增设自动加热装置实施方案
编制：李江伟
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批准：
焦化厂第三炼焦车间
2012年5月30日
增设自动加热装置实施方案
一、现状与改造意义
1、焦炉生产现状
第三炼焦车间5#、6#焦炉于2009年8月份相继开工生产，在我国的焦炉生产技术中相对比较先进，但焦炉生产模式仍然是粗放式的，生产过程基本上以人工操作为主，辅助以一些简单的自动化手段，因而生产效率低下，工人的生产操作环境恶劣，污染严重，单位产品的能耗很高。
两座焦炉分别有65孔炭化室和66孔燃烧室，采用焦炉煤气加热，操作工每四小时用便携式红外测温仪表测量第7和第26火道的鼻梁砖温度，然后根据全炉平均温度的高低人工调整加热煤气流量和分烟道吸力，焦炉加热控制基本上以人工操作为主。而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，存在以下问题：
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，焦炭烧蚀严重。
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，受各种影响误差大。
③加热控制手段落后，仍采用人工加减煤气流量的方法。
④空气过剩系数不合理，不能正确地反映燃烧室中煤气燃烧。
⑤焦饼温度或炉墙温度过高，带走较高热量。
2、改造的意义
本次5#、6#焦炉增设自动加热装置的改造工作主要是增设焦炉加热系统新型检测与优化控制技术。该系统应用了大量智能化控制手段和先进的设备来提高操作系统的性能。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。
二、改造目标
⑴实现焦炉立火道温度的直接测量。
⑵建立火道温度数学模型，预测全炉立火道温度的变化趋势，减少测温次数，降低工人劳动强度。
⑶实现焦炉加热过程的全自动控制，计算机控制系统可直接调整加热煤气流量和分烟道吸力，温度的波动幅度减小；
⑷自动生成炼焦指数模型，实时检测粗煤气温度的变化，准确判断火落时间。
⑸根据各工艺参数的变化，建立标准火道温度模型。
⑹节能降耗达～%，焦炉的吨焦能耗达到国内一流水平；
⑺实时监测全炉各炭化室的工作状态，自动判断高温/低温号，生成操作指导界面。
⑻有利于延长炉龄，稳定焦炭质量，降低劳动强度；
三、主要技术内容
1、火道温度自动在线连续测量
高温物体都在不停地向周围空间发出红外辐射能量，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。辐射量除依赖于物体的温度之外，还与构成物体的材料种类、表面状态等因素有关，通常用发射率来描述这一特征，发射率一般在0-1之间。
红外光纤温度测量由以下几部分构成：
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。
防尘、防火、防水系统；
图红外测温系统示意
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℃。
红外光纤温度测量系统系统的工作原理是：
①通过光学系统（光学镜头）把立火道底部的砖表面的热辐射（红外光）收集
起来；
②光纤（光导纤维）把光学系统收集的热辐射（红外光）传送到仪表上去；
③在仪表中，把热辐射（红外光）信号转化成温度信号。
图火道温度随结焦时间周期性变
2、粗煤气温度的测量与炼焦指数模型
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，从炭化里带走的热量也很少，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。
国内外通过粗煤气温度判断焦炭成熟的方法有多种形式，基本思路十分接近，但在具体的做法有一些差别。综合各方面考虑，把热电偶安装在桥管处或上升管处测量粗煤气温度，用炼焦指数模型更适合JN60型焦炉生产操作的实际情况，实现方法也比较简单。
通过光学仪器设备测量粗煤气的颜色的方法，维修工作量非常大，因为光学仪器设备的光学窗口非常容易被粗煤气中的煤焦油沾污。色谱仪分析粗煤气成分的方法也不适合国内焦炉的现状，一是色谱仪价格贵，二是色谱仪对工作环境有较高的要求。
研究内容：
上升管处安装热电偶的安全防护；
上升处粗煤气温度的变化规律；
如何自动生成炼焦指数模型。
3、炼焦指数模型与标准温度修正
焦炭的成熟度是焦炉生产的主要质量指标，它由挥发份、焦炭强度等参数构
成，在实际生产中这些参数又是通过焦饼表面温度或焦饼中心温度来控制的，由于工业现场的特殊环境的限制，焦饼温度难以长时间在线连续测量，因而直接用焦饼表面温度或焦饼
中心温度来控制焦炭的质量指标很困难。在炼焦过程中，粗煤气在不同时间段内按一定规律在变化的，通过粗煤气温度的变化（见图），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
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。 研究内容：
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; 根据炼焦指数关系和工艺要求确定标准的炼焦指数;
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。
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）
τc
τ
图 桥管处粗煤气温度的变
时间
温
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） 4、 控制算法研究
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，图为多模式模糊控制系统框图。
主要研究内容
通过对生产数据的分析，找出焦炉的控制特性参数 控制仿真，找出适合焦炉特性的控制规律或算法； 优化控制参数。
4、分烟道吸力模型研究
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)。由于吸力控制一般受加热煤气流量、风门开度、煤气热值和气候条件等的影响，通过理论
煤气管焦
炉
P I
模糊控制 煤气压火道
目标火道
+ -
+ -
Bang-Bang E>6℃
E ≤
6℃E
. 图 多模式控制系统框图
分析建立数学建模型，找出分烟道吸力的最优控制值。
研究内容：
从理论上分析燃烧系统的各处压力（吸力）分布规律；
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；
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。
5、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；
研究内容:
找出粗煤气温度与炭化室的高温/低温关系；
找出炭化室高温/低温判别指标或判别域值；
自动生成操作指导
举例:自动生成炼焦指数,目标值为， 07#、46#、50# 与标准值偏差大（超过）
07#、46# 煤气流量偏大，孔板减小；
50# 流量偏小，孔板加大；
炉号01020304050607 (44454647484950)
……
炼焦指
数
0……
指数偏
差
★……★○需调整
号
四、实施方案内容
1、目前已经具备的基础条件
⑴控制系统条件
目前焦化厂的两座焦炉已经配置了一套DCS控制系统，现场的煤气流量、煤气压力、分烟道吸力、蓄顶吸力、烟气温度等参数直接进入DCS控制系统中，并
且DCS系统能自动进行煤气流量、分烟道吸力的自动调节。DCS控制系统配有两
台操作站，分别监控两座焦炉的生产工艺流程的参数变化。
要实现焦炉优化加热控制，只需增加一些DCS控制模块，就可以在硬件上满
图控制系统硬件配置示意
图
⑵粗煤气温度测量条件
粗煤气温度的测量国内外大致分为两类，一是在上升管部分插入热电偶，另一个就是在桥管处插入热电偶。但焦化厂的JN60型焦炉上，桥管位置有现成的安装孔，安装施工非常方便。
⑶基础自动化系统比较完善
焦炉煤气流量、分烟道吸力已经实现自动控制，为进一步实现优化控制提供了良好的基础。
⑷基础的工艺数据齐全
焦化厂的生产大帐表完整地记录了焦炉生产的三班数据，如不同时间的煤气流量、立火道温度、分烟道吸力、废气含氧、废气温度等，可为建立统计数学模型提供较完整的基础数据。
2火道温度的全自动在线连续测量系统实施方案
全自动在线连续测量系统有三部分,光学镜头、光纤、光电转换（仪表）。
⑴光学镜头
主要材料是光学石英玻璃和不锈钢，本身耐高温，不怕高温烘烤；光学镜头最主要的问题是防止烟尘对镜头的污染，影响通光强度，采用防尘系统克服这一问题；光学镜头前安装一个导风口（单向通风），向导风口吹微风，可避免烟气、灰尘对镜头的污染。
⑵光纤
采用双石英红外传导光纤，光纤的芯皮直径比为,光纤的芯线径为μm,耐热性能主要取决于涂覆层的材料,采用聚亚酰胺，耐温可达350℃，另外光纤外面还有防护材料和金属软管。
把光纤沿铁轨布置，不影响炉顶操作，光纤放置在5#槽钢中，在槽钢内铺设保温材料，可防止火焰直接烧烤。
图光纤内部结构
⑶光电转换（仪表）
仪表系统的工作温度在0～60℃，放置在炉间台位置可满足要求。
通过系统的耐高温设计和上述的防护处理措施，烟尘进不去，又耐高温烘烤，预计红外测温系统可长期稳定运行。
方案
测点分布见下图；
温度测点是越多越好，一般来说，对于5-2串序的焦炉操作，5的倍数基本能反应全炉的平均变化，通常
在机、焦侧各15点或20点、 25点，也可取炉数的一半33个点，但投资要相应增加。
现取20个点，机焦侧共40个点，两座焦炉共计80个测温点。
00000000111111111122222222223333333333444444444455555555556666666
3、 粗煤气温度测量
⑴ 热电偶选型 选择K 型热电偶 理由是：
K 型热电偶的测温范围在0～1100℃，短期测量可达1300℃；
粗煤气正常温度在700°附近，但在异常情况下（时间不长，最多20分
钟），可能超过1300℃；
为了提高使用寿命，加粗热电偶的偶丝（采用2～3mm 的偶丝）
保护套管选择GH3039特种耐高温钢套管，它既有好的耐热性能又有好的机械性能。 ⑵ 安装位置
焦化厂的JN60型焦炉桥管上预留有热电偶插入口，安装比较方便。见
下图：
焦饼温度测量装置安装示意
⑴ 测点位置（以导焦栅底部为基准）
图 粗煤气测点示意图
热电偶在
桥管安装
氨水喷
炭
化 粗 煤
成熟焦饼高
⑵光纤布置示意图
光纤用玻璃纤维硅胶带包裹，放置在槽钢内；
光纤预留3.5米悬挂，以便随导焦栅前进/后退；
光纤的另一端固定在拦焦车的三层平台上；
仪表盒就近固定；
天线从仪表盒引出，露天放置，与金属障碍物的间距不小于0.5米；
4、控制方案的实施
采用前-反馈相结合的方式
根据焦饼中心温度、煤质和配煤情况确定最佳标准火道温度；
根据火道温度---自动调整加热煤气流量；
根据加热煤气流量---自动调整分烟道吸力；
以二前馈、一反馈、一监控、三修正、两串级相结合的优化调控系统二前馈：供热煤气量前馈、分烟道吸力前馈
一反馈：炉温反馈
一监测：监测空气系数α值
三修正：热值修正、水分修正、实测炉温偏差修正
两串级：炉温控制、吸力控制采用串级控制方案。
调节孔板流量
图控制系统框图
⑴温度控制
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、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。根据生产要求，炉
温的波动应在标准温度±7℃范围内，但实际生产中，在受到较大干扰下，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。为了便于控制规则的在线调整，采用解析式表述的控制规则是非常适合的。
U =〈α* E + ( 1 -α) * EC 〉（0 <α< 1）
〈·〉为取整运算，式中α为调整因子，通过调整α的大小可以调整模糊控制规则，亦即改变E 、EC 在控制输出中的权重。当偏差较大时，控制系统的主要任务是尽快消除偏差，此时偏差E 的权重应大一些，而当偏差较小时，控制系统的主要任务是使系统尽快稳定下来，这时偏差的变化EC 的权重应大一些。控制仿
⑵ 吸力控制
采用前反馈控制相结合的模式，根据前馈吸力模型和加热煤气流量的变化前馈调整分烟道吸力大小；根据分烟道残氧量的大小反馈调整、修正吸力目标值，考虑到交换过程对分烟道残氧量影响非常大，氧化锆测出的烟气残氧量不能直接作为控制参数，需要反馈模型计算的数据作为控制参数。 火道温度模型的建立
主要是根据三班测温数据与全自动测温进行比较、统计分析、显着性检验等
煤气流其它参
图吸力前反馈控制
方法，消除人为误差和其它随机性误差，建立全自动测温代表火道温度与全炉平均温度的关系模型。
结焦周期温度变化规律的研究
选择一个工况条件比较好的炭化室，在两侧安装红外测温仪，记录温度随结焦时间的变化规律，并研究装煤量、配煤水分、提前/推迟推焦时间等参数的影响。
分烟道吸力模型建立
采集一个月以上的煤气流量、分烟道吸力、烟气残氧量、空气参数等数据，进行统计分析和显着性检验分析，找出影响吸力的主要参数，建立分烟道吸力模型
炼焦指数与标准火道温度关系模型的建立
其一，根据一定的生产工艺条件（配煤稳定、结焦周期稳定）下，确定炼焦指数与焦炭成熟度（或焦饼中心温度）、标准温度的关系；
其二，配煤的变化对炼焦指数与标准火道温度关系模型的影响；
其三，结焦周期改变对炼焦指数与标准火道温度关系模型的影响;
其四，提前/延时推焦对炼焦指数的影响。
高温/低温炭化室、问题炭化室以及边炉的监控
把粗煤气的温度信号记录到历史数据库中,可方便工艺人员进行操作查询,通过对历史数据的比对、分析可发现异常炉号;
根据每个炭化室对应的炼焦指数和工艺参数，建立炼焦指数与异常炉号的对应关系,自动进行异常炉号的预测、预报；
根据炼焦指数和温度曲线变化，自动生成操作指导。
5、项目实施后预期达到的最终目标
⑴实现焦炉立火道温度的直接测量
焦炉火道温度是焦炉生产中最重要的工艺参数，一直难以在线直接测量，国内外几十年来不断地寻求解决方法，如用热电偶等方法，但这些方法都是间接测量，测量的精度不高，受干扰因素多。焦炉火道温度直接在线连续测量技术为国内外首创；
⑵建立火道温度数学模型
通过数学模型准确预测全炉立火道温度的变化趋势，可减少三班测温次数，
降低工人劳动强度；技术上达到国内领先水平。
⑶实现焦炉加热过程的全自动控制
通过数学模型的计算，计算机控制系统可直接调整加热煤气流量和分烟道吸力，温度的波动幅度减小；
⑷自动生成炼焦指数模型
通过安装在上升管根部的热电偶实时检测粗煤气温度的变化，准确判断火落时间，并自动生成炼焦指数，指导工艺人员进行生产操作，并预测焦饼中心温度或焦炭成熟度；
⑸建立标准火道温度模型
模型能根据生产工艺状况的调整或变化，指导或自动调整标准温度；
模型能根据配煤水分的变化及时调整标准温度；
模型能根据焦饼成熟度（炼焦指数）修正标准温度。
⑹节能降耗达～3%，吨焦能耗指标达到国内一流水平；
⑺实时监测全炉各炭化室的工作状态
通过炼焦指数检测各个炭化室的加热状况，并自动判断高温/低温号，生成操作指导界面，指导工艺人员对个别炉号的供热量进行调整。
技术上达到国内先进水平。
⑻有利于延长炉龄，稳定焦炭质量，降低劳动强度；
五、研制开发的技术路线，实施的方式、方法、步骤。
采用方案论证--试验--验证--改进--推广的技术管理路线；
1、方案论证
提出初步方案后,系统地查阅了国内外有关焦炉加热控制方面技术资料,并进行了分析、整理，同时针对焦化厂JN60的应用实践，提出合理的技术方案；
方案提出以后，再请相关的焦炉专家、一线的工程技术人员审核，提出修改和补充意见，最后形成执行的技术方案。如项目实施方案中的关键参数测量方案、测量点的安装、控制方案等都经过有关人员反复调研、比对以及到现场考察得出的。
2、技术方案关键点的前期试验
对方案中采用的一些新技术或创新内容,需经过反复试验、测试。
⑴焦炉立火道温度的全自动测量系统试验：
光学镜头在实验室里进行高温热态性能测试，放置在300℃的烘箱里，连
续运行一周，测试光学镜头特性改变情况；
把一个光学镜头安装在焦炉中间炉号的看火孔小炉盖上，在不吹风的情
况下，放置一周时间，测试它的耐热性能；
光纤在实验室里进行高温热态性能测试，放置在300℃的烘箱里，连续运
行一周，测试光纤的通光特性改变情况，并与在常温下的通光特性进行
比较；
选一根1.0米长度的光纤,放置在炉顶的铁轨边,不进行防护,连续放一周,观察它的外观特性、通光特性；
仪表系统是常规设备，不需要前期测试。
⑵粗煤气温度测量
前期先定制一根热电偶，安装在上升管运行一个月取出，测试分析；
若发现有问题在重新设计制作，再测试，直到合格为止。
⑶控制算法
先根据经验数据，建立焦炉模型控制特性参数，然后把“焦炉模型控制特性参数”输入计算机上，进行控制算法仿真研究和控制参数寻优。
⑷数学模型的前期准备
根据生产记录的历史数据，初步建立各类数学模型，编写建模程序，进行程序调试。
3、验证阶段
在这一阶段,对控制方案各分项技术内容在焦炉现场环境下进行逐个验证，检验其可靠性和可能存在的问题
⑴焦炉立火道温度的在线连续测量技术的验证
选取一套完整的焦炉立火道温度的在线连续测量系统，放置在焦炉实际的环境下运行，检验在生产情况下的稳定性、安全性以及对生产操作的影响；
⑵炼焦指数自动生成系统
在生产工况下，验证炼焦指数自动生成系统的准确程度，以及改进措施。
⑶控制系统
在验证阶段，把控制系统的硬件设备安装调试好，并进行离线模拟测试、模拟运行，观察系统的可靠性、稳定性、电磁抗干扰特性、安全性能以及可能对其