焦炉自动测温自动火落判断自动加热系统可行性研究报告

焦炉自动测温、自动火落判断、自动加热系统可行性研究报告 河北旭阳有限焦化安徽工业大学化工自动化研发中心二〇一四年一月目录1概述1.1工艺简介 1.3工程单位的根本情况1.4国内外焦炉优化加热的研究现状2工程建设的必要性3研究开发内容3.1火道温度全自动在线连续测量方法研究3.2焦炉传热理论与目标温度模型的研究3.3火道温度相关模型3.4粗煤气温度的测量与炼焦指数模型3.5炼焦指数模型与标准温度修正3.6控制算法研究3.7分烟道吸力模型研究3.8高温/低温炭化室、问题炭化室以及边炉的监控4工程实施方案4.1目前已经具备的根底条件4.2火道温度的全自动在线连续测量系统实施方案4.3粗煤气温度测量4.4控制方案的实施4.5火道温度模型的建立4.6分烟道吸力模型建立4.7炼焦指数与标准火道温度关系模型的建立4.8高温/低温炭化室、问题炭化室以及边炉的监控5工程实施后预期到达的最终目标6关键技术及创新点6.1实现“焦炉立火道温度的在线连续测量〞技术；6.2实现炼焦指数的自动生成，并建立炼焦指数修正模型6.3用炼焦指数实时监测全炉各炭化室的工作状态7研究或研制开发的技术路线，实施的方式、方法、步骤7.1方案论证7.2技术方案关键点的前期试验7.3验证阶段7.4试运行阶段7.5改良阶段7.6正式运行7.7系统的平安措施8技术、经济可行性及可靠性分析、论证8.1可靠性分析8.2经济效益分析9对平安、环境、健康的影响性分析10现有根底、技术条件，保证体系10.1现有的物质根底10.2技术条件11经济、社会效益分析11.1经济效益11.2社会效益12进度方案13结论工程名称：“焦炉自动测温、自动火落判断、自动加热系统“可行性研究报告概述1.1建设单位概况河北旭阳焦化现有6.25米捣固焦炉2座，焦化建设规模为公称能力年产焦炭100万吨。2座焦炉投产以后，公司主要产品有：焦炭、煤焦油、硫磺、硫铵、粗苯、焦炉煤气。每座焦炉分别有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21火道的鼻梁砖温度，然后根据全炉平均温度的上下人工调整加热煤气流量和分烟道吸力，焦炉加热控制根本上以人工操作为主。目前焦炉结焦周期为小时，机焦侧标准温度分别为1360、1365℃，单座焦炉平均煤气消耗量为m3/h，出炉焦炭采用干熄焦技术，回炉煤气量约为%。1.2国内外焦炉优化加热的研究现状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。1973年日本钢管公司在福山五号炉上首次成功地开发了焦炉燃烧控制系统(cccs)，在此之后的几十年里焦炉燃烧自动控制系统有了重大开展，世界各国的钢铁公司不仅已经先后开发了十余种焦炉加热的最优化控制系统，而且还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。虽然这些系统种类繁多，各有特色，但从控制系统的角度可将它们分成三类:炉温反应系统、前馈供热量控制系统、前反应相结合的控制系统。1.2.1前馈控制美钢联C2PC系统，伯利恒公司雀点厂的焦炉加热控制系统，法国索尔莫钢铁厂生产任务生产任务入炉煤参数耗热量模型目标焦饼温度煤气流量目标空气系数空气系数a控制模型焦炉煤气参数烟道含氧热平衡数据目标焦炭质量图1.1前馈控制框图CRAPO以及德国的CODECO分级供热系统都属于典型的该系统，其根本控制框图如图1.1所示。这种方法的最根本思想“按需供热〞，即根据装炉煤的工艺参数〔煤堆密度、含水量、挥发份、灰份等〕、推焦装煤作业方案、焦炉热效率等计算出炼焦耗热量，然后再根据加热煤气的热值、温度、湿度、压力计算出加热煤气流量设定值。前馈是根据干扰的变化进行控制的系统,因此配煤的变化、煤的湿度的变化以及加热煤气热值等参数必须实时的检测并输入到计算机控制系统中，它的优点是控制方法简单、在生产工况比拟理想的情况下，控制效果比拟好。但这种方法的缺点也是非常明显的，它要求所有干扰因素都可实时测量的，而实际情况难以实现，特别是对煤值供给不稳定的生产企业，该方法几乎不可行；另外需要检测的点多，化验分析数据准确。因此单纯的前馈控制在实际使用中并不理想，特别对国内的焦化企业。从外文文献资料中发现,现在国外一些焦化生产企业也在逐步屏弃这种单纯的前馈控制方案。1.2.2反应控制系统有代表性的工艺〔见图1.2、图1.3〕：日本钢管公司福山3#4#5#炉C.C.C.S工艺、新日铁八幡A.C.C工艺、荷兰豪戈尔钢铁公司的CETCO工艺、住友金属公司。主要有三种形式：目标火道温度目标火道温度比拟设定加热煤气量比拟加热煤气量焦炉实测加热煤气量实测火道温度图1.2反应控制系统框图目标炼焦指数比拟设定加热煤气量比拟加热煤气量焦炉实测加热煤气量实测炼焦指数粗煤气图1.3反应控制系统框图根据火道温度或拟合火道温度与目标火道温度的偏差调节加热煤气流量，这种方法在我国、前苏联地区等有应用。炉温反应控制系统是最早开发的焦炉加热控制系统，它采用热电偶连续地测温和监测炉内温度的变化，从而能根据炉温的变化情况来决定煤气量的增减，能发现结焦过程中的异常现象，控制根本能满足生产工艺要求，但控制过程存在着较大的滞后性，并且投资和维护费用较大。②以实测焦饼中心温度作为直接控制目标，由于焦饼中心温度只有在成焦结束以后才能获得，控制严重滞后，这种方法一般很少单独使用，常与前馈控制结合在一起。以实测结焦终了时间或炼焦指数作为控制目标，主要通过测量粗煤气温度变化、粗煤气颜色变化或粗煤气成分的变化来实现。这种方法在欧、美、日本应用非常普遍。1.2.3前、反应相结合的控制系统控制策略可分为以前馈为主反应为辅和以反应为主前馈为辅的二种策略。前者主要代表是美国和德国的局部公司,后者以日本为主要代表。这种控制系统的主要特点是结合前馈,反应控制方法的优点,以结焦时间,入炉煤参数等由供热量模型计算目标需热量(前馈)，然后用实测的炭化室炉墙温度或焦炭结焦终了时的温度(有些厂家也采用结焦过程中的粗煤气温度)并由此计算的全炉平均温度校正供热量，再根据目前特征参数确定焦炉加热用煤气量。前反应相结合的控制方案克服了单纯前馈控制和单纯反应控制的缺点和缺乏，吸收了两种控制方案的优点，是一种比拟理想的控制方案，目前在国内外应用广泛。1.2.4通过粗煤气温度判断焦炭成熟度通过粗煤气温度判断焦炭成熟度，这种方法目前在日本、北欧应用比拟普遍，我国宝钢焦化厂也采用此方法。主要有以下几种形式：⑴粗煤气温度直接测定法：用粗煤气温度随结焦时间变化规律判断结焦终了时间，粗煤气温度随结焦时间变化见图1.4，从图中可以看出，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。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)，那么图1.4粗煤气温度随结焦时间的变化图1.4粗煤气温度随结焦时间的变化周转时间=火落时间+焖焦时间，即：τc=τm+τme⑴通常认为到火落点时，焦炭根本上成熟，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，然后过一段置时间后即可推焦。⑵结焦终了时间模型法在日本钢铁公司，通常用观察结焦末期“气体析完〞现象来评价结焦终了时间，其操作控制系统是根据以下概念建立的：总的结焦时间＝“气体析完〞时间＋焖焦处理时间“气体析完〞时间τm按式⑵由温度Tm确定：τm＝Ａ＊Tm＋Ｃ⑵式中Ａ和Ｃ为焦炉的特性值该系统的控制思想为：由式⑵预测正在炼焦过程中的每一孔炭化室中的每个“气体析完〞时间；②根据火道温度的前馈模型计算目标火道温度的修正值，以减少目标值与“气体析完〞时间的偏差；③根据计算出的修正值修正原来的火道温度，重新确定目标火道温度。⑶日本住友公司相关模型法采用在上升管中测得的粗煤气最高温度降低值与火道温度的相关条件来确定结焦终了时间，其相关式为：Tpc=a0+a1/Tf⑶其中：Tpc——粗煤气最高温度Tm与在结焦终了时粗煤气温度Tb之差Tf——火道平均温度〔从粗煤气到达最高温度时到结焦终了时间的火道温度平均值〕a0、a1——常数使用上述方程式，可以从一个给定的目标结焦终了时间计算出每孔炭化室的目标火道温度，用于指导炼焦生产。⑷比利时CRM系统比利时CRM焦化厂为控制焦炭的成熟度，在炉组假设干个上升管的根部和顶部按装2支热电偶，用以测量粗煤气温度。这样，两个热电偶测得的温度显示出一个特征倾向，该倾向与炭化进程的开展状态有关。其实验结果可以得出，相应的炭化终了时间位于温度差的陡直上升段。用焦炭强度指标I10来判断焦炭的成熟度，经过不同的温度水平上的实验，就可以校核到达结焦终点后焦炭是否推出。如果没有正点推焦，就调节焦炉加热水平的设定值。⑸日本新日铁公司粗煤气浓度法日本新日铁公司改变了过去的方法，在上升管的某侧设置光源，使光线横穿上升管，连续测量表示粗煤气浓度的透光度，来判断结焦终了时间。这种方法通过粗煤气透光度曲线建立结焦终了时间判断模型。这样既解决了操作上的问题，又可以使实际结焦终了时间与标准结焦终了时间的偏差最小。⑹芬兰罗德罗基公司、安徽工业大学化工自动化研发中心的结焦指数法该公司为预测结焦终了时间，在桥管上安装热电偶来测量粗煤气温度。通过测量温度变化的转折点Tm，开始计算结焦指数，在其控制模型中，结焦指数是用结焦时间与到达最高温度的时间的比值来表示的：CI=τc/τm(4)结焦指数控制模型根据结焦指数来调节预测能量需求。依据炼焦最终温度来设定结焦指数之值，而结焦最终温度是根据经验确定的。这类控制系统具有控制点少，控制方便、直接等优点，但事先确定一个初始供热量或加热煤气流量的经验值，实施时不断调整。另外，有较大的滞后现象，也容易产生超调现象。⑺宝钢火落管理系统我国的宝钢引进了日本的火落管理技术，依据粗煤气的温度和颜色的变化判定火落时刻，用火落时间作为加热的主要控制指标，并由人工调节每个燃烧室的煤气阀开度。通过确定周转时间来确定相应的目标火落时间，从而控制使每个炭化室的实际火落时间符合目标火落时间的要求。此外，利用火落管理还可以较早地发现干馏过程中的异常现象。⑻安西代萨焦化厂气相色谱法通过分析粗煤气的成分来判定结焦终了时间等，日本的有些企业也采用这种方法，气相色谱仪器价格贵，对工作环境要求高，维修维护量大。总之，利用粗煤气温度的变化、颜色的变化、成分的变化等方法来判断焦炭成熟情况，已经在国外广泛使用，技术比拟成熟，国内局部焦化企业近些年也在做一些探索性、试验性的工作。1.3我国的焦炉优化加热控制系统进展和存在的问题我国的焦炉优化加热控制系统最早开始于80年代初期，1981年7月，上海焦化厂和中国科学院新疆物理所开始进行焦炉加热微机控制系统的研究，两年以后首次在上焦四号炉实现了微机控制。在近二十年里，宝钢焦化、山西阳光焦化、酒钢焦化等先后引进或自己开发了加热优化控制系统，较为先进的有宝钢二期焦炉引进的美国凯撒公司的COHC技术，三期使用的日本关西热化学技术，酒钢引进的德国OTTO公司的ABC技术。国内从80年代初期先后开始实施焦炉加热计算机监控系统，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。焦炉自动加热控制系统对于稳定焦炭质量、延长炉体寿命、节能降耗、保护环境都有着非常重要的意义。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。大局部焦化厂的焦炉优化加热系统根本上处于停用或半停用状态，究其原因，主要有：焦炉加热的影响因素非常多，很多控制系统没有突出主要工艺参数，导致控制系统过于复杂，离线测量参数多，因而操作复杂，系统难以长期稳定运行；有些单位没有考虑到国内焦炉生产特点，盲目照搬国外的系统，如某些前馈控制系统完全不适合煤质、结焦时间频繁变化的炼焦生产过程；有些系统建立了非常多的数学模型，但模型的预测结果与生产实际有很大的偏差，控制的效果必然大打折扣；没有考虑检测仪表的特点以及工艺特点，检测的参数不准确或不稳定。工程建设的必要性河北旭阳焦化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，操作工每四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标准温度确实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，误差大；调火工用红外温度计瞄准立火道底部，测量鼻梁砖外表温度，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；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，往往会引起4～6℃的测量误差；③加热控制手段落后，仍采用人工加减煤气流量的方法；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。焦炉的热惯性非常大，增减煤气流量后，温度要在4～6小时以后才能反映出来，另外测温时间间隔大，温度调节不及时，炉温波动大。空气过剩系数。目前本厂在分烟道位置没有安装烟气含氧分析仪，主要在小烟道位置取样化验分析得出空气的过剩系数，但人工取样、化验过程费时多，周期长，不能实时地反映燃烧情况的变化。单个炭化室的成焦状态没有有效的监测手段。焦饼温度温度焦饼中心温度，就是结焦末期焦炉炭化室中心断面处焦炭的平均温度。焦饼中心温度是焦炭成熟的标志，也是标准温度制定的依据。生产中到达950～1050℃时焦饼便已成熟，焦饼成熟后，留一段焖炉时间，可以改善焦炭的质量，但焦炭质量的好坏主要取决于配煤质量和焦炉温度的均匀稳定，焖炉时间过长，焦饼中心温度过高，那么焦炭带走的热量越高。当焦饼温度在1000℃以上时再提高50度每千克煤约增耗热量测量炉墙外表温度还可以判断焦炉高向加热的均匀性、，监测炉墙烧蚀情况。国外目前测量炉墙外表温度的做法已经很常用，但国内用的不多。由于技术进步，目前直接测量炉墙外表温度的技术措施已经具备。综上所述，旭阳焦化本次实施的“焦炉自动测温、自动火落判断与加热系统〞工程，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。⒊工程主要内容3.1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外表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外表温度，这就是红外辐射测温所依据的客观根底。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〕图3.1红外辐射强度分布规律图3.1红外辐射强度分布规律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、外表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。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局部构成：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外表，光学系统的总高度低于80mm。防尘、防火、防水系统；红外光纤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3.2红外测温系统示意图小炉盖仪表系统光导纤维〔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℃3.2火道温度相关模型由于工艺和本钱的原因，全自动测温系统的测量点只能安装在靠近铁轨的假设干个代表火道上，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。3.3粗煤气温度的测量与火落时间〔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局部进行测量，粗煤气的温度一般不超过1000℃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、桥管最后聚集到集气管中，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，煤根本上变成了焦炭，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上下。国内外通过粗煤气温度判断焦炭成熟的方法有多种形式，根本思路十分接近，但在具体的做法有一些差异，但用热电偶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我国焦炉生产操作的实际情况，实现方法也比拟简单。研究工作内容有：上升管处安装热电偶的平安防护；自动生成炼焦指数模型。3.4火落时间〔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外表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，因而直接用焦饼外表温度或焦饼τcτcτm图3.4桥管处粗煤气温度的变化时间温度中心温度来控制焦炭的质量指标很困难。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3.4〕，可得出炼焦指数：CI=τc/τm式中：CI—炼焦指数τc–结焦周期，hτm–从装煤开始到粗煤气温度到达最大值的时间，h根据对焦饼外表温度的测量和焦炭质量指标的综合分析，确定炼焦指数的适宜范围，在此范围内，焦炭的成熟度好，质量指标比拟合理。因而在生产过程中，假设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〔反应〕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〕3.5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，能使炉温保持根本稳定。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适宜，但普通的模糊算法亦有它的缺乏之处，假设模糊输入/出量的量化等级分得过细，那么模糊控制规那么变得很复杂，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煤气管道煤气管道焦炉PI模糊控制煤气压力火道温度目标火道温度+-+-Bang-Bang控制E>6E≤6E.图3.5多模式控制系统框图3.6分烟道吸力模型吸力控制的目标是实现最正确燃烧控制。要求通过对分烟道翻板的自动控制，使分烟道吸力处于适宜的范围，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根底之一，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。3.7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；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3.9焦饼外表温度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。当更换加热煤气种类、改变结焦时间、改变煤种及配比时都需要测量焦饼中心温度,以便随时调节加热制度。传统测量方法为“插管测量法〞，存在劳动强度大、操作环境恶劣、代表性较差、难以在线直接测量等缺点。由于靠炉墙处焦饼的侧外表温度比中心面温度约高20-40℃，可以用来代替焦饼中心温度，因此，可以采用测量外表温度的方法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外表的温度，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。主要重点是光学镜头吹灰处理。4工程实施方案4.1目前已经具备的根底条件⑴控制系统条件目前焦化厂已经配置了一套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。监控器监控器电源CPU通讯模块AI1AO-DI-监控器EthernetProfibus变送器1变送器N变送器煤气流量、吸力控制阀图4.1控制系统硬件配置示意图桥电源CPU通讯模块AIAO-AI-新增测点监控器西门子PLC要实现焦炉优化加热控制，大约需要增加120个热电偶信号和80个标准的4-20mADC的信号，2个交换机开关信号，目前本厂使用的DCS控制柜内部没有多余的模块，需要增加一个DCS控制柜，就可以在硬件上满足要求；新的控制柜通过内部网络与原来的DCS系统进行通讯。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，一是在上升管局部插入热电偶，另一个就是在桥管处插入热电偶，但安装在桥管位置环境条件比拟好。但本厂的桥管位置没有相应的安装孔，而且桥管为铸铁件，在高温下开孔、巩丝都非常困难，只能在上升管根部开安装孔。图4.2桥管图片图4.2桥管图片⑶根底自动化系统比拟完善焦炉煤气流量、分烟道吸力已经实现自动控制，为进一步的优化控制提供了良好的根底。⑷根底的工艺数据齐全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根底数据。4.2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局部,光学镜头、光纤、光电转换〔仪表〕。小炉盖图小炉盖图4.3光学镜头安装示意光学镜头吹气≤70mm隔热片导风口图4.4光学镜头安装图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，可采用防尘系统解决；光学镜头前安装一个导风口〔单向通风〕，向导风口吹微风，可防止烟气、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1.1,光纤的芯线径为0.4μm,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35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4.5图4.5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℃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。图4.图4.6光纤的平安防护4.3粗煤气温度测量粗煤气为高温可燃气体，正常温度在500--700°附近，但在异常情况下〔时间不长，最多20分钟〕，可能超过1300℃，可选择K型热电偶；为了提高使用寿命，热电偶的偶丝选择2～3mm的；保护套管选择原那么是既要耐高温，又要有好的物理特性，常用的刚玉、陶瓷套管，耐温性能好，但脆性大，易碎；常用不锈钢套管耐高温性能差；故热电偶插入集气管内部的套管局部必须采用特种耐高温钢，它既有好的耐热性能4.4控制方案的实施 采用前-反应相结合的方式根据火落时间、焦饼中心温度、煤质和配煤情况确定最正确标准火道温度；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；图4.9控制系统框图图4.9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质、炼焦工艺条件煤气空气炼焦指数模型粗煤气桥管处温度标准温度修正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±7U=〈α*E+(1-α)*EC〉〔0<α<1〕前馈模型PIDΣ反应模型煤气流量其它参数烟气残氧量分烟道吸力SP图4.10吸力前反应控制〈·〉为取整运算，式中前馈模型PIDΣ反应模型煤气流量其它参数烟气残氧量分烟道吸力SP图4.10吸力前反应控制⑵吸力控制 采用前反应控制相结合的模式，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应调整、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，需要反应模型计算的数据作为控制参数。4.5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拟、统计分析、显著性检验等方法，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。4.6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，进行统计分析和显著性检验分析，找出影响吸力的主要参数，建立分烟道吸力模型4.7火落时间〔炼焦指数〕指导修正〔或自动修正〕标准火道温度根据对焦炭质量的分析，确定在一定配煤条件下最正确的火落时间，并以此为控制标准。假设实际的全炉平均火落时间高于最正确的火落时间，那么提高标准温度；假设实际的全炉平均火落时间低于最正确的火落时间，那么降低标准温度。4.8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工程实施后预期到达的最终目标⑴实现焦炉立火道温度的直接测量减少三班测温次数，降低工人劳动强度；⑵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，温度的波动可大幅度减小；⑶自动生成火落时间〔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，并建立炼焦指数/火落时间与焦炭成熟度之间的关系模型。⑸建立标准火道温度模型、适度降低标准温度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；根据配煤水分的变化及时调整标准温度；根据焦饼成熟度〔炼焦指数〕修正标准温度。⑹节约煤气2-4%，焦炉的吨焦能耗到达国内一流水平；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。7系统平安性分析7.1系统施工对生产的影响分析⑴粗煤气温度测量与焦炭成熟度系统整个安装过程对生产没有影响；⑵立火道温度测量系统的安装主要安装件在非生产区域制作，在炉顶固定安装过程中，对生产根本没有影响，在导烟车移动到相应位置时，安装工作可以暂时停下来。⑶焦饼温度测量系统安装需要在导焦栅上固定红外测温设备，需要拦焦车停止工作时完成，每台拦焦车需要一整天时间，假设全部在检修时间安装，安装工作会拖的很长。⑷DCS系统安装这局部由DCS厂家完成，安装过程中不影响正常生产。⑸系统调试过程系统首先离线运行，对生产不产生任何影响；系统在设计时，采用一键切换方式，操作人员点击一下切换按钮，焦炉自动加热系统就与原系统脱离；对控制程序进行平安限制，即在优化控制程序万一出现过失时，优化控制程序计算的值也在生产平安允许的范围内；在试运行期间，安徽工业大学连续监控72小时。7.2设备可靠性分析7.2.1焦炉立火道全自动在线连续测温系统的可靠性分析系统有光学镜头系统、光纤、仪表等局部构成①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前有烟尘防护罩，烟尘难以进入光学镜头，并且在光学镜头前用清洁空气或氮气维持微正压；看火孔小炉盖的外表温度(在夏天测试)不超过200℃,而光学镜头工作温度可达350℃；通过隔热处理,但不吹风，光学镜头的温度不超过150℃；在吹微风的情况下，光学镜头的温度不超过