（控制理论与控制工程专业论文）焦炉火道温度软测量的集成模型及其应用研究.pdf

摘要 焦炉火道温度是焦炉生产过程中的重要参数，如何根据火道温度来调节煤气 流量和分烟道吸力，使温度保持稳定，是焦炉生产的关键操作。由于焦炉火道温 度是通过人工每四小时测温获得的，如何消除人工测温的迟滞性，构成温度反馈 控制系统，在理论和实际中都具有重要的研究意义。本文针对焦炉火道温度不易 测量，过程参数具有非线性、时变和干扰性强的特点，探讨了应用基于集成模型 的软测量模型达到实时获得焦炉火道温度的方法。 论文首先介绍了本课题的研究背景及来源，在调研国内外焦炉火道温度实时 测量的研究现状后，通过对焦炉火道温度软测量的目的和难点的讨论，提出本论 文将要研究的问题和基本的解决思路。为建立焦炉火道温度软测量模型，对焦炉 生产中换向周期内火道温度和结焦时间内火道温度的变化规律进行了分析，综合 考虑焦炉火道温度各种影响因素，得出可以利用蓄热室顶部温度( 简称蓄顶温度) 建立火道温度软测量集成模型的结论。为获得蓄顶温度，本论文提出一种选取典 型蓄热室的方法，并且利用级数理论验证了这种选取方法的有效性。为反映蓄顶 温度和焦炉火道温度之间的线性关系，建立了两者之间不同类型的线性回归模 型：为反映两者之间不确定的非线性关系，建立了两者之间的分布式神经网络模 型：首先对蓄顶温度和线性回归模型的输出构成的广义输入进行聚类，针对不同 的类别分别建立b p 神经网络子网，各个子网的输出经模糊组合作为分布式神经 网络模型的输出。为发挥线性回归和神经网络两类模型的优点并避免其不足，对 两类模型进行了集成。最后，针对焦炉有三种不同加热方式的特点，提出一种集 成模型的切换策略；为使软测量模型适应工况的改变，提出一种软测量集成模型 的自适应策略；为利用焦炉火道实测温度，使软测量模型能正确实时反映火道温 度，不因模型运行时间增长而使预测值误差积累，提出一种软测量模型的修正算 法。 实际运行结果表明：论文提出的焦炉火道温度软测量集成模型完全能够达到 工业现场应用的要求。论文最后在总结本文提出的软测量建模方法和步骤的基础 上，指出了软测量方法在过程控制中广阔的应用前景。 关键词：焦炉火道温度，软测量，线性回归，神经网络，聚类 a b s t r a c t t h ea v e r a g ef l u et e m p e r a t u r ei sa l li m p o r t a n tp a r a m e t e ri nc o k eo v e np r o d u c i n g p r o c e s s h o wt oa d j u s tt h eu s eo f t h eg a sa n dt h ef l u es u c t i o ni st h ek e yo p e r a t i o ni nt h e t e m p e r a t u r ec o n t r o lo f t h ec o k eo v e n n o r m a l l y , t h ea v e r a g ef l u et e m p e r a t u r ei sg o te v e r y f o u rh o u r st h r o u g hm a n u a lm e a s u r e m e n t , t h e r e f o r e ，t h et i m ed e l a ym a k e si td i f f i c u l tf o r t h eu s eo fr e a lt i m ec o n t r 0 1 b e c a u s et h ef l u et e m p e r a t u r eh a st h ec h a r a c t e r i s t i c st h a ta r c d i f f i c u l tt om e a s u r e ，n o n l i n e a rw i t ho t h e rf a c t o r s ，t i m e - v a r y i n g , s t r o n g d i s t u r b e d ，ad e s i g n m e t h o do fs o f ts e n s o rb a s e do ni n t e g r a lm o d e l si sp u tf o r w a r dt oa c q u i r et h er e a l t i m e f l u et e m p e r a t u r ei nt h i st h e s i s f i r s t l y , t h es t u d yb a c k g r o u n da n do r i g i no f t h i st a s ka r eg i v e n a f t e rs u m m a r i z i n gt h e m e a s u r i n gm e t h o d so ff l u et e m p e r a t u r ed o m e s t i c a l l ya n da b r o a d , d i f f i c u l t i e sa n d d e v e l o p i n gl x e n da r ei n t r o d u c e d ；t h ew a yo fd e s i g n i n gs o f ts e i ：l s o ri sp u tf o r w a r d t h e n , t h eb a s i cr u l e si nc o k eo v e np r o d u c i n gp r o c e s sw h i c ha r et e m p e r a t u r ev a r y i n gr u l e si ng a s d i r e c t i o nc h a n g i n gp r o c e s sa n dt e m p e r a t u r ev a r y i n gr u l e si nac o k i n gp e r i o da r e i n t r o d u c e da n de x p l o r e d ，t h ef a c t o r st h a tc a nb em e a s u r e da n dw h i c ha r er e l a t e dt of l u e t e m p e r a t u r ea r ea n a l y z e d , t h ec o n c l u s i o nt h a t f l u et e m p e r a t u r ec a l lb eg o tf r o mt h e r e g e n e r a t o rt o pt e m p e r a t u r ei s d r a w n t h es e l e c t i n gw a yo ft y p i c a lr e g e n e r a t o ri s d i s c u s s e dl a t e r i no r d e rt or e f l e c tt h el i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e na v e r a g ef l u e t e m p e r a t u r ea n dr e g e n e r a t o rt o pt e m p e r a t u r e ，l i n e a rr e g r e s sm o d e l sa r ee m p l o y e d , t h e n , d i s t r i b u t e dn e u r a ln e t w o r km o d e l sa l eb u i l tt or e f l e c tt h en o n l i n e a rr e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h et w ok i n d so f v a r i a b l e s i nt h ed i s t r i b u t e dn e u r a ln e t w o r km o d e l s ，c l u s t e r i n gm e t h o di s e m p l o y e dt oc l u s t e rt h eg e n e r a li n p u tw h i c ha r er e g e n e r a t o rt o pt e m p e r a t u r e sa n do u t p u t o fl i n e a rr e g r e s sm o d e l s h i g h e rp r e c i s i o ni sa c h i e v e dt h r o u g hd i f f e r e n ts u bn e u r a l n e t w o r k su s i n gd i f f e r e n ti n p u t s t h eo u t p u t so fl i n e a rr e g r e s sm o d e la n dd i s t r i b u t e d n e u r a ln e t w o r ka r ei n t e g r a t e dt h r o u g hi n t e g r a t i n gs t r a t e g y b e c a u s et h e r ea l et h i e ek i n d s o fh e a t i n gw a y si nc o k eo v e no p e r a t i o n , s w i t c h i n gs t r a t e g yb e t w e e nd i f f e r e n ti n t e g r a t e d m o d e l sa r ei n t r o d u c e d b e c a u s et h eo p e r a t i o nc o n d i t i o n si nc o k eo v e na r ec h a n g i n ge v e r y m i n u t e ，t h ea d a p t i n gs t r a t e g yo ft h ei n t e g r a t e dm o d e li sd i s c u s s e d a tl a s t , am o d e le r r o r e l i m i n a t i n ga l g o r i t h n ai su s e dt oc l e a rt h em o d e la c c u m u l a t i n ge r r o r s t h er u nr e s u l to f t h e i n t e g r a t e dm o d e li ss h o w ni nf i g u r e s ，w h i c hp r o v et h ev a l i d i t yo ft h ei n t e g r a t e dm o d e l s t r a t e g y o nt h ef o u n d a t i o no ft h ed e s i g na n da p p l i c a t i o no ft h em o d e l ，t h eb r i g h tf u t u r e o f t h eu s i n go f s o rs e n s o rt e c h n i q u ei np r o c e s sc o n t r o li sp o i n t e da tl a s t k e yw o r d s ：c o k eo v e n , s o f ts e n s o r , l i n e a rr e g r e s s ，n e u r a ln e t w o r k ，c l u s t e r i n g 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。 作者签名：五玺坐当 日期：丝! 年羔月上日 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、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：垒拿l l 导师签 日期：型年月! ! 日 中南大学硕七学位论文第一章绪论 第一章绪论 焦炉生产的焦炭被广泛应用于高炉炼铁、铸造、电石、气化及有色金属冶炼等 方面，是冶金、机械、化工行业的主要原料和燃料。我国炼焦煤资源丰富。炼焦生 产规模大，炼焦产品比较齐全。焦化行业是我国工业生产的重要组成部分，但是我 国的焦炉生产水平与发达国家相比尚存在较大的差距。 焦炉加热过程优化控制的基本任务是保持焦炉直行温度，也即焦炉各个火道的 平均温度的稳定。目前国内焦炉的火道温度主要是通过焦炉测温工每四个小时一次 的人工测温获得的，这种测温方式使获得的火道温度存在很大的迟滞性，实测温度 无法用于实时控制。为建立焦炉加热控制系统，提高焦炉生产自动化水平，需要解 决如何在低成本下实时获得焦炉火道温度。 本论文探讨了如何通过焦炉生产过程中的可测量参数，并分析其与焦炉火道温 度之间的关系，通过软件建立焦炉火道温度的在线间接测量模型的方法。通过该模 型可以获得焦炉火道的实时温度，从而建立焦炉加热自动控制系统，以提高焦化行 业的自动化水平。 1 i 研究背景 焦炭广泛用于高炉炼铁，铸造、电石、气化及有色金属冶炼等方面，是冶金， 机械，化工行业的主要原料和燃料。我国炼焦煤资源丰富，炼焦生产规模大，炼焦 产品比较齐全，是目前世界上最大的焦炭生产国和出口国。据统计，我国焦炭的产 量占世界焦炭总产量的3 5 以上，焦炭的出口量占世界焦炭总出口量的6 0 以上。 目前我国的焦炭生产规模还在不断扩大。 焦炉是煤化学工业中重要的工业窑炉，它除了生产主要产品焦炭外，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 i - 3 1 焦炉生产的基本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 以及焦油等其他有机化学副产品。具体来说，焦炉是由一系列的炭化室和燃烧室相 互间隔组成，炭化室与燃烧室的底部是蓄热室。炼焦用煤在炭化室中进行干馏，而 加热煤气布燃烧窄巾进彳了燃烧产，i 热爷仕炭化审温度l 丁1 到1 2 0 0 z ：彳i 。炭化帘0 燃烧室的大小主要由焦炉的型号决定，我国大部分焦炉均由鞍山焦耐院设计，常见 的焦炉有j n 8 0 - 4 5 型和j n - 6 0 型焦炉。焦炉生产过程具有周期性特点，从装煤到煤 中南大学硕士学位论文第一荤绪论 完全成熟变为焦炭的时间称为结焦周期，结焦周期主要根据煤的品质和炭化室的温 度确定，一般来说，焦炉的结焦周期为1 8 - 2 l 小时，如果结焦周期为2 1 个小时则平 均每天有3 个小时的焦炉检修时间。焦炉装煤需要专用的装煤车，而焦炭成熟后则 需要专用的推焦车、拦焦车和熄焦车来完成推焦操作。一个焦炉的炭化室中焦炭的 成熟时刻要求均匀分布，从而保证推焦操作和装煤操作所必需的时i , 日- r 4 5 1 。 由于焦炉生产过程复杂，焦炉结构独特，导致它具有与其它普通控制对象所不 具有的特点，长期的生产实践证明，这些特点使得焦炉燃烧加热过程的温度控制有 很大的难度，这具体体现在以下几个方面： ( 1 ) 焦炉对象具有强非线性。根据焦炉生产工艺，焦炭结焦周期、焦炉生产用 煤种类、焦炉蓄顶温度、推焦生产计划等因素都影响加热煤气流量与直行温度之间 的关系，从而造成焦炉对象具有强非线性特点。 ( 2 ) 焦炉加热过程具有很大的迟滞性。由于焦炉体积庞大，高约6 米，长约6 0 米， 因此其热容非常大，升温与降温过程都非常缓慢。从生产经验来看，一次煤气流量 的调节的效果往往需要8 1 0 个小时才能够得到体现，这样大的温度迟滞性使得高精 度的焦炉温度控制非常困难。 ( 3 ) 相关工艺参数不容易测量。作为焦炉生产过程中的重要参数，火道温度很 难在线测量。由于燃烧室温度较高，测温热电偶价倍昂贵，如果在线测量每个燃烧 室的温度，测量成本会很高。目前一般采用红外测温仪由专门的测温操作工分班测 量。另外，煤气热值，装煤水分等参数测量往往需要采用国外仪表，而这些仪表存 在运行不可靠，维修不方便等缺点，导致一般的焦化厂不安装热值仪和煤水分仪来 检测煤气热值和装煤水分。 ( 4 ) 焦炉生产过程存在许多干扰。焦炉加热煤气有焦炉煤气和高炉煤气两种， 这两种煤气的热值差别大，加热时的需求流量不一样。另外，气候也会影响焦炉生 产过程，例如煤水分存在较大的波动，多雨天气时煤水分含量达到1 4 ，而干燥天 气可能低于9 ，而煤水分在干馏过程中将带走大量的加热热量，从而影响了焦炭的 加热温度。同时，焦炉生产的推焦操作计划对焦炉加热温度也具有很大的影响，当 焦炉处于检修期间时，焦炉温度上升快，这时需要降低加热煤气流量：而一旦检修 结束，开始推焦操作，焦炭带走大量热量，焦炉温度容易降低，这时需要增加热煤 气流量。 综上所述，焦炉具有大时滞、大惯性、强非线性、多因素祸合，变参数的特点， 难以建立有效的焦炉加热数学模型。我国目前焦炉生产过程中火道温度控制环节主 夏依铲调火t 的纾岭柬设守加热煤气流帚、机o i 朋j 酋吸力0 奠、f 9 ! 烟逝吸j ，伊妇- 一) jr l 热自动化水平很低。但是根据焦炉生产工艺，焦炉火道温度稳定性将直接关系到焦 炭质量和炉体寿命，在炼焦厂的总能耗中，焦炉加热用的煤气量约占总能耗的 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 7 0 5 1 ，这对于延长焦炉寿命，降低炉体维修费用都具有非常重要的意义。如果焦 炉温度控制不好，导致焦炭加热不均匀，局部生焦会造成出焦时冒黑烟，另外，加 热煤气燃烧不完全，也会产生黑烟，这些都会给环境造成严重污染。 由于焦炉生产过程复杂，控制极为困难，因此研究焦炉生产规律，提高焦炉生 产的自动化水平，实现焦炉加热燃烧过程的优化控制，也即保持焦炉火道温度的稳 定，对于降低焦炉能耗、提高焦炭质量、延长焦炉寿命、减少环境污染和改善劳动 条件都具有非常重要的意义。本论文将详细讨论焦炉温度控制中焦炉火道温度软测 量技术的实现，以便在低成本的条件下根据集成建模思想实现火道温度的实时测量。 1 2 研究目的与意义 焦炉生产过程中主要包括以下一些温度参数：直行温度、火道温度、蓄热室顶 部温度、焦饼中心温度、炭化室墙面温度、冷却温度、横墙温度、小烟道温度、炉 顶空间温度等。其中火道温度与焦炉干馏过程中的温度直接的相关，会对焦炭的质 量产生直接影响，所以对火道温度的控制显得十分重要。 焦炉燃烧是一个复杂的物理、化学变化过程，并且由于焦炉的密闭性，无法对 其中的一些生产过程参数进行在线测量，如上述的温度参数很多都是根据有限的信 息估计得到，而无法直接测量。就火道温度而言，是通过测量人员每4 小时的测温 获得的。这样，要构成以焦炉火道温度为控制目标的焦炉燃烧优化控制系统，就必 须较为实时的获得火道温度，而如上所述，火道温度在测量上存在4 个小时的迟滞， 因此必须采用实时测量或者间接测量的方法获得火道温度。测量的方法可以分为直 接和间接两种，直接的方法是在各个火道安装测温用热电偶，间接的方法是分析焦 炉火道温度的影响因素，分析其中影响较大并且容易测量的因素变量，构成火道温 度的软测量模型，利用模型获得的温度来构成焦炉火道温度的闭环控制。本文讨论 采用软测量的方法获得火道温度，最终构成的闭环系统如图1 1 所示。 图1 1 基于火道温度软测量的焦炉温度闭环控制 根据焦炉生产工艺，可以知道焦炉火道温度一般可能和蓄热室顶部温度、入炉 中南大学硕士学位论文 第一蕈绪论 煤水分、上升管废气温度等因素有关，这样通过对这些数据进行进一步分析和仿真， 选择其中影响火道温度最大的因素，通过软测量技术建立软测量模型。通过焦炉火 道温度软测量模型，可以实现计算机控制系统对炉温的实时调节，提高系统自动化 程度，改善原系统过多依赖操作人员、火道温度波动较大的缺陷，从而提高焦炭质 量，节约能源，延长焦炉的使用寿命，同时也避免了使用高价热电偶直接测量火道 温度的缺陷。 1 3 国内外研究现状 从最早的焦炉投产开始，工程技术人员就在为提高焦炉生产的焦炭的质量而努 力。当计算机被广泛应用于工业生产过程后，如何应用计算机控制系统对焦炉加热 燃烧过程进行控制成为大家关注的研究课题。计算机控制系统的工作过程包括将测 得的信息、作业计划和装煤条件等输入计算机进行综合处理，最后输出有关的调节 量并进行控制。世界各国根据自身特点开发出了各种不同的计算机控制系统，其中 国外焦炉借助计算机控制始于7 0 年代中期，8 0 年初相关技术日趋完善，我国焦炉 的计算机控制起步较晚，水平相对较低。 现有的焦炉加热控制技术，有前馈控制为主、反馈控制为辅和反馈控制为主、 前馈控制为辅两大类【4 ，5 1 。前者如法国的c r a p o 系统、荷兰c e t c o 及其改进系统、 比利时的c r m 系统、德国的a b c 系统、芬兰的c p m s 系统和美国的大部分公司的 控制系统等；后者如日本钢管的c c c s 系统、日本钢铁公司的a c c 系统、荷兰霍 戈文钢铁公司的c e t o c 系统等。国外焦化厂由于基本实现了焦炉自动加热，所获 得的经济效益是很明显的，与人工调节相比节约焦炉煤气1 5 - 5 ，焦炭质量也有较 大提高。从自动化水平看，国外发达国家首先建立了焦炉温度的自动检测及微机管 理系统，解决了装炉煤在线检测和煤气热值控制问题，以此为基础，开发了焦炉火 道温度调节及焦化过程控制系统，达到了良好的控制质量。例如日本川崎制钢化学 公司焦炉采用自动控制后温度由标准偏差4 8 下降了2 1 ，设定温度下降了 1 5 0 2 0 0 ，节能2 5 ；荷兰胡戈文焦化厂1 9 8 7 年采用微机自动控制后，焦炉温度 标准偏差由完全手动控制的2 5 0 ，到半自动控制的1 4 ，完全自动控制( 带焦饼 温度反馈) 下降为8 3 美国钢铁公司采用焦炉加热前馈控制系统后，供热量控制 精度达l ，节能5 。日本钢管福山焦化厂采用c c c s 系统后能耗下降了6 ，焦 炭强度波动下降了o 1 ，可大大降低配煤成本。日本焦炉微机控制已从第一步的全 炉燃烧室供热控制进而第二步实现个别燃烧室的供热控制，并且通过燃烧室温度控 制进而实现焦化过程的全面自动化。日本川崎制钢的千叶厂采用模糊决策技术控制 焦炉，一定程度地解决了焦炉温度的时滞问题，净焦化时间由原来控制的1 3 4 分钟 4 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 下降至6 6 分钟，且在装炉煤水分波动较大情况下，杜绝了人工的干预【6 7 1 根据可 以查到的资料，在国外的这些焦炉加热自动控制系统中，主要建立了火道温度模型、 成焦点判断模型、直行温度计算模型、焦炉供热模型等模型。这些模型主要通过传 统的回归分析方法建立，利用火道温度模型束构成温度闭环控制的反馈量；利用焦 炉供热模型反应了焦炉温度和加热煤气流量的一种近似的对应关系，根据当前的温 度测量值和焦炉供热模型来计算应该输入的煤气流量。 就国内焦炉加热控制而言，从1 9 6 9 年焦炉加热控制系统在鞍钢开发并投入运行 后，我国相继研制了多套焦炉加热自动控制系统，这些系统先后在上海焦化厂、包 钢、武钢、梅山、通化等厂得以应用 4 j ，大大提高了我国焦化行业的自动化水平 根据文献资料，国内的控制系统和火道温度软测量模型主要有以下几类： 宝钢5 、6 号焦炉加热自动控制系统在每个燃烧室郡安装了测温热电偶，利用热 电偶获得火道温度的实时数据，利用此检测数据和目标温度构成闭环系统，对火道 温度进行调节。该系统运行以来，炉温控制相当准确、稳定，火落判定准确性高， 节能效果显著，但是由于测温用热电偶价格很高并且容易损坏，导致维护保养的费 用过高 4 1 。 安阳钢铁公司针对焦炉控制，分别建立了焦炉目标温度控制模型、烟道吸力控 制模型和前馈供热量控制模型。其中，焦炉目标温度控制模型中，利用蓄热室顶部 温度来间接反映火道温度，建立了火道温度和蓄热室顶部温度的双抛物线模型。安 钢焦化厂在运行了焦炉加热燃烧过程自动控制系统之后，焦炉士7 的安定系数，从 运行前的o 5 8 提高到0 9 ，耗热量降低2 5 ，焦碳质量提高，炉温控制偏差减d d s 9 1 。 莱钢焦化厂采用华东冶金学院技术，建立了焦炉加热自动控制系统。在该系统 中，同样采用蓄热室顶部温度反映火道温度的策略，建立了火道温度和1 0 个蓄热室 顶部温度平均值的一元线性回归模型【m 1 6 j 。据文献介绍，该系统工作状况良好，火 道温度预测值较为准确，满足工业控制要求。 北京科技大学利用北京炼焦化学厂和宝钢的数据，建立了火道温度软测量模型。 该模型利用燃烧室温度在一个结焦周期内由于相邻炭化室所处结焦状态不同而发生 规律性波动形成的“w ”曲线，并根据焦炉燃烧室一炭化室传热数学模型，推广得 n t 焦炉火道温度软测量模型i l7 埽l 。该模型能基本准确的预测火道温度。 铁道科学研究院智能系统研究中心将焦炉及其操作过程作为一类混杂系统，研 发了焦炉加热智能控制系统。该系统集成多种智能控制技术，并且利用蓄热室顶部 温度和火道温度之间的关系，建立了两者之间的神经网络模型【1 9 - 2 2 1 。该智能控制系 统应用存北京焦化厂，运行效果良好。 综合以上国内外焦炉火道温度软测量模型和控制系统的研究现状，综合考虑焦 炉加热系统的应用背景，由于用测温热电偶直接测量火道温度成本太高，因此利用 中南大学硕士学位论文第一章绪论 机理分析和建模理论建立火道温度软测量模型是合理的技术方案。本论文将主要讨 论焦炉火道温度软测量集成模型的建立方法，并且讨论其应用效果。 1 4 研究内容及论文构成 本论文对焦炉燃烧加热过程进行深入研究，以焦炉火道温度为目标值，分析其 与焦炉生产过程中的各种可测量参数之间的关系，建立焦炉火道温度的软测量集成 模型，为焦炉的温度实现自动控制提供有力的依据。 第二章首先分析焦炉生产过程中的生产工艺，探讨其中的规律，研究焦炉火道 温度的变化特点，接下来详细分析各种因素与焦炉火道温度的相关性。为获得蓄热 室顶部温度，讨论了选取典型蓄热室和获得蓄顶温度的方法，通过o p c 获取的蓄项 温度数据滤波后可以作为软测量模型的输入数据。 第三章分别采用线性回归和分布式神经网络建立了焦炉火道温度的软测量模 型，文中讨论了这两种模型的物理意义。最后探讨了两种模型的集成方法，并且针 对焦炉加热方式的不同，给出了不同加热制度下模型的切换方法。 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，并且对动态处理软测量模型误差的方法进行了 讨论，给出了最终的模型应用效果。 第五章对全文做出总结，展望了以后可以进行的研究工作。 中南大学颂t 学位论文第二章焦炉生产t 艺弓火道温宦软测量 第二章焦炉生产工艺与火道温度软测量 焦炉生产过程复杂，需要在焦炉顶部从煤车往炭化室装煤，经过一个大概二十 个小时的结焦周期后，在焦炉机侧由推焦车将成熟的焦炭推出，在焦侧经过拦焦车 过渡，将焦炭装入熄焦车，熄焦后得到最终的焦炭。在焦炉生产过程中，焦炉火道 温度是最重要的生产参数，它直接影响焦炭的质量甚至焦炉的寿命。本章首先简要 讨论焦炉工艺机理，分析蓄热室温度和火道温度的变化特点，探讨影响焦炉火道温 度的各种因素，包括蓄热室顶部温度、煤气换向规律、推焦串序、入炉煤水分、煤 气种类与热值等。通过对这些影响因素的分析，得到对焦炉火道温度影响较大并且 可以实时获得的数据，经过滤波等处理后作为火道温度软测量模型的输入，以后两 章将在这些输入数据的基础上，具体讨论焦炉火道温度软测量集成模型的建立方法。 2 1焦炉生产工艺与火道温度 焦炉火道温度是焦炉生产过程中的重要生产参数，但是在焦炉生产中，只能通 过人工的方式每四个小时获得当时的焦炉火道温度，这给焦炉的温度控制造成了很 大的困难。为克服这种温度的迟滞性，专家学者探讨了各种方法，目前主要集中在 焦炉火道温度的软测量方法上。为建立合理的焦炉火道温度软测量模型，必须深入 分析研究焦炉生产的规律及其本质属性，只有在综合考虑了这些生产规律及其属性 的基础上，最终建立的火道温度软测量模型才能准确反映火道温度，进而为火道温 度的反馈控制提供准确的反馈值。因此，本小节结合焦炉生产工艺，深入探讨生产 过程中的规律，为火道温度软测量模型输入数据的准确性提供保证。 2 1 1 焦炉结构与生产规律 焦炉生产主要依靠四大车进行操作，这四大车分别是：装煤车、推焦车、拦焦 车和熄焦车。其中推焦车掌握整个焦炭生产时序和调度，是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、燃烧室和蓄热室。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【4 鄂。 焦炉生产过程可以概述如下：首先根据焦炭质量要求，将各种品质的煤按照一 定的比例混合后，得到符合标准的混合煤。混合煤经皮带运送到达焦炉一侧顶部的 中南大学硕t 学位论文 第二章焦炉生产t 艺与火遭温鏖软测量 煤塔，作为炼焦的基本材料；煤车在从煤塔装载合格的混合入炉煤后，在一定的时 刻将混合入炉煤运至焦炉炉顶，到达已经结束上一个炼焦周期并已经推焦完毕的炭 化室的上部，经装煤孔将混合煤注入到空的炭化室；在经过约二十个小时的干馏后， 炭化室中的煤被高温干馏变成焦炭，此时焦炭已经成熟；在确定一个炭化室的焦炭 已经成熟后，通过三大车的协调将焦炭取出：推焦车打开机侧炉门将成熟的焦炭推 出，同时在焦侧准备好的拦焦车将焦侧的炉门打开，并且使推出的高温焦炭滑落到 下侧轨道上的熄焦车内，最后，熄焦车将炽热的焦炭运至熄焦塔进行熄焦，冷却后 的焦炭被运输到储存地或冶炼现场。 焦炉生产所需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。一般来说，只有在新焦炉开始 生产的前期，才会只用高炉煤气对炉体进行烘干；同样，只有在一年只有几天的高 炉检修期间，才会只用焦炉煤气进行加热。 从结构上来说，焦炉是有若干个炭化室和燃烧室交替组成，具体到本论文主要 研究的i n 6 0 型焦炉，炭化室和燃烧室高度均为六米。焦炉中蓄热室、燃烧室与炭 化室的位置关系如图2 1 所示。 慢 号 。 炭 八贝 化 室 影 。b 蓄 热 室 图2 - 1 煤气流向示意图 针对本论文探讨的j n 6 0 型焦炉，以某焦化厂新2 撑焦炉为实例进行讨论。该焦 炉由5 5 个炭化室、5 6 个燃烧室和5 7 个蓄热室组成。为了表述方便，可以将所有蓄 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 ，具体标号如图2 1 所示。可以看出，每两个蓄热室之间夹着一个燃烧室， 每个蓄热室为其斜上方两个燃烧室提供预热后的高炉煤气；每两个燃烧室之间夹着 一个炭化室，从两个方向给炭化室提供热能。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。可以看出煤气从底部蓄热室预热后，会进入其斜 上方的燃烧室进行燃烧；燃烧结束后的废气下降进入其横向相邻的两个个蓄热室排 出，煤气及燃烧后的废气在焦炉中的流向如图2 一l 所示。由于燃烧室被分割成若干 8 中南大学硕士学位论文第二章焦炉生产工艺与火道温度软测t 个火道，当煤气进入燃烧室时总是从单数或者双数火道上升进行燃烧，燃烧结束后 又从双数或单数火道下降，直到煤气换向后，煤气进入和排出所经历的火道相互交 换在下面两个小节中还将讨论焦炉这种特殊加热方式的规律，研究在加热周期中 蓄热室和火道的温度变化规律。 在焦炉生产中，为了方便对焦炉均匀加热进行检查并进而加以控制，在每个燃 烧室的机、焦侧各选择一个火道作为测温火道，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。 为了了解火道温度的变化规律，最直接的做法是在每个火道中插入热电偶测量 温度，但是由于火道的温度高达1 3 0 0 左右，插入的热电偶很容易因为高温而损坏， 使得热电偶寿命很短，对热电偶的检测和更换使这种铡温方式成本很高，所以通过 间接测量的办法实现测温是较为经济合理的方案。 在焦炭于馏过程中，为延长焦炉的使用寿命，必须保证焦炉各段的温度基本稳 定，不至于使焦炉因经常的热胀冷缩而导致寿命降低。为使整个生产过程中焦炉各 段温度基本稳定，需要按照一定的规律将成熟的焦炭推出，这就是焦炉生产所特有 的推焦串序规律。有规律的推焦能稳定加热制度，提高焦炭质量，合理使用机械设 备并延长炉体寿命。 推焦的规律一般称为推焦串序，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) ，也即相邻两次推焦间隔的炉孔数；n 代表两趟笺 号对应炭化室相隔的整数。目前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) 。 1 号笺：l ，6 ，l 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 ，1 0 ，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 t3 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，火道温度处于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。 9 中南大学硕士学位论文第二章焦炉生产工艺与火道温度软测量 2 1 2 换向周期内炉温的变化特点 由于焦炉生产有其特有的规律，为保证实现对其火道温度的间接测量，需要分 析加热过程中煤气的流向，分析蓄热室、燃烧室内温度的变化规律，以便在准确的 时间获取模型的输入量，保证模型的准确性。 本论文分析的某焦化厂群焦炉加热的特点是双联火道、废气循环，焦炉煤气下 喷，高炉煤气侧入，每3 0 分钟改变一次单、双火道的煤气进入方向，以保证加热均 匀。其中，加热用煤气在焦炉内经蓄热室预热后进入燃烧室进行燃烧，燃烧后的废 气下降经相邻的蓄热室排出，这个过程如图2 一l 示以8 号燃烧室为例，煤气首先 进入8 号蓄热室预热，预热后进入燃烧室燃烧，从燃烧室的双号火道上升，燃烧结 束后的废气从单号火道下降，随后从8 号燃烧室出来，进入9 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。气体从一个蓄热室进入，从相邻蓄 热室排出，这一过程持续3 0 分钟，称为换向周期。下一换向周期时，煤气从9 号蓄 热室进入，从8 号排出 从以上分析可以看出，由于换向操作的原因，蓄热室温度存在周期性的波动 当上升煤气经过蓄热室时，气体被预热，该阶段蓄热室的温度持续下降。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，蓄热室温度剧烈下降，随着 时间延长，煤气的温度升高，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，在换向后的前半个周期内，蓄热室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。蓄 顶温度的这个变化规律如图2 - 2 所示 p 鹄 硝 箍 臀 镧 抽 t t 9 0 1 8 5 1 8 0 1 7 5 - 、 lf t 591 3 t 72 12 52 93 33 74 l4 54 95 35 76 l6 6 7 37 7 时问( i n ) 固2 - 2 蓄热室顶部温度一个换向周期内的变化规律 中南大学颀十学位论文第二章焦炉生产工艺火道温宣欤测量 如果用蓄热室温度反映与之相联通的火道的温度，一定要检测燃烧室内燃烧完 毕的下降气流的温度。这是因为下降气流是火道内混合煤气燃烧结束后的废气，这 些废气会在煤气燃烧数秒之内到达蓄热室，因此下降气流到达蓄热室时的温度与气 体在火道内燃烧时的温度具有最大的相关性【4 卯与之相反，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，与火 道燃烧时的温度关联不大。 2 1 3 结焦时间内火道温度的变化特点 上节分析了在一个换向周期内蓄热室、燃烧室内温度的变化规律。但是由于焦 炉的各个炭化室是一个顺序并且连续生产的过程，每个炭化室每经过二十多个小时 左右会进行一次推焦装煤的操作，所以有必要研究在这样一个大的时间循环内温度 的变化特点。在炼焦工艺上，将一个炭化室从装煤、炼焦到推焦的过程称为结焦时 间，本小节简单探讨在结焦时间内火道温度的变化特点。 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。煤料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量，因此炉墙温度下降；而在结焦的后半 期，从炉墙吸热量较少，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 燃烧室热量一定的情况下，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i 玎d ”。这个过程如图2 3 所示。 火道 温度 t t bt ct o t e 时间 图2 3 结焦时间内火道温度变化趋势 图2 - 3 中，炭化室推焦后，相邻的燃烧室火道温度急剧下降( a ) 。一般而言，结 焦3 5 h 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 中南大学硕士学位论文第二章焦炉生产t 艺与火道温宦软测量 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 h 后又逐渐上升( d ) ，至另一侧炭化室的结焦末期又达到最高值( 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，故火道温度呈双抛物线形状。两个 抛物线的间隔时间取决于推焦串序，循环检修计划和周转时间。这样的双抛物线形 状类似“w ”，所以简称“w ”曲线。简单来说，一个结焦时间内的温度变化规律表 现为一个“w ”曲线，连续的生产过程使每个炭化室的温度表现为连续的“w ”曲 线。 2 2 焦炉加热方式与温度软测量思想 焦炉的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方式，正常 生产情况下，以高炉煤气和焦炉煤气混合成混合煤气的方式进行加热。为实现焦炉火 道温度的准确反馈控制，需要利用软测量的思想来消除人工测温的迟滞性，本节将讨 论焦炉火道温度软测量的基本思想。为满足不同加热方式下的火道温度的准确的软测 量，提出了焦炉火道温度软测量模型的设计策略。 2 2 1 焦炉加热方式 焦炉加热所用的煤气主要有焦炉煤气、高炉煤气及高炉煤气与焦炉煤气的混合 煤气三种。针对使用不同煤气的加热方式，蓄顶温度和火道温度之间的关系是不同 的。下面简要介绍三种加热方式的特点和对蓄顶和火道温度的影响。 ( 1 ) 焦炉煤气加热：下喷式焦炉只有一根焦炉煤气总管，焦炉煤气经总管后， 不经机焦侧焦炉煤气支管，而直接通过煤气分管进入各个燃烧室，流量调节翻板安 装在总管上。其中，焦炉煤气可燃成分浓度大、发热值高、燃烧速度快、煤气和废 气的密度低；用焦炉煤气加热时，加热系统阻力小、炼焦耗量低，由于焦炉煤气加 热时废气带走的热量少，相同的实测火道温度对应的蓄顶平均温度较高。 ( 2 ) 高炉煤气加热：高炉或发生炉煤气的热值较低，需要经过机侧、焦侧的蓄 热室预热后燃烧，因而可分别控制机焦侧各自的温度。同时，高炉煤气热值低，燃 烧速度慢，用高炉煤气加热时，废气和煤气密度较高，废气量也多，故耗热量高， 加热系统阻力大，使用高炉煤气时，必须经蓄热室预热后才能满足燃烧室温度的要 求。在高炉煤气加热方式下废气量多，带走的热量多，相同的实测火道温度对应的 蓄顶平均温度较低。 ( 3 ) 混合煤气加热：所谓混合煤气加热是指在高炉煤气中混入一定量的焦炉煤 气( 即富化操作) ，以提高煤气的热值5 1 。混合比一般控制在3 7 。由于混合比变 化时会对横墙温度有一定的影响，且不同混合比的煤气所需要的空气量和产生的废 中南大学硕t 学位论文 第二章焦炉生产t 艺火道温摩软测量 气量不同，造成的燃烧系统的阻力也不同，则所需要的吸力也不同，即混合比改变 时，整个加热制度就相应要改变。因此，为使炉温稳定，加热制度不应频繁变化， 并要求混合比固定在一定的范围内。混合煤气特性介于高炉煤气和焦炉煤气之间， 相同的实测火道温度对应的蓄顶平均温度也在单独用两种煤气的蓄顶乎均温度之 间。 在某钢铁公司焦化厂新2 # 焦炉的实际生产中，以上三种加热方式均有采用。具 体