焦炉综合测控与管理系统.doc

焦炉综合测控与管理系统JN43型捣固焦炉采用52推焦串序，高压氨水无烟加煤，液压换向设备，换向时间为20分钟。操作工每4小时巡测一次，用红外温度计瞄准立火道低部，测量鼻梁砖表面温度。然后根据温度的高低调节加热煤气流量，并相应地调整分烟道吸力的大小。目前生产上需要进一步完善的问题有： 测温 立火道底部温度不是均匀分布的，不同的人，选择不同的测量点，对测量结果有很大的影响。 立火道底部温度随时间变化的，虽然直行温度的测定时间是规定在换向后五分钟进行，但严格执行尚有一定的困难，一种是无法克服的，如测温时装煤、推焦操作影响无法准时测温，提前或推迟1分钟，往往要影响46C。另外人为随意性，如钟表时间未对好等因素。 加热控制 由于回炉煤气压力波动较大，导致了进入焦炉机侧、焦侧的加热煤气流量波动大，难以保证焦炉加热维持一个合理的空/燃比，能耗必然大。 总体炉温偏高 标准温度由工艺人员根据生产经验确定，为了避免出现生焦，一般标准温度定得偏高，能耗必然偏大。 分烟道的吸力需进一步优化、调整。 从上可以看出，实施焦炉加热优化自动控制，对焦炉的节能减排，提高焦炭质量、延长炉体寿命是非常必要和非常迫切的。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。实施焦炉加热计算机控制系统要与焦化工艺、计算机软硬件、自动化控制、热能等多学科、多专业相结合。自从1973年日本钢管公司在福山5#焦炉上首次开发了焦炉自动加热控制以来，目前已有十余种工艺流程和控制方法，有代表性的工艺如日本的CCCS 系统、美国的COHC系统、德国的CODECO与ABR系统、法国的CRAPO等。国内上焦、北焦、酒钢、武钢、鞍钢、安阳、宝钢的二期、通化、重钢等企业，分别从80年代初期开始实施焦炉加热计算机监控，90年代中期开始研究并实施焦炉加热计算机调控方案从最简单的恒流量控制、炉温控制到计算机优化控制。但由于焦炉结构的复杂性和炼焦生产的特殊性，先期实施的系统始终没有解决好硬件配置、控制模型及后期管理等问题。许多焦化厂的焦炉加热处于停用或半停用状态。安徽工业大学（原华东冶金学院）自90年代初开始进行“焦炉加热计算机优化串级调控”的理论研究工作，并于1997年在马钢煤焦化公司6#大容积焦炉上进行开拓性的实践，现已在上海宝钢、攀钢、邯钢、济钢等近50座焦炉上投运，使用情况良好，达到了预期的各项技术经济指标。一、 立火道温度的全自动检测与焦炉加热控制 目前人工测温的现状与存在的问题火道温度的测量一直是焦炉生产的一项重要日常工作内容，操作工用光学高温计或红外温度计瞄准立火道低部，测量鼻梁砖表面温度，每4小时巡测一次。人工测量受测温点、受测温时间、测温地点、测温人员的熟练程度以及外部气候条件等因素的影响，测量误差很大。立火道底部温度不是均匀分布的，不同的人，选择不同的测量点，测量点的偏差对测量结果有很大的影响，测量点的偏移对温度的影响非常大。虽然直行温度的测定时间是规定在换向后五分钟进行，但严格执行尚有一定的困难，如测温时装煤、推焦操作影响无法准时测温，提前或推迟1分钟，往往要影响46C；如何提高测温精度，改善工人的工作环境一直是大家关心的问题。 测量点的选择：有多种方案 第一测温点 第二测温点 第三测温点第一测温点无论焦炉用高炉煤气（BFG）加热或用焦炉煤气（COG）加热都可选择这一测温点，第二测温点常用于COG加热，而第三种用于BFG加热。立火道底部温度不是均匀分布的，不同的人，选择不同的测量点，测量点的偏差对测量结果有很大的影响，测量点的偏移对温度的影响非常大。见下图红色外目前我们测量的炉温变化（未处理的数据）。图1 人工测量与全自动测量比较 测量时间的影响虽然直行温度的测定时间是规定在换向后五分钟进行，但严格执行尚有一定的困难一种是无法克服的，如测温时装煤、推焦操作影响无法准时测温，提前或推迟1分钟，往往要影响46C。另外人为随意性，如钟表时间未对好等因素。 其它测温方法国内外近几十年人们一直在寻找取代人工测量的方法，主要有以下几种： 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主要单位：日本钢管公司、美国共和公司,但为了延长热电偶的寿命,对热电偶实施了间歇氮封存在的主要问题：投资高、热电偶寿命短、炉顶操作不便等缺点， 热电偶插入立火道顶部测量废气温度主要单位：新日铁公司、比利时CRM公司、上海宝钢投资高、热电偶寿命短、炉顶操作不便等缺点，间接地反映了炉内温度的变化 在蓄热室顶部安装热电偶主要单位：我们安徽工业大学 在40座焦炉应用，需建立数学模型。 焦炉底部测温法既将测温热电偶从焦炉底部插入燃烧室进行直接测量。我国鞍钢焦化厂开发了这种技术，该方法避免了炉顶测温法的弊端，但还不太成熟，有待进一步研究和完善。主要的不足： 热电偶（铂铑铂热电偶）在01300的氧化环境中使用，使用寿命短，热电偶本身价格昂贵。 测量误差大（据鞍山焦耐院试验结果）：每月有2的老化下降。 测量过程为间接测量，测量点与目前的有很大不同，所反映的温度与实际情况有较大出入。 立火道温度的全自动测量 原理一切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、-光波波长、黑度系数（发射率）物体发射率对辐射测温的影响：自然界中存在的实际物体，几乎都不是黑体。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。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。 红外测温系统由以下几部分构成： 光学镜头：光学系统直接安装在炉顶的看火空小炉盖上，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； 光导纤维（光纤）：把光学镜头的光信号传送出处，光纤为高纯度石英，石英材料的化学成分为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，它的工作温度为 60。 红外光纤探测器前置放大校正、线性化峰值/瞬时值V/I光学系统标准信号 输入计算机鼻梁砖 图2 红外测温系统示意图小炉盖仪表系统、测量点与安装位置的选择 安装位置 机侧8火道，焦侧20火道（人工测温火道为机侧7火道，焦侧21火道） 检测点 在三角区的中心位置，与目前的三班测温点完全相同、可靠性和稳定性 光学镜头 安装在小炉盖上，主要的影响是烟尘和高温光学镜头一直维持微正压，烟尘进不去；光学镜头前有烟尘防护罩，烟尘难以进入；光学镜头工作温度在吹风的情况下，温度不超过80，在停风情况下，温度不超过150，而光学镜头的耐温上限可达250以上。 光纤 布置在4分的镀锌管里，固定在铁轨的外侧，在正常情况下，温度在5080；而光纤学镜头的耐温上限可达250350以上。 仪表（电信号处理单元）设计温度为060；安装在炉间台，该处的温度不会超过50 、仪表的维护与校验 定期（一周）观察吹气压力表的压力（应不小于500Pa）， 定期（半年）检查一下光学镜头有无灰尘，若有灰尘，则用脱脂药棉沾酒精擦洗； 仪表的校验：可在仪表盒中将仪表卸下，去校验。光学镜头和光纤等设备为石英制品，没有老化问题，不需要校验。焦炉加热控制方案 吸力模型设定值煤气空气 控制系统框图焦 炉调节阀孔板流量计煤气流量控制单元（显示）分烟道吸力火道温度的多模式模糊控制在线实测火道温度目标火道温度模型焦炭成熟度模型粗煤气温度标准温度修正配煤水分结焦时间焦饼温度测量加热均匀性调整标准温度修正根据火道温度-自动调整加热煤气流量； 根据加热煤气流量、烟气含氧-自动调整分烟道吸力； 根据焦炭成熟度-修正标准温度、调整个别异常火道； 根据焦饼温度-修正标准温度、调整高向均匀性、调整个别异常火道； 现场运行图片 代表立火道的温度实时变化趋势曲线（一小时）代表立火道的温度实时变化趋势曲线48小时2008年 763焦炉 光学镜头直接固定在铁轨边的看火孔上（第9）在安装中的仪表单元，放置在炉端头的间缝中2009 在JN60型焦炉上运行/安装情况2010年安装改进2010年安装改进21检测点越多越好。检测把焦炉分成三部分，分别在左、中、右部分的中心位置附近，分别设置5个测温点，下图为30个测温点在炉体上的位置分布示意0102030405060708091011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041424344454647484949505152535455炉号（单）炉号（双） 立火道温度的检测点分布图机侧焦侧 立火道温度的检测点分布图炉号（双）炉号（单）0102030405060708091011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041424344454647484949505152535455检测点越多越好。对于回炉煤气加热的，也可把30个测量点放在一侧， 30个测量点可基本反应 60个炭化室的加热情况，三班测温可改成白班巡检二、粗煤气温度测量与焦炭成熟度预测控制 原理判断焦炭是否成熟的方法有很多，最直接的方法是测量焦饼中心温度，一般认为焦炭中心温度在100050时，焦炭已成熟。但是这种方法存在操作复杂、环境恶劣和干扰因素多等问题，很难长期在线稳定运行。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。粗煤气随结焦时间的变化规律可见图1由图1我们可以看出，粗煤气温度随结焦时间开始平稳而缓慢地上升，大约十几小时后上升至最高点，这一点称火落点(亦有称拐点)，然后又快速下降至推焦结束。 粗煤气温度随结焦时间的变化最高点温度为Tm，从开始装煤(a点)到火落点的时间（c点）称为火落时间(又可称气体析完时间)，从火落点到出焦点（b点）的时间，称焖焦时间(或称置时间)，则周转时间=火落时间+焖焦时间，即：c=m+me （1）通常认为到火落点时，焦炭基本上成熟，粗煤气也已析完，粗煤气的颜色由黄色转变为淡兰色到无色，然后过一段置时间焖焦后即可推焦。 炼焦指数预测模型在炼焦过程中，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可得出炼焦指数：CI = c /m 式中：CI炼焦指数 c 结焦周期，h m 从装煤开始到粗煤气温度到达最大值的时间，h在结焦周期一定的情况下，若CI小，表明火落点的时间早，焦炭很早就成熟了，闷焦时间过长，焦炭成熟过度，说明立火道温度过高；反之，若CI大，表明火落点的时间晚，焦炭成熟的晚，闷焦很短就推焦了，焦炭成熟度不够，说明立火道温度偏低。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，通常把炼焦指数的目标值规定为1.25（具体数值可根据焦炉工艺状况调整）。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；通过全炉的平均炼焦指数可以对标准温度进行修正： 最终的标准温度的模型是： Ts= Tf + F1（CI）+ F2（Mt）+ F3（）其中：Ts - 标准温度 Tf -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（）- 标准温度的结焦时间修正前馈模型（前馈） 控制系统框图目标火道温度模型火道温度的多模式模糊控制单元煤气流量控制单元（显示）实测火道温度焦 炉调节阀孔板流量计分烟道吸力吸力模型设定值煤气空气炼焦指数模型粗煤气桥管处温度标准温度修正配煤水分结焦时间焦饼温度测量加热均匀性调整标准温度修正 高温号和低温号判别举例:自动生成炼焦指数,目标值为1.20， 07#、46#、50# 与标准值偏差大（超过0.2） 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1.201.241.191.301.281.311.40 1.171.131.451.211.241.251.00指数偏差00.04-0.010.050.080.110.2 -0.03-0.070.250.010.040.05-0.2需调整号 粗煤气温度测量与安装 热电偶选型 测量点位置选择测量粗煤气温度的测量点有两个地方比较合适，其一是在桥管位置，其二是在上升管的根部，部分上升管预留有热电偶插入口或清扫孔，安装比较方便， 现场安装图片 （两种安装方法）1 场安装图片示意图桥管位置安装示意图在上升管处安装 粗煤气温度变化曲线61、62、63、64、65上升管粗煤气温度变化四、焦饼温度测量（可长期连续测量）焦饼中心温度是焦炭成熟的最直接的参数，是标准温度制定的依据，另外通过焦饼温度的测量为调火工调整焦炉高向加热均匀性、横排均匀性、直行均匀性提高了最直接的依据。 原理焦饼中心温度难以在线直接测量，一般采用测量靠炉墙处焦饼的侧表面温度的方法。该表面温度比中心面温度约高2040，可以用来代替焦饼中心温度。吹灰光纤安装件导焦栅侧面槽钢剖面红外测温仪具体方法是在拦焦车导焦槽框架两侧