摘 要：通過對某鋼廠焦化廠2號焦?fàn)t加熱燃燒過程中典型的大時(shí)滯、大慣性、時(shí)變快的特點(diǎn)的分析。提出如何優(yōu)化焦?fàn)t加熱過程控制，降低煉焦能耗，確保焦炭均勻穩(wěn)定成熟，同時(shí)延長焦?fàn)t使用壽命的問題。將計(jì)算機(jī)優(yōu)化串級控制技術(shù)具體應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，以實(shí)現(xiàn)對焦化生產(chǎn)的重要參數(shù)監(jiān)控和有效控制，最終實(shí)現(xiàn)焦化廠的全自動(dòng)控制，為企業(yè)提供可靠科學(xué)的決策依據(jù)。 關(guān)鍵詞：大時(shí)滯，大慣性，時(shí)變快，優(yōu)化串級控制 [b][align=center]The Study of the Coke Oven Optimizing Cascaded Control System YUAN Qi, PAN Lian[/align][/b] Abstract: By the analysis of the great nonlinear, inertia and quick-vary typical in the burning process of the coke oven two of a steel works Coking and Chemistry Plant. Introduce a question of how to optimize the control of heating course, reduce the energy consumption of coking, guarantee the coke is even and steady and ripe, lengthen service life of coke oven. It applied that computer contro1 technology into the actua1 production, realized the surveillance of important influencing factors and the control of accuracy and more efficiency in coking production. Eventually, it realizes automatic control in coking production. It also provides the enterprise with reliable and scientific policy-making basis. Key Words: great nonlinear, great inertia, great quick-vary, optimizing cascaded control 0 前言 　　焦?fàn)t是冶金工業(yè)的一個(gè)重要的熱工設(shè)備，它有兩個(gè)產(chǎn)品:煤氣和焦炭。焦?fàn)t為高爐煉鐵煉鋼提供焦炭，也為工業(yè)爐窯和民用提供燃?xì)?。焦炭是冶金和化工等行業(yè)的重要原料，它的質(zhì)量和產(chǎn)量直接關(guān)系到后續(xù)工業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定性，同時(shí)焦?fàn)t是鋼鐵企業(yè)中的耗能大戶，如何節(jié)約能耗、提高焦炭的產(chǎn)量和質(zhì)量是焦?fàn)t控制和管理的核心問題[1]。 　　焦?fàn)t是結(jié)構(gòu)獨(dú)特的工業(yè)爐窯，在煉焦廠的總能耗中，焦?fàn)t加熱用的煤氣量約占總能耗的70%[2]。因此，實(shí)現(xiàn)焦?fàn)t加熱過程的最優(yōu)控制，對于降低焦?fàn)t燃耗、提高焦炭產(chǎn)量和質(zhì)量、延長焦?fàn)t壽命、減少環(huán)境污染和改善勞動(dòng)條件都具有非常重要的意義。 1 控制原理 　　串級控制方案，分別以火道溫度和煤氣壓力、副回路的被控參數(shù)為主，引入副回路的目的是為了克服高爐煤氣總管壓力的頻繁波動(dòng)，內(nèi)環(huán)控制回路主要是焦?fàn)t煤氣和高爐煤氣閥門開度的反饋控制，以及機(jī)側(cè)煙道和焦側(cè)煙道擋板開度的反饋控制，它通過調(diào)節(jié)焦?fàn)t煤氣和高爐煤氣的閥門開度，控制煤氣主管的壓力，使煤氣主管壓力穩(wěn)定在一個(gè)合適的值，以控制進(jìn)入到各個(gè)燃燒室的煤氣流量，同時(shí)調(diào)節(jié)機(jī)側(cè)煙道和焦側(cè)煙道的擋板開度，使煙道吸力穩(wěn)定在一個(gè)合適的值，以保證進(jìn)入到各個(gè)燃燒室的煤氣能充分燃燒[3,4]。它的控制規(guī)律一般為PI調(diào)節(jié)，采樣控制周期為15s。主回路采用多模式模糊控制，主要是保證立火道溫度穩(wěn)定在給定的目標(biāo)值上，同時(shí)對煤氣壓力的波動(dòng)起到了一定的穩(wěn)定作用。構(gòu)成了一個(gè)基于壓力的溫度反饋的自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了焦?fàn)t燃燒過程溫度的優(yōu)化控制。 　　串級控制系統(tǒng)方框圖見圖1[2]，它采用兩套檢測變送器和兩個(gè)調(diào)節(jié)器，前一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個(gè)調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個(gè)調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)調(diào)節(jié)閥。前一個(gè)調(diào)節(jié)器稱為主調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱主變量（主被控參數(shù)），即工藝控制指標(biāo);后一個(gè)調(diào)節(jié)器稱為副調(diào)節(jié)器，它所檢測和控制的變量稱副變量（副被控參數(shù)），是為了穩(wěn)定主變量而引入的輔助變量。整個(gè)系統(tǒng)包括兩個(gè)控制回路，主回路和副回路。副回路由副變量檢測變送、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥和副過程構(gòu)成;主回路由主變量檢測變送、主調(diào)節(jié)器、副調(diào)節(jié)器、調(diào)節(jié)閥、副過程和主過程構(gòu)成。 [align=center] 圖1 串級控制系統(tǒng)方框圖 （Fig. 1 Optimizing Cascaded Control system Pane）[/align] 　　本系統(tǒng)所采用的串級控制方案，分別以火道溫度和混合煤氣壓力為主、副回路的被控參數(shù)，引入副回路的目的是為了克服混合煤氣總管壓力的頻繁波動(dòng)，它的控制規(guī)律為一般為PI調(diào)節(jié)，采用控制周期為15s。主回路采用多模式模糊控制。通過副回路穩(wěn)定煤氣壓力，以保證煤氣流量的相對穩(wěn)定，并間隔一定時(shí)間根據(jù)火道溫度的高低調(diào)整煤氣壓力控制系統(tǒng)的設(shè)定值。火道溫度用蓄熱室頂部溫度擬合后得到模擬火道溫度代替。 　　系統(tǒng)中不可避免的存在大量的擾動(dòng)因素，根據(jù)擾動(dòng)因素的位置不同，可分為如下幾種情況： 　　（1）擾動(dòng)作用在副回路; 　　若焦?fàn)t煤氣合高爐煤氣的流量（壓力）發(fā)生變化時(shí)，它首先影響到全爐的火道溫度，此時(shí)蓄熱室頂部溫度也發(fā)生變化，副調(diào)節(jié)器此時(shí)產(chǎn)生自動(dòng)作用，改變煤氣流量以穩(wěn)定火道溫度，若擾動(dòng)量較小，副回路一般可以及時(shí)進(jìn)行控制，不會影響到主回路火道溫度，若擾動(dòng)較大時(shí)，經(jīng)過副回路，大部分可以被克服，余下小部分則被主回路消除。因此，若擾動(dòng)存在于副回路，則火道溫度可以及時(shí)恢復(fù)到設(shè)定值。 　?。?）擾動(dòng)作用在主回路; 　　當(dāng)入爐煤參數(shù)發(fā)生變化影響到火道溫度時(shí)，此時(shí)主控制器發(fā)生作用，通過改變混合煤氣主管流量（壓力）的設(shè)定值。副回路的存在也改善了控制特性，因而可以使火道溫度及時(shí)回到設(shè)定值上。 　?。?）擾動(dòng)同時(shí)作用在主回路和副回路; 　　若擾動(dòng)同時(shí)使主、副變量按同一方向變化，即主、副變量同時(shí)升高或者降低，此時(shí)兩個(gè)調(diào)節(jié)器對執(zhí)行器的控制方向是一致的，加強(qiáng)了控制作用，提高了控制質(zhì)量，若主、副變量變化方向相反，則兩個(gè)調(diào)節(jié)器對執(zhí)行器的控制方向相反，對閥門的開度做小小的變化就可以達(dá)到控制的要求，也可以提高控制的質(zhì)量，如入爐煤水分降低會使火道溫度升高，此時(shí)可以降低混合煤氣的壓力（流量），就可以使火道溫度降低，從而達(dá)到維持火道溫度穩(wěn)定的目的[3,4]。 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 　　2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 　　采用的焦?fàn)t加熱優(yōu)化串級控制系統(tǒng)框圖見圖2[3]。它包含以下幾個(gè)方面： 　?。?）穩(wěn)定結(jié)焦時(shí)間方案 　　該方案是以二前饋二反饋一監(jiān)控相結(jié)合的優(yōu)化串級調(diào)控，分別為： 　　二前饋：供熱量前饋、分煙道吸力前饋控制，即根據(jù)裝爐煤參數(shù)、焦餅終了溫度和結(jié)焦時(shí)間確定供熱量，再根據(jù)加熱煤氣參數(shù)和焦?fàn)t作業(yè)率確定前饋輸入煤氣流量和壓力;根據(jù)煤氣流量、熱值和目標(biāo)火道溫度、空氣系數(shù)確定前饋輸入分煙道吸力。 [align=center] 圖2 焦?fàn)t加熱優(yōu)化串級控制系統(tǒng) （Fig.2 Coke Oven Heating Optimizing Cascaded Control system）[/align] 　　二反饋：目標(biāo)火道溫度反饋和爐溫反饋控制，即通過蓄頂溫度與火道溫度的相關(guān)性間接 　　得到火道溫度的實(shí)測值，由設(shè)定值與實(shí)測值的偏差反饋調(diào)節(jié)供熱量;由測得粗煤氣溫度后求取結(jié)焦指數(shù)，再與設(shè)定值的偏差進(jìn)行爐溫反饋調(diào)節(jié)。 　　一監(jiān)測：分煙道含氧量監(jiān)測（或α反饋），即由實(shí)測廢氣含氧量計(jì)算得到的空氣系數(shù)與其設(shè)定值的偏差值，對煙道吸力的設(shè)定值作反饋調(diào)節(jié)。爐溫控制采用串級控制、吸力控制采用設(shè)定值隨動(dòng)控制方案。 　?。?）結(jié)焦時(shí)間變動(dòng)時(shí)的控制方案 　　該方案是以優(yōu)化串級控制與專家系統(tǒng)相結(jié)合的方案。只在結(jié)焦時(shí)間變動(dòng)時(shí)運(yùn)行，運(yùn)行中按結(jié)焦時(shí)間變化幅度分步實(shí)施。具有操作簡單、穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，當(dāng)達(dá)到規(guī)定的結(jié)焦時(shí)間和爐溫后即進(jìn)入穩(wěn)定結(jié)焦時(shí)間。 　?。?）溫度檢測系統(tǒng) 　　采集蓄熱室頂部空間溫度或跨越孔溫度對火道溫度，利用立火道軟測量模型，根據(jù)蓄頂溫度或跨越孔溫度得到整個(gè)焦?fàn)t的平均爐溫。 　?。?）建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，并采用模型自學(xué)習(xí)系統(tǒng)對模型進(jìn)行自動(dòng)修正?？刂茢?shù)學(xué)模型主要包括前饋供熱量數(shù)學(xué)模型、目標(biāo)火道溫度計(jì)算模型、分煙道吸力前饋控制模型、結(jié)焦終了時(shí)間判斷模型。 　　2.2 目標(biāo)火道溫度的優(yōu)化控制模型 　　目標(biāo)火道溫度是機(jī)、焦側(cè)火道溫度平均值的目標(biāo)值，它是在規(guī)定的結(jié)焦時(shí)間內(nèi)保證焦餅成熟的一個(gè)主要工藝指標(biāo)，合理確定目標(biāo)火道溫度不僅影響焦炭質(zhì)量，而且對節(jié)能降耗至關(guān)重要[5,6]。目標(biāo)值定得過高，單位產(chǎn)品的能耗迅速上升，并且容易造成“扒焦”現(xiàn)象，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。若定得過低，焦炭不能成熟。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，火道溫度每升高10℃，煉焦耗熱量就增加95kJ/kg，因此，目標(biāo)火道溫度的確定是焦?fàn)t節(jié)能降耗的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，影響目標(biāo)火道溫度的因素主要有結(jié)焦時(shí)間和焦餅中心溫度，以及裝爐煤的堆密度、含水量、炭化室寬度、爐墻厚度等，對傳熱方程進(jìn)行數(shù)值求解可以得到目標(biāo)立火道溫度實(shí)用模型。數(shù)學(xué)模型主要包括以下幾個(gè)： 　?。?）前饋供熱量模型 　　國外在焦?fàn)t控制中采用最多的是此類模型。前饋供熱量控制模型的關(guān)鍵是確定煉焦耗熱量。根據(jù)焦?fàn)t熱平衡Q[sub]入[/sub]=Q[sub]出[/sub]理論，可對爐墻與煤料的傳熱方程歸納為; 　?。?） 目標(biāo)火道溫度模型 　　對于剛投產(chǎn)的焦?fàn)t從開工到達(dá)生產(chǎn)，結(jié)焦時(shí)間需要逐漸縮短，該過程最短需要1-2個(gè)月，通過測定不同結(jié)焦時(shí)間的焦餅中心溫度，為今后生產(chǎn)建立一套合理的加熱制度是十分重要的，根據(jù)對不同結(jié)焦時(shí)間的焦餅中心溫度的實(shí)測數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)進(jìn)行的回歸分析，可以得到焦餅中心溫度模型和目標(biāo)火道溫度數(shù)學(xué)模型如下： 　　機(jī)側(cè)焦餅中心溫度模型： 　?。?） 分煙道吸力控制模型 　　吸力控制能夠保證加熱煤氣的合理燃燒，因?yàn)槿紵隣顟B(tài)的好壞取決于空氣和煤氣的混合比例，稱之為空氣過剩系數(shù)（α）[6]。煤氣量由反饋控制回路調(diào)節(jié)后設(shè)定，空氣量由蓄頂吸力和風(fēng)門開度決定，在風(fēng)門不變的情況上，可由吸力控制空氣量。煤氣量與控制的混合比（α）一般采用設(shè)定值隨動(dòng)控制方案使α不變。 　　由于采用煤氣加熱時(shí)，爐溫的變化比較緩慢，每調(diào)節(jié)一次流量（壓力），大約4h后才會比較明顯地反映出溫度的變化，因此，煤氣和分煙道吸力的調(diào)節(jié)幅度每次不宜太大。通過對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的分析，可以找出在最佳燃燒狀態(tài)下的煤氣壓力與分煙道吸力之間的關(guān)系模型，直接根據(jù)煤氣壓力的波動(dòng)調(diào)整分煙道的吸力。使煙道吸力與煤氣壓力相適應(yīng)，測量分煙道中廢氣的含氧量并加以校正，以保持一定的空氣過剩系數(shù)，使燃燒處于最佳狀態(tài)。 　　在具體的實(shí)施過程中，由于采用混合煤氣加熱時(shí)，機(jī)、焦側(cè)的流量（壓力）差別很大 　　系統(tǒng)可通過判斷實(shí)際凈結(jié)焦時(shí)間和目標(biāo)凈結(jié)焦時(shí)間的偏差，來修正預(yù)定的爐溫特性曲線。在水鋼實(shí)際的操作中，由于受一些條件的限制，無法根據(jù)模型來判斷，而是一般根據(jù)結(jié)焦終了時(shí)刻前后粗煤氣的兩個(gè)特征來判斷結(jié)焦終了時(shí)間。第一就是根據(jù)粗煤氣的顏色由黃色變?yōu)樗{(lán)白色;第二就是根據(jù)粗煤氣溫度在火落前一定的時(shí)間內(nèi)明顯地上升后幾句下降來判斷。 　　綜上所述，為使焦?fàn)t加熱最佳化，控制系統(tǒng)中需包括前饋供熱量模型、目標(biāo)火道溫度模型、分煙道吸力控制模型、結(jié)焦終了時(shí)間判斷模型等計(jì)算單元即控制模型，控制模型的獲取有多種途徑，目前主要是通過現(xiàn)場測試和收集大量生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理或回歸求得。 　　2.3 實(shí)時(shí)趨勢畫面 　　在系統(tǒng)投運(yùn)前，立火道溫度波動(dòng)較大，波動(dòng)范圍基本穩(wěn)定在±25℃，投運(yùn)后整體上溫度比較平穩(wěn)，波動(dòng)大部分穩(wěn)定在±10℃之間，最大波動(dòng)為±15℃，故火道溫度得到了很好的控制效果。 　　同時(shí)實(shí)現(xiàn)了機(jī)焦側(cè)混合煤氣壓力以及分煙道吸力的自動(dòng)控制。 機(jī)焦側(cè)混合煤氣壓力控制偏差大部分在±50Pa。與此同時(shí)，機(jī)焦側(cè)煙道吸力控制偏差大部分也在±5Pa。 　　主要包括12個(gè)主要參數(shù)的實(shí)時(shí)趨勢畫面，具體如下所示 [align=center] 圖3 實(shí)時(shí)趨勢畫面 （Fig.3 Real Time Tendency Picture）[/align] 3 結(jié)論 　　某鋼廠新2#焦?fàn)t是一個(gè)典型的大慣性非線性時(shí)變的復(fù)雜的系統(tǒng)，干擾因素很多，它的過渡過程時(shí)間長達(dá)6～10h，并且過程特性參數(shù)受裝煤量、煤的性質(zhì)、含水量等影響較大。采用傳統(tǒng)的控制方法難以獲得好的控制效果。因此采用了焦?fàn)t加熱優(yōu)化串級控制系統(tǒng)，即OCC（Optimizing Cascaded Control）系統(tǒng)， 它采用了復(fù)雜控制系統(tǒng)中的串級控制和前反饋相結(jié)合的控制方法,在實(shí)際生產(chǎn)中得到了很好的運(yùn)用。 　　本控制方案經(jīng)實(shí)際生產(chǎn)實(shí)踐檢驗(yàn)表明是一套合適焦?fàn)t控制的系統(tǒng)，它不僅能夠及時(shí)調(diào)節(jié)焦?fàn)t供熱量的大小，且具有較強(qiáng)的抗干擾能力。當(dāng)然，它不僅僅在理論上是可行的，在實(shí)際系統(tǒng)中的運(yùn)行效果也比較不錯(cuò)，一般都是通過在投用一段時(shí)間都焦?fàn)t操作制度改善程度和節(jié)能情況，通過比較串級控制投用前后的煤氣用量、均勻系數(shù)、火道溫度變化等來分析其投運(yùn)效果。 　?。?）標(biāo)準(zhǔn)火道溫度的優(yōu)化，降低了焦餅中心溫度5℃，不僅可以節(jié)約加熱煤氣用量，而且根據(jù)煉焦過程N(yùn)Ox生成情況表明，降低焦餅中心溫度可以大大減少NOx的排放。 　?。?）采用OCC工藝后改善了焦?fàn)t操作環(huán)境，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度 　?。?）由于煉焦能耗降低，CO2排放量降低，有利于環(huán)境保護(hù)。 參考文獻(xiàn) 　　[1] 姚昭章. 煉焦學(xué)（修訂版）[M]. 北京:冶金工業(yè)出版社,1995. 　　[2] 鄭東明; 嚴(yán)文福. 焦?fàn)t加熱自動(dòng)控制系統(tǒng)評述與應(yīng)用[J]. 華東冶金學(xué)院學(xué)報(bào),第16卷,第3期,1999.7. 　　[3] 嚴(yán)文福;鄭明東等.焦?fàn)t加熱優(yōu)化串級調(diào)控?cái)?shù)學(xué)模型研究與應(yīng)用.安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào). 299～302卷,2003.4. 　　[4] 爾聯(lián)潔. 自動(dòng)控制系統(tǒng)仁[M]. 北京:航空工業(yè)出版社,1994. 　　[5] 王彥超;田慧. 可靠實(shí)時(shí)工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì). 微計(jì)算機(jī)信息,2008年第3-2期. 　　[6] 鮑立威;何敏;申志強(qiáng). 大型焦?fàn)t計(jì)算機(jī)優(yōu)化系統(tǒng).冶金自動(dòng)化,第18卷,第1期,1994.1.