李少锋 李二军 王朝云
（中国平煤神马集团平顶山京宝焦化有限公司 平顶山 467494）
摘要：焦炉立火道温度的在线连续测量和火落时间的自动生成，并指导修正标准温度。通过对生产工艺数据的分析，建立了火落时间对标准火道温度的修正模型，直接根据生产工况的变化，实时地调整标准火道温度；实现了用炼焦指数实时监测全炉各炭化室的工作状态。可以实时地发现、或预测、预报炭化室的异常情况。
关键词：焦炉；火道温度；火落温度；连续测温
焦炉是冶金行业中最复杂的炉窑，焦炉的加热过程是单个燃烧室间歇、全炉连续、受多种因素干扰的热工过程，是典型的大惯性、非线性、时变快的复杂系统。京宝焦化公司的焦炉加热控制工艺流程同国内大多数企业十分类似，根据不同结焦时间，人为确定一个经验的标准火道温度，操作工每2小时测量一次全炉平均温度，然后根据焦炉平均温度与标准温度的偏差，加减煤气流量、调整分烟道吸力。焦炉加热生产过程仍然是粗放式的，这种生产方式有以下问题：
（1）标准温度的确定完全有人工经验确定，并且往往偏高，导致能耗加大，焦炭过火；
（2） 立火道温度的测量采用传统的人工测温方法，测温精度低，误差大；
（3）加热控制手段落后，仍采用人工 加减煤气流量的方法；
综上所述，京宝焦化公司本次实施的焦炉高效热工控制系统的研究项目，可以实现
① 自动、在线、连续测量直行温度；
② 自动火落判断与焦炭成熟度；
③ 焦饼温度长期测量；
④ 自动调整加热煤气流量和分烟道吸力；
⑤ 优化标准温度；
⑥ 实时监测异常炉号、及时发现生产隐患。
对于稳定炉温、降低能耗、提高焦炭质量，对推进焦化技术进步，实现了资源高效利用，建设国内第一流的焦化企业都是非常有必要的。
1 立火道温度的自动测量与火道温度模型的研究
1.1立火道温度全自动在线连续测量测温原理
具有一定温度的物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量，物体的红外辐射能量的大小与它的表面温度有着十分密切的关系。因此，通过对物体自身辐射的红外能量的测量，便能准确地测定它的表面温度，这就是红外辐射测温所依据的客观基础。
物体向周围空间辐射红外的强度分布为：
其中C—光速、h—普朗克常数、k—玻尔滋曼常数 、
T—绝对温度、λ--光波波长、ε—黑度系数（发射率）
所有实际物体的辐射量除依赖于辐射波长及物体的温度之外，还与构成物体的材料种类、表面状态和环境条件等因素有关，通常用发射率来描述这一特征。发射率表示实际物体的热辐射与黑体辐射的接近程度，其值在零和小于1的数值之间。根据辐射定律，只要知道了材料的发射率，就知道了任何物体的红外辐射特性。
图1 红外辐射强度分布规律
图2 红外测温系统示意
1.2 焦炉火道温度的全自动在线连续测量系统的构成
测量系统系统由以下几部分构成：防尘、防火、防水系统；
光学镜头：光学系统直接安装在炉顶的看火孔小炉盖上，通过目测瞄准对准鼻梁砖表面，光学系统的总高度低于80mm。
光导纤维（光纤）：把光学镜头收集的光信号传送给仪表。光纤为高纯度石英，化学成分为SiO2，物理化学性质非常好，它耐腐蚀，熔点非常高。
仪表系统：把光信号转化成温度信号，它的工作温度＜60℃，该单元一般采用双层外壳，中间通压缩空气进行风冷却。
1.3 火道温度相关模型
由于工艺和成本的原因，全自动测温系统的测量点只能安装在靠近铁轨的若干个代表火道上，通过半年多的三班测温记录历史数据，反复抽样、回归分析，消除人为的误差，找出最具代表性的测温点；在测温点安装后，再根据同一时刻取样的三班测温数据与全自动测温数据进行回归分析，得出火道温度相关数学模型，并且随着数据的更新，模型不断逼近真值。
1.4 主要研究内容:
（1）光学镜头的耐温性能以及在高温下的参数稳定性；
（2）光纤的耐温性能以及光学传导的时间稳定特性；
（3）仪表的抗干扰特性以及信号处理单元的改进；
（4）测温代表点的选取与置信度的分析。
2 上升管处粗煤气温度变化规律与火落自动判断模型的研究
粗煤气温度的测量位置，一般选择在上升管或桥管部分进行测量，粗煤气的温度一般不超过1000℃，通常采用廉价的K型测量。
在炼焦过程中，煤中的挥发份就从炭化室中逸出，形成粗煤气，粗煤气经过上升管、桥管最后汇集到集气管中，进入下一道生产工序。在装煤初期，挥发份的量大，炭化室温度低，粗煤气的温度也相对较低，随着炭化室温度的升高，从炭化室内部逸出粗煤气温度也随之升高，大约十几小时后上升至最高点，这一时期，煤基本上变成了焦炭，挥发份很少，从炭化室带走的热量也很少，所以粗煤气的温度也缓慢下降，直到推焦结束。
粗煤气的温度的变化在一定程度上反映了炭化室中煤变焦过程变化，因此通过对粗煤气温度变化的研究，可以间接地判断焦炭的成熟情况以及标准温度的高低。
研究内容：
根据粗煤气温度的变化规律，通过智能系统自动生成火落时间，自动判断火落过程。
3 根据火落模型优化标准温度的研究
在炼焦过程中，要产生大量的粗煤气，粗煤气在炼焦周期的不同时间段是按一定规律在变化的，通过测量桥管处粗煤气温度的变化（见图4），可得出炼焦指数：
CI = τc /τm
式中：CI—炼焦指数
τc – 结焦周期，h
τm – 从装煤开始到粗煤气温度到达最大值的时间，h
τm – 从装煤开始到粗煤气温度到达最大值的时间，h
图4 桥管处粗煤气温度的变化
根据对焦饼表面温度的测量和焦炭质量指标的综合分析，确定炼焦指数的合适范围，在此范围内，焦炭的成熟度好，质量指标比较合理。因而在生产过程中，若将炼焦指数稳定在上述的范围内，就可以较好地控制焦炭的质量。
因此最终的标准温度的模型是：
Ts= Tf + F1（CI）+ F2（Mt）+ F3（τ）
其中：Ts -- 标准温度
Tf -- 理论（或经验）标准温度
F1（CI）-- 标准温度的炼焦指数修正模型（反馈）
F2（Mt）-- 标准温度的水分修正模型（前馈）
F3（τ）-- 标准温度的结焦时间修正前馈模型（前馈）
研究内容：
（1）找出炼焦指数与焦饼中心温度的对应关系，并回归分析得出关系模型；
（2）根据炼焦指数关系和工艺要求确定标准的炼焦指数；
（3）根据实际的炼焦指数（全炉平均值）与标准炼焦指数的偏差调整标准火道温度
4 加热优化控制与燃烧优化控制研究
4.1控制算法
焦炉加热控制的目的就是根据生产工况的变化，适时地调整供热量，在各种干扰的作用下，能使炉温保持基本稳定。焦炉的加热系统一般由相互关联的两个子系统即立火道温度系统和吸力系统（即燃烧室和烟道的负压控制系统）构成，它是一个双输入双输出的系统，但由于吸力系统的工作频率远高于温度系统，因此可将它分成两个独立的子系统。焦炉立火道温度控制系统是典型的大惯性、非线性、特性参数时变的系统，并且在生产过程中，还经常受到诸如延时推焦、变更结焦时间、煤质、装炉煤水分波动等因素的干扰，故采用常规的PID控制难以保证炉温的稳定。根据生产工艺要求，炉温的波动应控制在标准温度±7℃范围内，但实际生产中，炉温的波动往往超出±7℃的范围，针对焦炉这一特点，采用模糊控制算法较为合适，但普通的模糊算法亦有它的不足之处，若模糊输入/出量的量化等级分得过细，则模糊控制规则变得很复杂，分得过粗，难以满足控制精度的要求。用多模式模糊控制可较好地解决这一矛盾，图5为多模式模糊控制系统框图。
主要研究：
（1）通过对生产数据的分析，找出焦炉的控制特性参数
（2）控制仿真，找出适合焦炉特性的控制规律或算法；
（3）优化控制参数。
4.2分烟道吸力模型
吸力控制的目标是实现最佳燃烧控制。要求通过对分烟道翻板的自动控制，使分烟道吸力处于合适的范围，保证燃烧系统各区段吸力和看火孔压力合理，又保证适宜的烟道含氧（空气系数）和加热煤气的完全燃烧。由于吸力控制一般受加热煤气流量、分烟道吸力、风门开度（供入空气量）、煤气热值和气候条件等的影响，通过理论分析和数学建模型，找出分烟道吸力的最优控制值。由于看火孔压力是制定焦炉压力制度的主要基础之一，是吸力调节好坏的重要标志，但由于看火孔压力不可能实现连续测量，生产中的吸力制度控制要保证空气系数α在合理范围。
研究内容：
（1）从理论上分析燃烧系统的各处压力（吸力）分布规律；
（2）根据理论分析和现场数据的分析，建立实用的分烟道吸力前馈控制模型；
（3）用氧化锆氧量的在线分析数据和人工化验的分析数据，对前馈模型进行修正。
4.3烟气成分分析
烟气分析分2个部分
其一，用便携式分析仪器，对焦炉每个燃烧室（甚至每个火道）进行取样分析，监测燃烧效率（包括残氧量、CO等），为燃烧均匀性的调整提供依据；
其二，在分烟道实时监测与控制全炉的烟气成分，在每个分烟道处安装烟气成分分析仪器。
5 焦饼温度测量与调火优化的研究
5.1高温/低温炭化室、问题炭化室以及边炉的监控
根据安装在上升管的粗煤气温度，生成每个炭化室对应的炼焦指数，并把每个炭化室对应的炼焦指数记录下来，生成历史数据库；
（1）找出粗煤气温度与炭化室的高温/低温关系；
（2）找出炭化室高温/低温判别指标或判别域值；
（3）自动生成操作指导
5.2 焦饼表面温度与高向均匀性、横排均匀性调整
焦饼中心温度是反映焦炭均匀成熟的重要指标，是焦炉横向加热与高向加热的综合结果，其均匀性是考核焦炉结构与加热制度完善程度的重要依据。具体方法是在拦焦车导焦槽框架两侧的不同高度上，分别安装3个传感器（红外光纤温度计）在推焦过程中，6个传感器透过栅架间隙自动连续地测量整个焦饼两个侧表面的温度，不仅可以及时推算焦饼中心温度，还能反映焦炉横排温度和高向加热均匀性、直行均匀性等的状况。
该项目的研究与开发成功，为企业进一步推广应用炼焦新技术、扩大规模、节约能源、环境保护、提高产量、保证质量、增强企业市场竞争力打下了坚实的基础，使企业的经济效益不断提高。同时，也为焦化企业积累了大量的理论和实践经验，为今后发展大型焦炉及焦炉煤气综合利用提供了依据，奠定了基础。