郭天勝1， 王慧璐2 ， 王君敏1， 趙 鋒1， 甘秀石3, 侯士彬1
（1. 鞍鋼股份有限公司煉焦總廠，遼寧 鞍山 114021；2.中冶焦耐自動(dòng)化有限公司，遼寧 大連 116000；3.鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）
摘 要：鞍鋼股份有限公司煉焦總廠焦?fàn)t加熱控制系統(tǒng)原設(shè)計(jì)為離散控制系統(tǒng)，通過人工手動(dòng)定時(shí)測(cè)溫來調(diào)節(jié)焦?fàn)t加熱指導(dǎo)生產(chǎn)操作，存在勞動(dòng)強(qiáng)度高、檢測(cè)數(shù)據(jù)失真不連貫、能源浪費(fèi)現(xiàn)象。為響應(yīng)鞍鋼集團(tuán)公司“信息化、智能化”項(xiàng)目建設(shè)的要求，通過在線測(cè)溫設(shè)備及DCS控制系統(tǒng)新設(shè)備新技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)焦?fàn)t溫度的連續(xù)化檢測(cè)與精控調(diào)節(jié)，有效的提升了焦?fàn)t的自動(dòng)化檢測(cè)與控制水平，同時(shí)改善焦?fàn)t溫度的安定性、降低人工測(cè)溫勞動(dòng)強(qiáng)度、節(jié)省焦?fàn)t加熱用煤氣量，為焦?fàn)t全面實(shí)現(xiàn)減員增效、節(jié)能減排、安全生產(chǎn)的管理目標(biāo)奠定了基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：焦?fàn)t加熱；精控調(diào)節(jié)；減員節(jié)能
1 概述
鞍鋼股份有限公司煉焦總廠共有6座55孔6米頂裝焦?fàn)t、2座50孔6米頂裝焦?fàn)t以及4座60孔7m頂裝焦?fàn)t。上述焦?fàn)t原設(shè)計(jì)均采用溫度管理制度，采取人工手動(dòng)測(cè)溫方式，由測(cè)溫每工間隔4小時(shí)測(cè)量一次直行溫度，并分別計(jì)算機(jī)、焦側(cè)標(biāo)準(zhǔn)火道平均溫度，根據(jù)平均溫度與目標(biāo)溫度偏差值，依靠經(jīng)驗(yàn)，人工調(diào)節(jié)煤氣量及煙道吸力，進(jìn)行焦?fàn)t加熱控制［1-2］。
2 問題引出
傳統(tǒng)測(cè)溫加熱方式以人工為主導(dǎo)，測(cè)溫人員存在人為偷懶、視覺誤差及雨雪天氣等因素影響，必然存在測(cè)溫偏差與實(shí)際不符問題，對(duì)于焦?fàn)t加熱煤氣流量的加減不能做到及時(shí)科學(xué)定量調(diào)節(jié)控制，不僅浪費(fèi)煤氣量，也不利于焦炭質(zhì)量的穩(wěn)定。近幾十年來，為解決人工手動(dòng)測(cè)溫存在的問題，國(guó)內(nèi)外焦化行業(yè)先后經(jīng)歷了推焦桿測(cè)溫、爐體電偶測(cè)溫等技術(shù)變革，但由于測(cè)溫儀器技術(shù)的限制和焦?fàn)t結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，均未能達(dá)到預(yù)期效果，國(guó)內(nèi)也未能大規(guī)模引入應(yīng)用。隨著檢測(cè)儀器的技術(shù)進(jìn)步和計(jì)算機(jī)控制模型的不斷成熟完善，2012年以來，爐頂紅外測(cè)溫加熱技術(shù)逐漸在國(guó)內(nèi)外焦化行業(yè)得到應(yīng)用推廣，在確保焦炭質(zhì)量穩(wěn)定的同時(shí)，極大降低了焦?fàn)t能耗。同時(shí)為響應(yīng)鞍鋼集團(tuán)公司“信息化、智能化項(xiàng)目建設(shè)”的要求，鞍鋼股份煉焦總廠在全廠12座焦?fàn)t配套增加智能加熱控制系統(tǒng)。
3 智能加熱控制系統(tǒng)
相對(duì)傳統(tǒng)測(cè)溫加熱方式，焦?fàn)t智能加熱控制系統(tǒng)在建立在焦?fàn)t集散控制系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，為焦?fàn)t的控制與管理提供了全自動(dòng)化的解決方案。該系統(tǒng)采用溫度反饋控制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)焦?fàn)t溫度的精細(xì)化檢測(cè)與總體調(diào)節(jié)，有效的提高了焦?fàn)t溫度的均勻性和安定性，改善焦炭質(zhì)量，穩(wěn)定焦?fàn)t生產(chǎn)，提升了焦?fàn)t的自動(dòng)化檢測(cè)與控制水平，為焦?fàn)t全面實(shí)現(xiàn)減員增效、節(jié)能減排的管理目標(biāo)奠定了基礎(chǔ)[3]。與目前現(xiàn)有焦?fàn)t離散加熱管理控制模式相比，智能加熱控制系統(tǒng)具有降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度、消除人工測(cè)量誤差、節(jié)省加熱煤氣用量、提高焦炭的質(zhì)量四大優(yōu)點(diǎn)。
（1）降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度
焦?fàn)t手動(dòng)測(cè)溫，是指測(cè)溫工人每隔4小時(shí)到爐頂看火孔蓋處對(duì)指定號(hào)進(jìn)行開蓋用手持儀器測(cè)量溫度，智能加熱控制系統(tǒng)自動(dòng)測(cè)溫是在焦?fàn)t爐頂立火道看火孔蓋處固定安裝高溫紅外儀，實(shí)現(xiàn)溫度數(shù)據(jù)在線時(shí)時(shí)采集傳輸。該方式與人工測(cè)溫位置相同，測(cè)溫原理相同，可完全取消4小時(shí)人工定時(shí)測(cè)溫或延長(zhǎng)測(cè)溫頻次，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度。
（2）消除人工測(cè)量誤差
測(cè)溫工人手動(dòng)用測(cè)溫儀測(cè)量溫度，由于現(xiàn)場(chǎng)站位、雨雪天氣及技能經(jīng)驗(yàn)等外界因素影響，極易造成測(cè)量溫度數(shù)據(jù)與實(shí)際真實(shí)值存在偏差，進(jìn)而造成調(diào)節(jié)不準(zhǔn)溫度控制不理想。
（3）節(jié)省加熱煤氣用量
智能加熱控制系統(tǒng)可在線連續(xù)測(cè)量焦?fàn)t立火道溫度，實(shí)時(shí)監(jiān)視焦?fàn)t溫度變化趨勢(shì)，每?jī)蓚€(gè)交換周期計(jì)算1次機(jī)、焦側(cè)均溫，并根據(jù)目標(biāo)溫度，對(duì)焦?fàn)t進(jìn)行溫度反饋控制。相對(duì)于4小時(shí)人工直行測(cè)溫和加熱控制管理模式，可以減少加熱煤氣流量超調(diào)，避免焦?fàn)t平均溫度大幅波動(dòng)，使?fàn)t溫更加合理、穩(wěn)定，節(jié)省了焦?fàn)t加熱用煤氣流量。
（4）提高焦炭質(zhì)量
焦?fàn)t智能加熱控制系統(tǒng)采用人工智能優(yōu)化控制模型算法，可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，分析爐溫和供熱量的相關(guān)性，并給出控制參數(shù)；同時(shí)，該系統(tǒng)具有自整定功能，可跟隨焦?fàn)t生產(chǎn)工況波動(dòng)，在合理區(qū)間內(nèi)，自行調(diào)整計(jì)算參數(shù)，確保焦?fàn)t溫度控制更加精確，避免爐溫波動(dòng)影響焦炭產(chǎn)品質(zhì)量。
4 改造實(shí)施
針對(duì)傳統(tǒng)焦?fàn)t離散控制系統(tǒng)存在問題，及焦?fàn)t智能加熱控制系統(tǒng)應(yīng)用大趨勢(shì)，同時(shí)響應(yīng)鞍鋼集團(tuán)公司“信息化、智能化項(xiàng)目建設(shè)”的要求，鞍鋼股份煉焦總廠在全廠12座焦?fàn)t配套增加智能加熱控制系統(tǒng)。
4.1 目標(biāo)
通過焦?fàn)t智能加熱控制系統(tǒng)項(xiàng)目改造應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：
1）實(shí)現(xiàn)每座焦?fàn)t全爐標(biāo)準(zhǔn)火道溫度自動(dòng)測(cè)量，減少人工直行測(cè)溫頻次，降低崗位工人勞動(dòng)強(qiáng)度。
2）實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算焦?fàn)t直行機(jī)側(cè)均溫、焦側(cè)均溫、均勻系數(shù)和安定系數(shù)等指標(biāo)數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成班報(bào)、日?qǐng)?bào)，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)高、低溫號(hào)，晝夜溫差等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，生成單爐實(shí)時(shí)溫度、全爐均溫、直行溫度等多種趨勢(shì)曲線，指導(dǎo)熱工人員調(diào)火。
3）在焦?fàn)t集散控制系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，新增控制系統(tǒng)，通過數(shù)據(jù)讀取，實(shí)現(xiàn)主管煤氣流量和分煙道吸力翻板全自動(dòng)控制，達(dá)到每?jī)蓚€(gè)交換周期調(diào)節(jié)1次，使?fàn)t溫控制更加穩(wěn)定、精準(zhǔn)，在確保焦炭質(zhì)量穩(wěn)定的同時(shí)，減少加熱煤氣流量超調(diào)，避免溫度大幅波動(dòng)，節(jié)省煤氣量。
4.2 實(shí)施方案
在原有焦?fàn)t集散控制系統(tǒng)基礎(chǔ)之上，新增相關(guān)設(shè)施，包括爐頂自動(dòng)測(cè)溫設(shè)備、輔助制氮機(jī)氣源設(shè)備、控制系統(tǒng)、工程師站、操作員站和配套應(yīng)用軟件，構(gòu)成焦?fàn)t智能加熱控制系統(tǒng)。焦?fàn)t智能加熱控制系統(tǒng)如下圖1所示。
圖1焦?fàn)t智能加熱控制系統(tǒng)Intelligent heating control system for coke oven
4.3 系統(tǒng)構(gòu)成
4.3.1 爐頂自動(dòng)測(cè)溫設(shè)備
爐頂自動(dòng)測(cè)溫設(shè)備安裝位置是決定智能加熱系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)鍵因素，經(jīng)比較，在爐頂機(jī)焦側(cè)標(biāo)準(zhǔn)火道前后，貼近煤車軌道附近，選擇兩個(gè)有代表性的立火道，作為測(cè)溫火道，測(cè)溫火道盡可能遠(yuǎn)離裝煤孔蓋，防止裝煤生產(chǎn)時(shí)火焰烘烤測(cè)溫設(shè)備及管線，延長(zhǎng)使用壽命。對(duì)于每座焦?fàn)t邊爐機(jī)、焦兩側(cè)分別安裝2臺(tái)高溫紅外儀，其它爐號(hào)每個(gè)燃燒室安裝1臺(tái)高溫紅外儀，連續(xù)在線測(cè)量立火道溫度，結(jié)合人工手動(dòng)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，分析標(biāo)準(zhǔn)火道與代表火道數(shù)學(xué)關(guān)系模型，通過補(bǔ)償計(jì)算方式得出標(biāo)準(zhǔn)火道溫度，進(jìn)而全爐機(jī)、焦側(cè)標(biāo)準(zhǔn)火道溫度，以及均勻系數(shù)和安定系數(shù)［4-5］。鑒于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，最終確定7米焦?fàn)t測(cè)溫火道為10火道和26火道，6米焦?fàn)t選定測(cè)溫火道為9和24火道，呈單W型排布，測(cè)溫儀現(xiàn)場(chǎng)安裝布置如下圖2所示［6-7］。
圖2測(cè)溫儀現(xiàn)場(chǎng)安裝布置Site installation layout of the thermometer
4.3.2 其它配套設(shè)備
氣源輔助設(shè)備為小型制氮機(jī)，制氮量為30m3/h，現(xiàn)場(chǎng)安放于焦?fàn)t中間二層間臺(tái)以便于日常維護(hù)；控制系統(tǒng)與工程師站、操作員站均放置在焦?fàn)t操作室，控制系統(tǒng)采用與各作業(yè)區(qū)原有焦?fàn)t控制系統(tǒng)品牌一致，確保網(wǎng)絡(luò)通訊暢通。
4.3.3 應(yīng)用軟件
智能加熱控制系統(tǒng)軟件是焦?fàn)t智能加熱改造項(xiàng)目核心，由數(shù)據(jù)采集軟件、手動(dòng)測(cè)溫軟件、自動(dòng)測(cè)溫軟件、優(yōu)化控制軟件組成。采用SQL Server數(shù)據(jù)庫，在Visual Studio平臺(tái)下，用高級(jí)語言開發(fā)，功能強(qiáng)大，適應(yīng)性強(qiáng)，符合焦?fàn)t工藝原理。
數(shù)據(jù)采集軟件
通過OPC 協(xié)議，實(shí)現(xiàn)對(duì)DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集和下傳；分庫存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，確保海量數(shù)據(jù)查詢性能；提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，歷史數(shù)據(jù)查詢，趨勢(shì)曲線顯示等功能。
手動(dòng)測(cè)溫軟件
提供直行、橫排、邊火道與焦餅的溫度管理，支持多種曲線及報(bào)表查詢、打??；兼容國(guó)內(nèi)外多種主流紅外線高溫計(jì)；軟件適用性與通用性強(qiáng)，參數(shù)設(shè)置靈活。
自動(dòng)測(cè)溫軟件
組態(tài)設(shè)置焦?fàn)t基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)計(jì)算參數(shù)等；自動(dòng)測(cè)量全爐標(biāo)準(zhǔn)火道溫度，實(shí)時(shí)監(jiān)視焦?fàn)t溫度變化趨勢(shì)；自動(dòng)計(jì)算直行溫度均勻系數(shù)、安定系數(shù)、機(jī)焦側(cè)均溫；自動(dòng)生成直行測(cè)溫次報(bào)、班報(bào)、日?qǐng)?bào)；顯示測(cè)溫曲線、異常報(bào)警等。
優(yōu)化控制軟件
根據(jù)被控焦?fàn)t真實(shí)數(shù)據(jù)分析焦?fàn)t溫度與流量相關(guān)性；根據(jù)歷史數(shù)據(jù)，整定控制模型參數(shù)；
組態(tài)設(shè)置控制模型基本參數(shù)；根據(jù)焦?fàn)t的溫度和壓力，對(duì)主管流量和分煙道吸力進(jìn)行有效控制；采用溫度反饋控制方式，通過改變主管流量控制焦?fàn)t的平均溫度，提高爐溫的安定性。
4.4 優(yōu)化控制
4.4.1 控制對(duì)象
在周轉(zhuǎn)時(shí)間一定的前提下，根據(jù)焦?fàn)t的溫度和壓力數(shù)據(jù)，對(duì)主管流量和分煙道吸力進(jìn)行控制。富煤氣加熱時(shí)，控制焦?fàn)t煤氣主管流量/壓力，機(jī)、焦側(cè)分煙道吸力。貧煤氣加熱時(shí)，分別控制機(jī)、焦側(cè)高爐煤氣主管流量/壓力，機(jī)、焦側(cè)分煙道吸力?？刂茖?duì)象根據(jù)原有焦?fàn)t實(shí)際情況，選擇遠(yuǎn)程給定流量或壓力設(shè)定值，原焦?fàn)t控制系統(tǒng)根據(jù)遠(yuǎn)程設(shè)定值，進(jìn)行自動(dòng)控制調(diào)節(jié)［8-10］。
4.4.2 控制方案
采用溫度反饋控制方式，通過改變主管流量控制焦?fàn)t的平均溫度，提高爐溫的穩(wěn)定性。根據(jù)自動(dòng)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)計(jì)算焦?fàn)t平均溫度，與目標(biāo)溫度比較，計(jì)算溫度偏差值，通過模型預(yù)測(cè)計(jì)算，得到主管流量/壓力修正值，進(jìn)行反饋控制。
E代表均溫與標(biāo)溫的偏差
4.4.3 原有控制系統(tǒng)的改造
對(duì)原有焦?fàn)t控制系統(tǒng)程序進(jìn)行改造，對(duì)焦?fàn)t加熱控制模式設(shè)定畫面，該畫面顯示當(dāng)前焦?fàn)t的“控制模式”、“交換狀態(tài)”以及參與控制的儀表的位號(hào)、DCS設(shè)定值、遠(yuǎn)程設(shè)定值和上下限值。DCS操作工可以通過焦?fàn)t加熱控制模式設(shè)定頁面如圖3所示，隨時(shí)切換焦?fàn)t加熱控制模式。
圖3焦?fàn)t加熱控制模式設(shè)定畫面Coke-oven heating control mode setting screen
如上圖所示，焦?fàn)t加熱的控制模式分為兩種，分別是智能控制和DCS控制，點(diǎn)擊“控制模式”按鈕，可以切換焦?fàn)t的控制模式。智能控制：控制對(duì)象的設(shè)定值由焦?fàn)t新增加熱系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算數(shù)據(jù)，每間隔2個(gè)交換周期計(jì)算一次，并發(fā)送給焦?fàn)t控制系統(tǒng)，焦?fàn)t控制系統(tǒng)根據(jù)遠(yuǎn)程設(shè)定值，全自動(dòng)調(diào)節(jié)。DCS控制：DCS操作工根據(jù)4小時(shí)人工手動(dòng)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)，人工調(diào)整控制對(duì)象的設(shè)定值，焦?fàn)t控制系統(tǒng)根據(jù)人工設(shè)定值，全自動(dòng)調(diào)節(jié)。
4.5 注意事項(xiàng)
為保障焦?fàn)t自動(dòng)加熱控制安全穩(wěn)定，避免異?？刂朴绊懡?fàn)t生產(chǎn)，造成惡性生產(chǎn)事故，焦?fàn)t智能加熱系統(tǒng)投入使用時(shí)候需關(guān)注如下幾點(diǎn)：
（1）自動(dòng)測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)異常報(bào)警，異常數(shù)據(jù)不參與均值計(jì)算，不參與加熱控制；
（2）控制對(duì)象遠(yuǎn)程設(shè)定值設(shè)置上下限，數(shù)據(jù)發(fā)送給焦?fàn)t控制系統(tǒng)前，需進(jìn)行限值判斷；
（3）控制對(duì)象遠(yuǎn)程設(shè)定值設(shè)置增量限幅，每次控制值變化量不允許超出限幅；
（4）焦?fàn)tDCS操作人員在控制模式切換前后，一定要記錄當(dāng)前設(shè)定值，并確認(rèn)是否切換成功。
5 結(jié)語
焦?fàn)t智能加熱控制系統(tǒng)投產(chǎn)應(yīng)用后，較傳統(tǒng)測(cè)溫加熱方式相比，實(shí)現(xiàn)了對(duì)焦?fàn)t加熱的精細(xì)化管控，有效的提高了焦?fàn)t溫度的均勻性和安定性，降低崗位人員勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)崗20人，確保焦炭質(zhì)量的同時(shí)節(jié)約了煤氣量，實(shí)現(xiàn)節(jié)省加熱用煤氣量1.5%以上，煉焦總廠實(shí)現(xiàn)年節(jié)能1047196GJ，年創(chuàng)效3384.54萬元。從運(yùn)行效果來看，此改造項(xiàng)目的順利實(shí)施，可廣泛在國(guó)內(nèi)外六米、七米頂裝焦?fàn)t推廣使用。
本文在研究和撰寫的過程中，得到了鞍鋼股份有限公司煉焦總廠、中冶焦耐自動(dòng)化有限公司、鞍鋼集團(tuán)鋼鐵研究院領(lǐng)導(dǎo)、專家和同事親切關(guān)懷和細(xì)心指導(dǎo)。專家們治學(xué)態(tài)度嚴(yán)謹(jǐn)，工作精益求精，本人受益匪淺。由于本人主要從事儀器儀表自動(dòng)化專業(yè)，知識(shí)面有限，其它專業(yè)工作經(jīng)驗(yàn)不足，在項(xiàng)目建設(shè)期間工程管理方面得到王君敏主任、王慧璐主任、趙鋒首席工程師大力輔助，在研究復(fù)雜的焦?fàn)t加熱工藝方面及論文寫作期間得到甘秀石所長(zhǎng)、王甘霖首席工程師、侯世斌首席工程師等工藝專家耐心講解，使工程項(xiàng)目得以順利投產(chǎn)，文章能夠嚴(yán)謹(jǐn)完成。最終，感激在百忙之中參與評(píng)審本人文章的專家評(píng)委，我將在今后的工作、學(xué)習(xí)中加倍努力，用實(shí)際行動(dòng)回報(bào)社會(huì)。祝您們工作順利，平安幸福。
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