北京三博中自科技有限公司1 焦爐智能自適應加熱系統(tǒng)（CIAHS）概述1.1 焦爐智能自適應加熱系統(tǒng)簡介焦爐自動加熱是幾十年來一直困擾焦化行業(yè)的技術難題之一，目前的國內外主流技術一般存在投資高，維護困難，可靠性差，難以長期有效運行的問題。焦爐智能自適應加熱系統(tǒng)（Coke Intelligent Adaptive Heating System，簡稱CIAHS）是依托中國科學院自動化研究所雄厚的理論和技術積累，針對國內焦化企業(yè)生產特點，總結國內外自動加熱技術經驗，并綜合了智能技術，計算機軟件技術和先進控制理論而開發(fā)的高科技軟件產品。該系統(tǒng)投入少，效果佳，開放靈活，可靠性高，且操作簡單，便于維護，能夠明顯改進煉焦操作，有助于提高和穩(wěn)定焦碳質量，減少能耗，延長焦爐壽命。1.2 CIAHS 系統(tǒng)特點（1） 自校正火道溫度模型；（2） 智能容錯煤氣流量調節(jié)算法；（3） 基于模型的煙道吸力調節(jié)；（4） 支持多加熱模式，即單燒焦爐煤氣、單燒高爐煤氣、燒混合煤氣；（5） 先進的軟件技術以及安全可靠的數(shù)據(jù)通訊方式；（6） 煤氣熱值波動 5以內，煤水分 6以下的情況下，投運后班直行溫度波動在5以內，噸焦耗熱量同比降低 1-4%；1.3 CIAHS 系統(tǒng)原理CIAHS 一種基于反饋控制方式的新型自動加熱解決方案，綜合了先進控制技術，計算機技術，數(shù)據(jù)通信技術的高科技產品。CIAHS 以火道溫度反饋控制結構為主，預留煤水分和煤氣熱值前饋接口。其基本原理是：采集蓄熱室溫度并通過一個自校正火道模型*實時估計焦爐立火道溫度，將此溫度與設定的目標火道溫度比較得到溫度偏差，智能容錯煤氣流量調節(jié)算法*。根據(jù)該溫度偏差來計算并修正最優(yōu)的煤氣流量設定值，同時，煙道吸力調節(jié)模型。根據(jù)最新計算出的煤氣流量設定值和期望的煙道廢氣含氧量計算最優(yōu)煙道吸力設定值。最后，自動按照雙交叉的方式改變煤氣流量和煙道吸力設定值，實現(xiàn)焦爐加熱的優(yōu)化控制。 注意：如果具備在線煤水分儀和在線熱值儀，則可增加前饋調節(jié)方式，加快調節(jié)速度，改善調節(jié)效果。 CIAHS 使用方便、維護簡單，能夠根據(jù)焦爐生產情況自動修正相關模型和參數(shù)，適應焦爐生產工況的改變，始終保持最優(yōu)化調節(jié)，實現(xiàn)自動加熱的長期、可靠、最優(yōu)運行。 CIAHS 系統(tǒng)原理框圖如下所示：1.3.1 自校正火道模型 雖然可以采用一些直接測量火道溫度的方法，例如，采用光學高溫計、紅外線測溫儀、熱電偶等，這些方法或干擾大、或不能在線連續(xù)測量、或代價高。實際焦爐生產表明，火道溫度與蓄熱室溫度之間存在一定關系，可通過多種數(shù)學工具建立兩者之間的數(shù)學模型（火道溫度模型） ，從而可以通過便于測量的蓄熱室溫度間接測量火道溫度，即所謂的火道溫度軟測量。 為了建立火道溫度模型，實現(xiàn)火道溫度的軟測量，需要在焦爐機焦側各選若干個蓄熱室，在其頂部安裝熱電偶，實現(xiàn)蓄熱室溫度的在線采集。 在開始估計模型參數(shù)前要確定最佳模型結構。采集蓄熱室頂部溫度和直行平均溫度，構造模型計算數(shù)據(jù)集合和模型校驗數(shù)據(jù)集合，使模型在校驗數(shù)據(jù)集合內取得最高的估計精度的階次即為最佳多項式模型結構。 同步采集蓄熱室溫度及立火道溫度數(shù)據(jù)，通過最優(yōu)化算法建立火道溫度與蓄熱室溫度之間火道溫度模型。 焦爐是一個復雜的系統(tǒng)，許多因素會導致焦爐的溫度特性不斷發(fā)生改變。另外，為了盡可能準確的觀測火道溫度，有必要將直接反映火道溫度狀況但有人為干擾的紅外測溫數(shù)據(jù)和間接反映火道溫度但由熱電偶測量得到的蓄熱室頂部溫度融合統(tǒng)一起來。為此，本系統(tǒng)利用火道模型自校正算法，采用遠程數(shù)據(jù)訪問技術，將焦爐溫度管理軟件中的人工測量的火道溫度自動讀入 CIAHS 中，并校正火道模型。 本系統(tǒng)利用最佳多項式模型結構建立了火道溫度模型，火道溫度模型和模型校正算法構成了自校正火道模型，從而跟蹤焦爐特性改變，融合直接和間接溫度數(shù)據(jù)，提高火道溫度的擬和精度。 1.3.2 智能容錯煤氣流量調節(jié)算法 煤氣流量和分煙道吸力的調節(jié)直接基于目標火道溫度與擬和火道溫度間的偏差信號。但是，擬和火道溫度不可避免地存在誤差，因此如果采用當前許多自動加熱方法中的常規(guī)控制算法，就有可能導致控制作用與實際情況相反，即實際爐溫偏低但卻減少煤氣流量，或者實際爐溫偏高但卻增加煤氣流量的情況出現(xiàn)。這實際上是使控制變成了擾動，不僅未穩(wěn)定爐溫，反而起到了相反的作用,對爐溫有嚴重的影響。本系統(tǒng)所采用的控制算法能夠從本質上避免由于爐溫估計誤差導致的錯誤控制作用，進而避免錯誤調節(jié)所引發(fā)的干擾，極大增強自動加熱的準確性和可靠性。 1.3.3 基于模型的煙道吸力調節(jié) 通過數(shù)學模型，而非傳統(tǒng)經驗模型實現(xiàn)煙道吸力的最優(yōu)調節(jié)，改善煤氣燃燒質量，節(jié)能降耗。煙道吸力調節(jié)模型的輸入是煤氣流量和期望的分煙道廢氣含氧量，輸出是煙道吸力的最佳設定值。該模型采用自主研究開發(fā)的神經網絡技術建立，可以根據(jù)焦爐工況自動校正，速度快，精度高，始終保持模型的最優(yōu)性，可靠性和適應性。2 CIAHS實現(xiàn) 2.1 CIAHS 軟件 CIAHS 是一個獨立的軟件產品， 可以在 DCS 工程師站或操作員站上以后臺方式運行，也可以在獨立的加熱控制站（計算機）運行。CIAHS 從 DCS 控制系統(tǒng)讀入加熱計算所需數(shù)據(jù)，將優(yōu)化后的煤氣流量和煙道吸力送給 DCS 控制系統(tǒng)，完成焦爐加熱的優(yōu)化控制。 2.2 CIAHS 軟件功能 CIAHS 包括如下功能： （1） 系統(tǒng)組態(tài)，添加刪除變量，自動生成組態(tài)文件，打開組態(tài)文件等； （2） 控制參數(shù)設置，包括機焦側煤氣流量控制參數(shù)，機焦側煙道吸力控制參數(shù)，機焦側火道模型，以及自動加熱的控制周期等； （3） 帳戶管理，將操作分配不同的級別和權限，便于管理和維護； （4） 事件記錄功能，CIAHS 軟件能夠自動記錄自動加熱過程中各種相關操作，并作為事件進行記錄和存儲，為生產和管理提供了詳細可靠的資料； （5） 軟件的自動安裝和卸載，提供了相關的安裝文件，可以自動實現(xiàn)文件的解壓和計算機系統(tǒng)參數(shù)配置，卸載功能可以自動從系統(tǒng)中刪除所有 CIAHS 軟件組件； CIAHS 具有如下特點： （1） 界面友好，使用簡單； （2） 維護和升級簡便； （3） 通過使用 OPC 技術，實現(xiàn)良好的兼容性。 2.3 實施方案 對于焦爐本身，為了保證實施 CIAHS 的效果，要求 （1） 焦爐蓄熱室無大的串漏現(xiàn)象； （2） 煤氣流量和煙道吸力的檢測儀表和執(zhí)行機構功能良好；2.3.2 硬件選購及安裝 熱電偶和氧化鋯安裝說明及注意事項見附件一和附件二。 2.3.3 監(jiān)控畫面 后臺運行的自動加熱程序將優(yōu)化計算結果數(shù)據(jù)發(fā)送到 DCS，并在 DCS 操作員站或工程師站上提供統(tǒng)一界面（圖（1-2） ） 。在該界面上可以完成 CIAHS 常規(guī)操作，使用方便。焦爐自動加熱畫面中，顯示了當前設定的目標火道溫度，煤氣流量和煙道吸力的優(yōu)化設定值。3 CIAHS投運后所能達到的技術指標與效果 （1） 輔助人工爐溫調節(jié)，縮短調節(jié)時間，每個換向周期觀測一次立火道溫度并調節(jié)煤氣流量和煙道吸力，及時克服擾動的影響； （2） 具有自校正能力，能夠適應焦爐正常生產情況下各種工況的改變，易于維護和使用； （3） 煤氣熱值波動 5以內， 煤水分 6以下的情況下， 班直行溫度波動在5以內,同比噸焦耗熱量降低 1-4%； （4） 在 DCS 操作站上實現(xiàn)自動加熱方式和人工加熱方式的切換：啟動自動加熱后，自動給定煤氣流量和分煙道吸力，停止自動加熱后，所有操作改為常規(guī)人工操作方式； （5） 自動實現(xiàn)雙交叉操作，保證煤氣調節(jié)過程中的優(yōu)化燃燒； （6） 爐溫調節(jié)自動化，降低工人勞動強度，提高爐溫調節(jié)的及時性和可靠性，提高勞動生產效益，改善操作環(huán)境，減少環(huán)境污染；（7） 自動加熱軟件具有良好的可擴展能力，便于維護和升級，充分保護企業(yè)投資；4 CIAHS的工程應用實例 2003 年初在某焦化廠 1#焦爐投運了 CIAHS，該焦爐為 42 孔 4.3 米焦爐，燒混合煤氣，摻混比為 5%。圖（1-3）顯示了投運 CIAHS 前后 70 天的火道直行溫度曲線（每 4小時測量一次） ，其中橫坐標表示數(shù)據(jù)的序號，縱坐標表示溫度數(shù)值。類似地，圖（1-4）顯示了蓄熱室溫度曲線。兩個圖中的虛線表示從人工加熱切換到自動加熱狀態(tài)?？梢钥吹?，投入自動加熱后，火道溫度以及蓄熱室溫度的波動明顯減小，焦爐的整個溫度體系趨向平穩(wěn)。 2003 年實現(xiàn) 1#焦爐加熱自動控制后，1#焦爐安定系數(shù)從 0.86 提高到 0.92，晝夜平均溫度的不合格數(shù)明顯減少。焦爐爐溫更加穩(wěn)定、均勻，這有利于延長焦爐爐齡。焦爐加熱的均勻，使焦炭的耐磨強度 M10 進一步改善，提高了焦炭質量。綜合 2003 年全年的生產統(tǒng)計報表，該焦爐 2003 年相比 2002 年全年用量，高爐煤氣與焦爐煤氣實際節(jié)約了 1348.57 萬 m3、246.23 萬 m3。冶金焦率提高了 0.871%。數(shù)據(jù)見表二。 表二：年度數(shù)據(jù)統(tǒng)計5 CIAHS的應用業(yè)績 南昌鋼鐵有限公司焦化廠（2 座 4.3 米焦爐，42 孔） 景德鎮(zhèn)開門子陶瓷化工集團有限公司焦化廠（1 座 4.3 米焦爐，42孔） 新余鋼鐵有限公司焦化廠（3 座 4.3 米焦爐，63 孔） 安陽鋼鐵公司焦化廠（2 座 6 米焦爐，63 孔） 云南曲靖焦化廠（4 座 5.5 搗固焦爐） 首鋼遷安焦化廠（2 座 6 米焦爐）附件一：熱電偶安裝說明及注意事項 1 蓄熱室選擇 為了降低系統(tǒng)投資，熱電偶數(shù)量一般遠遠少于焦爐蓄熱室數(shù)量。所測量的蓄熱室溫度必須從整體上代表整個焦爐的加熱情況。為此，針對不同的推焦串序，蓄熱室按照如下方式選擇： 5-2 串序： 選擇整座焦爐中部連續(xù)的 11 個空氣蓄熱室； 9-2 串序： 選擇整座焦爐中部連續(xù)的 10 個空氣蓄熱室； 在所選定的蓄熱室的機側和焦側分別插入熱電偶，因此，熱電偶數(shù)量為所選擇蓄熱室數(shù)量的 2 倍，即 22 根（5-2 串序）和 20 根(9-2 串序)。 注意：所選擇的蓄熱室必須沒有串漏，以保證所測蓄熱室溫度能夠反應火道溫度情況。如果有串漏，可以將測溫蓄熱室段平行移動，直至滿足要求為止。 2 熱電偶安裝 （1） 將帶有陶瓷保護套管的熱電偶從蓄熱室測溫孔插入蓄熱室，插入的角度應盡可能保持一致； （2） 插入后將熱電偶固定并密封； （3） 通過補償導線將熱電偶信號引入控制柜內相應的端子。（4） 信號調試； 3 注意事項 （1） 必須保證蓄熱室溫度的標注與現(xiàn)場實際的安裝位置一致。 （2） 插入蓄熱室的熱電偶不能拿出，否則會導致保護套管炸裂，熱電偶報廢的后果。2 安裝步驟 （1） 在煙道壁上選定測點并按圖開孔，開孔位置應在機焦側煙道翻板前 12 米處，煙道中心軸線位置。如下示意圖： （2） 將安裝法蘭直接焊在金屬壁上，如無金屬壁，可將法蘭加長并埋入磚墻中，用水泥封好。 （3） 插入探桿，參考樣氣入口標識點，使探桿樣氣入口正對氣流方向，鎖緊活動法蘭。 （4） 旋下氧探頭的標定專用罩，將氧探頭旋入取樣裝置，在露天的場合，請為探頭加罩防雨。 （5） 將廠家提供的專用電纜的航空插頭接入氧探頭 （6） 在適當位置安裝好氧變送器及其保護箱 （7） 按照氧分析儀連線示意圖連接專用電纜至氧變送器保護箱內端子： 3 防水 由于氧化鋯內部在正常使用時溫度高達 70