1 前言 攀鋼煤化工廠新1#和2#兩座JN60型焦爐分別在2005年5月和10月建成投產，加熱控制在投產初期采用傳統單回路方式，結焦時間縮短到24h后，根據實測焦爐相關數據建立了爐溫控制數學模型。系統投入生產運行后，取得良好控制效果，該系統對提高焦炭質量，降低能耗和延長爐體使用壽命都具有重要的意義。 焦爐是一個典型的具有大時滯、強非線性、多變量耦合、變參數的復雜的系統，溫度受多種干擾因素的影響，它的過渡過程時間長達4～10h，并且過程特性參數受裝煤量、煤的性質、加熱煤氣熱值、含水量等影響較大。采用傳統的PID單回路控制方法難以獲得好的控制效果，因此在以往簡單控制系統的基礎上，采用了復雜控制系統中的數學模型、串級控制和前反饋相結合的控制方法。 2 系統配置 焦爐DCS控制系統采用Rockwell公司的Allen-Bradley產品和ProcessLogix過程控制軟件，整個控制系統進行了控制和通訊冗余。本DCS自動控制系統用于焦爐生產過程的集中控制、監視和管理，以及各工藝參數的數據采集、顯示和控制。可以將焦爐的工藝過程、供熱、集氣、煙道等進行實時數據采集和監控。 3 控制方案和原理分析 焦爐加熱控制技術應用已有多年，方式各有不同，主要有以下幾種方式： (1)在推焦桿上安裝特制的光學測溫裝置，推焦時測得炭化室兩側爐墻上、中、下部的溫度，斷續的反饋控制。 (2)用熱電偶測10組相鄰蓄熱室頂部溫度，利用蓄熱室頂溫度與燃燒室溫度之間的相關系數求取爐溫。 (3)利用焦爐設計時特殊預留的測溫孔及紅外比色高溫計測燃燒室底部溫度。 (4)以熱電偶連續測量各燃燒室中一對燃燒孔的頂部溫度，用作爐溫反饋及焦爐加熱狀態分析。 盡管焦爐加熱控制方法多種多樣，但可基本歸納為基于連續測量爐溫的溫度反饋系統和基于經驗模型的前饋控制系統。 3.1 系統控制方案 攀鋼煤化工廠自1999年在二期焦爐引進蓄熱室頂部連續爐溫反饋控制技術后，先后在一期和新1#2#焦爐中推廣應用，其中在新1#2#焦爐中運用技術更為成熟，其控制框圖見圖2。 3.2 系統控制原理 爐溫和吸力控制采用二前饋一反饋三修正相結合的優化串級設定值隨動控制方案，系統工作在穩定結焦時間或結焦時間變動過程中。在結焦時間變動時，運行中按結焦時間變化幅度分步人工干預目標溫度，當達到規定的結焦時間和爐溫后即進入穩定結焦時間。 3.2.1 原理分析 二前饋：供熱量前饋、分煙道吸力前饋控制，即根據裝爐煤參數、焦餅中心溫度和結焦時間確定供熱量，再根據加熱煤氣參數和焦爐作業率確定前饋輸入煤氣流量和壓力；根據煤氣流量、熱值和目標火道溫度確定前饋輸入分煙道吸力。 一反饋：爐溫反饋，即通過蓄頂溫度與火道溫度的相關性間接得到火道溫度的實測值，由設定值與實測值的偏差反饋調節供熱量。 三修正：加熱用煤氣熱值修正、配合煤水份修正、實測焦餅中心溫度修正。 3.2.2 檢測設備與控制數學模型 3.2.2.1 主要檢測設備及作用 焦爐機焦側蓄熱室頂部各安裝10只熱電偶用以檢測蓄頂溫度，作為爐溫數學模型的基礎數據。 煤塔入口處安裝紅外線水份分析儀，用以檢測配和煤的水份，作為加熱煤氣流量修正參數之一，水份也可由化驗室提供，人工手動輸入。 高爐煤氣和焦爐煤氣熱值分析儀，實時自動測量煤氣熱值，作為加熱煤氣流量修正參數之一。 人工焦餅中心溫度測量，人為輸入控制系統，作為加熱煤氣流量修正參數之一。 高爐煤氣和焦爐煤氣流量超聲波檢測儀，實時自動測量煤氣流量，作為加熱煤氣流量串級系統反饋。 3.2.2.2 加熱控制數學模型 攀鋼新1#2#焦爐每座焦爐有55個炭化室，56個燃燒室，57個蓄熱室?？諝?、煤氣都經蓄熱室預熱匯合而燃燒。交換開始時蓄熱室溫度最高，被預熱的空氣、煤氣溫度以及燃燒后的廢氣溫度也高。隨著時間的推移，因空氣、煤氣都從蓄熱室帶走熱量，預熱溫度和燃燒后的廢氣溫度逐漸降低，直到下一次交換溫度又逐漸上升。由此從蓄頂溫度與跨越孔溫度隨換向時間變化數據可知，無論上升氣流或下降氣流，單號或雙號，蓄頂溫度變化具有規律性，交換時間為20min，所以取2個交換時間40min為一周期，取焦爐中部10個蓄熱室23#～32#的頂部溫度為計算依據，以這周期內的溫度平均值經過與火道溫度的相關數學模型擬合出火道溫度。計算方法如下： 擬合火道溫度=蓄頂溫度×溫度系數＋溫度常數 設定流量=偏值流量＋比例增益×（目標溫度－擬合溫度） 設定吸力=設定流量×吸力系數＋吸力常數 水份修正：設定流量的變化值=（實測水份－設定水份）×水份修正系數 修正后的設定流量=原設定流量＋設定流量的變化值 熱值修正：熱值修正系數=設定煤氣熱值÷實測煤氣熱值 修正后的設定流量=原設定流量×熱值修正系數 焦餅中心溫度修正： 目標溫度修正值=（設定焦餅中心溫度—實測焦餅中心溫度）×溫度修正系數 修正后的設定流量=原設定流量＋目標溫度修正值×比例增益 3.3 數學模型與煤氣流量、煙道吸力串級過程控制分析 串級控制分別以火道溫度和煤氣流量為主，引入副回路的目的是為了改善因高爐煤氣總管壓力波動而引起煤氣流量擾動，它的控制規律為PI（比例、積分）調節。主回路采用數學模型控制。主回路的輸出作為副回路的給定，副回路的輸出送往執行機構。如圖3所示。 在配煤比和煤氣熱值比較穩定的情況下，入爐煤參數通常波動很小，入爐煤轉化成焦炭所需要的熱量和煤氣燃燒所供給的熱量基本達到平衡，平均火道溫度保持穩定，調節閥保持一定開度，此時煤氣流量穩定在設定值上。當擾動發生時，破壞了上述穩定狀態，調節器開始工作。 　　與簡單控制回路不同，根據擾動點的位置不同，串級控制回路在調節形式方面有以下特點： 擾動作用在副回路：若高爐煤氣流量發生變化時，由于溫度變化的滯后性，它對蓄熱室頂部溫度的影響緩慢。首先副調節器及時進行調節，改變煤氣流量以維持火道溫度。若擾動量小，經過副回路及時控制后，一般不影響火道溫度。在大幅擾動發生時，大部分被副回路克服，小部分影響則被主回路消除，從而加速了克服擾動的調節過程，使火道溫度盡快恢復到設定值上來。 擾動作用在主回路：當其它因素影響到火道溫度時，如入爐煤參數發生變化，則由主調節器發揮控制作用，即改變高爐煤氣流量的設定值。此時雖然副回路不能克服擾動，但由于副回路的存在而改善了過程特性，因而控制質量有所提高。 擾動同時作用在主、副回路：若擾動同時使主、副變量按同一方向變化，即主、副變量同時升高或降低，此時兩個調節器對調節閥的控制方向是一致的，加強了控制作用，提高了控制質量。若擾動同時使主、副變量按相反方向變化，即此時兩個調節器對調節閥的控制方向是相反的，閥門開度做小的變化就能達到控制要求，同時加強了控制作用，提高了控制質量。如入爐煤水份降低使火道溫度升高，而煤氣流量降低使火道溫度降低，副變量（高爐煤氣流量）降低恰好滿足主變量（火道溫度）需要降低的要求。 從以上分析可以看出：串級控制系統中，由于引入了一個副回路，不僅能及早克服進入副回路的擾動，而且能改善過程特性，因此大大地提高了控制質量。 4 結束語 焦爐是一個復雜的控制對象，有很大的熱慣性，不便控制；同時，以部分蓄熱室頂部溫度擬合全爐火道溫度，這在爐況不穩定時有一定的誤差；此外還有許多難以預測的影響因素，如風向、大氣溫度變化等。但總的看來，攀鋼煤化工廠新1#2#焦爐投產后，建立了相當全面的相關數學模型，實現了焦爐加熱自動控制和優化，是焦爐加熱技術水平的一個飛躍。對提高生產效益，降低工人勞動強度，改善操作環境，提高焦炭質量，降低能耗和延長焦爐使用壽命都有重要的意義。