焦炉加热优化串级控制方案的研究与应用

姜玉山¹，严文福²，王育红¹，宁方青²

（1河南天宏焦化公司，河南 平顶山 247021；2安徽工业大学，安徽 马鞍山 243002）

摘　要：介绍了焦炉加热优化串级控制中稳定结焦时间和变动结焦时间两种控制方案，对高炉煤气、焦炉煤气、混合炉煤气三种不同控制对象与两种控制方法进行了比较，并研究了实施优化串级调控中火道温度优化、控制数学模型的关键问题。
关键词：焦炉；串级控制；煤气加热
中图分类号：TQ520.6　　 文献标识码：A　　 文章编号：1004-4620（2005）02-0025-03

Study and Application of Optimizing Cascade Control Plan in Coke Oven's Heating
JIANG YU-shan¹, YAN Wen-fu², WANG Yu-hong¹, NING Fang-qing²
（1 Henan Tianhong Coking Plant, Pingdingshan 467021, China;2 Anhui University of Technology, Maanshan 243002, China）

Abstract：Introduces two control plans of stability of coking time and changing coking time, compares two control methods with three control objects in using difference gas. Study implements key problem for optimizing of flue temperature and control of mathematical model in the carrying out the optimizing cascade control system.
Key words：coking oven; cascade control; gas heating

1 前 言

　　焦炉加热优化串级控制（简称OCC系统）已成功的应用于国内十多家大型钢铁公司、独立焦化厂的36座焦炉上。OCC系统有两种合理的控制方案和不同的控制对策，并建立了一套独特的数学模型和灵活的控制手段，同时该系统具有操作方便、投资成本低、节能效果明显等优点，因而得到了广泛的应用。

2 OCC系统控制方案

　　焦炉加热优化串级控制系统框图见图1。

图1 焦炉加热优化串级控制系统

2.1 两种控制方案的实施
2.1.1 稳定结焦时间方案 该方案是以二前馈二反馈一监控相结合的优化串级调控。
　　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、焦饼终了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、空气系数确定前馈输入分烟道吸力。
　　二反馈：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；粗煤气温度反馈，测得粗煤气温度后求取结焦指数，由与设定值的偏差进行反馈调节。
　　一监测：分烟道含氧量监测（或α反馈），即由实测废气含氧量计算得到的空气系数与其设定值的偏差值，对烟道吸力的设定值作反馈调节。
　　炉温控制采用串级控制、吸力控制采用设定值随动控制方案。
2.1.2 结焦时间变动时的控制方案 该方案是以模糊控制与专家系统相结合的方案。只在结焦时间变动时运行，运行中按结焦时间变化幅度分步实施。具有操作简单、稳定可靠的特点，当达到规定的结焦时间和炉温后即进入稳定结焦时间。
2.2 三种不同的控制对象
2.2.1 高炉煤气加热 由于高炉或发生炉煤气的热值较低，需要经过机侧、焦侧的蓄热室预热后燃烧，因而必须实施分别控制各自温度的方法。攀枝花钢铁公司、柳州钢铁公司焦化厂均采用高炉煤气加热。
2.2.2 焦炉煤气加热 对于下喷式焦炉，只有一根焦炉煤气总管，流量调节翻板安装在总管上，故只能采用单侧控制。如果选择焦侧控制，即由焦侧蓄热室顶部平均温度获得焦侧的拟合火道温度，并与总管流量进行串级调控。同时由横排温度的测定来保证全炉温度的均匀性和稳定性。一侧控制的一次测温元件共安装10支热电偶，应该有足够的精度。
2.2.3 混合煤气加热 所谓混合煤气加热是指在高炉煤气中混入一定量的焦炉煤气（即富化操作），以提高煤气的热值，尤其在炉头温度较低时候使用。混合比一般控制在3%～7%。在南京钢铁公司1#焦炉和济南钢铁集团总公司（简称济钢）5#焦炉的控制中，均采用了这种方法。按照工艺要求，预先给定混合比，在计算机控制程序中采用比值控制方法。在优化控制画面上，依据炉温反馈控制模型计算得到设定的高炉煤气流量，根据公式可计算出混合的焦炉煤气量，并给定到执行机构。计算机控制时，当高炉煤气流量发生变化时，焦炉煤气流量将依据混合比随之变化，使混合煤气的热值保持不变。而采用以往的仪表控制机构或人工调节难以做到同步调节，机侧和焦侧混合比波动在3%～5%之间，致使煤气热值变动过大而造成炉温波动。采用比值控制方法解决了高炉煤气与焦炉煤气的合理配比，克服了煤气热值的大幅波动。

3 两种控制原理的研究

3.1 问题的提出
　　对供热量的控制一般是通过温度的反馈来调节煤气流量。但在济钢5^#焦炉的控制实施中，机、焦侧高炉煤气流量表安装在高炉煤气总管流向机焦侧的两支管上，最初使用的是德国威力巴流量表，后改用HQ980系列热导式气体质量流量计，安装1~2天后，明显看出机焦侧流量不符合实际值，波动过大，因此决定由流量控制改为压力控制。河南天宏焦化公司也遇到类似问题，孔板流量计计量不正确，也由流量控制改为压力控制。
3.2 两种不同的控制方法
　　焦炉控制可采用流量控制和压力控制两种方法，目前所实施的OCC系统大多数采用流量控制，但也有相当一部分采用压力控制。而在人工操作中，绝大多数焦炉是采用压力控制，极少数采用流量控制。生产实践表明，两种控制方法均可行。其原因是，压力是流量的指标，通过调节煤气支管压力就可以改变煤气流量。
3.3 两种调节方法比较
　　实现压力控制方法只需改变调节阀的开度方法简便、直观，是人工操作惯用的一种方法。但它的缺点是当系统阻力发生较大变化，如大量更换孔板或系统管路、阀门变动较大时，这时同样的煤气支管压力其流量的大小就不一样，因而调节的次数就要增加。而采用流量控制的方法能避免上述问题，但流量控制必须选择适宜的流量表。流量表能比较真实地反映实际的流量，流量表要有一定的精度和灵敏度。本方案的一个显著特点，就是采用以炉温反馈为主的控制方案，因而采用压力控制而产生的流量偏差均可通过炉温反馈来补偿加以调整。由于采用压力控制方法，因而无法控制混合比，所以采用固定焦炉煤气流量，改变高炉煤气流量的调节方法。
　　由流量控制改为压力控制，需要重新采集系列原始数据，以建立相关的数学模型。并对画面和有关程序作相应的修改。

4 控制方案关键问题研究

　　加热控制的目的是在规定的结焦时间内，用较少的煤气生产出合格的焦炭，因此焦炉加热控制要解决三个问题：一是如何在线连续检测出火道温度的变化；二是目标火道温度和燃烧系统的优化；三是在规定的目标火道温度下，采用何种控制算法才能获得最佳的控制效果。
4.1 目标火道温度的优化
　　影响目标火道温度的因素主要有结焦时间τ和焦饼中心温度t，以及装炉煤的堆密度ρ、含水量m、炭化室宽度w、炉墙厚度d等。姚昭章根据炭化室传热模型机理推导出目标火道温度：
　　T_f=181.6+455.5ρ+4.8m+1696w-1276.8d+0.5t-29.151τ
　　本控制系统中，采用结焦指数模型定期对目标火道温度进行反馈修正，以实现优化控制。
　　燃烧系统的优化主要是控制合理的空气系数（α）。
4.2 火道温度的检测与控制数学模型
　　火道温度直接影响着产品能耗的高低与质量的稳定，但在技术上难以实现火道温度的在线连续检测。因此济钢1^#、2^#、5^#焦炉采用两种检测方法，即火道温度与蓄顶温度、跨越孔温度的关系。
　　从蓄顶温度与跨越孔温度随换向时间（20min）的变化数据可知，无论上升气流或下降气流，单号或双号，蓄顶温度变化幅度较大，且有规律性，因而调节灵敏度比跨越孔要好，同时蓄顶温度与火道温度的相关性比跨越孔与火道温度的相关性也要好些。这是因为蓄顶温度是反应几个立火道气体的平均温度，而跨越孔只反映一个立火道（机4^#、焦25^#）气体的温度，因而代表性差。另外从安装的位置上也可以看出，热电偶安装在蓄顶空间位置外部干扰少，而热电偶从炉顶看火孔插入跨越孔处，受装煤、测温操作的影响很大，并使炉顶操作行走不方便。实际也证明了这一点，使用仅90天，两座焦炉已损坏5支，投资上也要贵1/3。综上所述，控制系统采用蓄顶温度与火道温度的相关模型作为炉温反馈中的拟合温度。
4.3 串级控制系统
　　焦炉是一个典型的大惯性非线性时变的复杂的系统，干扰因素很多，它的过渡过程时间长达6～10h，并且过程特性参数受装煤量、煤的性质、含水量等影响较大。采用传统的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串级控制和前反馈相结合的控制方法。
　　串级控制方案，分别以火道温度和煤气压力为主、副回路的被控参数，引入副回路的目的是为了克服高炉煤气总管压力的频繁波动，它的控制规律为PI调节，采样控制周期为1s。主回路采用多模式模糊控制。串级控制采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。控制方框见图2。

图2 串级控制框图

　　这里，前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称为主变量。后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称为副变量，是为稳定主变量而引入的辅助变量。整个系统包括主回路和副回路两个控制回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副对象构成；主回路由主变量检测变送、副调节器、调节阀、副对象和主对象构成。在焦炉加热控制系统中主变量为火道温度，副变量为高炉煤气压力。火道温度用蓄热室顶部温度拟合后得到的模拟火道温度代替。
　　在配煤比比较稳定的情况下，入炉煤参数和煤气热值通常波动很小，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，此时煤气压力稳定在设定值上。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：
　　（1）扰动作用在副回路：若高炉煤气流量发生变化时，它首先影响到全炉火道温度，同时蓄热室顶部温度也发生变化。这时副调节器及时进行控制，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，此时副回路调节器的测量值与设定值两方面的变化加在一起，控制作用加强，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。
　　（2）扰动作用在主回路：当入炉煤参数发生变化而影响到火道温度时，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，缩短了控制通道，因而控制质量有所提高。
　　（3）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。如入炉煤水分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。
　　通过研究与现场实施，控制方案的关键问题是以炉温反馈为主，采用流量（压力）与炉温相串级的方法，以达到精确控制煤气流量、压力。同时使用流量（压力）与吸力相串级的方法，以合理控制空气系数，达到优化控制的目的，并实现降低炼焦耗热量，稳定炉温，提高焦炭质量。

5 结 论

5.1 焦炉加热优化串级控制采用稳定结焦时间与变动结焦时间两种方案，采用二前馈、二反馈、一监控、二串级的方法进行控制。针对焦炉使用高炉煤气、焦炉煤气和混合煤气加热的三种不同的控制对象，采用了相应的技术措施，以实现更精确、更有效的控制。
5.2 采用压力控制与流量控制均是有效的，具体实施需结合现场条件与要求进行。

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