，就知道了任何物體的紅外輻射特性。
圖1 紅外輻射強(qiáng)度分布規(guī)律
圖2 紅外測(cè)溫系統(tǒng)示意
1.2 焦?fàn)t火道溫度的全自動(dòng)在線連續(xù)測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成
測(cè)量系統(tǒng)系統(tǒng)由以下幾部分構(gòu)成：防塵、防火、防水系統(tǒng)；
光學(xué)鏡頭：光學(xué)系統(tǒng)直接安裝在爐頂?shù)目椿鹂仔t蓋上，通過目測(cè)瞄準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)鼻梁磚表面，光學(xué)系統(tǒng)的總高度低于80mm。
光導(dǎo)纖維（光纖）：把光學(xué)鏡頭收集的光信號(hào)傳送給儀表。光纖為高純度石英，化學(xué)成分為SiO2，物理化學(xué)性質(zhì)非常好，它耐腐蝕，熔點(diǎn)非常高。
儀表系統(tǒng)：把光信號(hào)轉(zhuǎn)化成溫度信號(hào)，它的工作溫度＜60℃，該單元一般采用雙層外殼，中間通壓縮空氣進(jìn)行風(fēng)冷卻。
1.3 火道溫度相關(guān)模型
由于工藝和成本的原因，全自動(dòng)測(cè)溫系統(tǒng)的測(cè)量點(diǎn)只能安裝在靠近鐵軌的若干個(gè)代表火道上，通過半年多的三班測(cè)溫記錄歷史數(shù)據(jù)，反復(fù)抽樣、回歸分析，消除人為的誤差，找出最具代表性的測(cè)溫點(diǎn)；在測(cè)溫點(diǎn)安裝后，再根據(jù)同一時(shí)刻取樣的三班測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)與全自動(dòng)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得出火道溫度相關(guān)數(shù)學(xué)模型，并且隨著數(shù)據(jù)的更新，模型不斷逼近真值。
1.4 主要研究?jī)?nèi)容:
（1）光學(xué)鏡頭的耐溫性能以及在高溫下的參數(shù)穩(wěn)定性；
（2）光纖的耐溫性能以及光學(xué)傳導(dǎo)的時(shí)間穩(wěn)定特性；
（3）儀表的抗干擾特性以及信號(hào)處理單元的改進(jìn)；
（4）測(cè)溫代表點(diǎn)的選取與置信度的分析。
2 上升管處粗煤氣溫度變化規(guī)律與火落自動(dòng)判斷模型的研究
粗煤氣溫度的測(cè)量位置，一般選擇在上升管或橋管部分進(jìn)行測(cè)量，粗煤氣的溫度一般不超過1000℃，通常采用廉價(jià)的K型測(cè)量。
在煉焦過程中，煤中的揮發(fā)份就從炭化室中逸出，形成粗煤氣，粗煤氣經(jīng)過上升管、橋管最后匯集到集氣管中，進(jìn)入下一道生產(chǎn)工序。在裝煤初期，揮發(fā)份的量大，炭化室溫度低，粗煤氣的溫度也相對(duì)較低，隨著炭化室溫度的升高，從炭化室內(nèi)部逸出粗煤氣溫度也隨之升高，大約十幾小時(shí)后上升至最高點(diǎn)，這一時(shí)期，煤基本上變成了焦炭，揮發(fā)份很少，從炭化室?guī)ё叩臒崃恳埠苌?，所以粗煤氣的溫度也緩慢下降，直到推焦結(jié)束。
粗煤氣的溫度的變化在一定程度上反映了炭化室中煤變焦過程變化，因此通過對(duì)粗煤氣溫度變化的研究，可以間接地判斷焦炭的成熟情況以及標(biāo)準(zhǔn)溫度的高低。
研究?jī)?nèi)容：
根據(jù)粗煤氣溫度的變化規(guī)律，通過智能系統(tǒng)自動(dòng)生成火落時(shí)間，自動(dòng)判斷火落過程。
3 根據(jù)火落模型優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)溫度的研究
在煉焦過程中，要產(chǎn)生大量的粗煤氣，粗煤氣在煉焦周期的不同時(shí)間段是按一定規(guī)律在變化的，通過測(cè)量橋管處粗煤氣溫度的變化（見圖4），可得出煉焦指數(shù)：
CI = τc /τm
式中：CI—煉焦指數(shù)
τc – 結(jié)焦周期，h
τm – 從裝煤開始到粗煤氣溫度到達(dá)最大值的時(shí)間，h
τm – 從裝煤開始到粗煤氣溫度到達(dá)最大值的時(shí)間，h
圖4 橋管處粗煤氣溫度的變化
根據(jù)對(duì)焦餅表面溫度的測(cè)量和焦炭質(zhì)量指標(biāo)的綜合分析，確定煉焦指數(shù)的合適范圍，在此范圍內(nèi)，焦炭的成熟度好，質(zhì)量指標(biāo)比較合理。因而在生產(chǎn)過程中，若將煉焦指數(shù)穩(wěn)定在上述的范圍內(nèi)，就可以較好地控制焦炭的質(zhì)量。
因此最終的標(biāo)準(zhǔn)溫度的模型是：
Ts= Tf + F1（CI）+ F2（Mt）+ F3（τ）
其中：Ts -- 標(biāo)準(zhǔn)溫度
Tf -- 理論（或經(jīng)驗(yàn)）標(biāo)準(zhǔn)溫度
F1（CI）-- 標(biāo)準(zhǔn)溫度的煉焦指數(shù)修正模型（反饋）
F2（Mt）-- 標(biāo)準(zhǔn)溫度的水分修正模型（前饋）
F3（τ）-- 標(biāo)準(zhǔn)溫度的結(jié)焦時(shí)間修正前饋模型（前饋）
研究?jī)?nèi)容：
（1）找出煉焦指數(shù)與焦餅中心溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并回歸分析得出關(guān)系模型；
（2）根據(jù)煉焦指數(shù)關(guān)系和工藝要求確定標(biāo)準(zhǔn)的煉焦指數(shù)；
（3）根據(jù)實(shí)際的煉焦指數(shù)（全爐平均值）與標(biāo)準(zhǔn)煉焦指數(shù)的偏差調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)火道溫度
4 加熱優(yōu)化控制與燃燒優(yōu)化控制研究
4.1控制算法
焦?fàn)t加熱控制的目的就是根據(jù)生產(chǎn)工況的變化，適時(shí)地調(diào)整供熱量，在各種干擾的作用下，能使?fàn)t溫保持基本穩(wěn)定。焦?fàn)t的加熱系統(tǒng)一般由相互關(guān)聯(lián)的兩個(gè)子系統(tǒng)即立火道溫度系統(tǒng)和吸力系統(tǒng)（即燃燒室和煙道的負(fù)壓控制系統(tǒng)）構(gòu)成，它是一個(gè)雙輸入雙輸出的系統(tǒng)，但由于吸力系統(tǒng)的工作頻率遠(yuǎn)高于溫度系統(tǒng)，因此可將它分成兩個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)。焦?fàn)t立火道溫度控制系統(tǒng)是典型的大慣性、非線性、特性參數(shù)時(shí)變的系統(tǒng)，并且在生產(chǎn)過程中，還經(jīng)常受到諸如延時(shí)推焦、變更結(jié)焦時(shí)間、煤質(zhì)、裝爐煤水分波動(dòng)等因素的干擾，故采用常規(guī)的PID控制難以保證爐溫的穩(wěn)定。根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，爐溫的波動(dòng)應(yīng)控制在標(biāo)準(zhǔn)溫度±7℃范圍內(nèi)，但實(shí)際生產(chǎn)中，爐溫的波動(dòng)往往超出±7℃的范圍，針對(duì)焦?fàn)t這一特點(diǎn)，采用模糊控制算法較為合適，但普通的模糊算法亦有它的不足之處，若模糊輸入/出量的量化等級(jí)分得過細(xì)，則模糊控制規(guī)則變得很復(fù)雜，分得過粗，難以滿足控制精度的要求。用多模式模糊控制可較好地解決這一矛盾，圖5為多模式模糊控制系統(tǒng)框圖。
主要研究：
（1）通過對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的分析，找出焦?fàn)t的控制特性參數(shù)
（2）控制仿真，找出適合焦?fàn)t特性的控制規(guī)律或算法；
（3）優(yōu)化控制參數(shù)。
4.2分煙道吸力模型
吸力控制的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)最佳燃燒控制。要求通過對(duì)分煙道翻板的自動(dòng)控制，使分煙道吸力處于合適的范圍，保證燃燒系統(tǒng)各區(qū)段吸力和看火孔壓力合理，又保證適宜的煙道含氧（空氣系數(shù)）和加熱煤氣的完全燃燒。由于吸力控制一般受加熱煤氣流量、分煙道吸力、風(fēng)門開度（供入空氣量）、煤氣熱值和氣候條件等的影響，通過理論分析和數(shù)學(xué)建模型，找出分煙道吸力的最優(yōu)控制值。由于看火孔壓力是制定焦?fàn)t壓力制度的主要基礎(chǔ)之一，是吸力調(diào)節(jié)好壞的重要標(biāo)志，但由于看火孔壓力不可能實(shí)現(xiàn)連續(xù)測(cè)量，生產(chǎn)中的吸力制度控制要保證空氣系數(shù)α在合理范圍。
研究?jī)?nèi)容：
（1）從理論上分析燃燒系統(tǒng)的各處壓力（吸力）分布規(guī)律；
（2）根據(jù)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的分析，建立實(shí)用的分煙道吸力前饋控制模型；
（3）用氧化鋯氧量的在線分析數(shù)據(jù)和人工化驗(yàn)的分析數(shù)據(jù)，對(duì)前饋模型進(jìn)行修正。
4.3煙氣成分分析
煙氣分析分2個(gè)部分
其一，用便攜式分析儀器，對(duì)焦?fàn)t每個(gè)燃燒室（甚至每個(gè)火道）進(jìn)行取樣分析，監(jiān)測(cè)燃燒效率（包括殘氧量、CO等），為燃燒均勻性的調(diào)整提供依據(jù)；
其二，在分煙道實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制全爐的煙氣成分，在每個(gè)分煙道處安裝煙氣成分分析儀器。
5 焦餅溫度測(cè)量與調(diào)火優(yōu)化的研究
5.1高溫/低溫炭化室、問題炭化室以及邊爐的監(jiān)控
根據(jù)安裝在上升管的粗煤氣溫度，生成每個(gè)炭化室對(duì)應(yīng)的煉焦指數(shù)，并把每個(gè)炭化室對(duì)應(yīng)的煉焦指數(shù)記錄下來，生成歷史數(shù)據(jù)庫(kù)；
（1）找出粗煤氣溫度與炭化室的高溫/低溫關(guān)系；
（2）找出炭化室高溫/低溫判別指標(biāo)或判別域值；
（3）自動(dòng)生成操作指導(dǎo)
5.2 焦餅表面溫度與高向均勻性、橫排均勻性調(diào)整
焦餅中心溫度是反映焦炭均勻成熟的重要指標(biāo)，是焦?fàn)t橫向加熱與高向加熱的綜合結(jié)果，其均勻性是考核焦?fàn)t結(jié)構(gòu)與加熱制度完善程度的重要依據(jù)。具體方法是在攔焦車導(dǎo)焦槽框架兩側(cè)的不同高度上，分別安裝3個(gè)傳感器（紅外光纖溫度計(jì)）在推焦過程中，6個(gè)傳感器透過柵架間隙自動(dòng)連續(xù)地測(cè)量整個(gè)焦餅兩個(gè)側(cè)表面的溫度，不僅可以及時(shí)推算焦餅中心溫度，還能反映焦?fàn)t橫排溫度和高向加熱均勻性、直行均勻性等的狀況。
該項(xiàng)目的研究與開發(fā)成功，為企業(yè)進(jìn)一步推廣應(yīng)用煉焦新技術(shù)、擴(kuò)大規(guī)模、節(jié)約能源、環(huán)境保護(hù)、提高產(chǎn)量、保證質(zhì)量、增強(qiáng)企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，使企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益不斷提高。同時(shí)，也為焦化企業(yè)積累了大量的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為今后發(fā)展大型焦?fàn)t及焦?fàn)t煤氣綜合利用提供了依據(jù)，奠定了基礎(chǔ)。