焦炉加热智能控系统的研究与应用

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摘 要：实现焦炉加热燃烧过程的最优控制，对于降低焦炉能耗、提高焦炭质量、延长焦炉寿命、减少环境污染和改善劳动条件都具有非常重要的意义。智能化技术的发展为解决复杂工业过程建模和优化控制问题提供了一种很好的解决方案，逐渐成为工业过程控制研究的热点。本文将提出焦炉加热智能控制策略和模型，并设计了控制系统的组成和结构。

关键词：焦炉 加热 智能控制 模型 控制系统

一、前言

焦炉是煤化学工业中极为重要的工业炉之一，为钢铁冶炼提供还原剂―焦炭，同时还生产焦炉煤气和百余种化学产品，为国民经济的发展提供重要的物质基础。焦炉控制的好坏对焦化厂生产成本的降低和经济效益的提高有非常重要的作用。同时，加热煤气燃烧不完全，也会产生黑烟，这些都会给环境造成污染。焦炉温度的控制对于延长焦炉寿命，降低炉体维修费用都具有非常重要的意义，已经成为冶金自动化急需解决的问题。

二、焦炉加热控制策略

焦炉加热控制策略分为三类，即反馈控制系统、前馈控制系统和反馈与前馈相结合的控制系统。

1.基于连续测温的炉温反馈调节系统

这种系统的特点是根据实测火道温度、结焦终了时间或焦炭温度与目标火道温度（或标准温度）、目标结焦终了时间或目标焦饼温度的偏差，并考虑炉温的滞后因素来调整炉组加热煤气流量的设定值，以实现炉组加热的最佳控制。

2.基于经验模型的前馈炉温调节系统

这种系统的特点是根据煤料的性状和焦饼的平均湿度计算炼焦热，再根据装煤量、生产任务、废气热损失和散热等通过热平衡计算炼焦耗热量。最后根据煤气热值、空气过剩系数等算出焦炉供热量，进而计算出煤气流量，并用实测焦饼温度校正炼焦耗热量。

3.反馈与前馈结合的调节系统

这种系统以装煤量和煤料性状以及焦炉生产任务、操作时间等为输入函数，由供热模型计算供热量，然后用实测的全炉平均温度（通过焦饼温度或炉墙温度获得）与设定的焦炉平均温度的偏差量来反馈调节设定的供热量。反馈控制的优点是不需考虑各种参数的影响，利用被控量的偏差进行控制，缺点是不能及时克服干扰，滞后现象严重，因为反馈控制在干扰发生后才起作用。

三、焦炉加热智能控制的模型和方式

目前，一般钢铁企业焦炉加热系统采用“间歇加热控制”的方法，这一控制方法在焦炉加热能量稳定、富裕的情况下能很好地优化焦炉加热控制。本系统中焦炉加热智能控制采用“间歇加热控制”与加热煤气流量调节相结合的控制原理，综合分析处理荒煤气温度、加热煤气流量、热值、推焦、平煤、煤重及水分、计划结焦时间等数据，通过该模型计算并设定焦炉交换机PLC的“停止加热时间”和仪控DCS的加热高炉/焦炉煤气量，，使焦炉加热均匀稳定，智能控制焦炉的全炉加热水平，实现焦炉加热的智能控制。其控制系统模型如图1所示。

对焦炉加热控制，采用前馈-反馈-模糊智能控制相结合的组合控制系统。系统采集焦炉生产的实时数据：煤气压力、煤气流量、热值、温度、配煤水分、加热煤气成分及动态计划等，通过能量预测模型，计算出控制参数的设定值，即前馈，并将此设定值传给基础自动化系统进行调节。同时又依据基础自动化系统提供的荒煤气温度、焦饼温度、火道温度、废气含O2量等实时信息，在加热过程中不断地按模糊智能控制模型，对能量平衡进行反馈调节，重新计算设定值，使结焦指数CI保持在一个控制范围内，既满足炼焦所需的温度，又可使炼焦加热过程控制最佳化。

通过编制焦炉加热智能控制模型软件，可以计算出需要的控制参数，据此实现其智能控制。另外，还可以采用实时处理生产数据，智能地控制加热煤气量与烟道吸力（即空燃比），达到既控制加热煤气完全燃烧又使废气量控制在合理范围内的目的。同时，智能控制集气管压力在合适范围内，减少荒煤气的散放。

系统为客户机/服务器（Client/Server）结构，服务器选用HP公司的Proliant服务器，客户机为HP系列工作站；网络介质为光缆、双绞线。应用软件具有强大的网络功能、丰富的图形界面，其多任务性可较好地实现系统功能的切换。整个软件设计包括监控软件设计和PLC软件设计，监控室图形监控软件以实时数据库为主，由以下几个部分组成：焦炉基本信息、炭化室状态、温度走势图、加热控制参数走势图、趋势图、系统维护和系统帮助。焦炉基本信息主要显示炉组的基本信息，包括停止加热时间、荒煤气温度、焦饼温度、高炉煤气流量、焦炉煤气流量、配煤水分、环境温度、废气温度等信息。炭化室状态主要以直方图的方式显示焦炉各炭化室的结焦时间，分别以红绿黄3种颜色表示超过计划结焦时间、已达计划结焦时间、未达计划结焦时间。温度走势图主要显示各炭化室不同时间段荒煤气温度、焦饼温度、直行温度、横墙温度等温度走势图。

四、结束语

综上，焦炭是冶金、机械、化工行业的主要原料和燃料，焦炉立火道温度的控制对于降低焦炉能耗、提高焦炭质量、延长焦炉寿命、减少环境污染具有非常重要的意义。本章介绍了焦炉加热过程控制的研究研究现状，围绕这些主要的控制问题阐述了解决这些问题的智能控制策略的设计和实现。

参考文献：

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