（模式识别与智能系统专业论文）焦炉立火道温度软测量模型及其应用研究.pdf

生崮叁堂亟堂鱼j 金塞 造垩 摘要 立火道温度足焦炉燃烧优化控制的重要工艺参数。对立火道温度 的控制直接关系到焦炭的质量和产量以及焦炉的使用寿命。但是由于 立火道温度很高，采用热电偶直接检测不仅成本很高而且寿命很短， 所以对立火道温度的检测一直足困扰炼焦工程师的难题。 本论文从炼焦工艺出发，详细分析了影响焦炉立火道温度的各种 因素，这些因素包括蓄热室温度、煤气换向、推焦串序、入炉煤水分、 煤气种类与热值、煤气流量、天气状况等。在机理分析的基础上，本 文提出建立立火道温度的软测量模型，它以蓄热室顶部温度和配合煤 水分为辅助变量，建立线性回归子模型和神经网络子模型分别对机焦 侧立火道温度进行预测。为了提高模型对立火道温度的预测精度，本 文利用专家经验建立专家规则库，并对两个软测量子模型进行模糊组 合和有效集成。仿真实验的结果表明，这种组合和集成的策略是可行 的。 本论文还讨论了软测量模型在工业中的实现方法，并对实际运行 曲线进行了分析。软测量模型主要采用c h 语言进行模块化程序设 计，采用0 p c 技术实现应用程序与组态软件的通信。工业运行结果 表明，软测量模型对立火道温度预测准确，为焦炉燃烧优化控制的实 现奠定了坚实的基础。 关键词焦炉，软测量，线性回归，模糊组合，神经网络 a b s t r a c t a so n eo fm ec r i t i c a lt e c h n i c a l 口a r a m e t e r si nm ec o u r s eo ft 1 1 ec o k e o v e nh e a t i 玎gc o m b u s l i o n ，t h ec o k eo v e nf l o wt e m p e r a t u r ei st i 曲t l y c o l l r i e c t e dw i t i lt l l e o u t p u ta n dq u a l i t yo ft h ep r o d u c t ，a sw e ua st h e l i & s p a i lo f 也eo v e n t h eh i g ht e m p e r a t u r em a k e si tm o s tc o s ta n d c o n s u m i n gf o rm et h e 肌o c o u p l et od e t e c tt 1 1 eo v e nn o w a n dm a th a s b e e nad i 伍c u l tp r o b i e ms t a n d i n gi nm e w a y o f m a n yc o k ee n g i n e e r s i nt h ev i e wo ft e c l l i l i c a lm e c h a n i s m ，m i sp a p e r 觚a l y z e ds e v e r a l f a c t o r sa s s o c i a t e dw i mc o k eo v e nn o wt e m p e r a t u r em c l u d i n gt h e t e m p e r a t u r ci i lm er e g e n e m t o r ，m er e v e r s eo p e r a t i o no fm ec o a lg 鹤，t h e o p e r a t i o no fc o k ep u s h i n g ，m ep e r c e n t a g eo f w a t e ri nt h ec o a l ，t l l ec o a l g a st y p ea i l d h e a tq u a l i t 1 1 eg a sn o w m gn u xa l l dt 1 1 ew e a t h e r e t c f o l l o w i n gak i n do fs o f ts e n s o rm o d e lw a sp u tf b r w a r d ，w h i c hc a nb e d i v i d e di m ot w os o r t ss u b m o d e i ， l i n e a rr e g r e s sm o d e la i l dn e u r a l n e t w o r km o d e l t h et e m p e r a t u r ea tm et o po fm er e g e n e r a t o ra n dt 1 1 e w 砷e rp e r c e n t a g ei nc o a lw e r es e l e c t e d 硒t l l es e c o n dv a r i a b l e s ，a n dt 1 1 e n o wt e m p e m t u r eo fd o u b l es i d e so ft 1 1 eo v e nw e r ep r e d i c t e db ym e s u b m o d e l s i f lo r d e rt oi m p r o v em ep r e c i s i o no ft h em o d e l ，m ep a p e r c o n s t n l c t st i l em l e sl i b r a r yb a s e do nt h ee x p e r t s e x p e r i e n c e s a n dt h e s u b m o d e l sa r ei m e g r a t e dw i t hm ef h z z yc o m b i n a t i o na n da r t i f i c i a l i n t e i i i g e n c et e c h n o l o g y t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w st h a tt 1 1 em e t h o di s v a l i da n df e a s i b l e t h em d u s t r i a l a p p l i c a t i o no ft h es o rs e n s o rm o d e lw a sa l s o d i s c u s s e di nm i sp a p e r t h em o d e lw a si m p l e m e n t e dw i t hm ec + + l a n g u a g e a l l dt 1 1 eb 1 0 c k p m g r 锄m i n g t h e 印p l i c a t i o n s o r w a r e c o m m u n i c a t e dw 弛t h ec o n f i g u r es o f t w a r ew 汕h e l po ft h eo p c t e c i l i l o l o 阱t h em o d e lw o r k e de 硒c i e n t l yi nm ep l a n ta n d b e n e f i t e dg r e a t t om eh e a t i n gc o m b u s t i o ns y s t e m k e yw o r d sc o k eo v e n ，s o f ts e n s o r l i n e a r r e g r e s s ，m z 巧 c o m b i n a t i o n n e u r a ln e t w o r k 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。论文主要是自己的研究所得，除了已注明的地 方外，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，已在论文的致谢语中作了说明。 作者繇悠盏啡趔二年上月幺日 关于学位论文使用授权说明 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，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、缩印或其他手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门的规定，送交学位论文。对以上规 定中的任何一项，本人表示同意，并愿意提供使用。 名：珥聊虢耘啦期：碰年旦月望日 中南大学硕十学伊论文第一章绪论 1 ，1 研究背景与研究意义 第一章绪论 焦炉是煤化学工业中极为重要的工业炉之一，它生产的焦炭为钢铁冶炼和有 色金属冶炼提供还原剂和原料。焦炉同时生产焦炉煤气和百余种化学产品，为国 民经济的发展提供重要的物质基础。截至2 0 0 3 年9 月，我国统计在册的机械化 焦炉达1 8 0 0 多座，年生产能力达1 6 0 0 0 万吨，是世界上不折不扣的焦炭生产大 国，也是世界上最大的焦炭出口囤【1 3 1 。 研究焦炉的生产工艺特点，提商焦炉生产的自动化水平，降低能源消耗，减 少环境污染，对我国经济发展具有重大意义。 焦炉生产主要依靠四大车进行操作，这四大车分别是：推焦车、装煤车、熄 焦车和拦焦车。其中推焦车掌握整个焦炭生产时序和调度，成为焦炉生产控制的 核心。焦炉炉体从物理结构上可以分为三部分：炭化室、燃烧室和善热室。炭化 室与燃烧室交替相间，每个燃烧室与相邻两个炭化室底部的蓄热室相联，从而使 煤气可从蓄热室进入燃烧室进行燃烧。 焦炉生产的工艺特点是：装煤车从煤塔盛装混合好的煤粉，运至焦炉炉顶的 装煤孔，将煤注入到炭化室。煤在炭化室内高温于馏变成焦炭，然后，推焦车打 开机侧炉门将成熟的焦炭推至另一侧的熄焦车上，拦焦车同时进行配合操作。最 后，熄焦车将炽热的焦炭运至熄焦塔熄焦，冷却后的焦炭被运输到储存地或冶炼 现场。 焦炉生产的主要燃料是高炉煤气。通常情况下，为了提高燃烧热值，进入炉 体燃烧的气体是高炉煤气与焦炉煤气的混合气体。两种气体分别流入各自蓄热 室，预热后在燃烧室进行混合燃烧，燃烧释放出大量的热能，以多种方式传递给 炭化室炉墙，从而使煤在炭化室内高温密闭于馏，生成焦炭。 由于焦炉生产的特殊工艺，煤从加热初期到焦炭成熟，其温度必须控制在合 适的范围内，如果可以实现对焦炉生产进程中的温度实时控制，必然可以大大提 高生产的安全性，降低生产成本，减少环境污染，延长焦炉使用寿命。上世纪 9 0 年代初期，日本钢管公司投入焦炉温度控制系统后，炼焦耗热量下降了 1 4 6 k j k g ，结焦时问波动范围缩小到2 3 分钟。德国卡尔斯蒂尔公司投入自动控 中南大学顽十学仃论文第一章绪论 制a b r 系统后，炼焦耗热量降低了2 0 0 k j ，k g 以上1 4 j 。可见，国内外许多专家对 焦炉的温度控制进行了大量的研究和探索，并取得了一定的成绩。 然而在焦炉温度控制中，立火道温度控制显得尤为重要。目前国内外专家学 者对焦炉的立火道温度进行研究，主要有两种方法：一是采用号用热电偶，在炉 体内选择合适的插入位置，直接检测焦炉的立火道温度，从而实现对立火道温度 的闭环控制；二是通过测量炼焦工艺的其它参数。采用回归分析、自适应分析、 灰度分析等方法建立检测量与焦炉温度之间的数学模型，避免对立火道高温的测 量，间接实现温度检测。第一种方法由于成本昂贵，维护不便已逐渐不再采用， 第二方法由于采用了传统的建模型方法很难满足现在工业对控制精度的要求。 软测量技术作为一种现代新兴检测技术，目前国内对其研究已有2 0 多年的 经验，它在化工等行业已有大量成功应用的范例。但是将软测量技术应用在焦炉 立火道温度检测领域尚未出现先例。 1 2 国内外研究现状 2 0 世纪5 0 年代初，美国、前苏联等国家就己对焦炉的操作和温度控制进行 了研究，但由于当时的科学技术水平低，焦炉的工艺和设备又很复杂，进展不大。 到了7 0 年代，计算机技术和自动控制理论的迅速发展才使得焦炉的计算机控制 成为可能。目前焦炉加热自动控制主要采用前馈控制和反馈控制方法。其控制策 略是：首先建立焦炉加热自动控制数学模型，反应焦炉温度和加热煤气流量之间 的对应关系，然后根据当前的温度检测值和焦炉供热模型的输出来计算应该输入 的煤气流量，从而对温度进行调节。 国内外已研究出的焦炉数学模型分别有以下几种类型1 5 】。 ( 1 ) 焦炉供热模型，此模型一般为前馈模型，用于计算在一定的没定温度 下，焦炉加热所需要的煤气流量。 ( 2 ) 立火道温度模型，通过采取一定的手段，比如从看火孔插入测温热电 偶，以检测立火道温度，建立立火道温度与全炉炉温之间的映射关系。 ( 3 ) 成焦点判断模型，通过检测炭化室温度，比如通过检测炭化室炉墙温 度或上升管荒煤气温度以反映焦饼的温度，从而判断焦饼的成焦时刻。 ( 4 ) 直行温度计算模型，使用高温仪检测直行温度，建立此温度与炉温的 对应关系。 这些传统的数学模型只反应了煤气流量与焦炉温度之间简单的、静态的映射 中南大学硕+ 学伊论文 第一蕈绪论 关系，难以刻威焦炉温度变化的动态特性，而事实上的焦炉温度存在着 f 线性、 大惯性、强干扰等特点，因此以往的控制方法存在控制误差大、系统响应缓慢等 缺点。 随着当代先进控制技术和智能控制技术的迅速发展，焦化行业迫切需要改进 现有的焦炉自动控制状况。于是将软测量技术与人工智能技术运用到焦炉的温度 建模与控制中成为当阿该行业的一个研究热点。 。软测量技术足随着化工和冶炼行业的发展而逐渐发展进步的新技术。工业过 程控制中，存在一类测量难度大、成本高，但是对生产控制又极其重要的参数。 为了对这些参数进行检测，软测量技术选定易检测的二次变量，建立二次变量与 待测过程变量之间的软测量模型，通过求解数学模型以达到最终目的1 6 l 。基于软 测量技术的软仪表( s o f is e 船o r ) 与传统的仪表相比，不需要传感机理等理论基 础，而且研制灵活，在测量、对象、范围、功能上具有较小的局限性。因此软仪 表具有突出的优点和巨大的工业应用价值。 由于工业控制的实际需求，软测量技术迎来了一个发展黄金时期。它已成为 目前过程控制领域的研究热点和主要发展趋势之一。软测量研究的主要内容包 括：二次变量的选择、测量数据的预处理、软测量模型的建立以及模型的在线校 正。人们对软测量技术的研究主要集中在两个领域：一是建模方法和理论；二是 软测量技术在过程控制中的应用。 目前软测量的建模方法可以分为两类。基于机理分析和系统辨识的建模方法 和应用人工智能技术的智能建模方法。所采用的智能技术有神经网络、模糊理论、 专家系统、灰色理论等等。实验仿真和工业实际应用表明，很难采用一种方法准 确描述实际对象，因此在实际应用中，可以采用不同的方法进行建模，将它们有 机的集成以取长补短，从而提高复杂过程的软测量模型的品质和精度。 软测量技术在很多领域都有成功应用的范例。例如化工过程中，催化裂化装 置反应再生部分的软测量模型建立了催化剂、反应热、催化剂烧焦状况估计、 裂化反应产品分布估计等软测量模块【l ”，提高了工业自动化水平。文献【1 2 】通过 对氧化铝生产过程中相关参数进行采集和分析，建立软测量模型，在不同工况下 对苛性比值与溶出率进行预报，为优化氧化铝生产过程提供了重要依据。 总之，软测量技术是现代先进控制技术发展的趋势之一。将软测量技术与炼 焦工艺结合，必将对焦炉生产实现综合自动化大有裨益。 3 中南大学硕七学伊论文第一章绪论 1 3 立火道温度检测在焦炉燃烧优化控制中的作用 温度是焦炉自动化生产过程中最为重要的工艺参数之一，焦炉的温度参数主 要包括以下：焦饼中心温度、炭化室墙面温度、冷却温度、直行温度、横墙温度、 立火道温度、蓄热室顶部温度、小烟道温度、炉顶空日j 温度等。其中，立火道温 度与焦炉干馏过程中的温度具有极大的相关性，所以对立火道温度的控制显得十 分重要。 这哩的立火道温度是指从看火孔检测得到的，它对焦饼的成熟具有重要的意 义。如果能够准确实时地检测出立火道的温度，就可以采用多种智能控制手段对 整个焦炉的温度实旌闭环自动控制，其原理框图如图1 1 所示。 图1 1 基于立足道温度检测的焦炉温度闭环控制 立火道温度作为焦炉生产过程极其重要的工艺参数，它直接影响焦炭产品质 量的稳定与煤气能耗的高低。但是立火道温度具有温度高、内封闭的特性，一直 是困扰大多数炼焦工程师的难题。而相对而占，蓄热室温度和烟道废气温度的检 测则容易的多，成本也不高，通常采用焦炉专用热电偶直接测量。 为了准确测量和预报焦炉的立火道温度，国内外专家研究出了多种不同的方 法。目前检测焦炉立火道温度的主要方法是在焦炉适当地方安装热电偶，以热电 偶实测温度日j 接反映焦炉的立火道温度。建立准确的温度模型可以避免直接测量 立火道的高温，如果模型足够准确，还可以减少热电偶的安装数目，大大降低投 资，更重要的足为温度控制提供参考依据，从而实现焦炉燃烧加热的自动控制。 通过对炼焦工艺分析，可以建立立火道燃烧机理数学模型m5 1 ，机理模型在 理想前提f 对立火道燃烧过程与热传导机理进行比较严密的分析与推导，但是工 业生产实践中环境复杂多变，种种理想条件难以获得，理论公式很难付诸实施。 随着人工智能技术的发展，软测量技术的出现为立火道温度检测提供了全新 的方法和手段。本论文在分析立火道燃烧机理的基础上提出建立线性回归和神经 网络软测量模型，并设计模糊组合器对多个子模型的输出进行有效组合，为焦炉 立火道温度检测提供了一种新的思路。实验仿真结果和工业运行曲线表明这种设 4 中南大学硕士学伊论文 第一章绪论 计方法是切实可行的。 1 4 论文主要内容 本论文主要对焦炉燃烧加热过程进行机理分析，以立火道温度为待检测量， 建立焦炉立火道温度的软测量模型，为焦炉的温度实现自动控制提供有力的依 据。 第二章基于建立焦炉立火道温度软测量模型的目的，对影响焦炉立火道温度 的多种因素进行了详细的分析，为确立软测量模型的二次变量奠定了基础。 第三章分别采用线性回归和神经网络技术建立软测量模型，并分析了各自的 优势，最后对两种模型进行了有效的集成，从而提高模型的精度。 第四章详细讨论了软测量模型的学习机制，阐述了模型样本的更新原理和软 测量模型自适应学习及自修正的方法。 第五章讨论软测量模型在工业上的实现方法，以及在工业上的运行效果和为 焦炉温度控制带来的效益。 第六章对全文做出总结，提出了对后续研究的展望。 中南夫学硕 = 学伊论文第二章焦炉立火道温宦软测肇机珲分析 第二章焦炉立火道温度软测量机理分析 本章从焦炉工艺机理的角度分析了蓄热室温度和立火道温度的变化特点，以 及影响立火道温度的各种因素。这些因素包括蓄热室顶部温度、煤气换向、推焦 串序、入炉煤水分、煤气种类与热值、煤气流量、天气状况等。通过分析这些因 素对立火道温度的影响机理，从而确立以蓄热室顶郎温度为软测量模型的主要输 入量，为下文建立软测量模型奠定了基础。 2 1 立火道温度与蓄热室温度的关系 为了对焦炉均匀加热、方便检查和控制，每个燃烧室的机、焦侧各选择一个 立火道作为测温火道，其温度分别代表机、焦侧温度，这两个火道称为测温火道 或标准火道。其所测得实际温度称直行温度。而标准温度足指机、焦侧火道温度 控制值，是在规定结焦时间内保证焦饼成熟的主要温度指标。在任何结焦时间下， 对于硅砖焦炉，确定的标准温度应使焦炉各立火道的温度不超过1 4 5 0 【s l 。直行 温度与标准温度之间有个差值，这个差值是由于直行温度测温点与立火道温度最 高点有大约l 米的距离造成的。在炼焦工艺上，该差值通常称为冷却值。对特定 的焦炉，冷却值一旦确定下来一般不再更改。 为了了解立火道温度的变化规律，最直接的做法足在每个立火道中插入热电 偶枪测温度，但是由于立火道的温度高达1 3 0 0 左右，插入的热电偶寿命很短， 这样会造成检测和维护的成本过离。所以只能通过间接测量的办法实现。 为了说明蓄热室温度与立火道温度的密切关系，首先介绍焦炉各蓄热室、燃 烧室与炭化室的位置关系。 焦炉炉体一般由若干个炭化室和燃烧室交替组成，这垦以某焦化厂新2 号焦 炉为例，它由5 5 个炭化室、5 6 个燃烧室和5 7 个蓄热室组成。为了表述简明， 将所有蓄热室、燃烧室和炭化室依次编号，则每个炭化室正下方蓄热室的编号恰 好比自身编号大1 ，如图2 1 所示。图2 1 还表示了煤气流经焦炉的途径。每两 个蓄热室之间夹着一个燃烧室，每两个燃烧室之间夹着一个炭化室。在物理结构 上，除了边蓄热室外的其它蓄热室都处于炭化室的正下方。图2 1 中箭头代表煤 气在焦炉中的流经途径。可以看出煤气从底部蓄热室流入后( 如图2 1 中8 号蓄 热室情形) ，会进入两侧的燃烧室进行燃烧。燃烧结束后的废气下降进入另一个 6 中胄大学硕十学伊论文第二章焦炉立火道漏度软测爵机珲分析 蓄热室排出，( 如图2 1 中的9 号蓄热室) 。 由于燃烧室被分割成若干个立火道，当煤气进入燃烧室时总是从单数或者双 数立火道上升进行燃烧，燃烧结束后又从双数或单数立火道下降，直到煤气换向 后，煤气进入和排出所经历的立火道相互交换。 _ 号 。 号 炭 八贝 燃 化 烧 童 氐 慝 f 叫引 图2 1 气体漉经途径示意图 从以上分析可以发现，当燃烧后的气体进入蓄热室时，其温度正好反映了燃 烧室内立火道温度，如果燃烧后的废气温度较高，则蓄热室的温度也较高；如果 燃烧后的废气温度降低，则蓄热室的温度也相应降低。所以，如果可以检测到蓄 热室的温度，建立二者之间的映射关系，即数学模型，通过数学模型和蓄热室的 实时温度检测量便可预测焦炉的立火道温度。这种间接测量的方法被称为软测量 建模。 由于蓄热室气流与立火道气流存在前后相接关系，两者的温度也存在某种特 定的对应关系，所以可以通过检测蓄热室的温度以代替对立火道温度的直接测 量，即立火道温度的软测量。软测量的好处有三： ( 1 ) 由于蓄熟宅温度比立火道温度低，从而大大降低检测成本； ( 2 ) 避免了对高温的检测，提高了检测的安全性和精度； ( 3 ) 由于炉顶加煤车的频繁往来，在炉顶安装测温装置 常不利，而一般 在焦炉的蓄热室都预留有安装孔，是专门用于安装热电偶测温的，所以安装可行， 维护方便。 在保证两者可以有效对应的前提下，可以选择仅在部分蓄热室的顶部安装专 用热电偶，如果这些蓄热室对全炉的蓄热室具有代表性，那么这种间接测量的方 案是可以满足要求的，这样就可以再次降低检测成本。之所以选择在蓄热室的顶 部，而不是在其它部位是有其原因的。这是由于顶郝正好是蓄热室与燃烧室的相 7 中南大学硕七学伊论文 第二章焦炉童火道温宦软测旨机理分析 接处，该处温度最能体现燃烧室的温度变化。 由此建立蓄热宅温度与立火道温度的模型，通过模型预报立火道温度。由于 每个炭化室、燃烧室、蓄热室的工况复杂，选取的蓄热室要能较好的反应炉况， 热电偶最终的插入点报据焦炉的实际工况和现场测温工的经验，同时考虑推焦串 序的要求而确定，它们的编号为8 、1 4 、2 7 、3 5 、4 7 、5 l 。通过对焦炉工作状况 的长期观察发现，这些蓄热室气流平稳，温度变化正常，无陡升陡降，从未出现 过串烧现象，表明这些蓄热室墙体稳固密闭，使用寿命长，可以代表全炉的整体 状况。另外这些蓄热室还考虑了推焦串序的影响，将在下文单独分析。 本节的分析表明，蓄热室作为与立火道紧密联结的热交换结构，其温度与立 火道的温度存在着不可分割的连带关系，当立火道温度发生任何细微波动时，这 种波动都会非常精微传送到蓄热室顶部温度上来。同时，蓄热室在焦炉的底部， 有效隔离了外部对焦炉加热系统的干扰，可以保证蓄热室顶部温度对立火道温度 的真实发映。 2 2 影响焦炉立火道温度的因素 实际上，有众多影响立火道温度的因素，本节详细分析了这些因素的影响机 理，并说明了这些因素对立火道温度的影响也同样传递到了蓄热室，对蓄热室的 顶部温度也造成了同等效果的影响。 ( 1 ) 煤气换向操作 正如图2 1 所示，煤气在焦炉内总是从一侧蓄热室上升从两侧蓄热室下降。 蓄热室与燃烧室的相联特点决定了气体流动遵循“本双前单”的原则。图2 2 是 “本双前单”的示意图。“本双前单”的含义是，每个蓄热窀与相同编号燃烧室 的双号火道相联接，与前号燃烧室的单号火道相联接。 以2 号燃烧室为例，煤气首先进入3 号蓄热室预热，预热后进入燃烧室燃烧， 从燃烧室的单号火道上升，燃烧结束后的废气从双号火道下降，随后从2 号燃烧 室出来，进入2 号蓄热室，将热量传给蓄热室的炉墙，之后进入烟道作为废气排 出。气体从一侧蓄热室进入，到从相邻蓄热室排出，这一个过程为3 0 分钟，称 为一个换向周期。下一换向周期时。煤气将从2 号蓄热室进入，从3 号蓄热室排 出。 从以上分析可以看出，由于换向操作的原因。蓄热室温度必然存在周期性的 波动。当上升煤气经过葺热室时，气体被预热，该阶段蓄热室的温度持续下降。 中南大学硕士学伊论文 第二章焦炉立火道温宦软测晕帆珲分析 由于刚进入蓄热室的煤气温度最低，煤气从炉墙吸收大量的热，蓄热室温度下降 剧烈，随着时间增加，煤气温度升高，炉墙释放热量的速度下降，蓄热室温度下 降速度也随之减慢。实测数据表明，在抉向后的前半个周期内，蓄热室顶部温度 下降量占整个下降量的2 ，3 左右。这表明在换向操作后1 5 分钟左右时，蓄顶温 度的变化基本平稳，如图2 3 所示。 双号火道 单号火道 蓄热室：l 号2 号3 号 图2 2 煤气换向气流示意图 下降温度( ) 7 0 o 3 0 换向后时日】( m ) 图2 3 煤气换向对蓄顶温度影响 如果用蓄顶温度反映与之相连通的立火道的温度，定要检测气流下降时的 温度。这是因为下降气流是立火道燃烧结束后的废气，这些废气在数秒之内会运 动到达蓄热室，因此下降气流到达蓄热室时的温度与气体在立火道内燃烧时的温 度具有最大的相关性。与之相反，上升气流到达蓄热室是为了预热，并没有参与 燃烧，那时的蓄顶温度仅代表煤气燃烧前的初始温度，与立火道燃烧时的温度关 联不大。 另一方面，焦炉直行温度一般在换向l o 分钟后测鼍。由于焦炉的燃烧室较 多，在测量直行温度时，测的时b j 有早有晚。测得早的立火道温度下降得少一些， 9 中南大学硕十学伊论文第二章焦炉立火道温宦软铡蟹凯理分析 测得晚的立火道温度下降得多一些，所以测得的温度不能完全准确地代衷立火道 的真实温度，所测温度加上冷却值后换算成换向后2 0 秒时刻的温度，以确定该 立火道测温点的最高温度。冷却温度作为一个校正值，其本身受各种复杂因素的 影响，如冬夏季节变化、天气变化、加热煤气种类或结焦时问变动等情况。因此 需经常测量冷却温度以减少换算时的误差。 ( 2 ) 推焦串序 推焦就是把成熟的焦炭推出炭化室的操作。焦炭成熟后，炭化室中焦饼必须 产生一定的收缩，才能保证顺利推焦。一般认为煤在炭化室内高温干馏，焦饼中 心温度达到9 5 0 1 0 5 0 时焦炭即成熟【4 】。焦饼中心温度达不到上述温度时焦饼收 缩不好；若焦饼中心温度过高，焦炭易碎，不但影响焦炭质量还影响正常的推焦 工作，甚至导致生产故障。 推焦应按一定的规律进行，才能稳定加热制度，提商产品质量，合理使用机 械设备以延长炉体寿命。推焦串序通常表示为m n ，其中m 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l 日j 隔的炉孔数；n 代表两趟笺号 对应炭化室相隔的整数。目i ；i 国内采用的推焦串序主要有以下两种：9 2 串序和 5 2 串序，两者应用都比较多，但后者机械行程更短，适用于5 炉距新型推焦机， 在国内的应用越来越广泛。 下面以5 2 串序为例介绍推焦串序。将5 5 个炭化室分成5 笺，每笺中相邻 的两个炭化室编号相差5 ，每一笺推完后笺号加2 ，按此规律就可得到如下循环 推焦炉号图表。带括号的编号表示插了热电偶的蓄热室( 6 2 个) 。 l 号笺：1 ，6 ，1 l ，1 6 ，2 l ，2 6 ，3 l ，3 6 ，4 l ，4 6 ，( 5 1 ) ； 3 号笺：3 ，( 8 ) ，1 3 ，1 8 ，2 3 ，2 8 ，3 3 ，3 8 ，4 3 ，4 8 ，5 3 ； 5 号笺：5 ，l o ，1 5 ，2 0 ，2 5 ，3 0 ，( 3 5 ) ，4 0 ，4 5 ，5 0 ，5 5 ； 2 号笺：2 ，7 ，1 2 ，1 7 ，2 2 ，( 2 7 ) ，3 2 ，3 7 ，4 2 ，( 4 7 ) ，5 2 ； 4 号笺；4 ，9 ，( 1 4 ) ，1 9 ，2 4 ，2 9 ，3 4 ，3 9 ，4 4 ，4 9 ，5 4 。 当推焦开始时，炉门打开，炭化室的温度受到低温的冲击，由此带来两侧燃 烧室的降温。推焦进行时，立火道温度处于极度不稳定的下降过程中。推焦操作 大约持续数分钟，推焦结束后立即关上炉门，接着装煤操作开始，此时由于装入 常温下的混合煤，会再一次导致炭化室温度骤降，从而带来两侧燃烧室的温度下 降，这一过程会持续2 4 小时，此后立火道温度便进入稳步上升时期，直至另一 侧的炭化室进行推焦。 1 0 中南大学硕十学伊论文第二章焦炉立火道温宦软测茸机理分析 ( 3 ) 结焦时间 焦炉加热时，煤气在燃烧室燃烧产生的热量传递给炉墙，炉墙将热量以多种 方式传递给炭化室内的煤料。煤拳4 在炭化室内密闭加热，直至结焦成熟。合理的 推焦计划要使相邻炭化室的结焦时间相差半个结焦周期左右。炭化室在结焦前半 期，特别是装煤初期，煤料从炉墙吸收大量的热，因此炉墙温度下降；而在结焦 的后半期，从炉墙吸热较少，火道温度有上升趋势。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的前半期和后半期，使燃烧室的供热 和温度比较稳定，减轻了因炭化室周期性装煤、推焦所造成的燃烧室温度大幅度 波动。在供给燃烧室热黾一定的情况下，燃烧室放热给炉墙的热量增大或减少， 就会导致火道温度下降或上升。 如图2 4 所示，炭化室推焦后，相邻的燃烧室火道温度急剧下降( a ) 。一般 而占，结焦3 5 小时后，随着燃烧室传给炉墙热量减少，燃烧室温度开始回升 ( b ) 。当一侧炭化室处于结焦末期时，火道温度上升到最高值( c ) ，推焦、装 煤后火道温度又开始下降，经3 5 小时后降到最低点( d ) ，又逐渐上升至另一 侧炭化室的结焦未期又达到最高值( e ) ，所以火道温度在一个周转时间内将出 现两次降落和上升，故立火道温度呈双抛物线形状。选取不同的结焦时间，将会 有不同的周转时间，所得到的双抛物线宽幅不一样，但形状一样。双抛物线峰值 间距的大小取决于推焦串序和循环检修时间等。以新2 号焦炉8 号燃烧室为例， 其两侧为7 号和8 号炭化室。推焦相隔时问为1 0 8 小时，故两个抛物线的峰温 日】距为1 0 8 小时和7 2 小时。 温 度 图2 4 结焦时间内立火道温度变化趋势 ( 4 ) 配合煤水分 为了炼出机械强度较高的优质焦炭，炼焦用煤一般采用不同品位的煤进行混 合使用，互相取长补短。配合煤所含水分是有一定控制要求的，一般要求波动范 围在9 1 3 5 之日j ，并且要求尽可能地稳定。但是通常情况下，大批量的需求很 中南大学硕十学伊论文第二章焦炉盘火道温度软捌晕机理分折 难做到对水分的有效控制。实际上，配合煤水分对炼焦有很大的影响。当配合煤 水分较低时，炼焦耗热量减少；当配合煤水分较高时，炼焦耗热量会大大增加。 进一步分析，煤料堆密度与水分也有较大的关系，干煤堆的密度最大，随着 水分增加堆密度减少，当水分在7 8 时，堆密度最小，为千煤堆密度的8 5 左 右，水分继续增加，堆密度稍有增加，如图2 5 所示。又因为水分汽化热大，煤 料导热性差，不能迅速将热量传给煤料层，经估算将一千克煤加热到2 0 0 所需 热量与将此煤中所含l o 水，汽化并加热到2 0 0 所需热量相当，所以没有得到 足够热量使水分完全汽化之前，煤料温度只能接近水的汽化温度，因此所以炭化 室中心处装煤后7 8 小时内其温度一直停留在1 1 0 左右【8 l 。 堆密度( k g m 3 ) 9 0 0 07 8 配合煤水分( 9 的 图2 5 配合煤水分与堆密度的关系 由于上述原因，如果配合煤水分每增加l ，生产经验上要求立火道温度上 升5 7 ，炼焦耗热量增加约3 0 k j ，k g ，结焦时间将延长l o 1 5 分钟。因此在焦 炉工操作规程中有必要规定相邻班的配合煤水分波动不应大于l ，但是在实际 中这是很难保证的，尤其在雨水较多的夏季，敞篷的煤厂根本无法保证相邻班次 的配合煤水分稳定。所以，必须寻求煤水分与立火道温度之间的 线性关系，本 论文的后续章节将从其它角度进行考虑。 ( 5 ) 煤气种类与煤气热值 焦炉生产用的燃料煤气有两种：一是焦炉煤气，二足高炉煤气。其中焦炉煤 气的热值比高炉煤气的热值高很多，所以通常情况下，仅用高炉煤气加热，燃烧 热值不能满足要求。而煤气热值过低，则会造成煤气需求量增大，废气中带走的 热量增多，耗热量增高，热效率降低，使加热设备系统和焦炉燃烧系统阻力增大， 甚至造成煤气设备能力和烟囱吸力不足，迫使结焦时间延长，降低焦炉的生产能 力，因此需要向高炉煤气中掺杂一定比例的焦炉煤气以提高煤气的热值。以某焦 化厂为例，焦炉煤气的热值一般在1 7 0 0 0 k j m 3 左右，而高炉煤气的热值在 3 0 0 0 k j ，m 3 左右，当掺杂了5 的焦炉煤气后，混合煤气的热值可以达到3 7 0 0 i ( j m 3 左右，煤气热值提高了2 3 3 ，这是相当可观的。 1 2 中南大学硕士学付论文第二章焦炉立火道温度软测蕈机理分析 ( 6 ) 大气温度和风向影响 风向和气温的改变对炉温的影响是比较容易观察到的。大气的密度发生变 化。炉内的浮力就会产生变化，进而使炉内燃烧系统吸力和空气系数发生变化。 如迎风侧的蓄热室走廊气温低，空气密度大，而且风的速度较大，因此在进风口 开度和分烟道吸力不变的情况下，进炉的空气量增多，燃烧系统吸力变小，看火 孔压力增大，而在背风侧则相反。这样就引起了机、焦侧炉温的波动。在冬季和 夏季也有着同样的影响。这时进风口开度和分烟道吸力应作适当的调整。 2 3 影响因素与立火道温度的相关性分析 本节主要分析两类影响因素与立火道温度的相关性，其一是煤气热值与立火 道温度的相关性，其二是蓄热室顶部温度与立火道温度的相关性。 从直观上分析，当煤气热值增大时，立火道温度也会相应增大。为了寻找两 者之间的某种线性或者非线性的对应关系，可以将数据画在图中观察分析。图 2 6 是采集到的近一周时间内的煤气热值当量，以及对应时刻测量得到的立火道 温度，可以观察出，两者之问的关系是紊乱的，无法从中找出两者间的对应性来。 如果计算两者之间的相关系数可以发现相关系数r m o ，这说明两者之间的相关 性近似为o ，可以认为它们不相关。 1l l2 13 l4 l5 l6 l7 1 8 l9 l 一实测值热值当前一热值一小时 图2 6 煤气热值与立火道温度的相关性分析 对于蓄热室顶部温度，采用与上述同样的方法，采集数据作出图2 7 如下。 可以看出两者存在一定的线性变化规律。实际上，对蓄顶温度与立火道温度的相 关性进行分析，其相关系数可达r - 0 8 5 ，这证明蓄顶温度与实测立火道温度的 伽 蚕； 姗 姗 咖 喜| 咖 彻 中南大学硕十学伊论文第二章片炉盘火道温室软测茸虮珲分析 确具有显著的线性相关性。这种线性相关性正好验证了前文对两者温度变化机理 的分析。因此在获得一定数量合格样本的f i i 提下，以蓄顶温度的均值作为参考输 入量，可以建立具有线性特性的立火道温度模型。 l3579l l 1 31 51 71 9 时间( 4 h ) 图2 7 蓄项温度与立火道温虚线性相关 虽然煤气的换向操作对立火道温度影响很大，但足操作的程度无法量化，两 者之问的相关性也无法量化处理。实际上，换向操作对立火道温度的影响已经反 映到蓄热室温度的变化上，若再次单独分析煤气换向操作对立火道温度的相关 性，重复的影响因素会给分析数据带来畸变，反而不利于解决实际问题。与此同 理，立火道温度与推焦串序的相关性也无法量化分析，只能做出定性的说明。 配合煤水分对立火道温度的影响很大，但由于煤水分难以实时检测，所以只 能得到两者相关性的大致范围。根据实验结果，每当配合煤水分上升一个酉分点， 必须将标准立火道温度提高5 左右才能满足炼焦生产的要求，否则，焦炉均温 下降会大于5 。因此，在实际生产实践中发现，如果配合煤水分增加了，会立 即增大煤气流量和增加煤气热值以保证焦炉的供热平衡。 与其它因素相比，大气环境温度和风向对立火道温度的影响实时性较弱，两 者之间的线性相关性较小。在实际生产实践中，这种相关性忽略不计，但当因忽 略而造成的供热误差累计到一定程度时，最终会通过供热补偿来考虑这些因素对 立火道温度的影响。同理，在软测量模型中也可以通过模型的修正来考虑大气环 境温度和风向对立火道温度的影响。 2 4 小结 本章主要分析了立火道温度与蓄热室温度各自的变化特点，以及两者之| 日j 的 相互影响。同时分析了煤气换向、推焦串序、结焦时间、配合煤水分、煤气热值、 1 4 0 o o o 0 o o 9 5 l 7 3 9 5 3 3 3 2 2 l l；1 一p 一 芋f 瑁 中南大学硕士学伊论文第二章焦炉芷火道温度软测革机理分析 大气温度与风向等因素对立火道温度造成的影响。 上述分析说明，蓄热室顶部温度与立火道温度具有不可分割的关系，蓄热室 顶部温度会随着立火道温度的变化而变化，两者存在一定程度的线性关系。煤水 分和煤气热值等因素对立火道温度的影响也很大，但是这种影响具有严重非线 性，同时具有大滞后、相互耦合的特点，必须采取其它方法建立软测量模型。 中南大学硕士学伊论文第! 章售炉芷火道温絮软测草模犁 第三章焦炉立火道温度软测量模型 本章在前章的基础上选取蓄热室顶部温度和配合煤水分作为软测量模型的 辅助变量，建立立火道温度软测量模型。软测量模型包括两类：一类是基于最小 二乘的线性回归模型，另一类是基于b p 神经网络的模型。由于蓄顶温度与立火 道温度具有较大的线性相关性，所以建立两者之问的线性回归模型是可行的。但 是，煤水分对立火道温度的影响也较大，这种影响带有非线性和滞后性的特点， 如果继续采用线性回归方法建立模型是不合适的，而神经网络具有很强的 线性 映射能力，所以得到选用。 线性回归模型具有线性度好，对立火道温度预测平稳的特点，但足精度不高。 而神经网络模型具有预测精度高，但有时也会出现较大的误差。只有将两者结合 起来利用一定的策略进行集成，才可以对立火道温度进行正确的预测。本章的最 后提出了一种基于最优化方法的集成策略。仿真试验表明，建立的软测量模型对 立火道温度的预测取得到很好的效果。 3 1 软测量方法 随着生产技术的发展和生产过程的日益复杂，为确保生产装置安全、高效地 运行，需要对与系统的稳定及产品质量密切相关的重要过程变量进行实时控制和 优化控制。如果待检测变量难以直接测量或者测量成本太高，传统的测量方法就 无法满足现代工业生产的需要。软测量技术正是在上述背景下产生的，它通过选 择与被估计变量相关的一组可测变量，构造某种以可测变量为输入、被估计变量 为输出的数学模型，用计算机软件实现对重要过程变量的估计。这类数学模型及 相应的计算机软件也被称为软测量器或软仪表。软测量器估计值可作为控制系统 的被控变量或反映过程特征的工艺参数，为优化控制与决策提供重要的信息。在 焦炉生产中，立火道温度就是这样一个待检测的过程变量。 从目前广泛应用的角度分类，软测量技术主要有以下几种方法： ( 1 ) 基于回归分析的软测量 经典的回归分析方法在软测量技术中有着极其广泛的应用。回归分析是一类 数学模型，它用统计的方法研究一个或多个随机变量与另一些变量之间的关系问 题。特别当因变量和自变量为线性关系时，它是一种特殊的线性模型。最简单的 1 6 中南大学硕士学伊论文 第! 章焦炉迸火道温度软测量蟆犁 情形是一个自变量和一个因变量，称为一元线性回归【叭。 利用所求的线性回归模型可以对某一生产过程进行预测或控制。例如，可以 建立以蓄热室顶部温度为自变量，以立火道温度为因变量的线性回归模型，从而 对立火道温度进行估计。 基于回归分析的软测量具有简单实用的优点，所以应用相当广泛，但是通常 需要大量的数据样本。 ( 2 ) 基于神经网络的软测量 基于神经网络的软测量技术是近年来研究最多、发展最快的一种软测量技 术。神经网络具有自学习、联想记忆和非线性函数逼近等能力，因此基于神经网 络的软测量技术可以在对工业对象的机理缺乏了解的前提下，对大量工业数据样 本进行学习，从而建立辅助变量与待测量之问的模型。此外，神经网络软测量模 型还可以随着工业对象工作点的偏移而进行自学习，以重新适应工况。图3 1 是 神经网络软测量模型的框图。图中甜是输入量，y 是待测过程变量，j ，是模型对 y 的软测量值，p 是误差。 图3 1 神经网络软测量模型 ( 3 ) 基于模糊数学的软测量 基于模糊数学的软测量借助模糊逻辑的推理能力，建立一种基于知识的数学 模型，这种数学模型适用于复杂工业过程中待检测对象呈现出多种不确定性，难 以用常规数学模型加以描述的场合。它将大量知识归纳为模糊逻辑表，通过模糊 逻辑运算实现对待检测量的估计。 3 2 线性回归软测量模型 本节详细介绍如何建立焦炉立火道温度线性回归软测量模型。线性回! n 模型 是基于大量数据样本的数学模型，因此在建模之前必须采集大量的蓄顶温度和立 1 7 中南大学硕七半伊论文第三章焦炉立火道温宦软测晕摸犁 火道温度数据并整理成样本。 焦炉集散控制系统采用h o n e y w e ur 4 0 0 进行组态。集散控制系统获得的菩 顶温度信号总足带有大量的噪声，因此数字信号必须经过滤波后才可以输入至模 型中。滤波可以取得以下好处： ( 1 ) 剔除尖峰脉冲，获得平滑曲线； ( 2 ) 剔除异常数据，提高稳定性； ( 3 ) 屏蔽设备、仪表故障对采样的干扰，提高可靠性。 滤波的方法有多种，常用的有：均值滤波、极值滤波、中值滤波等。不同的 滤波方法可以得到不同的滤波效果，将几种方法综合起来，有助于获得更平滑的 曲线，例如可以采用如下滤波公式( 3 1 ) 进行