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焦炉加热自动控制系统评述与应用


焦炉加热自动控制系统评述与应用 郑明东 严文福 摘要 比较了世界上几种典型焦炉加热自动控制系统的基本内容和主要特点, 分析讨论了在 我国焦炉上实现加热自动控制的基本条件和实施步骤。 关键词 焦炉加热 计算机 自动控制 中图分类号:TQ522.15 Comment and Application on the Automatic Control System for Coke Ov

en Heating Zheng Mingdong Yan Wenfu (Chemical Engineering Department of ECUM) Abstract The control principle and basic features of several typical automatic control systems for coke oven heating in the world are described. The necessary condition and realizing steps for the coke oven heating automatic control in our country are also discussed. Keywords: Coke-oven heating, Computer, Automatic control. 到目前为止已经研制和开发了十多种不同类型的焦炉加热最优化控制系统和生产操作 指导系统,旨在降低炼焦总成本和提高焦炭质量。实践表明这些控制系统在稳定加热、降低 炼焦耗热量、 提高焦炭质量和劳动生产率、 改善操作环境以及延长焦炉寿命等方面起到重要 作用。我国近年来虽在部分焦化厂实施了自动控制系统,但同国外比仍有较大差距。本文旨 在呼吁尽快完善适合我国焦炉的加热自动控制系统, 以适应当今技术进步、 环境保护和节约 能源的要求。 1 焦炉加热自动控制系统评述 日本鹿岛厂最早于 1971 年将程序计算机用于备煤自动控制, 1983 年在焦炉实施了加热 自动控制; 日本钢管几乎同时将燃烧控制系统用于福山 5#炉, 以后逐步在京浜 1#、 2#炉, 福山 4#和 3#炉加以完善,达到炉组平均温度偏差 2℃,每个燃烧室温度波动 7℃,炼焦耗 热量下降 146kJ/kg 的显著效果;日本钢铁公司在销后一些时间,于 1976 年开始开发另一类 型的控制系统,1982 年八幡厂投入使用,到 1987 年已有 21 座焦炉采用,同样达到炉组平 均温度偏差 1.9℃, 成焦时间偏差 10min,炼焦耗热量下降 117kJ/kg 的效果; 其它国家如美国、 法国、比利时、德国、荷兰和加拿大等,也在 80 年代初相继开始实施不同类型和方式的焦 炉加热控制系统。现就控制方式、过程监视与控制模型等方面作一评述。 1.1 控制系统类型 (1)前馈供热量控制系统此系统有代表性的如美国凯塞公司 COHC 系统、 美国钢铁公司的 焦炉组前馈加热控制系统、德国 CODECO 分级供热系统、法国 CRAPO 系统和美国伯利恒公 司的焦炉加热闭路系统。 其特点是依据入炉煤的性状参数和焦炉的平均温度计算炼焦热, 再 根据装煤量、 生产任务或同时考虑废气带出热和炉体散热等通过热平衡原理求得炼焦耗热量, 或根据生产操作经验值给定炼焦耗热量。基本控制框图如图 1 所示。 图 1 前馈控制系统的基本框图 该系统的关键是炼焦耗热量的正确估计和焦饼温度的校正, 法国索尔莫钢铁厂的炼焦耗 热量计算模型是基于热平衡原理估算得到, 另外还可实现间歇加热的控制方案, 即改变加热 与不加热时间比例,实现稳定炉温的效果;美国凯塞系统则是由经验给定炼焦耗热量,经技 术分析信息和加热调节,确保最佳加热状态;德国 CODECD 系统稍不同于前两者,主要考虑 煤结焦过程的需热变化,在结焦初期供给大量的热量,结焦速度远大于常规加热,达到固化 温度时再减少供热量,即按程序逐级加热。 (2)炉温反馈调节控制系统有代表性的系统如日本钢管的 CCCS 系统、日本钢铁公司的

ACC 系统、荷兰霍戈文钢铁公司的 CETOC 系统。其共同的特点是首先假定目标火道温度或 标准火道温度、 目标结焦终了时间或目标焦饼温度; 然后由实侧的火道温度或标准火道温度、 结焦终了时间或焦饼温度与假定值之间的偏差进行校正, 并考虑焦炉炉温的滞后效应。 各公 司分别根据焦炉炉型、 燃料种类和热工管理的不同建立结焦终了时间判定模型、 炉温控制模 型、吸力控制模型和氧含量控制模型,以实现全炉自动控制和对单个燃烧室的操作指导。典 型的控制系统模型见图 2。 图 2 炉温反馈调节控制系统 该系统首先根据焦炉的生产计划确定目标结焦时间, 再由煤料的性质参数计算目标火道温度, 最后由煤气的性状参数得到全炉加热煤气流量供给焦炉, 实现全炉加热控制。 实测炉温可以 是立火道温度、 跨越孔处温度或畜热室顶温度, 结焦时间的判断大多采用测定上升管某个位 置上粗煤气的温度变化趋势或测火落温度点的方法。 对每个燃烧室的控制, 则是由推焦时测 定焦饼或炭化室炉墙在机、焦侧长向和高向温度分布制定调节单个燃烧室的指导系统。 日本福山全炉组实施 CCCS 系统外,还使用了各燃烧室燃烧控制系统,以提高每个燃烧 室的控制水平,稳定焦炭质量,并大幅度地降低了炼焦耗热量。 1991 年 1 月,新日铁公司为改善焦炭质量,在原 ACC 系统的基础上,成功开发了可控 制单个燃烧室的程序加热控制系统,新系统将焦炉分为 4 组,同一组内按相同程序加热,采 用新的装煤顺序,使每组内各碳化室的装煤时间相差由 504min 缩短至 75min,结果明显改 善焦炭质量。 (3)前馈与反馈相结合的调节系统这种系统实质上是上述两系统的结合体,充分发挥各 自的特点,使控制对象处于最佳的工作状态。前馈供热量由煤料性状、装煤量、焦炉生产计 划和操作时间等变量决定的输入函数计算, 再由煤气特征参数计算加热煤气量, 反馈调节是 指用实测的全炉平均温度与设定的焦炉平均温度的偏差量修正给定的供热量, 或由实际结焦 时间与目标值的偏差校正。 我国也于 60 年代后期开始进行焦炉加热控制系统的研究,先后开发成功了煤气热值测 定仪、 分烟道氧测定系统、 蓄顶温度测量系统、 蓄顶吸力集中检测系统和焦饼温度测定系统。 上海焦化厂、新疆八一焦化厂和包头焦化厂均先后采用了以蓄顶测温为主的自动控制系统, 安阳焦化厂和石家庄焦化厂也先后实施了类似焦炉前馈供热、 计算机监控或显示操作指导系 统。其它厂家也积极进行此项工作。 1.2 过程参数的检测与采集 (1)火道温度特制的炉温测量系统解决了焦炉连续测温的难题。日本钢管公司采用炉顶 钻孔技术,将热电偶安装在火道跨越孔上方的耐火砖内,以克服煤气换向的影响;美国共和 钢铁公司也采用相同的测温方式,为保证热电偶寿命,用氮气对其进行保护;日本钢铁公司 和比利时 CSM 焦化厂均用带刚玉套管的热电偶插入立火道顶部测量燃烧气体温度;我国大 多数的焦炉则均在蓄热室顶安装热电偶,测量燃烧废气温度。 (2)焦饼温度和碳化室墙温度为连续测量红焦温度,掌握焦炭成熟度和燃烧室长向和高 向温度的均匀性,日本钢管公司、美国伯利恒公司、法国索尔模-福斯厂和美钢联克莱顿焦 化厂均采用导焦珊上安装红外高温计测量焦饼温度; 川崎公司为更详细地了解炭化室内温度 的不规则分布, 采取了在拦焦车上安装由辐射高温计、 粉尘浓度计和激光料位计组成的自动 测量系统,在推焦时同时测量焦饼的温度分布、粉尘浓度和焦饼高度;霍戈文钢铁公司则利 用安装在熄焦塔前面的高温计测定红焦温度。斯蒂尔.奥托公司的 ABC 系统是在推焦杆上安 装有带光导纤维的红外高温计测量炭化室墙面温度,简称 AUTOTHERM-S 系统,并有人工 校准推焦车上的红外辐射高温计装置; 名古屋厂也是采用在推焦时依靠推焦杆上的红外测温 装置测量炭化室墙面温度, 还可得到横墙温度分布曲线, 实施对个别燃烧室的操作指导和作

为控制变量对预先设定的供热量进行校正。 (3)成焦时刻的判断早些时候日本的一些厂曾在桥管上安装光度计,通过测量粗煤气透 光率的变化确定结焦终了时间, 目前日本较多的焦炉控制系统是采用测定上升管粗煤气温度 的变化来判断结焦终了时间; 法国的于齐诺尔公司、 比利时的一些焦化厂亦用此法; 斯蒂尔. 奥托公司也装有测量粗煤气温度装置。 (4)煤气特性参数这些特性参数包括煤气组成 X(I)和温度、压力、含水量等状态变量, 用于快速测量和监视的仪器有华白指数调节器,热量输入控制器或热值仪等。 (5)空气系数由于不能直接测定空气系数,一般由分烟道废气氧含量间接表示,由安装 在焦炉机、焦侧分烟道氧化锆或其它类型的测氧仪连续采样得到。 1.3 工艺控制模型 已报道的模型有:目标火道温度计算模型、前馈供热量计算模型、结焦终了判断模型、 吸力调节与控制模型和分烟道氧含量控制模型等十几种。 (1)炉温控制模型包括目标火道温度设定和实测火道温度后的反馈调节模型,这种模型 又有经验模型和理论模型之分, 即一是根据大量的焦炉实际生产数据, 由统计回归分析建立 煤质性状参数和焦炉操作条件等与火道温度的关系; 二是根据一维传热模型计算, 再回归分 析得到的理论模型。有代表性的如: ①CCCS 系统的目标火道温度计算模型,参数考虑炭化室预测温度;某炭化室装煤后经 过的时间;炭化室目标结焦时间(或火落时间) ;焦炉目标火道温度;目标焖炉时间;装煤 量;和装煤水分等; ②ACC 系统炉温设定模型考虑焦炉火道温度;装煤水分,焦炉操作率、输入热对温度的 转换系数等。 (2)前馈供热模型用于实施的模型有三类:一是用焦炉热平衡数据,回归建立前馈供热 模型;其二是以给定经验的炼焦耗热量,由装煤量及装煤水分等计算供热量;第三是以一维 传热模型得到炉温与供热量的关系,几种模型的形式如: ①住友金属炉组总热量输入模型目标火道温度 TF 1/TF=a0+a1?τc+a2?D+a3?M 模型参数考虑成焦时间 τc,装炉煤堆密度 D;装炉煤水分 M. ②ABR 系统总供热模型这是一个经验模型,考虑入炉煤性质、操作条件和结焦时间等因 素。 Qm=f(τb,m,w,VM,ξ,n) ③系统总供热模型用装煤量,煤质校正因子,加热速率参数,煤气校正因子,操作条件 因子和煤气的华白指数表示为乘积的形式。 (3)ACC 系统成焦时间控制模型成焦时间=A?Tmax+C Tmax—上升管粗煤气温度变化曲线中最大的峰值温度。 2 我国焦炉加热自动控制系统技术走向 2.1 控制系统的确定 由于焦炉是一个极其复杂的热工和兼有反应器功能的设备, 控制和测量点极多, 加之我 国焦炉管理水平的现状, 一方面必须加强连续在线测量系统的稳定性和可靠性研究; 另一方 面加强维护和管理,以实现控制和管理并重的原则。 前馈控制能够及时根据煤料性质、 装炉煤水分、 结焦时间和火道温度等量的变化调节焦 炉供热量, 但无论采用何种供热模型都不可能完全准确地计算调节量, 且焦炉是一个热滞后 十分严重的操作单元, 所以完全靠前馈控制是有局限性的。 炉温反馈调节可根据检测量和被 控量之间的偏差大小决定调节量, 以克服焦炉操作不可测因素对炉温的影响, 同时对前馈输 入量偏小或偏大而引起的温度波动也能进行自动调整。 但操作表明仅靠反馈控制也难以达到

理想的效果,因为调节偏差量只对过程变化结果作用,不能很好地预测这些因素变化规律, 而结果变化的主要原因正是主要操作参数变化所致。 所以只有把上述两种方式结合起来, 才 能使控制对象处于最佳工作状态。 吸力控制能够保证加热煤气的合理燃烧,因为燃烧状态的好坏取决于空气和煤气比例, 煤气量由前馈或反馈调节后设定, 空气量的供给主要采用自然通风或强制通风两种形式, 国 内大多数焦炉属自然通风, 也没有蓄热室下调空气结构, 空气量由蓄顶吸力和风门开度决定, 在风门不变的情况上,可由吸力控制空气量,全炉一般以标准蓄热室吸力为基准,使上升和 下降气流的蓄顶吸力保持一致,机、焦侧的标准吸力控制取决于空气系数(或氧含量)和看 火孔压力, 分别由相应分烟道吸力控制实现, 所以吸力控制系统实质上是结合看火孔压力进 行废气氧含量控制, 以保证煤气量或操作条件改变时及时调整空气量, 使燃烧始终处于稳定 和最佳燃烧状态。 生产计划管理是指生产推焦计划、 生产监控和报表输出等日常管理工作, 编排推焦和装 煤计划、 结焦时间变化和炭化室处理后的乱签撵炉计划, 以及显示或打印出新的出炉计划和 新的大循环计划,在生产条件变化较大时,退出自动编排系统,计算机给出操作指导。生产 监控主要是监视和指导推焦和装煤生产情况,通常将信息传到计算中心,以便于全炉控制; 在上述监控过程中计算机自动记录和算出操作时间、推焦电流、计划系数、执行系数、总系 数和其它参数,并可以打印出推焦日报表。 综上所述,较理想的控制系统应该包括焦炉各操作参数的在线检测、前馈供热、炉温和 吸力反馈调节, 生产计划管理和单个炭化室的操作指导等系统构成。 当然各地亦可根据实际 情况确定适合的控制系统,不必强求一致。 2.2 实现自动控制的技术条件 (1)进一步完善焦炉数据采集系统完善测量和数据采集系统的硬件和软件,一方面要加 强连续在线测量系统的稳定性和可靠性研究,降低原材料价格;另一方面加强维护和管理, 实现控制和管理并重。 (2)建立正确的数学模型 ①火道温度控制模型。一般需建立被测温度与控制温度模型关系; ②结焦终了判断模型。 保证焦饼按时成熟是保证焦炭质量、 稳定生产和节约能源的重要 措施。 我国大型焦炉的上升管上都安装有可测量粗煤气温度的火落孔, 理论上可要据粗煤气 温度的变化趋势精确地判断焦饼的成熟时间, 但我们经过多次测量发现由于大焦炉是双集气 管,尤其在结焦后期,煤气量较少的时候,机方与焦方的煤气波动较大,甚至出现倒流,使 粗煤气温度变化反复无常,火落温度点难以判断准确;即使在结焦末期关掉一侧上升管,测 到的规律性也不强。 较好的模型是以测量焦饼温度判断结焦终了时间, 但必须建立被测焦饼 温度与焦饼中心温度的关系,同时要能够反应焦饼上下高向和机、焦侧长向的温度分布,为 操作指导系统提供必要的信息。 ③焦炉总供热模型。 焦炉总供热量的确定必须针对具体的焦炉和炼焦煤条件, 建立与目 标火道温度、目标结焦时间、炼焦煤和操作参数等的关系,利用此数学模型可以有效地预测 焦炉的干扰量变化时引起供热量变化。 对于一些不可测因素的干扰可以通过火道温度反馈控 制来校正。 ④煤气流量及校正。 为了稳定焦炉供热量, 必须随时根据加热煤气的性质参数校正煤气 流量。 ⑤目标火道温度与目标结焦时间计算及调整这里涉及到目标火道温度与结焦时间、 装煤 量、装煤水分、焦饼温度的相关方程;实测焦饼温度偏差时的火道温度校正方程与实测火道 温度偏差时的校正方程。 ⑥吸力控制模型。建立加热煤气量、空气系数、火道温度等与蓄顶吸力相关方程。

3 几点建议 发展我国的焦炉加热控制系统, 必须根据我们的基本国情, 从我国焦炉生产和劳动者素 质的实际出发,采取积极、稳妥、节省投资和保证效果的原则分步分阶段的进行,并要切实 加强管理,提高操作人员素质,使控制和管理有机地结合,充分发挥计算机硬件和软件的优 势,使焦化工业进入新的历史时期。 3.1 控制方式的选择 对于不同的焦化企业和不同的焦炉炉型,可以考虑不同控制水平的加热系统。 (1)计算机指导加热系统。计算机根据人工测量结果自动分析,提供加热指导信息,也 可允许操作者利用计算机人工输入加减煤气流量指令,实现简单的控制。此系统投资少,也 能取得一定的节能效果,基本具备以下功能: ①自动监测加热煤气性质参数,并可根据上述参数的变化保持供热量恒定。 ②自动监测分烟道温度、吸力、含氧量,由计算机分析给出烟道吸力的控制指令,保证 煤气和空气合理燃烧。 ③自动测试焦饼温度和温度分布, 人工输入计算机, 经分析给出全炉或单个燃烧室的调 火指导。 ④当生产条件变化较大时,计算机给出供热量和吸力调整值。 ⑤实现人机对话,计算机打印焦炉热工状态。 (2)前馈供热控制系统。即考虑装炉煤性质和操作参数,结合炼焦耗热的经验数据,设 定前馈供热量,再经过一段时间的数据积累,可使系统逐步达到优化。在功能设置上除具备 在线测量与显示功能、全炉供热量及偏差量调整、空气煤气比例控制和吸力调整外,还可以 自动编制正常和非正常时的推焦计划和生产管理计划。 (3)在完善焦炉生产参数在线测量的基础上,实施炉温反馈调节系统;利用目标火道温 度模型计算和控制火道温度; 利用废气氧含量自动测量系统反馈控制煤气和空气比例, 以达 到合理燃烧之目的。 (4)实施前馈与反馈控制相结合的计算机管理和自动控制。其主要功能达到国际同等水 平, 但此系统由于具备较高的自动化水平, 对焦炉操作人员素质和管理水平都有较严格的要 求。 (5)在实现全炉组控制的基础上,进一步实施各炭化室的燃烧控制系统,以大幅度降低 炼焦耗热量和稳定焦炭质量。 3.2 硬件与软件建设 (1)在线检测仪表的性能稳定、维修方便是硬件建设的首要问题。 (2)火道温度测点位置和数量的选择,既要能够及时、准确地反应全炉温度,又要保证 测温仪器不易损坏。 (3)要研究适合我国焦炉结构的结焦终了时间的判断方法。 (4)炉墙温度测量可以采用推焦杆安装红外测温仪的方法,也可以采用在拦焦车测红焦 温度后反推炉墙温度的方法,且后者更方便些。 (5)进一步加强新的加热系统研究和新焦炉炉型的研制,使加热控制与焦炉建设同步进 行。 (6)要在不断总结生产经验的基础上,全面提高操作者文化素质,加强技术管理。


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