E4三博焦?fàn)t智能自適應(yīng)加熱系統(tǒng)技術(shù)方案.doc

北京三博中自科技有限公司1 焦?fàn)t智能自適應(yīng)加熱系統(tǒng)（CIAHS）概述1.1 焦?fàn)t智能自適應(yīng)加熱系統(tǒng)簡介焦?fàn)t自動加熱是幾十年來一直困擾焦化行業(yè)的技術(shù)難題之一，目前的國內(nèi)外主流技術(shù)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?fàn)t智能自適應(yīng)加熱系統(tǒng)（Coke Intelligent Adaptive Heating System，簡稱CIAHS）是依托中國科學(xué)院自動化研究所雄厚的理論和技術(shù)積累，針對國內(nèi)焦化企業(yè)生產(chǎn)特點，總結(jié)國內(nèi)外自動加熱技術(shù)經(jīng)驗，并綜合了智能技術(shù)，計算機軟件技術(shù)和先進控制理論而開發(fā)的高科技軟件產(chǎn)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(zhì)量，減少能耗，延長焦?fàn)t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(diào)節(jié)算法；（3） 基于模型的煙道吸力調(diào)節(jié)；（4） 支持多加熱模式，即單燒焦?fàn)t煤氣、單燒高爐煤氣、燒混合煤氣；（5） 先進的軟件技術(shù)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(nèi)，煤水分 6以下的情況下，投運后班直行溫度波動在5以內(nèi)，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(shù)，計算機技術(shù)，數(shù)據(jù)通信技術(shù)的高科技產(chǎn)品。CIAHS 以火道溫度反饋控制結(jié)構(gòu)為主，預(yù)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?fàn)t立火道溫度，將此溫度與設(shè)定的目標(biāo)火道溫度比較得到溫度偏差，智能容錯煤氣流量調(diào)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(shè)定值，同時，煙道吸力調(diào)節(jié)模型。根據(jù)最新計算出的煤氣流量設(shè)定值和期望的煙道廢氣含氧量計算最優(yōu)煙道吸力設(shè)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(shè)定值，實現(xiàn)焦?fàn)t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(diào)節(jié)方式，加快調(diào)節(jié)速度，改善調(diào)節(jié)效果。 CIAHS 使用方便、維護簡單，能夠根據(jù)焦?fàn)t生產(chǎn)情況自動修正相關(guān)模型和參數(shù)，適應(yīng)焦?fàn)t生產(chǎn)工況的改變，始終保持最優(yōu)化調(diào)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(xué)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?fàn)t生產(chǎn)表明，火道溫度與蓄熱室溫度之間存在一定關(guān)系，可通過多種數(shù)學(xué)工具建立兩者之間的數(shù)學(xué)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?fàn)t機焦側(cè)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(jié)構(gòu)。采集蓄熱室頂部溫度和直行平均溫度，構(gòu)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(nèi)取得最高的估計精度的階次即為最佳多項式模型結(jié)構(gòu)。 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?fàn)t是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，許多因素會導(dǎo)致焦?fàn)t的溫度特性不斷發(fā)生改變。另外，為了盡可能準(zhǔn)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(shù)，將焦?fàn)t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(jié)構(gòu)建立了火道溫度模型，火道溫度模型和模型校正算法構(gòu)成了自校正火道模型，從而跟蹤焦?fàn)t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(diào)節(jié)算法 煤氣流量和分煙道吸力的調(diào)節(jié)直接基于目標(biāo)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(dāng)前許多自動加熱方法中的常規(guī)控制算法，就有可能導(dǎo)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(yán)重的影響。本系統(tǒng)所采用的控制算法能夠從本質(zhì)上避免由于爐溫估計誤差導(dǎo)致的錯誤控制作用，進而避免錯誤調(diào)節(jié)所引發(fā)的干擾，極大增強自動加熱的準(zhǔn)確性和可靠性。 1.3.3 基于模型的煙道吸力調(diào)節(jié) 通過數(shù)學(xué)模型，而非傳統(tǒng)經(jīng)驗?zāi)Ｐ蛯崿F(xiàn)煙道吸力的最優(yōu)調(diào)節(jié)，改善煤氣燃燒質(zhì)量，節(jié)能降耗。煙道吸力調(diào)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(shè)定值。該模型采用自主研究開發(fā)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立，可以根據(jù)焦?fàn)t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(yīng)性。2 CIAHS實現(xiàn) 2.1 CIAHS 軟件 CIAHS 是一個獨立的軟件產(chǎn)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?fàn)t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(shè)置，包括機焦側(cè)煤氣流量控制參數(shù)，機焦側(cè)煙道吸力控制參數(shù)，機焦側(cè)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(quán)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(guān)操作，并作為事件進行記錄和存儲，為生產(chǎn)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(guān)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(shù)，實現(xiàn)良好的兼容性。 2.3 實施方案 對于焦?fàn)t本身，為了保證實施 CIAHS 的效果，要求 （1） 焦?fàn)t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(gòu)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?qū)?yōu)化計算結(jié)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?fàn)t自動加熱畫面中，顯示了當(dāng)前設(shè)定的目標(biāo)火道溫度，煤氣流量和煙道吸力的優(yōu)化設(shè)定值。3 CIAHS投運后所能達到的技術(shù)指標(biāo)與效果 （1） 輔助人工爐溫調(diào)節(jié)，縮短調(diào)節(jié)時間，每個換向周期觀測一次立火道溫度并調(diào)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(yīng)焦?fàn)t正常生產(chǎn)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(nèi)， 煤水分 6以下的情況下， 班直行溫度波動在5以內(nèi),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(diào)節(jié)過程中的優(yōu)化燃燒； （6） 爐溫調(diào)節(jié)自動化，降低工人勞動強度，提高爐溫調(diào)節(jié)的及時性和可靠性，提高勞動生產(chǎn)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(yīng)用實例 2003 年初在某焦化廠 1#焦?fàn)t投運了 CIAHS，該焦?fàn)t為 42 孔 4.3 米焦?fàn)t，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(biāo)表示數(shù)據(jù)的序號，縱坐標(biāo)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)?？梢钥吹剑度胱詣蛹訜岷?，火道溫度以及蓄熱室溫度的波動明顯減小，焦?fàn)t的整個溫度體系趨向平穩(wěn)。 2003 年實現(xiàn) 1#焦?fàn)t加熱自動控制后，1#焦?fàn)t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?fàn)t爐溫更加穩(wěn)定、均勻，這有利于延長焦?fàn)t爐齡。焦?fàn)t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(zhì)量。綜合 2003 年全年的生產(chǎn)統(tǒng)計報表，該焦?fàn)t 2003 年相比 2002 年全年用量，高爐煤氣與焦?fàn)t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(yīng)用業(yè)績 南昌鋼鐵有限公司焦化廠（2 座 4.3 米焦?fàn)t，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?fàn)t，42孔） 新余鋼鐵有限公司焦化廠（3 座 4.3 米焦?fàn)t，63 孔） 安陽鋼鐵公司焦化廠（2 座 6 米焦?fàn)t，63 孔） 云南曲靖焦化廠（4 座 5.5 搗固焦?fàn)t） 首鋼遷安焦化廠（2 座 6 米焦?fàn)t）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?fàn)t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?fàn)t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?fàn)t中部連續(xù)的 11 個空氣蓄熱室； 9-2 串序： 選擇整座焦?fàn)t中部連續(xù)的 10 個空氣蓄熱室； 在所選定的蓄熱室的機側(cè)和焦側(cè)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(yīng)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(yīng)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(dǎo)線將熱電偶信號引入控制柜內(nèi)相應(yīng)的端子。（4） 信號調(diào)試； 3 注意事項 （1） 必須保證蓄熱室溫度的標(biāo)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(dǎo)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(yīng)在機焦側(cè)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(biāo)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(biāo)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(dāng)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(nèi)端子： 3 防水 由于氧化鋯內(nèi)部在正常使用時溫度高達 70