面向节能目标的焦炉加热燃烧过程.docx

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面向节能目标的焦炉加热燃烧过程

面向节能目标的焦炉加热燃烧过程

中南大学

摘要焦炉加热燃烧过程是一种复杂的工业过程,具有强非线性，大时滞，工况复杂等控制难点。

如何优化焦炉加热控制过程,确定合适的煤气流量和空气量,使焦炉处于最优的燃烧状态,降低炼焦能耗,是进行焦炉加热燃烧优化控制的关键性问题。

本文在原有反馈控制结构的基础上增加一个前馈供热量模型,将前馈和反馈的方式结合。

首先分析炼焦供热量机理,在考虑焦炉操作，煤和燃气特性及焦炉过程变量等可测干扰对燃烧控制的影响,建立一个简化的符合现场实际的供热量模型，同时通过分析燃烧过程的实时工况,根据火道温度的测量值与设定值之差,采用模糊PID控制器计算出立火道温度增减所需改变的煤气流量,得到每种工况下的煤气流量优化设定值。

针对焦炉现场废气含氧量不能实时检测和样本数据点过少的问题,本文采取支持向量机组合预测方法,建立空气系数预测模型。

首先,利用启发式搜索算法,得到优化的基于RBF核函数和多项式核函数支持向量机子模型，然后,基于模糊组合的原理,将子模型进行加权集成,得到组合预测模型。

本文在WinCC组态软件的操作平台下,以VC十+为开发工具,运用OPC通讯技术,进行焦炉加热燃烧优化控制系统软件的设计，仿真结果表明,本文设计的控制策略能取得较好的控制效果,降低炉温波动,保证加热煤气的充分合理燃烧,为焦炉热工操作,提高焦炉热工管理水平,降低产品能耗提供依据。

关键词焦炉加热燃烧过程,供热量模型,烟道吸力,支持向量机,组合预测

第一章绪论

本文以某焦化厂焦炉加热燃烧过程为研究对象,以实现焦炉节能为目标,针对实际焦炉加热燃烧过程中存在的问题,分析焦炉加热燃烧过程的工艺,根据焦炉火道温度控制的特点与难点,通过建立炼焦供热量模型,多工况模糊PID温度控制器以及烟道吸力优化设定模型,实现焦炉加热燃烧过程的优化,降低炼焦能耗。

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

焦炉的节能主要从炼焦的工艺和优化控制方案两个方面来考虑:

在工艺方面,节能环保型的焦炉正在兴起,包括以下三个方面的发展:

（1）发展节能环保型的焦炉必然走焦炉大型化和高效的途径.

（2））研制薄炉墙的焦炉,由传热原理可知它可大大提高传热速率和热效率,降低炼焦耗热量.

（3）发展宽幅炭化室焦炉,通过实际运用,发现宽幅炭化室煤料绝对值收缩量增加,对炉墙膨胀压力减少,有利于炉体维护,而且堆密度的提高也扩大了煤源;最后是宽幅与薄炉墙焦炉的综合发展.

现有的焦炉加热控制技术,基本上可归纳为两大类:

前馈控制为主，反馈控制为辅的控制系统;反馈控制为主,前馈为辅的控制系统。

通过分析可以看出,以上系统都具备以下两种功能：

（l）控制最佳供热量,即根据设定的全炉代表温度或计算机计算的炼焦耗热量同条件变化（煤气热值!

煤水分以及装煤量!

配煤质量等）后实测值的偏差来调节煤气供热量。

（2）调节废气含氧量（或空气系数）,实现最佳燃烧，利用分烟道含氧量（或换算为空气系数）的测定值同目标值的偏差,在保证看火孔压力稳定的条件下及时调节分烟道吸力。

1.3研究内容

完成火道温度优化控制的以下两个方面：

（1）焦炉加热系统供热量的控制

焦炉火道温度控制贯穿于炼焦生产的始终,是一个具有纯时滞，惯，时变与非线性的过程，本文改进的加热系统主要包括前馈供热量模型和基于温度反馈的模糊PID控制器两部分。

首先,将在焦化厂现有的生产与检测条件下,建立一个符合现场实际的前馈供热量模型，通过前馈供热量模型得到目标火道温度下的煤气流量初始设定值，然后,对于其它不可测因素以及未知因素造成的干扰,在工况判断结果的基础上,采用多工况模糊PID温度控制器对煤气流量进行在线补偿修正,实现火道温度与目标设定温度之间存在偏差时煤气流量的正确调节,达到稳定炉温的目的。

（2）焦炉燃烧系统烟道吸力控制模型的设计（略）

1.4论文构成

第二章为焦炉加热燃烧过程智能优化控制整体架构的设计部分。

第三章详细介绍焦炉供热量模型与多工况模糊PID温度控制器的建立。

第四章详细阐述焦炉烟道吸力优化设定模型。

第五章阐述系统控制方法的实现和仿真实验。

第六章对本文所做的工作进行总结,指出今后需要进一步开展的研究工作。

第二章焦炉加热燃烧过程智能优化控制结构

本章首先详细地介绍了焦炉的生产工艺,分析焦炉加热燃烧过程节能的主要影响因素及针对焦炉现场的控制问题与难点,给出了焦炉加热燃烧过程智能优化控制系统结构。

主要包括前馈供热量模型,多工况的模糊PID温度控制器以及烟道吸力优化设定模型三个部分。

通过建立的供热量模型和模糊PID温度控制器,得到不同工况下的煤气流量设定值,以及通过建立烟道吸力优化设定模型得到最佳的烟道吸力设定值,实现最佳燃烧控制,达到焦炉节能的目的。

2.1工艺机理分析

原理是将煤在隔绝空气的情况下进行高温干馏,从而产生焦炭，煤气以及焦油等其它有机化学副产品。

2.1.1焦炉结构与焦炉加热燃烧过程

焦炉加热燃烧过程是把一定量的配合煤装入炭化室,再将一定量的煤气和经蓄热室预热过的空气,送燃烧室混合并燃烧,对炭化室中的入炉煤进行高温干馏,经过一定时间的加热,形成最终产品,主要是焦炭。

煤气和诸多化工产品。

燃烧后所产生的废气,经蓄热室。

废气陀。

烟道。

烟窗排出。

焦炉加热方式有焦炉煤气加热，高炉煤气加热和混合煤气加热三种。

2.1.2焦炉加热燃烧过程节能影响因素分析

造成影响焦炉加热燃烧过程的因素众多,主要包括结焦时间，配合煤品质，煤气种类和热值，生产计划，大气温度和风向等因素，从加热系统炼焦耗热量和燃烧系统烟道吸力控制两个方面对系统的节能进行分析。

（1）炼焦耗热量

焦炉耗热量与炼焦热的关系如下

炼焦耗热量=炼焦热+焦炉散热+废气热焓

炼焦热主要跟下面几个因素相关：

1）入炉煤工艺因素

当入炉煤水分低于8%时,水分对炼焦热的影响不大,即当水分低于8%时,增加水分不要求附加炼焦热。

高于8%时,每改变1%的水分对炼焦热的影响如表2-1所示

煤料堆密度与水分也有较大的关系,千煤堆密度最大,随着水分增加堆密度减少,当水分为7一8%时,堆密度最小,是干煤堆密度的85%左右,水分继续增加,堆密度稍有增加,如图2-2所示

如果入炉煤水分每增加1%,要求目标火道温度上升5-7摄氏度,

炼焦耗热量增加约30kJ/kg,结焦时间将延长10-15分钟。

2）结焦时间

结焦时间过短,火道温度的提高需要更多的煤气消耗;而结焦时间过长,为保持炉头温度,标准火道的温度不能随结焦时间的延长而进一步降低,也会使煤气消耗量增加,炼焦热也增加,造成能耗的损失。

3）每孔装煤量

每孔装煤量的多少直接影响到加热过程中所需的煤气量,从而导致所需耗热量的变化,两者存在一定的线性关系。

当保持煤气流量和入炉煤水分不变时,每增加或减少100kg装煤量,目标火道温度将增加或减少1摄氏度左右。

（2）烟道吸力控制

加热煤气的合理燃烧是提高节能效率的关键,在焦炉加热燃烧过程中,为了保证煤气的合理充分燃烧,需调整空气量,通过烟道吸力控制实现最佳燃烧,在实际控制中常用空气系数表示。

2.2控制问题与难点

本文针对某焦化厂的州60型焦炉,为了提高焦炭质量,降低焦炉耗热量,提高煤气利用率,延长焦炉寿命,存在以下两个主要控制问题:

（1）供热量控制

供热量前馈控制模型的控制方法简单!

容易实施!

对硬件要求低,比较适合焦炉生产稳定的场合"这种控制模型是先根据煤料的性状和焦炭的平均温度计算炼焦热,再由生产任务,废气热损失和散热等通过热平衡方法计算炼焦耗热量,最后通过煤气热值,装煤量等算出焦炉供热量,进而计算出煤气流量"该控制系统的优点是前馈调节不需考虑炉温变化慢时的影响,监测点少,能减少仪表和测量误差,可以为煤气流量的调节提供理论基础。

（2）烟道吸力控制（略）

2.3焦炉加热燃烧过程优化控制系统结构

2.3.1基本思想

焦炉加热燃烧过程优化控制系统是以优化焦炉加热燃烧,提供最佳供热量为主要目的,选择整个炉组作为热量和温度的控制对象"基于焦化加热的工艺参数,以及现场焦炉的实际情况和实测数据,全面考虑焦炉加热燃烧过程中可测干扰对加热燃烧控制的影响,建立前馈供热量模型,结合模糊PID温度控制策略,给出多工况下的煤气流量设定值,为现场工人提供操作指导"同时通过建立空气系数预测模型,得到空气系数预测值与目标值之差,实时反馈对机侧和焦侧的烟道。

吸力进行调节,使烟道吸力稳定在优化设定值,以保证进入到各个燃烧室的煤气能充分燃烧"这样,就构成了一个基于温度和压力反馈的优化控制系统,实现焦炉加热燃烧过程的智能优化控制。

2.3.2总体结构设计

本文提出了改进后的焦炉加热燃烧优化控制结构如图2-3所示"主要包括:

前馈供热量模型,多工况模糊PID控制器和烟道吸力优化设定模型。

（1）前馈供热量模型

本文基于长期的焦化加热经验和焦化机理数学模型,全面考虑焦炉操作!

煤和燃气特性及焦炉过程变量等可测干扰对加热燃烧控制的影响,以焦炉热平衡理论为基础,建立了前馈供热量模型"在建立过程中作了一些简化,删除了一些次要因素,保留了几个对焦炉供热量模型产生主要影响的因素"由于现场在线仪器的问题,很多量一般很难检测"对于本文涉及的焦化厂来说,有固定的煤源及配比,装炉煤水分的变化和加热煤气气源相对稳定,因此通过收集现场可靠的实验数据,采用统计的方法进行回归处理,其中一些量拟采用常数进行替代,在模型建立的过程中将其做相对固定值输入"通过简化的供热量模型,可以得到煤气流量的初始设定值。

（2）多工况模糊PID控制器

工况的实时变化将会导致焦炉火道温度的波动,而且会导致焦炉整体耗热量的变化,改变焦炉整体的加热水平"而处于不同工况时对焦炉供热量的控制要求也会有所不同"在正常工况下,供热量调节的目的主要是使火道温度稳定在目标值附近;在停止推焦状态下,此时的任务主要是抑制火道温度的快速升高;在等待推焦状态下,此时供热量的调节主要是抑制火道温度的降低"通过分析处于三种不同的工况时,焦炉加热燃烧系统控制精度和控制目的的不同,结合隶属度函数的特点,根据PID控制的调节规律以及对不同工况下火道温度调节的实际经验,针对这三种状态分别设计了模糊PID温度反馈控制器,得到三种不同工况下的煤气流量补偿值。

（3）烟道吸力优化设定模型（略）

2.4小结

本章从焦炉的结构!

焦炉加热燃烧过程两个方面详细地分析焦炉加热燃烧过程机理,并详细的分析了焦炉加热燃烧过程的节能影响因素,总结了目前某炼焦生产企业加热燃烧系统控制存在的问题与难点"通过对实际焦炉加热燃烧过程的特性分析,设计了焦炉火道温度智能优化控制系统总体结构"控制系统主要包含三部分:

前馈供热量控制模块!

多工况模糊PID温度控制器和烟道吸力优化设定模块"通过供热量控制模块得到煤气流量初始值,然后根据焦炉耗热量的变化对工况进行划分,选择不同工况下的温度控制器获得煤气流量修正量"烟道吸力优化设定模块根据最新算出的煤气流量设定值和预测出的空气系数来计算最优烟道吸力设定值"这样就构成了基于温度!

煤气流量和烟道吸力前反馈相结合的智能优化控制系统的基本框架。

第三章煤气流量优化设定模型

建立焦炉供热量模型是进行焦炉加热燃烧过程分析的重要环节"该模型是以整座焦炉为控制体系,结合热工标定的数据和现场生产实际,将影响焦炉总供热量的各种因素按照其干扰作用的大小分为两类:

一类为控制因素,即模型参数"例如:

装炉煤参数!

焦饼中心温度!

加热煤气成分!

结焦时间!

废气量及废气温度等;另一类为辅助变量或者常数,如炉体散热!

漏气率!

各种物质比热等"通过焦炉热平衡测试的方式或者根据现场采集的数据,经过统计归纳分析数据处理得到"最后按照焦炉所需总热量,建立焦炉热平衡方程模型。

3.1炼焦供热量机理分析

供热量模型的基本原理有三种形式:

一是根据焦炉传热双层平壁不稳定导热方程式推导,从焦炉传热的角度进行理论计算,得到目标火道温度下的理论供热量模型"二是由热平衡计算分析,建立几乎考虑了所有的热工参数的模型"三是由实际操作经验!

专家系统!

数据统计分析进行优化串级分段!

分档控制,给出煤气量的给定值。

焦炉标准的热平衡模型如图3一1所示

热平衡模型左方为原料带入热,右方为有效热,下方为供入热,上方为损失热

最后根据焦炉的全入能平衡可得如下方程式:

（3-16）

由上述热平衡方程,将各个部分的公式代入,即可得标准的供热量方程,但是这个理论的供热量模型中许多变量在实际现场中并不能获得,所以需要在理论供热量模型的基础上,通过一些假设条件给出了一个简化的供热量模型

3.2供热量简化模型

3.2.1简化思路及方法

对于本文涉及的焦化厂来

说,有固定的煤源及配比,并且入炉煤的水分变化和加热煤气气源相对稳定,因此可以通过收集可靠的实验数据,采用统计的方法进行回归处理,拟用常数进行替代,在模型建立的过程中对某些量做相对固定值输入。

3.2.2焦饼中心温度软测量模型

软测量方法已在工业控制中取得广泛的应用,目前的软测量主要有基于回归分析的软测量!

基于神经网络的软测量和基于模糊数学的软测量等方法。

本章首先找出影响焦饼中心温度的因素,采用的就是基于回归分析的软测量方法,对生产过程历史数据进行回归分析,建立焦饼中心温度的软测量模型。

由线性回归建模原理,首先对历史数据分析,获得一定数量的样本,分析样本的统计学规律,可以建立焦饼中心温度的机焦侧回归软测量模型。

采取最小二乘法求出四元线性回归拟合方程如下

同理采取最小二乘法求得焦侧焦饼中心温度的拟合方程如下,其回归数据见表3-2:

3.2.3简化模型的建立

根据热量平衡,经整理可得

3.3煤气流量补偿控制

在整个结焦周期内,由于温差的变小和煤导热性能的变化,决定了所需的热量是变化的。

在结焦初期,由立火道传给炭化室墙的热量小于炭化室墙传给煤料的热量,炉墙的吸热小于放热;结焦中期,炉墙吸热逐渐减小,吸热稍微大于放热;结焦末期,焦炭已大部分成熟,炉墙吸热大于放热"在焦炉自动加热控制过程中要求在结焦初期快速提供热量,其加热速度相对常规加热比较快,当达到固化温度时再逐渐减少供热量"因此,焦炉加热煤气流量补偿控制的基本思想就是根据不同工况下对焦炉供热量控制要求的不同,在对现场焦炉加热燃烧过程工艺机理分析的基础上,主要根据实时耗热量的变化,划分三种不同的工况,通过对不同工况的判断,得到不同工况下的煤气流量补偿值。

3.3.1工况判断

根据以上分析,对焦炉的生产状态进行分类,划分如下

（l）正常生产状态在这个状态,按照生产计划进行,即按照生产计划进行装煤!

推焦操作和检修等操作,生产计划的编制己经考虑到推焦均衡的进行,因此尽管在这种状态有检修,但是不会影响到生产的进行,不用考虑间歇性操作对火道温度的影响,火道温度稳定性较好。

（2）停止推焦状态即在正常生产进行过程中,由于设备故障使生产被迫停止,并且停止时间较长,或者正在进行一次时间较长的集中检修,这时炭化室中的焦炭已成熟,并且随着时间的推移,焦炭成熟的炭化室越来越多,炭化室平均吸热速率降低,燃烧室平均热能增加,火道温度呈整体上升趋势。

（3）等待推焦状态即当排除故障后,由于长时间没有出焦,为了恢复正常生产,必须对需要出炉的炭化室进行处理,但是,处于结焦初期的炭化室很多,大部分炭化室处于吸热的状态,炭化室吸热速率升高,这时焦炉的整体温度呈下降趋势。

3.3.2多工况模糊PJD控制器方法

通过对焦炉加热燃烧过程的工况判断,可以分析出当前焦炉加热过程处于正常生产状态。

停止推焦状态和等待推焦状态的工况,而处于三种不同的工况时,控制精度和控制目的都是不同的,针对这三种状态分别设计温度反馈控制器,得到三种状态下的煤气流量设定值。

在正常工况下,即按照正常的生产计划出炉时,供热量调节的目的是使温度稳定在目标值附近;在停止推焦状态下,随着时间的推移,越来越多的炭化室内的焦炭处于趋于成熟,需要吸收的热量减少,此时的主要任务是抑制温度的快速升高;在等待推焦状态下,火道温度下降较快,此时处于结焦初期的炭化室增多,加热过程对于温度负偏差和负偏差变化率比较敏感,因此供热量的调节主要是抑制火道温度的降低。

针对焦炉生产现场特点,本文在设计模糊控制器的时候采用的是二维模糊控制器。

3.3.3多工况煤气流量补偿

定义模糊子集

根据工程经验设计模糊整定PID这三个参数,选择输入语言变量为误差"和偏差ec,设置"的基本论域是{-12摄氏度,12摄氏度},ec的基本论域是{-8摄氏度,8摄氏度},E和Ec的模糊论域为{-6,-5,-4,-3,-2,-1,0,l,2,3,4,5,6}输出变量么

的模糊子集域{-0.06,-0.05,-0.04,-0.03,-0.02,-0.01,0,0.01,0.02,0.03,0.04,0.05,0.06}E，EC，

模糊变量的词集都选择为7个:

{NB,NM,NS,ZO,

PS,PM,PB},子集中元素分别代表负大,负中,负小,零,正小,正中,正大

确定模糊子集的隶属度函数

解模糊

解模糊可采用多种不同的方法,用不同的方法得到的结果也是不同的"主要的有以下三种方法,最大隶属度函数法，重心法，加权平均法。

其中最大隶属度函数法不考虑隶属度函数形状,因此会丢失很多信息,适合对控制要求不高的场合"在实际应用中重心法比较理想,与最大隶属度函数法比较,它具有更平滑的输出推理控制"加权平均法在某种特定的情况下,可转化为中心法。

本文采用在控制技术中常用的面积重心法,它对不同的隶属度函数形状会有不同的推理输出结果。

面积重心法的计算式为:

3.42小结

本章针对焦炉加热燃烧过程的特性,在假定火道温度设定为恒值的情况下,通过建立理论结合实际的供热量数学模型得到此设定温度下的供热量（煤气流量）,再对实际工况判断,通过模糊PID控制器给出多工况下的煤气流量最优设定值,实现焦炉供热量的在线智能调节。

第四章烟道吸力优化设定模型（略）

第五章系统实现

本章详细阐述了将面向节能目标的焦炉加热燃烧过程优化控制方法应用于炼焦生产过程仿真试验平台中,首先将介绍系统的整体框架!

软件结构!

通信机制及控制算法的流程,最后对系统仿真运行结果进行分析。

5.1控制系统设计

5.1.1系统整体框架

5.1.2应用软件设计

5.1.3系统数据通讯

5.2控制算法实现

焦炉加热燃烧优化控制算法主要包括主回路温度控制部分和副回路阀门控制部分,其中温度控制周期为小时级,阀门控制周期为15s温度控制算法流程图如图5一3所示

5.3控制系统仿真运行及分析

本章将焦炉加热燃烧过程智能优化控制策略在炼焦平台上进行仿真,在原有控制系统的基础上,增加了供热量模型!

模糊PID温度控制模块和烟道吸力优化设定模型"从实时性!

数据的采集和获取!

系统的可调试性和安全性考虑,设计了系统的整体框架,采用OPC通信技术实现应用软件和底层自动化的通信,实现了火道温度的优化控制,在仿真运行试验中,取得了良好的控制效果。

第六章结论与展望

6.1结论

本文以焦炉加热燃烧过程为研究对象,在进行过程机理和特性研究的基础上,对原有控制系统增加了供热量模型!

多工况模糊PID温度控制器和烟道吸力优化设定模型,构建了焦炉火道温度优化控制系统,实现焦炉加热燃烧过程火道温度的智能控制"具体而言,课题的主要成果包括以下几个方面:

（l）供热量模型的建立

本文在焦化厂现有的生产与监测条件下,建立一个符合现场实际的前馈供热量模型"首先深入分析了炼焦供热量机理,得到理论的供热量模型"然后在此基础上,通过一些假设条件以及软测量技术得到一个简化的供热量模型,获得煤气流量初始设定值,为焦炉加热燃烧过程中煤气流量的优化控制和实现焦炉节能奠定了基础。

（2）多工况模糊PID控制器的建立

本文在原有工况判断的基础上,提出了多工况模糊PID温度控制器方法"通过分析处于三种不同的工况时,焦炉加热燃烧系统控制精度和控制目的的不同,结合隶属度函数的特点,根据PID控制的调节规律以及对不同工况下火道温度调节的实际经验,针对这三种状态分别设计了模糊PID温度反馈控制器,得到三种不同工况下的煤气流量补偿值。

（4）烟道吸力优化设定模型的建立

针对焦炉现场没有废气含氧量分析仪,废气含氧量通过化验工的人工测量获得,时间滞后性较大,不能对炼焦生产过程的空燃比进行及时的调整,本文通过支持向量机的方法建立了一个空气系数预测模型,在线获得空气系数,再通过烟道吸力修正模块对烟道吸力进行校正,使焦炉加热燃烧过程实现优化控制,以保证煤气的充分合理燃烧,降低能源消耗,避免环境污染。

（5）软件开发与仿真实现

从实时性!

数据的采集和获取!

系统的可调试性和安全性考虑,设计了系统的整体框架"以VC为开发平台,采用OPC通信技术实现应用软件和底层自动化的通信,实现了焦炉加热燃烧优化控制算法"在仿真运行中,取得了良好的控制效果。

6.2展望

虽然本文针对焦炉加热燃烧控制策略进行了研究,对焦炉的节能提供了方向"但其深度和广度都远远不够,还有很多问题有待进一步研究:

（l）在建立焦炉加热燃烧过程模型时,有些比较重要的参数只能根据实际状况取为经验值,给模型的准确性照成一定的误差,因此希望现场能完善检测手段,满足焦炉控制!

操作的需要"如:

增加残氧分析仪和热值分析仪,进一步提高模型建立的实用性"

（2）该优化控制系统还没有应用于实际,虽然在仿真运行中取得了一定的效果,但是要将其运用到现场去,还得充分考虑现场的实际情况,对控制程序进行进一步完善"

（3）焦炉加热燃烧过程是一个大时滞过程,并且扰动因素很多,在实际中如何有效的解决时滞问题是过程控制中急需解决的问题"