摘 要：通過對某鋼廠焦化廠2號焦爐加熱燃燒過程中典型的大時滯、大慣性、時變快的特點的分析。提出如何優(yōu)化焦爐加熱過程控制，降低煉焦能耗，確保焦炭均勻穩(wěn)定成熟，同時延長焦爐使用壽命的問題。將計算機優(yōu)化串級控制技術具體應用到實際生產(chǎn)中，以實現(xiàn)對焦化生產(chǎn)的重要參數(shù)監(jiān)控和有效控制，最終實現(xiàn)焦化廠的全自動控制，為企業(yè)提供可靠科學的決策依據(jù)。 關鍵詞：大時滯，大慣性，時變快，優(yōu)化串級控制 [b][align=center]The Study of the Coke Oven Optimizing Cascaded Control System YUAN Qi, PAN Lian[/align][/b] Abstract: By the analysis of the great nonlinear, inertia and quick-vary typical in the burning process of the coke oven two of a steel works Coking and Chemistry Plant. Introduce a question of how to optimize the control of heating course, reduce the energy consumption of coking, guarantee the coke is even and steady and ripe, lengthen service life of coke oven. It applied that computer contro1 technology into the actua1 production, realized the surveillance of important influencing factors and the control of accuracy and more efficiency in coking production. Eventually, it realizes automatic control in coking production. It also provides the enterprise with reliable and scientific policy-making basis. Key Words: great nonlinear, great inertia, great quick-vary, optimizing cascaded control 0 前言 　　焦爐是冶金工業(yè)的一個重要的熱工設備，它有兩個產(chǎn)品:煤氣和焦炭。焦爐為高爐煉鐵煉鋼提供焦炭，也為工業(yè)爐窯和民用提供燃氣。焦炭是冶金和化工等行業(yè)的重要原料，它的質量和產(chǎn)量直接關系到后續(xù)工業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定性，同時焦爐是鋼鐵企業(yè)中的耗能大戶，如何節(jié)約能耗、提高焦炭的產(chǎn)量和質量是焦爐控制和管理的核心問題[1]。 　　焦爐是結構獨特的工業(yè)爐窯，在煉焦廠的總能耗中，焦爐加熱用的煤氣量約占總能耗的70%[2]。因此，實現(xiàn)焦爐加熱過程的最優(yōu)控制，對于降低焦爐燃耗、提高焦炭產(chǎn)量和質量、延長焦爐壽命、減少環(huán)境污染和改善勞動條件都具有非常重要的意義。 1 控制原理 　　串級控制方案，分別以火道溫度和煤氣壓力、副回路的被控參數(shù)為主，引入副回路的目的是為了克服高爐煤氣總管壓力的頻繁波動，內(nèi)環(huán)控制回路主要是焦爐煤氣和高爐煤氣閥門開度的反饋控制，以及機側煙道和焦側煙道擋板開度的反饋控制，它通過調節(jié)焦爐煤氣和高爐煤氣的閥門開度，控制煤氣主管的壓力，使煤氣主管壓力穩(wěn)定在一個合適的值，以控制進入到各個燃燒室的煤氣流量，同時調節(jié)機側煙道和焦側煙道的擋板開度，使煙道吸力穩(wěn)定在一個合適的值，以保證進入到各個燃燒室的煤氣能充分燃燒[3,4]。它的控制規(guī)律一般為PI調節(jié)，采樣控制周期為15s。主回路采用多模式模糊控制，主要是保證立火道溫度穩(wěn)定在給定的目標值上，同時對煤氣壓力的波動起到了一定的穩(wěn)定作用。構成了一個基于壓力的溫度反饋的自動控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了焦爐燃燒過程溫度的優(yōu)化控制。 　　串級控制系統(tǒng)方框圖見圖1[2]，它采用兩套檢測變送器和兩個調節(jié)器，前一個調節(jié)器的輸出作為后一個調節(jié)器的設定，后一個調節(jié)器的設定，后一個調節(jié)器的輸出送往調調節(jié)閥。前一個調節(jié)器稱為主調節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱主變量（主被控參數(shù)），即工藝控制指標;后一個調節(jié)器稱為副調節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱副變量（副被控參數(shù)），是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。整個系統(tǒng)包括兩個控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測變送、副調節(jié)器、調節(jié)閥和副過程構成;主回路由主變量檢測變送、主調節(jié)器、副調節(jié)器、調節(jié)閥、副過程和主過程構成。 [align=center] 圖1 串級控制系統(tǒng)方框圖 （Fig. 1 Optimizing Cascaded Control system Pane）[/align] 　　本系統(tǒng)所采用的串級控制方案，分別以火道溫度和混合煤氣壓力為主、副回路的被控參數(shù)，引入副回路的目的是為了克服混合煤氣總管壓力的頻繁波動，它的控制規(guī)律為一般為PI調節(jié)，采用控制周期為15s。主回路采用多模式模糊控制。通過副回路穩(wěn)定煤氣壓力，以保證煤氣流量的相對穩(wěn)定，并間隔一定時間根據(jù)火道溫度的高低調整煤氣壓力控制系統(tǒng)的設定值?；鸬罍囟扔眯顭崾翼敳繙囟葦M合后得到模擬火道溫度代替。 　　系統(tǒng)中不可避免的存在大量的擾動因素，根據(jù)擾動因素的位置不同，可分為如下幾種情況： 　　（1）擾動作用在副回路; 　　若焦爐煤氣合高爐煤氣的流量（壓力）發(fā)生變化時，它首先影響到全爐的火道溫度，此時蓄熱室頂部溫度也發(fā)生變化，副調節(jié)器此時產(chǎn)生自動作用，改變煤氣流量以穩(wěn)定火道溫度，若擾動量較小，副回路一般可以及時進行控制，不會影響到主回路火道溫度，若擾動較大時，經(jīng)過副回路，大部分可以被克服，余下小部分則被主回路消除。因此，若擾動存在于副回路，則火道溫度可以及時恢復到設定值。 　　（2）擾動作用在主回路; 　　當入爐煤參數(shù)發(fā)生變化影響到火道溫度時，此時主控制器發(fā)生作用，通過改變混合煤氣主管流量（壓力）的設定值。副回路的存在也改善了控制特性，因而可以使火道溫度及時回到設定值上。 　?。?）擾動同時作用在主回路和副回路; 　　若擾動同時使主、副變量按同一方向變化，即主、副變量同時升高或者降低，此時兩個調節(jié)器對執(zhí)行器的控制方向是一致的，加強了控制作用，提高了控制質量，若主、副變量變化方向相反，則兩個調節(jié)器對執(zhí)行器的控制方向相反，對閥門的開度做小小的變化就可以達到控制的要求，也可以提高控制的質量，如入爐煤水分降低會使火道溫度升高，此時可以降低混合煤氣的壓力（流量），就可以使火道溫度降低，從而達到維持火道溫度穩(wěn)定的目的[3,4]。 2 系統(tǒng)設計 　　2.1 系統(tǒng)結構 　　采用的焦爐加熱優(yōu)化串級控制系統(tǒng)框圖見圖2[3]。它包含以下幾個方面： 　?。?）穩(wěn)定結焦時間方案 　　該方案是以二前饋二反饋一監(jiān)控相結合的優(yōu)化串級調控，分別為： 　　二前饋：供熱量前饋、分煙道吸力前饋控制，即根據(jù)裝爐煤參數(shù)、焦餅終了溫度和結焦時間確定供熱量，再根據(jù)加熱煤氣參數(shù)和焦爐作業(yè)率確定前饋輸入煤氣流量和壓力;根據(jù)煤氣流量、熱值和目標火道溫度、空氣系數(shù)確定前饋輸入分煙道吸力。 [align=center] 圖2 焦爐加熱優(yōu)化串級控制系統(tǒng) （Fig.2 Coke Oven Heating Optimizing Cascaded Control system）[/align] 　　二反饋：目標火道溫度反饋和爐溫反饋控制，即通過蓄頂溫度與火道溫度的相關性間接 　　得到火道溫度的實測值，由設定值與實測值的偏差反饋調節(jié)供熱量;由測得粗煤氣溫度后求取結焦指數(shù)，再與設定值的偏差進行爐溫反饋調節(jié)。 　　一監(jiān)測：分煙道含氧量監(jiān)測（或α反饋），即由實測廢氣含氧量計算得到的空氣系數(shù)與其設定值的偏差值，對煙道吸力的設定值作反饋調節(jié)。爐溫控制采用串級控制、吸力控制采用設定值隨動控制方案。 　?。?）結焦時間變動時的控制方案 　　該方案是以優(yōu)化串級控制與專家系統(tǒng)相結合的方案。只在結焦時間變動時運行，運行中按結焦時間變化幅度分步實施。具有操作簡單、穩(wěn)定可靠的特點，當達到規(guī)定的結焦時間和爐溫后即進入穩(wěn)定結焦時間。 　　（3）溫度檢測系統(tǒng) 　　采集蓄熱室頂部空間溫度或跨越孔溫度對火道溫度，利用立火道軟測量模型，根據(jù)蓄頂溫度或跨越孔溫度得到整個焦爐的平均爐溫。 　?。?）建立相關的數(shù)學模型，并采用模型自學習系統(tǒng)對模型進行自動修正?？刂茢?shù)學模型主要包括前饋供熱量數(shù)學模型、目標火道溫度計算模型、分煙道吸力前饋控制模型、結焦終了時間判斷模型。 　　2.2 目標火道溫度的優(yōu)化控制模型 　　目標火道溫度是機、焦側火道溫度平均值的目標值，它是在規(guī)定的結焦時間內(nèi)保證焦餅成熟的一個主要工藝指標，合理確定目標火道溫度不僅影響焦炭質量，而且對節(jié)能降耗至關重要[5,6]。目標值定得過高，單位產(chǎn)品的能耗迅速上升，并且容易造成“扒焦”現(xiàn)象，費時費力。若定得過低，焦炭不能成熟。根據(jù)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，火道溫度每升高10℃，煉焦耗熱量就增加95kJ/kg，因此，目標火道溫度的確定是焦爐節(jié)能降耗的一個重要環(huán)節(jié)，影響目標火道溫度的因素主要有結焦時間和焦餅中心溫度，以及裝爐煤的堆密度、含水量、炭化室寬度、爐墻厚度等，對傳熱方程進行數(shù)值求解可以得到目標立火道溫度實用模型。數(shù)學模型主要包括以下幾個： 　?。?）前饋供熱量模型 　　國外在焦爐控制中采用最多的是此類模型。前饋供熱量控制模型的關鍵是確定煉焦耗熱量。根據(jù)焦爐熱平衡Q[sub]入[/sub]=Q[sub]出[/sub]理論，可對爐墻與煤料的傳熱方程歸納為; 　?。?） 目標火道溫度模型 　　對于剛投產(chǎn)的焦爐從開工到達生產(chǎn)，結焦時間需要逐漸縮短，該過程最短需要1-2個月，通過測定不同結焦時間的焦餅中心溫度，為今后生產(chǎn)建立一套合理的加熱制度是十分重要的，根據(jù)對不同結焦時間的焦餅中心溫度的實測數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)進行的回歸分析，可以得到焦餅中心溫度模型和目標火道溫度數(shù)學模型如下： 　　機側焦餅中心溫度模型： 　?。?） 分煙道吸力控制模型 　　吸力控制能夠保證加熱煤氣的合理燃燒，因為燃燒狀態(tài)的好壞取決于空氣和煤氣的混合比例，稱之為空氣過剩系數(shù)（α）[6]。煤氣量由反饋控制回路調節(jié)后設定，空氣量由蓄頂吸力和風門開度決定，在風門不變的情況上，可由吸力控制空氣量。煤氣量與控制的混合比（α）一般采用設定值隨動控制方案使α不變。 　　由于采用煤氣加熱時，爐溫的變化比較緩慢，每調節(jié)一次流量（壓力），大約4h后才會比較明顯地反映出溫度的變化，因此，煤氣和分煙道吸力的調節(jié)幅度每次不宜太大。通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的分析，可以找出在最佳燃燒狀態(tài)下的煤氣壓力與分煙道吸力之間的關系模型，直接根據(jù)煤氣壓力的波動調整分煙道的吸力。使煙道吸力與煤氣壓力相適應，測量分煙道中廢氣的含氧量并加以校正，以保持一定的空氣過剩系數(shù)，使燃燒處于最佳狀態(tài)。 　　在具體的實施過程中，由于采用混合煤氣加熱時，機、焦側的流量（壓力）差別很大 　　系統(tǒng)可通過判斷實際凈結焦時間和目標凈結焦時間的偏差，來修正預定的爐溫特性曲線。在水鋼實際的操作中，由于受一些條件的限制，無法根據(jù)模型來判斷，而是一般根據(jù)結焦終了時刻前后粗煤氣的兩個特征來判斷結焦終了時間。第一就是根據(jù)粗煤氣的顏色由黃色變?yōu)樗{白色;第二就是根據(jù)粗煤氣溫度在火落前一定的時間內(nèi)明顯地上升后幾句下降來判斷。 　　綜上所述，為使焦爐加熱最佳化，控制系統(tǒng)中需包括前饋供熱量模型、目標火道溫度模型、分煙道吸力控制模型、結焦終了時間判斷模型等計算單元即控制模型，控制模型的獲取有多種途徑，目前主要是通過現(xiàn)場測試和收集大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計處理或回歸求得。 　　2.3 實時趨勢畫面 　　在系統(tǒng)投運前，立火道溫度波動較大，波動范圍基本穩(wěn)定在±25℃，投運后整體上溫度比較平穩(wěn)，波動大部分穩(wěn)定在±10℃之間，最大波動為±15℃，故火道溫度得到了很好的控制效果。 　　同時實現(xiàn)了機焦側混合煤氣壓力以及分煙道吸力的自動控制。 機焦側混合煤氣壓力控制偏差大部分在±50Pa。與此同時，機焦側煙道吸力控制偏差大部分也在±5Pa。 　　主要包括12個主要參數(shù)的實時趨勢畫面，具體如下所示 [align=center] 圖3 實時趨勢畫面 （Fig.3 Real Time Tendency Picture）[/align] 3 結論 　　某鋼廠新2#焦爐是一個典型的大慣性非線性時變的復雜的系統(tǒng)，干擾因素很多，它的過渡過程時間長達6～10h，并且過程特性參數(shù)受裝煤量、煤的性質、含水量等影響較大。采用傳統(tǒng)的控制方法難以獲得好的控制效果。因此采用了焦爐加熱優(yōu)化串級控制系統(tǒng)，即OCC（Optimizing Cascaded Control）系統(tǒng)， 它采用了復雜控制系統(tǒng)中的串級控制和前反饋相結合的控制方法,在實際生產(chǎn)中得到了很好的運用。 　　本控制方案經(jīng)實際生產(chǎn)實踐檢驗表明是一套合適焦爐控制的系統(tǒng)，它不僅能夠及時調節(jié)焦爐供熱量的大小，且具有較強的抗干擾能力。當然，它不僅僅在理論上是可行的，在實際系統(tǒng)中的運行效果也比較不錯，一般都是通過在投用一段時間都焦爐操作制度改善程度和節(jié)能情況，通過比較串級控制投用前后的煤氣用量、均勻系數(shù)、火道溫度變化等來分析其投運效果。 　?。?）標準火道溫度的優(yōu)化，降低了焦餅中心溫度5℃，不僅可以節(jié)約加熱煤氣用量，而且根據(jù)煉焦過程NOx生成情況表明，降低焦餅中心溫度可以大大減少NOx的排放。 　?。?）采用OCC工藝后改善了焦爐操作環(huán)境，減輕了工人的勞動強度 　?。?）由于煉焦能耗降低，CO2排放量降低，有利于環(huán)境保護。 參考文獻 　　[1] 姚昭章. 煉焦學（修訂版）[M]. 北京:冶金工業(yè)出版社,1995. 　　[2] 鄭東明; 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