郭天勝1， 王慧璐2 ， 王君敏1， 趙 鋒1， 甘秀石3, 侯士彬1
（1. 鞍鋼股份有限公司煉焦總廠，遼寧 鞍山 114021；2.中冶焦耐自動化有限公司，遼寧 大連 116000；3.鞍鋼集團鋼鐵研究院，遼寧 鞍山 114009）
摘 要：鞍鋼股份有限公司煉焦總廠焦爐加熱控制系統原設計為離散控制系統，通過人工手動定時測溫來調節焦爐加熱指導生產操作，存在勞動強度高、檢測數據失真不連貫、能源浪費現象。為響應鞍鋼集團公司“信息化、智能化”項目建設的要求，通過在線測溫設備及DCS控制系統新設備新技術的應用，實現對焦爐溫度的連續化檢測與精控調節，有效的提升了焦爐的自動化檢測與控制水平，同時改善焦爐溫度的安定性、降低人工測溫勞動強度、節省焦爐加熱用煤氣量，為焦爐全面實現減員增效、節能減排、安全生產的管理目標奠定了基礎。
關鍵詞：焦爐加熱；精控調節；減員節能
1 概述
鞍鋼股份有限公司煉焦總廠共有6座55孔6米頂裝焦爐、2座50孔6米頂裝焦爐以及4座60孔7m頂裝焦爐。上述焦爐原設計均采用溫度管理制度，采取人工手動測溫方式，由測溫每工間隔4小時測量一次直行溫度，并分別計算機、焦側標準火道平均溫度，根據平均溫度與目標溫度偏差值，依靠經驗，人工調節煤氣量及煙道吸力，進行焦爐加熱控制［1-2］。
2 問題引出
傳統測溫加熱方式以人工為主導，測溫人員存在人為偷懶、視覺誤差及雨雪天氣等因素影響，必然存在測溫偏差與實際不符問題，對于焦爐加熱煤氣流量的加減不能做到及時科學定量調節控制，不僅浪費煤氣量，也不利于焦炭質量的穩定。近幾十年來，為解決人工手動測溫存在的問題，國內外焦化行業先后經歷了推焦桿測溫、爐體電偶測溫等技術變革，但由于測溫儀器技術的限制和焦爐結構的復雜性，均未能達到預期效果，國內也未能大規模引入應用。隨著檢測儀器的技術進步和計算機控制模型的不斷成熟完善，2012年以來，爐頂紅外測溫加熱技術逐漸在國內外焦化行業得到應用推廣，在確保焦炭質量穩定的同時，極大降低了焦爐能耗。同時為響應鞍鋼集團公司“信息化、智能化項目建設”的要求，鞍鋼股份煉焦總廠在全廠12座焦爐配套增加智能加熱控制系統。
3 智能加熱控制系統
相對傳統測溫加熱方式，焦爐智能加熱控制系統在建立在焦爐集散控制系統基礎之上，為焦爐的控制與管理提供了全自動化的解決方案。該系統采用溫度反饋控制，實現了對焦爐溫度的精細化檢測與總體調節，有效的提高了焦爐溫度的均勻性和安定性，改善焦炭質量，穩定焦爐生產，提升了焦爐的自動化檢測與控制水平，為焦爐全面實現減員增效、節能減排的管理目標奠定了基礎[3]。與目前現有焦爐離散加熱管理控制模式相比，智能加熱控制系統具有降低人工勞動強度、消除人工測量誤差、節省加熱煤氣用量、提高焦炭的質量四大優點。
（1）降低人工勞動強度
焦爐手動測溫，是指測溫工人每隔4小時到爐頂看火孔蓋處對指定號進行開蓋用手持儀器測量溫度，智能加熱控制系統自動測溫是在焦爐爐頂立火道看火孔蓋處固定安裝高溫紅外儀，實現溫度數據在線時時采集傳輸。該方式與人工測溫位置相同，測溫原理相同，可完全取消4小時人工定時測溫或延長測溫頻次，降低人工勞動強度。
（2）消除人工測量誤差
測溫工人手動用測溫儀測量溫度，由于現場站位、雨雪天氣及技能經驗等外界因素影響，極易造成測量溫度數據與實際真實值存在偏差，進而造成調節不準溫度控制不理想。
（3）節省加熱煤氣用量
智能加熱控制系統可在線連續測量焦爐立火道溫度，實時監視焦爐溫度變化趨勢，每兩個交換周期計算1次機、焦側均溫，并根據目標溫度，對焦爐進行溫度反饋控制。相對于4小時人工直行測溫和加熱控制管理模式，可以減少加熱煤氣流量超調，避免焦爐平均溫度大幅波動，使爐溫更加合理、穩定，節省了焦爐加熱用煤氣流量。
（4）提高焦炭質量
焦爐智能加熱控制系統采用人工智能優化控制模型算法，可根據歷史數據，分析爐溫和供熱量的相關性，并給出控制參數；同時，該系統具有自整定功能，可跟隨焦爐生產工況波動，在合理區間內，自行調整計算參數，確保焦爐溫度控制更加精確，避免爐溫波動影響焦炭產品質量。
4 改造實施
針對傳統焦爐離散控制系統存在問題，及焦爐智能加熱控制系統應用大趨勢，同時響應鞍鋼集團公司“信息化、智能化項目建設”的要求，鞍鋼股份煉焦總廠在全廠12座焦爐配套增加智能加熱控制系統。
4.1 目標
通過焦爐智能加熱控制系統項目改造應用，實現以下目標：
1）實現每座焦爐全爐標準火道溫度自動測量，減少人工直行測溫頻次，降低崗位工人勞動強度。
2）實現自動計算焦爐直行機側均溫、焦側均溫、均勻系數和安定系數等指標數據，自動生成班報、日報，自動統計高、低溫號，晝夜溫差等統計數據，生成單爐實時溫度、全爐均溫、直行溫度等多種趨勢曲線，指導熱工人員調火。
3）在焦爐集散控制系統基礎之上，新增控制系統，通過數據讀取，實現主管煤氣流量和分煙道吸力翻板全自動控制，達到每兩個交換周期調節1次，使爐溫控制更加穩定、精準，在確保焦炭質量穩定的同時，減少加熱煤氣流量超調，避免溫度大幅波動，節省煤氣量。
4.2 實施方案
在原有焦爐集散控制系統基礎之上，新增相關設施，包括爐頂自動測溫設備、輔助制氮機氣源設備、控制系統、工程師站、操作員站和配套應用軟件，構成焦爐智能加熱控制系統。焦爐智能加熱控制系統如下圖1所示。
圖1焦爐智能加熱控制系統Intelligent heating control system for coke oven
4.3 系統構成
4.3.1 爐頂自動測溫設備
爐頂自動測溫設備安裝位置是決定智能加熱系統穩定運行關鍵因素，經比較，在爐頂機焦側標準火道前后，貼近煤車軌道附近，選擇兩個有代表性的立火道，作為測溫火道，測溫火道盡可能遠離裝煤孔蓋，防止裝煤生產時火焰烘烤測溫設備及管線，延長使用壽命。對于每座焦爐邊爐機、焦兩側分別安裝2臺高溫紅外儀，其它爐號每個燃燒室安裝1臺高溫紅外儀，連續在線測量立火道溫度，結合人工手動測溫數據，分析標準火道與代表火道數學關系模型，通過補償計算方式得出標準火道溫度，進而全爐機、焦側標準火道溫度，以及均勻系數和安定系數［4-5］。鑒于現場實際情況，最終確定7米焦爐測溫火道為10火道和26火道，6米焦爐選定測溫火道為9和24火道，呈單W型排布，測溫儀現場安裝布置如下圖2所示［6-7］。
圖2測溫儀現場安裝布置Site installation layout of the thermometer
4.3.2 其它配套設備
氣源輔助設備為小型制氮機，制氮量為30m3/h，現場安放于焦爐中間二層間臺以便于日常維護；控制系統與工程師站、操作員站均放置在焦爐操作室，控制系統采用與各作業區原有焦爐控制系統品牌一致，確保網絡通訊暢通。
4.3.3 應用軟件
智能加熱控制系統軟件是焦爐智能加熱改造項目核心，由數據采集軟件、手動測溫軟件、自動測溫軟件、優化控制軟件組成。采用SQL Server數據庫，在Visual Studio平臺下，用高級語言開發，功能強大，適應性強，符合焦爐工藝原理。
數據采集軟件
通過OPC 協議，實現對DCS系統數據的采集和下傳；分庫存儲數據，確保海量數據查詢性能；提供實時數據顯示，歷史數據查詢，趨勢曲線顯示等功能。
手動測溫軟件
提供直行、橫排、邊火道與焦餅的溫度管理，支持多種曲線及報表查詢、打??；兼容國內外多種主流紅外線高溫計；軟件適用性與通用性強，參數設置靈活。
自動測溫軟件
組態設置焦爐基礎數據、系統計算參數等；自動測量全爐標準火道溫度，實時監視焦爐溫度變化趨勢；自動計算直行溫度均勻系數、安定系數、機焦側均溫；自動生成直行測溫次報、班報、日報；顯示測溫曲線、異常報警等。
優化控制軟件
根據被控焦爐真實數據分析焦爐溫度與流量相關性；根據歷史數據，整定控制模型參數；
組態設置控制模型基本參數；根據焦爐的溫度和壓力，對主管流量和分煙道吸力進行有效控制；采用溫度反饋控制方式，通過改變主管流量控制焦爐的平均溫度，提高爐溫的安定性。
4.4 優化控制
4.4.1 控制對象
在周轉時間一定的前提下，根據焦爐的溫度和壓力數據，對主管流量和分煙道吸力進行控制。富煤氣加熱時，控制焦爐煤氣主管流量/壓力，機、焦側分煙道吸力。貧煤氣加熱時，分別控制機、焦側高爐煤氣主管流量/壓力，機、焦側分煙道吸力。控制對象根據原有焦爐實際情況，選擇遠程給定流量或壓力設定值，原焦爐控制系統根據遠程設定值，進行自動控制調節［8-10］。
4.4.2 控制方案
采用溫度反饋控制方式，通過改變主管流量控制焦爐的平均溫度，提高爐溫的穩定性。根據自動測溫數據計算焦爐平均溫度，與目標溫度比較，計算溫度偏差值，通過模型預測計算，得到主管流量/壓力修正值，進行反饋控制。
E代表均溫與標溫的偏差
4.4.3 原有控制系統的改造
對原有焦爐控制系統程序進行改造，對焦爐加熱控制模式設定畫面，該畫面顯示當前焦爐的“控制模式”、“交換狀態”以及參與控制的儀表的位號、DCS設定值、遠程設定值和上下限值。DCS操作工可以通過焦爐加熱控制模式設定頁面如圖3所示，隨時切換焦爐加熱控制模式。
圖3焦爐加熱控制模式設定畫面Coke-oven heating control mode setting screen
如上圖所示，焦爐加熱的控制模式分為兩種，分別是智能控制和DCS控制，點擊“控制模式”按鈕，可以切換焦爐的控制模式。智能控制：控制對象的設定值由焦爐新增加熱系統自動計算數據，每間隔2個交換周期計算一次，并發送給焦爐控制系統，焦爐控制系統根據遠程設定值，全自動調節。DCS控制：DCS操作工根據4小時人工手動測溫數據，人工調整控制對象的設定值，焦爐控制系統根據人工設定值，全自動調節。
4.5 注意事項
為保障焦爐自動加熱控制安全穩定，避免異?？刂朴绊懡範t生產，造成惡性生產事故，焦爐智能加熱系統投入使用時候需關注如下幾點：
（1）自動測溫數據異常報警，異常數據不參與均值計算，不參與加熱控制；
（2）控制對象遠程設定值設置上下限，數據發送給焦爐控制系統前，需進行限值判斷；
（3）控制對象遠程設定值設置增量限幅，每次控制值變化量不允許超出限幅；
（4）焦爐DCS操作人員在控制模式切換前后，一定要記錄當前設定值，并確認是否切換成功。
5 結語
焦爐智能加熱控制系統投產應用后，較傳統測溫加熱方式相比，實現了對焦爐加熱的精細化管控，有效的提高了焦爐溫度的均勻性和安定性，降低崗位人員勞動強度，實現轉崗20人，確保焦炭質量的同時節約了煤氣量，實現節省加熱用煤氣量1.5%以上，煉焦總廠實現年節能1047196GJ，年創效3384.54萬元。從運行效果來看，此改造項目的順利實施，可廣泛在國內外六米、七米頂裝焦爐推廣使用。
本文在研究和撰寫的過程中，得到了鞍鋼股份有限公司煉焦總廠、中冶焦耐自動化有限公司、鞍鋼集團鋼鐵研究院領導、專家和同事親切關懷和細心指導。專家們治學態度嚴謹，工作精益求精，本人受益匪淺。由于本人主要從事儀器儀表自動化專業，知識面有限，其它專業工作經驗不足，在項目建設期間工程管理方面得到王君敏主任、王慧璐主任、趙鋒首席工程師大力輔助，在研究復雜的焦爐加熱工藝方面及論文寫作期間得到甘秀石所長、王甘霖首席工程師、侯世斌首席工程師等工藝專家耐心講解，使工程項目得以順利投產，文章能夠嚴謹完成。最終，感激在百忙之中參與評審本人文章的專家評委，我將在今后的工作、學習中加倍努力，用實際行動回報社會。祝您們工作順利，平安幸福。
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