焦炉加热控制技术分析

1 前言 攀钢煤化工厂新1#和2#两座JN60型焦炉分别在2005年5月和10月建成投产，加热控制在投产初期采用传统单回路方式，结焦时间缩短到24h后，根据实测焦炉相关数据建立了炉温控制数学模型。系统投入生产运行后，取得良好控制效果，该系统对提高焦炭质量，降低能耗和延长炉体使用寿命都具有重要的意义。 焦炉是一个典型的具有大时滞、强非线性、多变量耦合、变参数的复杂的系统，温度受多种干扰因素的影响，它的过渡过程时间长达4～10h，并且过程特性参数受装煤量、煤的性质、加热煤气热值、含水量等影响较大。采用传统的PID单回路控制方法难以获得好的控制效果，因此在以往简单控制系统的基础上，采用了复杂控制系统中的数学模型、串级控制和前反馈相结合的控制方法。 2 系统配置 焦炉DCS控制系统采用Rockwell公司的Allen-Bradley产品和ProcessLogix过程控制软件，整个控制系统进行了控制和通讯冗余。本DCS自动控制系统用于焦炉生产过程的集中控制、监视和管理，以及各工艺参数的数据采集、显示和控制。可以将焦炉的工艺过程、供热、集气、烟道等进行实时数据采集和监控。 3 控制方案和原理分析 焦炉加热控制技术应用已有多年，方式各有不同，主要有以下几种方式： (1)在推焦杆上安装特制的光学测温装置，推焦时测得炭化室两侧炉墙上、中、下部的温度，断续的反馈控制。 (2)用热电偶测10组相邻蓄热室顶部温度，利用蓄热室顶温度与燃烧室温度之间的相关系数求取炉温。 (3)利用焦炉设计时特殊预留的测温孔及红外比色高温计测燃烧室底部温度。 (4)以热电偶连续测量各燃烧室中一对燃烧孔的顶部温度，用作炉温反馈及焦炉加热状态分析。 尽管焦炉加热控制方法多种多样，但可基本归纳为基于连续测量炉温的温度反馈系统和基于经验模型的前馈控制系统。 3.1 系统控制方案 攀钢煤化工厂自1999年在二期焦炉引进蓄热室顶部连续炉温反馈控制技术后，先后在一期和新1#2#焦炉中推广应用，其中在新1#2#焦炉中运用技术更为成熟，其控制框图见图2。 3.2 系统控制原理 炉温和吸力控制采用二前馈一反馈三修正相结合的优化串级设定值随动控制方案，系统工作在稳定结焦时间或结焦时间变动过程中。在结焦时间变动时，运行中按结焦时间变化幅度分步人工干预目标温度，当达到规定的结焦时间和炉温后即进入稳定结焦时间。 3.2.1 原理分析 二前馈：供热量前馈、分烟道吸力前馈控制，即根据装炉煤参数、焦饼中心温度和结焦时间确定供热量，再根据加热煤气参数和焦炉作业率确定前馈输入煤气流量和压力；根据煤气流量、热值和目标火道温度确定前馈输入分烟道吸力。 一反馈：炉温反馈，即通过蓄顶温度与火道温度的相关性间接得到火道温度的实测值，由设定值与实测值的偏差反馈调节供热量。 三修正：加热用煤气热值修正、配合煤水份修正、实测焦饼中心温度修正。 3.2.2 检测设备与控制数学模型 3.2.2.1 主要检测设备及作用 焦炉机焦侧蓄热室顶部各安装10只热电偶用以检测蓄顶温度，作为炉温数学模型的基础数据。 煤塔入口处安装红外线水份分析仪，用以检测配和煤的水份，作为加热煤气流量修正参数之一，水份也可由化验室提供，人工手动输入。 高炉煤气和焦炉煤气热值分析仪，实时自动测量煤气热值，作为加热煤气流量修正参数之一。 人工焦饼中心温度测量，人为输入控制系统，作为加热煤气流量修正参数之一。 高炉煤气和焦炉煤气流量超声波检测仪，实时自动测量煤气流量，作为加热煤气流量串级系统反馈。 3.2.2.2 加热控制数学模型 攀钢新1#2#焦炉每座焦炉有55个炭化室，56个燃烧室，57个蓄热室。空气、煤气都经蓄热室预热汇合而燃烧。交换开始时蓄热室温度最高，被预热的空气、煤气温度以及燃烧后的废气温度也高。随着时间的推移，因空气、煤气都从蓄热室带走热量，预热温度和燃烧后的废气温度逐渐降低，直到下一次交换温度又逐渐上升。由此从蓄顶温度与跨越孔温度随换向时间变化数据可知，无论上升气流或下降气流，单号或双号，蓄顶温度变化具有规律性，交换时间为20min，所以取2个交换时间40min为一周期，取焦炉中部10个蓄热室23#～32#的顶部温度为计算依据，以这周期内的温度平均值经过与火道温度的相关数学模型拟合出火道温度。计算方法如下： 拟合火道温度=蓄顶温度×温度系数＋温度常数 设定流量=偏值流量＋比例增益×（目标温度－拟合温度） 设定吸力=设定流量×吸力系数＋吸力常数 水份修正：设定流量的变化值=（实测水份－设定水份）×水份修正系数 修正后的设定流量=原设定流量＋设定流量的变化值 热值修正：热值修正系数=设定煤气热值÷实测煤气热值 修正后的设定流量=原设定流量×热值修正系数 焦饼中心温度修正： 目标温度修正值=（设定焦饼中心温度—实测焦饼中心温度）×温度修正系数 修正后的设定流量=原设定流量＋目标温度修正值×比例增益 3.3 数学模型与煤气流量、烟道吸力串级过程控制分析 串级控制分别以火道温度和煤气流量为主，引入副回路的目的是为了改善因高炉煤气总管压力波动而引起煤气流量扰动，它的控制规律为PI（比例、积分）调节。主回路采用数学模型控制。主回路的输出作为副回路的给定，副回路的输出送往执行机构。如图3所示。 在配煤比和煤气热值比较稳定的情况下，入炉煤参数通常波动很小，入炉煤转化成焦炭所需要的热量和煤气燃烧所供给的热量基本达到平衡，平均火道温度保持稳定，调节阀保持一定开度，此时煤气流量稳定在设定值上。当扰动发生时，破坏了上述稳定状态，调节器开始工作。 　　与简单控制回路不同，根据扰动点的位置不同，串级控制回路在调节形式方面有以下特点： 扰动作用在副回路：若高炉煤气流量发生变化时，由于温度变化的滞后性，它对蓄热室顶部温度的影响缓慢。首先副调节器及时进行调节，改变煤气流量以维持火道温度。若扰动量小，经过副回路及时控制后，一般不影响火道温度。在大幅扰动发生时，大部分被副回路克服，小部分影响则被主回路消除，从而加速了克服扰动的调节过程，使火道温度尽快恢复到设定值上来。 扰动作用在主回路：当其它因素影响到火道温度时，如入炉煤参数发生变化，则由主调节器发挥控制作用，即改变高炉煤气流量的设定值。此时虽然副回路不能克服扰动，但由于副回路的存在而改善了过程特性，因而控制质量有所提高。 扰动同时作用在主、副回路：若扰动同时使主、副变量按同一方向变化，即主、副变量同时升高或降低，此时两个调节器对调节阀的控制方向是一致的，加强了控制作用，提高了控制质量。若扰动同时使主、副变量按相反方向变化，即此时两个调节器对调节阀的控制方向是相反的，阀门开度做小的变化就能达到控制要求，同时加强了控制作用，提高了控制质量。如入炉煤水份降低使火道温度升高，而煤气流量降低使火道温度降低，副变量（高炉煤气流量）降低恰好满足主变量（火道温度）需要降低的要求。 从以上分析可以看出：串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且能改善过程特性，因此大大地提高了控制质量。 4 结束语 焦炉是一个复杂的控制对象，有很大的热惯性，不便控制；同时，以部分蓄热室顶部温度拟合全炉火道温度，这在炉况不稳定时有一定的误差；此外还有许多难以预测的影响因素，如风向、大气温度变化等。但总的看来，攀钢煤化工厂新1#2#焦炉投产后，建立了相当全面的相关数学模型，实现了焦炉加热自动控制和优化，是焦炉加热技术水平的一个飞跃。对提高生产效益，降低工人劳动强度，改善操作环境，提高焦炭质量，降低能耗和延长焦炉使用寿命都有重要的意义。