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1、1 焦炉智能自适应加热系统CIAHS概述1.1 焦炉智能自适应加热系统简介焦炉自动加热是几十年来一直困扰焦化行业的技术难题之一，目前的国内外主流技术一般存在投资高，维护困难，可靠性差，难以长期有效运行的问题。焦炉智能自适应加热系统Coke Intelligent Adaptive Heating System，简称CIAHS是依托中国科学院自动化研究所雄厚的理论和技术积累，针对国内焦化企业生产特点，总结国内外自动加热技术经历，并综合了智能技术，计算机软件技术和先进控制理论而开发的高科技软件产品。该系统投入少，效果佳，开放灵活，可靠性高，且操作简单，便于维护，能够明显改良炼焦操作，有助于提高和稳
2、定焦碳质量，减少能耗，延长焦炉寿命。 CIAHS 系统特点1 自校正火道温度模型；2 智能容错煤气流量调节算法；3 基于模型的烟道吸力调节；4 支持多加热模式，即单烧焦炉煤气、单烧高炉煤气、烧混合煤气；5 先进的软件技术以及平安可靠的数据通讯方式；6 煤气热值波动 5以内，煤水分 6以下的情况下，投运后班直行温度波动在5以内，吨焦耗热量同比降低 1-4%； CIAHS 系统原理CIAHS 一种基于反响控制方式的新型自动加热解决方案，综合了先进控制技术，计算机技术，数据通信技术的高科技产品。CIAHS 以火道温度反响控制构造为主，预留煤水分和煤气热值前馈接口。其根本原理是：采集蓄热室温度并通过一
3、个自校正火道模型*实时估计焦炉立火道温度，将此温度与设定的目标火道温度比拟得到温度偏差，智能容错煤气流量调节算法*。根据该温度偏差来计算并修正最优的煤气流量设定值，同时，烟道吸力调节模型。根据最新计算出的煤气流量设定值和期望的烟道废气含氧量计算最优烟道吸力设定值。最后，自动按照双穿插的方式改变煤气流量和烟道吸力设定值，实现焦炉加热的优化控制。 注意：如果具备在线煤水分仪和在线热值仪，那么可增加前馈调节方式，加快调节速度，改善调节效果。 CIAHS 使用方便、维护简单，能够根据焦炉生产情况自动修正相关模型和参数，适应焦炉生产工况的改变，始终保持最优化调节，实现自动加热的长期、可靠、最优运行。 C
4、IAHS 系统原理框图如下所示： 自校正火道模型 虽然可以采用一些直接测量火道温度的方法，例如，采用光学高温计、红外线测温仪、热电偶等，这些方法或干扰大、或不能在线连续测量、或代价高。实际焦炉生产说明，火道温度与蓄热室温度之间存在一定关系，可通过多种数学工具建立两者之间的数学模型火道温度模型 ，从而可以通过便于测量的蓄热室温度间接测量火道温度，即所谓的火道温度软测量。 为了建立火道温度模型，实现火道温度的软测量，需要在焦炉机焦侧各选假设干个蓄热室，在其顶部安装热电偶，实现蓄热室温度的在线采集。 在开场估计模型参数前要确定最正确模型构造。采集蓄热室顶部温度和直行平均温度，构造模型计算数据集合和模
5、型校验数据集合，使模型在校验数据集合内取得最高的估计精度的阶次即为最正确多项式模型构造。 同步采集蓄热室温度及立火道温度数据，通过最优化算法建立火道温度与蓄热室温度之间火道温度模型。 焦炉是一个复杂的系统，许多因素会导致焦炉的温度特性不断发生改变。另外，为了尽可能准确的观测火道温度，有必要将直接反映火道温度状况但有人为干扰的红外测温数据和间接反映火道温度但由热电偶测量得到的蓄热室顶部温度融合统一起来。为此，本系统利用火道模型自校正算法，采用远程数据访问技术，将焦炉温度管理软件中的人工测量的火道温度自动读入 CIAHS 中，并校正火道模型。 本系统利用最正确多项式模型构造建立了火道温度模型，火道
6、温度模型和模型校正算法构成了自校正火道模型，从而跟踪焦炉特性改变，融合直接和间接温度数据，提高火道温度的拟和精度。 智能容错煤气流量调节算法 煤气流量和分烟道吸力的调节直接基于目标火道温度与拟和火道温度间的偏差信号。但是，拟和火道温度不可防止地存在误差，因此如果采用当前许多自动加热方法中的常规控制算法，就有可能导致控制作用与实际情况相反，即实际炉温偏低但却减少煤气流量，或者实际炉温偏高但却增加煤气流量的情况出现。这实际上是使控制变成了扰动，不仅未稳定炉温，反而起到了相反的作用,对炉温有严重的影响。本系统所采用的控制算法能够从本质上防止由于炉温估计误差导致的错误控制作用，进而防止错误调节所引发的
7、干扰，极大增强自动加热的准确性和可靠性。 基于模型的烟道吸力调节 通过数学模型，而非传统经历模型实现烟道吸力的最优调节，改善煤气燃烧质量，节能降耗。烟道吸力调节模型的输入是煤气流量和期望的分烟道废气含氧量，输出是烟道吸力的最正确设定值。该模型采用自主研究开发的神经网络技术建立，可以根据焦炉工况自动校正，速度快，精度高，始终保持模型的最优性，可靠性和适应性。2 CIAHS实现 2.1 CIAHS 软件 CIAHS 是一个独立的软件产品， 可以在 DCS 工程师站或操作员站上以后台方式运行，也可以在独立的加热控制站计算机运行。CIAHS 从 DCS 控制系统读入加热计算所需数据，将优化后的煤气流量
8、和烟道吸力送给 DCS 控制系统，完成焦炉加热的优化控制。 2.2 CIAHS 软件功能 CIAHS 包括如下功能： 1 系统组态，添加删除变量，自动生成组态文件，翻开组态文件等； 2 控制参数设置，包括机焦侧煤气流量控制参数，机焦侧烟道吸力控制参数，机焦侧火道模型，以及自动加热的控制周期等； 3 帐户管理，将操作分配不同的级别和权限，便于管理和维护； 4 事件记录功能，CIAHS 软件能够自动记录自动加热过程中各种相关操作，并作为事件进展记录和存储，为生产和管理提供了详细可靠的资料； 5 软件的自动安装和卸载，提供了相关的安装文件，可以自动实现文件的解压和计算机系统参数配置，卸载功能可以自动
9、从系统中删除所有 CIAHS 软件组件； CIAHS 具有如下特点： 1 界面友好，使用简单； 2 维护和升级简便； 3 通过使用 OPC 技术，实现良好的兼容性。 2.3 实施方案 对于焦炉本身，为了保证实施 CIAHS 的效果，要求 1 焦炉蓄热室无大的串漏现象； 2 煤气流量和烟道吸力的检测仪表和执行机构功能良好； 硬件选购及安装 热电偶和氧化锆安装说明及考前须知见附件一和附件二。 监控画面 后台运行的自动加热程序将优化计算结果数据发送到 DCS，并在 DCS 操作员站或工程师站上提供统一界面图1-2 。在该界面上可以完成 CIAHS 常规操作，使用方便。焦炉自动加热画面中，显示了当前设
10、定的目标火道温度，煤气流量和烟道吸力的优化设定值。3 CIAHS投运后所能到达的技术指标与效果 1 辅助人工炉温调节，缩短调节时间，每个换向周期观测一次立火道温度并调节煤气流量和烟道吸力，及时克制扰动的影响； 2 具有自校正能力，能够适应焦炉正常生产情况下各种工况的改变，易于维护和使用； 3 煤气热值波动 5以内， 煤水分 6以下的情况下， 班直行温度波动在5以内,同比吨焦耗热量降低 1-4%； 4 在 DCS 操作站上实现自动加热方式和人工加热方式的切换：启动自动加热后，自动给定煤气流量和分烟道吸力，停顿自动加热后，所有操作改为常规人工操作方式； 5 自动实现双穿插操作，保证煤气调节过程中的
11、优化燃烧； 6 炉温调节自动化，降低工人劳动强度，提高炉温调节的及时性和可靠性，提高劳动生产效益，改善操作环境，减少环境污染；7 自动加热软件具有良好的可扩展能力，便于维护和升级，充分保护企业投资；4 CIAHS的工程应用实例 2003 年初在某焦化厂 1#焦炉投运了 CIAHS，该焦炉为 42 孔 4.3 米焦炉，烧混合煤气，掺混比为 5%。图1-3显示了投运 CIAHS 前后 70 天的火道直行温度曲线每 4小时测量一次 ，其中横坐标表示数据的序号，纵坐标表示温度数值。类似地，图1-4显示了蓄热室温度曲线。两个图中的虚线表示从人工加热切换到自动加热状态。可以看到，投入自动加热后，火道温度以
12、及蓄热室温度的波动明显减小，焦炉的整个温度体系趋向平稳。 2003 年实现 1#焦炉加热自动控制后，1#焦炉安定系数从 0.86 提高到 0.92，昼夜平均温度的不合格数明显减少。焦炉炉温更加稳定、均匀，这有利于延长焦炉炉龄。焦炉加热的均匀，使焦炭的耐磨强度 M10 进一步改善，提高了焦炭质量。综合 2003 年全年的生产统计报表，该焦炉 2003 年相比 2002 年全年用量，高炉煤气与焦炉煤气实际节约了 1348.57 万 m3、246.23 万 m3。冶金焦率提高了 0.871%。数据见表二。 表二：年度数据统计5 CIAHS的应用业绩 南昌钢铁焦化厂2 座 4.3 米焦炉，42 孔 景
13、德镇开门子陶瓷化工集团焦化厂1 座 4.3 米焦炉，42孔 新余钢铁焦化厂3 座 4.3 米焦炉，63 孔 安阳钢铁公司焦化厂2 座 6 米焦炉，63 孔 云南曲靖焦化厂4 座 5.5 捣固焦炉 首钢迁安焦化厂2 座 6 米焦炉附件一：热电偶安装说明及考前须知 1 蓄热室选择 为了降低系统投资，热电偶数量一般远远少于焦炉蓄热室数量。所测量的蓄热室温度必须从整体上代表整个焦炉的加热情况。为此，针对不同的推焦串序，蓄热室按照如下方式选择： 5-2 串序： 选择整座焦炉中部连续的 11 个空气蓄热室； 9-2 串序： 选择整座焦炉中部连续的 10 个空气蓄热室； 在所选定的蓄热室的机侧和焦侧分别插入
14、热电偶，因此，热电偶数量为所选择蓄热室数量的 2 倍，即 22 根5-2 串序和 20 根(9-2 串序)。 注意：所选择的蓄热室必须没有串漏，以保证所测蓄热室温度能够反响火道温度情况。如果有串漏，可以将测温蓄热室段平行移动，直至满足要求为止。 2 热电偶安装 1 将带有陶瓷保护套管的热电偶从蓄热室测温孔插入蓄热室，插入的角度应尽可能保持一致； 2 插入后将热电偶固定并密封； 3 通过补偿导线将热电偶信号引入控制柜内相应的端子。4 信号调试； 3 考前须知 1 必须保证蓄热室温度的标注与现场实际的安装位置一致。 2 插入蓄热室的热电偶不能拿出，否那么会导致保护套管炸裂，热电偶报废的后果。2 安
15、装步骤 1 在烟道壁上选定测点并按图开孔，开孔位置应在机焦侧烟道翻板前 12 米处，烟道中心轴线位置。如下示意图： 2 将安装法兰直接焊在金属壁上，如无金属壁，可将法兰加长并埋入砖墙中，用水泥封好。 3 插入探杆，参考样气入口标识点，使探杆样气入口正对气流方向，锁紧活动法兰。 4 旋下氧探头的标定专用罩，将氧探头旋入取样装置，在露天的场合，请为探头加罩防雨。 5 将厂家提供的专用电缆的航空插头接入氧探头 6 在适当位置安装好氧变送器及其保护箱 7 按照氧分析仪连线示意图连接专用电缆至氧变送器保护箱内端子： 3 防水 由于氧化锆内部在正常使用时温度高达 700 多度，因此如果有水进入氧化锆将导致氧化锆损坏报废。为此必须在安装的过程中做防水处理，包括： 1 氧化锆外部加装保护设备，如防雨罩，防止水从外部进入氧化锆； 2 作为样气的压缩空气要加装过滤，防止压缩空气带水； 4 考前须知 1 4-20mA 电流输出需在回路中外加直流电源，请严格按接线图所示极性连线，否那么会造成仪器损坏。在仔细核对连线无误后，方可通电。 2 仪器在通电后，氧变送器开场加热锆管并显示锆管温度，直至温度稳定在 735，并于十分钟后自动切换至氧量显示。