（控制科学与工程专业论文）适合多工况的焦炉作业计划优化调度方法的研究与实现.pdf

摘要 焦炭是冶金生产不可缺少的原料之一，焦炭质量的好坏直接影响 到冶金产品的质量。由于焦炉机械只能逐孔推焦、装煤，所以必须依 据一定的推焦、装煤顺序制定合理的推焦计划，从而使整座焦炉有序 地进行操作。因此，合理制定推焦计划，实行焦炉作业的优化调度对 有效保证焦炭质量，提高焦炭产量，稳顺焦炉生产，都有着重要的意 义。 本文在深入分析焦炉推焦操作过程工艺的基础上，针对推焦过程 多工况特性、机械设备资源有限等计划编制难点，分别建立正常工况 作业计划优化调度模型和异常工况计划优化调度模型，有效的实现了 编制最优的推焦计划。 首先设计了正常工况下焦炉作业计划优化调度方法。在分析推焦 串序的原理以及焦炉推焦过程各个时间之间的关系基础上，通过建立 正常工况作业计划优化调度模型，根据推焦计划编制的专家规则，实 现了正常工况下的推焦作业计划优化调度；其次，针对焦炉生产经常 遇到的乱笺、事故和病号炉异常工况，采用专家修正方法进行调度； 对于不满足专家修正规则的工况，依据最短路径和惩罚表的思想，将 异常工况下优化调度问题归结为t s p 问题来建立优化调度模型。然后 通过分析优化调度模型的特点，采用蚁群优化算法对优化调度模型求 解，获得最优的推焦计划。 焦炉作业计划优化调度方法通过在某钢铁企业的炼焦生产过程 中应用，实现了焦炉推焦作业计划自动科学编排和生产信息在线检 测。应用结果表明该方法能够有效地稳顺焦炉炼焦生产，保证焦炭质 量、产量，减少机械设备损耗，同时大大减轻工人的劳动强度。该计 划编制方法为焦炉推焦作业计划编制提供了一种有效的途径。 关键词：正常工况，异常工况，推焦计划，优化调度，蚁群算法 a b s t r a c t t h ec o k ei so n eo ft h e i n d i s p e n s a b l em a t e r i a l s i nm e t a l l u r g i c a l p r o d u c t i o n t h ec o k eq u a l i t yh a s ad i r e c t i m p a c to nt h eq u a l i t yo f m e t a l l u r g i c a lp r o d u c t s a sc o k e m a c h i n e r yc a no n l yp u s hc o k ea n dl o a dc o a l h o l eb yh o l e ，ar e a s o n a b l ec o k e p u s h i n gp l a nm u s tb ed e v e l o p e d a c c o r d i n gt o c e r t a i ns e q u e n c eo ft h eo p e r a t i o no fc o k eo v e n t h e r e f o r e ，d e v e l o p i n ga r e a s o n a b l ec o k e p u s h i n gp l a ni so fi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c et oi n c r e a s et h e y i e l do fc o k e ，e n s u r ec o k eq u a l i t ya n ds t a b i l i z et h eo p e r a t i o n so f c o k eo v e n i nt h i sp a p e r , t h eo p t i m i z a t i o ns c h e d u l i n gm o d u l e so fo p e r a t i n gp l a n b o t hu n d e rn o r m a lc o n d i t i o n sa n da b n o r m a lc o n d i t i o n sa r ee s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep u s h i n gc o k ep r o c e s s t h eo p t i m a l c o k e - p u s h i n gp l a nm a k i n gi sr e a l i z e d f i r s t l y , t h em e t h o do fc o k e p u s h i n gp l a nm a k i n gu n d e rn o r m a lo p e r a t i n g c o n d i t i o n si s d e s i g n e d b a s e do na n a l y z i n gt h es e q u e n c eo fp u s h i n gc o k e s t r i n gt h e o r ya n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ev 撕o u sk i n d so ft i m ei nt h e c o u r s eo f p u s h i n gc o k e ，c o k e p u s h i n gp l a nu n d e rn o r m a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n s i sd e v e l o p e dt h r o u g ht h en o r m a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n sp l a nm a k i n gm o d e l ， w h e r et h ee x p e r tr u l e so fp u s h i n gc o k ea r eu s e d s e c o n d l y ，a c c o r d i n gt ot h e t h r e ec o m m o na b n o r m a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n si n c l u d i n go v e nn u m b e ro u to f s e q u e n c e ，a c c i d e n to fp u s h i n gc o k ea n dt h ei l lo v e n ，t h ee x p e r tc o r r e c t i o n r u l e sa r eu s e d t h ep l a nm a k i n gu n d e ro t h e ra b n o r m a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n s c o m ed o w nt ot s p p r o b l e mt oe s t a b l i s ht h ea b n o r m a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n s p l a nm a k i n gm o d e l t h ea n ta l g o r i t h mi sa d o p t e dt oa c c e s st h eo p t i m a l c o k e p u s h i n gp l a nb e c a u s eo ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em o d u l e t h eo p t i m i z a t i o ns c h e d u l i n gm e t h o do fc o k eo v e ni sa p p l i e di nc o k i n g p r o d u c t i o n t h es y s t e mp e r f o r m e dt h ef u n c t i o n so fa u t o m a t i c a l l ym a k i n g p l a na n dd e t e c t i n gi n f o r m a t i o no n l i n e t h ea c t u a lr e s u l ti l l u s t r a t e st h e e f f e c t i v e n e s so ft h ed e s i g n e ds y s t e m f u r t h e rm o r e ，t h i sp a p e ra c c o u n t sf o r t h ea p p l i c a t i o n so fd e s i g n e ds y s t e m i tc a nr e s o l v et h eo p t i m a lp l a nm a k i n g e f f e c t i v e l y i tp r o v i d e sa ne f f e c t i v ew a yf o rc o k e p u s h i n gp l a nm a k i n g k e yw o r d s ：n o r m a l o p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，a b n o r m a lo p e r a t i n g c o n d i t i o n s ，c o k e - p u s h i n gp l a n ，o p t i m i z a t i o ns c h e d u l i n g ，a n tc o l o n ya l g o r i t h m i l 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名： 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：导师签名 e l 期：年一月一日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 焦炭在高炉炼铁、铸造、电石、气化及有色金属冶炼等方面得到了广泛的应 用，可以说焦炭工业具有广阔的发展前景。在高炉炼铁过程中，焦炭除了用作熔 解铁矿石的热源使用外，还起到把氧化铁还原成金属铁和确保高炉炼铁具有良好 透气性的作用，因此焦炭在高炉中的骨架作用尤为重要，随着高炉大型化、富氧 喷吹技术的发展，钢铁企业迫切要求保证焦炭质量【1 1 。因此，焦炭的质量保证是 非常重要的。而在炼焦过程中，每孔炭化室都是按一定周转时间进行煤的干馏炼 焦和出炉操作，推焦过早或是过迟都会影响焦炭质量，因此，合理制定推焦计划， 实行焦炉作业的优化调度是有效保证焦炭质量的关键之一，对于冶金企业提高经 济效益，增强企业竞争力具有重要意义。 本文针对某钢铁企业炼焦生产的实际情况，对推焦过程存在复杂工况的特 点，结合焦炉作业计划的工艺，针对不同工况，实现焦炉作业计划的优化调度， 从而保证焦炭质量，降低能源消耗，从而提高企业竞争力，实现可持续发展。本 章从总体上介绍焦炉作业计划编制的研究背景与目的意义，国内外研究现状以及 本文的主要架构。 1 1 研究意义与目的 炼焦过程是将煤在炭化室内高温干馏形成焦炭，炼焦工艺主要分为装煤、平 煤、干馏、推焦、熄焦等。焦炉生产过程可以概述如下：装煤车按照指令将经过 称量和配好的原煤等原料装入指定的炭化室中，推焦车按照指令定位到该炭化室 并完成平煤作业；原料经过炭化室高温炼焦过程生成焦炭；炼焦时间达到后，推 焦车按照指令移动并准确定位到指定的炉门前；拦焦车按照指令移动并准确定位 到指定炉门的另外一侧并设置好接焦栅；熄焦车按照指令移动并准确定位到指定 炉门准备接焦。各车到位后，按照统一的指令，推焦车摘炉门，拦焦车摘炉门； 推焦车开始推焦作业，将炭化室中的红焦经拦焦车装到熄焦车上；推焦完成后， 熄焦车将红焦运到熄焦塔完成熄焦；推焦车和拦焦车关上炉门；以上作业循环进 行【1 1 。 炼焦过程中，在合理的装煤、平煤基础上，焦炭成熟后，焦饼在炭化室内产 生一定的收缩，其中心温度达到9 5 0 1 0 5 0 ，若推焦过迟，则温度过高，使焦 炭易碎，从而会影响焦炭质量；若推焦过早，则温度达不到该温度范围，焦炭夹 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 生，焦饼收缩不好，也会影响焦炭质量和焦炉炉体寿命；因此，推焦必须要按照 一定的顺序合理进行，才能稳定加热制度，更加合理地使用机械设备，从而可以 保证焦炭质量、延长炉体寿命。 推焦车和装煤车的操作都是根据焦炉作业计划来进行的，焦炉作业计划掌握 整个焦炉的生产操作时序，对焦炉生产是否能稳定、顺利的进行起着至关重要的 作用，是焦炉生产控制的核心。 焦炉是焦化厂最重要的装置之一，由于多种因素的影响，我国焦炉整体自动 化水平不仅与国际先进水平差距较大，与国内的石化和炼油等行业相比也相对较 低，制约了发展和管理水平的提高。中国炼焦行业协会提出了焦炉“四项技术 ( a n 热煤气流量自动记录、推焦电流自动记录、装炉煤称量自动记录、红外线高温 计炉温测量) 1 2 j 标准，为提高焦化行业生产水平提出了基本要求。 焦炉生产自动化是一个综合技术概念1 3 ，即包含生产控制自动化和管理自动 化两方面内容的集成系统。近几年，计算机技术、自动控制计划、检测与传感技 术 4 1 、通信与网络技术等高速发展，给焦炉生产操作技术带来了巨大的变革【5 1 ， 但是长期以来，国内的焦炉作业计划编制还停留在人工编制的水平上，人工编制 推焦计划的方法不利于焦炉生产自动化。在生产技术控制自动化方面，人工编制 任务繁琐、效率低下、理论依据少、对异常情况难以及时反应，容易导致疲劳操 作、机械过于损耗、焦炉加热制度不稳定等现象，对焦炭质量和焦炉寿命产生不 良影响：在管理自动化方面，焦炉推焦和装煤生产操作各种原始数据和生产日报 表等人工采集记录，人为因素较多，数据的可靠性偏低，过程数据保存困难，查 阅不方便，管理者不能及时掌握生产情况等。因此，实现焦炉作业计划的自动编 制和查询，对焦炉生产自动化具有重要的意义。 本文针对某钢铁公司的1 撑、2 拌两座焦炉所存在的实际问题，研究作业计划优 化调度方法，设计焦炉作业计划优化调度系统，并投入应用，实现推焦计划的自 动科学编排，避免人工编排的不确定性，保证焦炉生产的稳定进行，提高劳动生 产率从而保证焦炭的质量，节约能源。 1 2 国内外研究现状 由于受焦化行业整体水平的限制，虽然在2 0 世纪7 0 年代以后，炼焦工业开始 采用计算机控制等自动化技术，在焦炉加热、原料煤的配合等控制的精度上有了 一定的提耐6 。8 】，但是在焦炉作业计划编制方面还比较落后，无论是计划编制还是 监控管理，都没有形成一个完整成熟的自动化体系。随着计算机在焦炉管理与控 制中的应用，很多企业开始关注焦炉作业计划的自动编制。 本溪钢铁公司焦化厂2 0 0 3 年建立了由a c t i o n 无线通讯装置、a c t i o n 数据采 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 集控制器、推焦车炉号识别装置、工业控制计算机和打印机组成的推焦操作管理 系统，自动排出推焦计划并可以打印成计划单和报表，但在乱笺和撵炉的非正常 情况下由手动调整参数而形成新的推焦计划【9 ，1 0 1 。 宝钢5 、6 号焦炉的加热自动控制系统的作业管理模块根据不同开工率、有 无定期检修( 一般为4 小时) 和前一天最后一趟笺的出炉数，确定出炉计划，实现 了自动编制从焦炉装煤到火落、出焦的生产计划，并对生产实际进行显示、设定 和打印等功能i l l j 。 马鞍山钢铁集团股份有限公司煤焦化公司( 安徽工业大学) 建立的推焦管理自 动化系统与炼焦车间现有的生产管理系统通过d d e ( d y n a m i cd a t ae x c h a n g e ) 机 制，实现单座焦炉推焦计划在正常情况下的自动编排和向下位机的自动传递，以 及推焦电流、装煤量等参数的数据记录、存储和操作日志的打印【1 2 1 。 兖矿集团焦化厂采用均匀分段、按比例修正的算法来编制单座焦炉的推焦计 划【i3 1 4 j ，即在每个小循环中根据要求的检修次数均匀分段，再按每孔操作时间及 起始推焦时间依次得到各孔推焦时刻，并插入检修时间。若按此编排出现每个小 循环中推焦炉数少于或多于总炉数的情况时，则按各段之间比例进行修正。 对于多座焦炉共用机械设备的情况，推焦计划的编制研究较少，济南钢铁公 司焦化厂针对在同一条熄焦线上的多座焦炉，采用在调整操作时间的前提下， 通过优化排炉计划，制定出炉计划的方法，使两套熄焦系统作业按计划操作， 但是它依然还是依靠人工经验来优化【”】。 由此可见，焦炉推焦作业计划的编制没有将调度的思想与计划编制相结合。 由于焦炉推焦受到配煤情况、焦炉本身的结构和机械设备状况等多种因素的影 响，使得焦炉作业的工况变得复杂，在出现非正常的情况下，基本都是依靠人工 编制计划。人工编制在工况变化时，很难及时的做出处理，而且不同的工人的经 验不一样，加之并不是所有的经验都是正确的，人工编制也会难免疲劳操作，更 难保证计划的较优编制，这些都使得异常情况下的计划编制存在很多不确定性因 素，不利于保证焦炭质量和稳定焦炉的生产，容易使机械设备资源利用效率不高， 造成资源浪费和机械设备损坏。如何解决同一生产线上，多座焦炉在复杂工况下 的焦炉作业计划优化调度问题，最优地配置资源非常关键。 在炼焦生产中，焦炉与四大车在数量上并不是一一对应的，多座焦炉需要共 用这些机械设备，在保证了结焦工艺的基础上，还要满足每个机械设备在执行生 产任务时一定的操作时间，所以焦炉作业计划的编制是一个在一定的时间内，进 行可用共享资源的分配和加工任务的排序，以满足某个或某些特定的生产指标的 生产计划调度问题。 在对生产计划调度问题进行研究的方法上，最初是集中在整数规划、仿真和 中南大学硕士学位论文第一章绪论 简单的规则上，这些方法不是调度结果不理想就是难以解决复杂的问题。近年来， 随着各种新的相关学科与优化技术的建立与发展，在调度方面也出现了许多新的 优化方法，比如模拟退火法、遗传算法、禁忌搜索法【1 6 】等。调度问题的研究方法 正在向多元化方向发展【1 7 】。生产调度问题的研究方法主要有如下几类： ( 1 ) 启发式方式 启发式方法针对调度问题的n p 特性，并不企图在多项式时间内求得问题的最 优解，而是在计算时间和调度效果之间进行折中，以较小的计算量来得到近优或 满意解。启发式方法通常称为调度规则【1 8 】。 由于调度规则计算量小、效率高、实时性好，因而在生产调度研究中被广泛 采用。但由于它通常仅对一个目标提供可行解，并且缺乏对整体性能的有效把握 和预见能力，因而在实际应用中常将它与其他方法结合使用，利用其它方法根据 具体情况选择合适的调度规则。 ( 2 ) 离散时间仿真技术 仿真方法是生产调度研究中最常用的方法。该方法通过对实际生产环境的建 模来模拟实际生产环境，从而避开了对调度问题进行卢纶分析的苦难。目前，仿 真方法在生产调度研究中主要有以下两方面内容： 研究各种仿真参数对仿真结果的影响，以便在进行仿真实验时能做出恰 当的选择，从而使仿真所取得的结论更全面、更具说服力。 将某些方法应用于某个仿真环境，通过仿真评价现有方法之间或新方法 与现有方法之间的优劣，从而总结出各个方法的适用范围，或根据结论数据建立 知识库或产生神经训练样本。 东北大学0 9 , 2 0 在分析轧钢厂生产作业计划的结构的基础上，建立了热轧精轧 工序轧制批量调度的旅行商模型，这一模型能够适合与带钢、型钢和钢管的轧制 生产批量调度问题。仿真的实验本质是它的缺点。运用仿真来产生生产调度很浪 费，这不仅仅来源于产生调度所需要的计算时间浪费，而且来源于需要设计和运 行仿真模型所作的人工脑力劳动浪费。仿真的准确程度取决于程序员的判断和技 能，甚至高精确度的模型也不能保证实验中一定能够发现优化调度或者好的调 度。 ( 3 ) 专家系统 专家系统在生产调度研究中占有重要地位，目前已有一些较成熟的调度专家 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 系统。调度专家系统通常将领域知识和现场的各种约束表示成知识库，然后按照 现场实际情况从知识库中产生调度方案，并能对意外情况采取相应的对策。 有效的领域模型和知识表示对于生产调度专家系统的设计十分重要。此外， 约束在调度知识库中也占据重要地位，因为调度的好坏在很大程度上依赖于其对 约束的满足程度。但是生产调度的决策参数具有很强的不确定性，所以专家系统 一般要和其他的调度方法结合来适应现场调度。 ( 4 ) 智能搜索算法 应用于调度问题的智能搜索方法包括禁忌搜索【2 1 1 、遗传算法 2 2 1 、蚁群算法【2 3 】 等。 遗传算法：作为目前常用的一种优化算法，从各个方面得到了改进，解 决了搜索速度慢、局部搜索能力弱等问题，有很强的解决问题的能力和广泛的适 应性，因而渗透到研究与工程的各个领域【2 4 , 2 5 】，取得了良好的效果，在工业应用 中也有不错的应用 2 6 , 2 7 。文献 2 8 采用车辆路径l - j 题作为热轧计划编n 1 - j 题的模 型，求解的算法采用的是遗传算法。 禁忌搜索法：文献【2 9 】建立了热轧生产计划编制模型，用禁忌搜索算法求 得的解经实验证明由于人工调度结果。文献【3 0 】应用禁忌搜索算法对热轧计划编 制问题建模求解，求得的结果是批量计划并在加拿大一家钢厂得到应用。 蚁群算法：浙江大学的李艳军和吴铁军在2 0 0 1 年利用蚁群算法解决了一 个贴近生产实际的排产调度问题【3 ，她们提出一种潜逃混合蚁群算法来求解动态 混合生产调度问题。文献【3 2 】运用蚁群算法来解决了单阶段并行机调度问题，并 与遗传算法作了性能比较获得了更好的结果。 为了解决复杂工业过程的最优资源配置问题，智能方法【3 3 ，3 4 】越来越受到重 视。国外已经开发了很多计划调度系统，例如：新日铁的原料场运转计划，日本 钢管的炼钢工序调度系统，住友金属的热轧坯料分配调度系统，神户、川崎制铁 的厚板、无缝管、冷轧轧制顺序计划调度系统，日新制钢的镀锡调度计划等【3 5 1 。 1 3 研究目标与研究内容 焦炉的炼焦过程存在着复杂的工况，一般都依靠现场工人的经验来针对不同 的工况制定推焦作业计划，存在上面提到的很多弊端。因此，本文通过分析焦炉 推焦过程工艺和各种工况，采用优化调度技术，主要完成以下研究目标： 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 ( 1 ) 对推焦过程的各种工况进行分析判断归类： ( 2 ) 针对不同的工况实现推焦作业计划优化调度； ( 3 ) 以某钢铁企业的l # 、2 捍两座焦炉为应用对象，两座焦炉共用一套机械设 备，实现两座焦炉推焦作业计划优化调度。 根据研究目标，本文主要包括以下研究内容： ( 1 ) 推焦作业计划编制问题分析 首先从焦炉推焦工艺机理入手，探究推焦多工况的特性，将推焦作业计划编 制问题与优化调度思想结合，把推焦计划编制归于作业调度问题来解决。分析了 焦炉作业计划优化调度的难点，并根据优化调度要求，建立一种适合多工况的焦 炉作业计划优化调度系统结构。 ( 2 ) 推焦作业计划优化调度方法 首先分析推焦串序和推焦过程相关时间等推焦计划优化调度原理，然后根据 不同工况对作业计划优化调度的影响分析，对推焦多工况进行判断归并，总结为 正常工况和异常工况两大类。针对正常和异常工况分别设计推焦计划优化调度方 法。 首先对在正常工况下，主要是根据推焦工艺分析确定计划优化调度模型，再 依据推焦作业计划编制的专家规则设计优化调度方法。针对乱笺、事故和病号炉 这三种常见的异常工况，设计了专家修正方法。由于异常工况有很多无法预计的 情况发生，有时从未遇到过的情况，根据对于三种常见的异常情况的分析，依据 最短路径和惩罚表的思想，将异常工况下优化调度问题归结为t s p 问题来建立异 常工况下的优化调度模型。通过分析优化调度模型的特点，采用蚁群优化算法对 优化调度模型求解。 ( 3 ) 适合多工况的焦炉作业计划优化调度系统的工业实现 研究软件设计技术和v i s u a lc + + 数据通讯技术等，根据焦炉作业计划优化调 度系统的功能要求，实现系统的工业应用，保证数据通讯的正确性和系统应用软 件的通用性，实现焦炉推焦作业计划的自动编排。 1 4 论文构成 论文以某钢铁企业l 撑、2 样焦炉为研究对象，通过推焦过程工艺及多工况特性 分析，设计了焦炉作业计划优化调度系统的整体框架，研究了正常工况和异常工 况计划优化调度方法，建立了焦炉作业计划优化调度系统，实现工业应用。 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第二章从焦炉推焦工艺机理入手，探究推焦多工况的特性，将推焦作业计划 编制问题与优化调度思想结合，把推焦计划编制归于作业调度问题来解决。分析 了焦炉作业计划优化调度的难点，提出了优化调度要求。 第三章详细介绍了作业计划优化调度方法。首先分析推焦计划优化调度原 理，然后根据不同工况对作业计划优化调度的影响分析，对推焦多工况进行判断 归并，总结为正常工况和异常工况两大类。针对正常和异常工况分别设计推焦计 划优化调度方法。 在正常工况下，主要是根据推焦工艺分析确定计划优化调度模型，再依据推 焦作业计划编制的专家规则设计优化调度方法。异常工况下符合专家修正规则的 设计专家修正方法，如果不满足专家规则的，综合考虑到相邻两个推焦炭化室号 顺序错乱、结焦时间过长或过短等对推焦计划造成的影响，建立异常工况推焦计 划优化调度模型。由于模型是一个多目标优化问题，所以采用优化算法进行求解 来获得最优的推焦计划。 第四章阐述了焦炉作业优化调度系统的工业实现，包括系统整体框架和各个 功能模块的设计与实现，着重介绍计划优化调度方法的实现，以及软件设计技术 及实际运行结果与分析等。 第五章对全文进行总结，展望了以后可以进行的研究工作。 7 中南大学硕士学位论文第二章焦炉作业计划工艺分析 第二章焦炉作业计划工艺分析 焦炉作业计划是焦炉生产流程中重要的环，掌握整个焦炉生产时序和调 度，实现焦炉作业计划的最优编排，对于焦炉全流程的稳顺生产、保证焦炭质量、 延长焦炉寿命和降低工人的劳动强度都具有非常重要的意义。 深入地了解焦炉推焦过程的工艺是进行作业计划编制的必要条件。本章首先 详细地介绍焦炉生产操作工艺，并对推焦的多工况特性进行分析，指出焦炉作业 计划优化调度方法的要求和难点，进而得到作业计划优化调度系统的结构。 2 1 焦炉生产操作工艺及特点 炼焦生产工艺涉及到多个过程，主要有：焦炉加热燃烧过程、焦炉煤气集气 过程、装煤过程、推焦拦焦熄焦过程和综合回收过程等。焦炉的推焦应严格 按计划进行，保证各炭化室的焦饼按照规定结交时间均匀成熟，做到安全、定时、 准点，并定时进行机械和设备的预防性检修。 2 1 1 焦炉推焦过程 炼焦是将煤在炭化室内高温干馏形成焦炭的过程，炼焦的主要机械设备是四 大车系统，包括：装煤车、推焦车、拦焦车、熄焦车【3 6 1 。焦炉生产操作流程如 图2 1 所示。 熄焦车 推焦车巳推焦车壁 图2 1焦炉生产操作过程 8 中南大学硕士学位论文 第二章焦炉作业计划工艺分析 装煤车的作用是从煤塔取出一定重量的煤料，通过炭化室顶部装煤孔卸入炭 化室内；推焦车的作用包括：炭化室装煤完毕后，煤落在室内成锥形，由推焦机 上的平煤杆将煤推平；另一方面，焦炭成熟后，打开、清扫与关闭机侧的炉门， 将成熟的焦炭从炭化室的机侧推到焦侧的熄焦车上；拦焦车拦着从炭化室推出来 的焦炭落到熄焦车上，并打开、清扫与关闭焦侧的炉门；熄焦车( 或干法熄焦装 置) 的作用是接受推出的赤热焦炭，运到熄焦塔内喷水( 或运到干法熄焦装置用惰 性气体将余热导走发电或补充管网的蒸汽) ，将赤热焦炭熄灭，然后卸在凉焦台 上冷却。 焦炉中每个炭化室中焦炭的生产都由四大车完成。焦炉的推焦就是把成熟的 焦炭推出炭化室的操作，必须按一定的规律进行。出焦和装煤都应严格按作业计 划进行，保证各炭化室的焦饼按规定结焦时间均匀成熟，做到安全、定时、准点， 并定时进行机械和设备的预防性检修。焦饼在炭化室内产生一定的收缩，其中心 温度达到9 5 0 - 1 0 5 0 c ，若推焦过迟，则温度过高，使焦炭易碎，从而会影响焦 炭质量；若推焦过早，则温度达不到该温度范围，焦炭夹生，焦饼收缩不好，也 会影响焦炭质量和焦炉炉体寿命p 。 推焦操作必须在确定拦焦车和熄焦车均已做好接焦准备后方可进行【3 s j ，每 次推焦后，应清扫炉门、炉门框、磨板和小炉门上的积炭和焦油渣等脏物，及时 清除尾焦，炉门应关严，并消除炉门处冒烟冒火。推焦过程中应注意推焦电流的 变化，电流大说明焦饼移动阻力大，当电流达到一定值仍推不动焦炭时，应停止 推焦，此时即所谓焦饼难推，俗称“二次焦。由于推焦困难，既损坏炉墙，劳 动条件又极为恶劣，故应尽力避免出现。只有严格按计划进行生产，才能稳定加 热制度，提高产品质量，合理使用机械设备以延长炉体寿命。 2 1 2 推焦多工况特性 正常生产的焦炉，每孔炭化室都按推焦作业计划进行装煤、推焦操作，使整 座焦炉有秩序的进行生产。但是，如机械设备故障、推焦电流过大和炭化室墙面 变形等很多因素都会直接影响焦炉的推焦操作，使之无法按照已经编排好的推焦 计划来进行。将推焦的多种工况分为以下几种情况： ( 1 ) 按时推焦 根据推焦计划，装煤车从煤塔取出一定重量的煤料，通过装煤孔卸入相应炭 化室内，待焦炭在炭化室内经过足够结焦时间成熟后，按照推焦计划在计划推焦 时间将焦炭推出炭化室。 9 中南大学硕士学位论文 第二章焦炉作业计划工艺分析 ( 2 ) 暂停推焦 焦炉生产中，经常会发生一些事故，常见的有焦炭过火碎裂并倒塌、装煤孔 堵眼、炉门框夹焦、炉墙集炭过厚、推焦杆变形、四大车出现机械故障等，这时 应停止推焦，查明原因，待采取措施后方能继续推焦，否则会造成炉墙变形，损 坏炉体。 ( 3 ) 难推焦 焦炉在生产过程中，有时会发生困难推焦事故。整个推焦过程中，推焦阻力 是变化的，它的大小反映在推焦电流上。焦炉推焦时推焦电流超过规定的最大电 流时称为难推焦。其原因有很多，主要有以下四种因素： 配煤不良 配煤中缺乏足够数量的收缩性煤，配入大量不粘结性煤，装入己氧化了的 煤，个别来源煤的质量不稳定，配煤比破坏，煤粒度不良或煤塔中煤粒分层，装 入煤水分增高等都会造成配煤不良。 装平煤不良 平煤不良堵塞装煤孔，未考虑炭化室变形而装煤过多，炭化室机侧不满等 情况。 加热不良 全炉温度偏低，横排温度不均，破坏推焦计划提前推焦，压力制度破坏炭化 室漏入空气等。 炉墙变形 炭化室墙有病变，炉头或炉框变窄，特别是焦侧的。 ( 4 ) 结焦时间延长 结焦时间是设计焦炉和其它炼焦化工设备，规定焦炉工艺操作制度，以及确 定焦炉生产能力的基础数据。它受装炉煤的工艺参数，炉墙和炭化室尺寸，炉砖 材料，燃烧室和焦饼温度等因素的影响。 焦炉在生产过程中，由于装煤、摘门、推焦等反复不断的操作而引起的温度 激变、机械力的冲击与化学腐蚀作用，使炉体各部位逐渐发生变化，炉墙产生裂 缝、剥蚀、错台、变形、掉砖甚至倒塌。炭化室墙面变形，推焦阻力增加，导致 推焦困难，只能延长炭化室结焦时间，推迟出焦。 l o 中南大学硕士学位论文第二章焦炉作业计划工艺分析 2 1 3 优化调度问题提出 推焦作业计划的编制是根据推焦操作的工艺要求和焦炉组的生产实际情况， 分析判断焦炉各炭化室的焦炭成熟情况，推算出下一个要推焦的炭化室号和推焦 时间。但是炼焦生产作业计划的目标要保证结焦时间和推焦系数，稳定加热制度， 保证检修时间等。而且炼焦生产机械设备的操作必须在一定的条件下进行，例如： 推焦必须按照一定的串序；结焦时间不能超过一定的范围；为了保证机械设备的 正常运转，必须有一定的检修时间等等，这些构成了计划编制问题的多种约束。 生产计划调度是指在一定的约束条件下，合理的分配资源完成一批给定的任 务或者作业，获得某些性能指标如完成时间或者生产成本等的最优化【3 9 】。因此， 推焦计划的编制可以看做是满足工艺要求约束的作业计划调度问题。 炼焦生产中焦炭的生产是一个连续生产过程，但是各个操作是通过不同的设 备按照一定的时序进行的，具有离散型的特征。因此炼焦生产是介于离散与连续 流程行业之间的一种混杂生产方式。其作业计划调度由于炼焦生产生产方式多 样、多设备和多扰动等方面的因素，具有复杂性。而且焦炉作业计划优化调度问 题由于炼焦生产波动大、不确定性大、计划中途修改的可能性大，并且一些突发 事件例如设备的损坏、修复、检修时间的改变、配合煤质量等问题存在也增加了 调度的随机性和复杂性。所有调度问题往往没有精确的解，通常是在解答过程中 寻求其最优解。 2 2 作业计划优化调度方法分析 焦炉作业计划是根据机械设备的运行状况和根据历史生产状况，编排作业计 划。目前某钢铁企业的1 # 、2 # 焦炉的作业计划采用人工方式进行编排。 2 2 1 作业计划优化调度难点 某钢铁企业的1 撑、2 拌两座焦炉一起生产，共用一套四大车系统，所以如何 充分合理利用这些资源，并提高生产效率是非常关键。综合焦炉推焦过程工艺及 特点分析，可总结出作业计划优化调度的问题与难点有以下几个方面： ( 1 ) 资源难以合理利用。作业计划与优化调度的目的就是尽量减少资源冲突 或闲置，充分利用有限资源，缩短工期，从而提高生产效率。由于焦炉生产操作 步骤复杂、约束条件较多，影响因素也比较多，特别是焦炉数量与机械设备的数 量不是一一对应时，调整推焦计划涉及的资源较多，资源相互之间影响比较大。 中南大学硕士学位论文第二章焦炉作业计划工艺分析 预测可能发生资源冲突的时间点，设法调度资源避免冲突非常繁琐，容易引起资 源利用的局部性、短期性、片面性。 ( 2 ) 故障情况的及时处理。由于炼焦生产涉及资源多、生产环境恶劣，所以 异常或故障不可避免。在发生异常和故障的时候，计划调度需要重新掌握当前的 现场的各个炉台实际工序、状态，分析待排产计划的数据，推算后期的工序，而 且发生故障后，故障的信息不能及时进行监测，也会不利于进行故障处理。现在 在发生异常和故障的时候，由工人依据自己的经验判断来完成计划调度，这些繁 琐的工作需要很长的时间，短时间很难由人工作出较好的调度。异常情况的处理 不够及时、准确，影响了焦炉的产量和焦炭的生产质量，也会影响焦炉炉体的寿 命。因此，对各种异常的情况的即使处理是作业计划与优化调度的难点所在。 ( 3 ) 计划要保证全局最优性。由于炼焦生产的各个工序都存在许多作业和设 备等方面的约束，要从多方面来综合进行调度编排，比如最佳结焦时间、周转时 间、检修时间等的把握，以及异常情况的处理等。容易陷入只考虑到某个班次， 没有统一的生产全线管理和综合考虑，某个班组局部优化资源利用的处理方法可 能会造成其他班组出现很大的资源闲置，带来更大的资源利用不合理，增加了机 械损耗，并且影响生产效率。 2 2 2 作业计划优化调度要求 焦炉作业计划是根据机械设备的运行状况和根据历史生产状况，编排作业计 划。作业计划编排要考虑到工艺、机械设备和推焦状态等多种因素，具有复杂性、 随机性和不确定性。面对焦炉作业计划编排问题，需要研究优化调度方法与实现 技术。 ( 1 ) 工况的分析判断 根据之前对焦炉推焦工况的分析，可知推焦过程中存在很多种工况，不同的 工况对推焦计划的编排的影响不一样，所以对工况进行分析判断是进行作业计划 与优化调度的基础。 实现与现场设备的通讯，采集推焦现场的实时数据，比如推焦时间，装煤时 间等，通过建立决策分析模块，对采集到的数据进行管理分析，判断各种不同工 况，并对各种异常情况进行分类和归并，为推焦作业计划编制提供决策支持。 ( 2 ) 针对不同的工况进行优化调度 由于焦炉推焦过程存在多种工况，不同工况对推焦计划的编排的影响不一 样，现在国内一般多采用人工的方法进行调度，来适应不同工况，这种人工的方 1 2 中南大学硕士学位论文第二章焦炉作业计划工艺分析 法没有理论依据，而且过于依赖工人的经验，存在不可靠、反应慢等很多弊端。 因此，设计一种适合多工况的焦炉作业计划优化调度方法是适合实际生产情况需 要的。 ( 3 ) 焦炉作业计划优化调度系统的建立 实现数据通讯和对推焦作业计划编制过程的相关数据实现数据的自动备份 和恢复，防止数据丢失，保证系统和信息的安全性；设计一种良好的系统架构， 使之具有良好的可移植性和通用型，适合大多数的焦炉作业计划编制过程借鉴和 采用，也是系统要解决的问题。 2 3小结 本章在介绍焦炉生产操作工艺的基础上，深入分析了推焦过程存在的多工况 的特性，提出了将推焦计划编排问题归于作业计划优化调度问题来解决的思想。 分析了作业计划优化调度存在的问题和难点，在此基础上根据工艺分析，提出了 一种适合多工况的作业计划优化调度方法的基本思想：获取现场工艺信息和资源 信息，为判断工况提供决策支持；针对不同工况分别进行推焦计划优化调度，为 后续的研究铺平了道路。 中南大学硕士学位论文第三章焦炉作业计划优化调度方法 第三章焦炉作业计划优化调度方法 焦炉作业计划编制要综合考虑焦炉推焦过程的工况，工艺以及资源信息。由 于焦炉推焦过程存在着多种工况，在考虑焦炉作业计划调度原理的基础上，要保 证每座焦炉作业的连续性、均匀性和各作业设备的负荷均匀性，所以不可能只采 取一种作业计划调度模式。 本章针对焦炉多工况的特性，在上一章工艺分析的基础上，详细介绍焦炉作 业计划优化调度方法设计，包括正常工况作业计划优化调度方法和异常工况作业 计划优化调度方法。 3 1焦炉作业计划优化调度原理 焦炉的每孔炭化室都是在保证焦炭质量的基础上，按照一定周转时间进行煤 的干馏炼焦和出炉操作。但是焦炉机械只能逐孔推焦、装煤，必须遵循一定的规 则，所以焦炉作业计划优化调度必须满足一定的工艺原理和机械设备约束【4 0 1 。 本节对焦炉作业计划优化调度的原理进行分析。 3 1 1 推焦串序原理 焦炉推焦应按一定串序进行，推焦串序是否合理对炉体寿命、热量消耗、操 作效率及机械损耗等均有影响。合理的推焦串序应符合以下要求： ( 1 ) 相邻炭化室的结焦时间最好相差一半。因为结焦前半期，特别是装煤初 期煤料大量吸热，而结焦后半期需热较少，当相邻炭化室结焦时间相差一半时， 燃烧室两侧的炭化室分别处于结焦前半期和后半期，是燃烧室的供热和温度比较 稳定，减轻了因炭化室周期性装煤、出焦所造成的燃烧室温度波动，有利于炉墙 保护。此外，当相邻炭化室结焦时间相差一半时，出炉炭化室两侧炭化室内煤料 正处于膨胀阶段，由两侧炉墙传来的膨胀压力，可以平衡推焦时对砌体的推力， 从而可防止炉墙因单侧受力而变形损坏的可能。 ( 2 ) 应最充分地发挥焦炉机械的使用效率，减少焦炉机械操作全炉的行程次 数。 ( 3 ) 新装煤的炭化室应均匀分布于全炉，以利于集气管长向煤气压力和炉组 纵长方向温度的均匀分布。 ( 4 ) 应适当拉开出炉室与待出炉室的距离，改善工人的操作条件。 1 4 中南大学硕士学位论文第三章焦炉作业计划优化调度方法 推焦串序通常表示为口6 ，其中a 代表一座焦炉所有炭化室划分的组数( 笺 号) ，也即相邻两次推焦间隔的炉孔数；b 代表两趟笺号对应炭化室相隔的整数【3 9 】。 本文涉及的某钢铁企业l 舟、2 拌焦炉是j n 6 0 型焦炉，分别包括6 0 和5 5 个炭化室， 两座焦炉联合作业，所以一共1 1 5 个炭化室联合推焦。由于推焦车采用五炉距一 次对位操作，即推焦杆和平煤杆的配置间隔五个炭化室的尺寸，可在一次对位后 同时进行某一炉孔的推焦和上一炉孔的平煤，所以该联合作业的两座焦炉采用 “5 - 2 串序推焦。 “5 2 串序，即一套机械操作的炉孔分为5 个笺号，每个笺号内相邻推焦 炉孔号相差数为5 ，相邻笺号的对应炉孔号相差2 ，为了便于确定需要出炉的炭 化室号，采用“5 2 串序时，炭化室编号中除去以零为结尾的炉号。1 群、2 群推 焦串序规则表3 1 所示。 表3 - 1串序规则表( 1 1 5 个炭化室) 笺号炉号 1 号 3 号 5 号 2 号 4 号 1 ，6 ，1 1 ，1 6 ，2 1 ，2 6 ，3 1 ，3 6 ，4 1 ，4 6 ，5 1 ，5 6 ，6 1 ， 6 6 ，7 1 ，7 6 ，8 1 ，8 6 ，9 l ，9 6 ，1 0 1 ，1 0 6 ，1 1 1 3 ，8 ，1 3 ，1 8 ，2 3 ，2 8 ，3 3 ，3 8 ，4 3 ，4 8 ，5 3 ，5 8 ，6 3 ， 6 8 ，7 3 ，7 8 ，8 3 ，8 8 ，9 3 ，9 8 ，1 0 3 ，1 0 8 ，1 1 3 5 ，1 0 ，1 5 ，2 0 ，2 5 ，3 0 ，3 5 ，4 0 ，4 5 ，5 0 ，5 5 ，6 0 ，6 5 ， 7 0 ，7 5 ，8 0 ，8 5 ，9 0 ，9 5 ，1 0 0 ，1 0 5 ，1 1 0 ，1 1 5 2 ，7 ，1 2 ，1 7 ，2 2 ，2 7 ，3 2 ，3 7 ，4 2 ，4 7 ，5 2 ，5 7 ，6 2 ， 6 7 ，7 2 ，7 7 ，8 2 ，8 7 ，9 2 ，9 7 ，1 0 2 ，1 0 7 ，1 1 2 4 ，9 ，1 4 ，1 9 ，2 4 ，2 9 ，3 4 ，3 9 ，4 4 ，4 9 ，5 4 ，5 9 ，6 4 ， 6 9 ，7 4 ，7 9 ，8 4 ，8 9 ，9 4 ，9 9 ，1 0 4 ，1 0 9 ，1 1 4 “5 2 推焦串序，其优点是操作较为紧凑，节省时间和电力，机械行程更 短，适用于5 炉距新型推焦车，因此“5 2 ”推焦串序在国内的应用越来越广泛。 5 炉距新型推焦车推焦杆居中，右侧为摘门机，它沿s 形轨道进退，摘门退回时 可转9 0 0 ，用清扫机构清扫炉门，推焦杆左侧为清扫炉门框机构，也沿s 形轨道 进退，进行炉门框清扫作业，平煤杆和推焦杆相隔五炉距，可在推焦同时对前一 炉进行平煤。 这两座焦炉同时生产，共用一套四大车系统，如