（控制科学与工程专业论文）基于多率采样的焦炉火道温度软测量集成模型.pdf

摘要 焦炭是钢铁等行业的重要生产原料，广泛的应用于各行各业。焦炉加热燃烧 过程是炼焦过程中重要的流程，火道温度直接影响到焦炭质量和能源消耗。然而 由于成本等原因，往往难以实现实时测取火道温度；而人工测温，也存在周期太 长，迟滞的缺点。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 等特点，探究基于多率采样的焦炉火道温度软测量集成模型，在焦炉燃烧过程中 的应用，实现实时测取火道温度的目标。 在细致分析本课题的研究背景和意义的基础上，本文采用软测量集成建模的 思想来分析焦炉燃烧过程。从炼焦工艺出发，通过深入研究焦炉加热燃烧的工作 机理，甄选出蓄热室顶部温度( 后简称蓄顶温度) 作为焦炉火道温度软测量过程 参数。然后，针对蓄顶温度和火道温度的复杂关系，建立线性回归模型来拟合两 者间的线性关系；而对蓄顶温度和焦炉火道温度之间的非线性关系，本文将线性 回归模型的预测误差，视为两者非线性关系的影响所致，采用基于时间差分法的 e l m a n 神经网络来拟合和多步预测，并采用规则集成的方法，将两模型组合成长 周期组合预测模型。然而长周期组合预测模型的缺乏较好的实时性，本文继而在 分析火道温度和蓄顶温度采样的基础上，采用多率采样的思想，对长周期组合预 测模型有效和失效时，分别构建曲线拟合预测模型和多项式预测模型，使原焦炉 燃烧系统由多率系统，成功转变成单率系统，从而全面改善集成模型的实时预测 性能。最后，为了使软测量离线模型更能适应工况的变化，提出了一种模型自学 习策略，进一步改进了集成模型的预测精度和应对焦炉燃烧工况突变的能力。 建立在焦炉燃烧过程现场数据上的模型仿真，其对火道温度良好的拟合和预 测效果，有力的佐证了基于多率采样的焦炉火道温度软测量集成模型的有效性和 可行性。 关键词：焦炉火道温度，多率采样，软测量，线性回归，时间差分算法，e l m a n 神经网络，曲线拟合，多项式预测 a bs t r a c t c o k ei st h em a i nl a wm a t e r i a li nm e t a l l u r g yi n d u s t r y , a n di sw i d e l yu s e di n v a r i o u si n d u s t r i e s t h ec o m b u s t i o np r o c e s si s 强i m p o r t a n tp a r ti ne o k i n gp r o c e s sa n d t h ef l u et e m p e r a t u r eh a sd i r e c ti m p a c t so nt h ec o k eq u a l i t ya n dr e s o u r c ec o n s u m p t i o n h o w e v e r , i ti sd i f f i c u l tt om e a s u r et h ef l u et e m p e r a t u r et h r o u g hr e a l - t i m em e t h o dw i t h l o wc o s t a n de v e nt h em a n u a lm e a s u r e m e n ti su s e d ，i ta l s oh a st h es h o r t a g eo fl o n g c i r c l ea n dt i m e d e l a y t 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 so fn o n l i n e a r i t ya n d t i m e - v a r y i n g ，w h i c hi sd i f f i c u l tt ob em e a s u r e d a ni n t e g r a lm o d e ld e s i g no fs o f t s e n s o rb a s e do nm u l t i r a t es a m p l i n gi sp u tf o r w a r dt oa c q u i r et h er e a l - t i m ef l u e t e m p e r a t u r ei nt h i st h e s i s b a s e do nt h ec a r e f u la n a l y s i so ft h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h i ss u b j e c t , t h et h e s i sf i r s t l yd e c i d e st ou s et h ei n t e g r a lm o d e l ，b a s i n go nt h es o f ts e n s o r , t o a n a l y z et h ec o k i n gc o m b u s t i o np r o c e s s i nt h ev i e wo ft e c h n i c a lm e c h a n i s mf r o m c o k i n gp r o c e s s ，t h er e g e n e r a t o rt o pt e m p e r a t u r ei ss e l e c t e d ，w h i c ht ob eu s e da st h e p r o c e s sp a r a m e t e ro f t h ec o k eo v e nf l u et e m p e r a t u r e ss o f t s e n s o r a i m i n g a t a n a l y z i n gt h ec o m p l e xr e l a t i o n s h i p b e t w e e nr e g e n e r a t o rt o pt e m p e r a t u r ea n df l u e t 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 s ( l r ) a r ee m p l o y e d t or e f l e c tt h el i n e a rr e l a t i o n s h i p b e t w e e nt h e m t h e ni no r d e rt 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 nt h e ma n d p r e d i c tm u l t i s t e pa h e a d ，t h em o d e lc o m b i n e st h et e m p o r a ld i f f e r e n c em e t h o da n d e l m a nn e u r a ln e t w o r k ( t d e h r n ) i sc r e a t e d t h et d e n ni sb u i l to nt h eb a s i so f l i n e a rr e g r e s sm o d e l s e r r o r sa n dt h e n , t h el ra n dt d e n na r ei n t e g r a t e da st h e c o m b i n e dp r e d i c t a b l em o d e l ( c p m ) 、析ms o m ei m p o r t a n tr u l e s h o w e v e r , w h e nt h e c p mi sc r e a t e do nt h el o n gp e r i o dd a t a , i tl a c ko fg o o dr e a l - t i m ea b i l i t y t h e nt h e m u l t i - l a t em e t h o di su s e dt os o l v et h ec p m sd e f i c i e n c y t h ec u r v ef i t t i n gp r e d i c t i v e m o d e la n dt h ep o l y n o m i a lp r e d i c t i v em o d e la r eb u i l to nt h em u l t i r a t em e t h o d ， c o n s e q u e n t l y , w h e nt h ec p m i sv a l i do ri n v a l i d ，t h es h o r t a g eo ft h ec p mi so f f s e tb y o n eo ft h em o d e l sr e s p e c t i v e l ya n dt h ec o k i n gs y s t e mi st r a n s f o r m i n gf r o mm u l t i l a t e t os i n g l er a t es u c c e s s f u l l y a tl a s t ，i no r d e rt of i tt h ev a r i a b l ew o r k i n gc o n d i t i o nw e l l ， t h es e l f - l e a r n i n gs t r a t e g yi si n t e g r a t e di nt h ec o m b i n e dm o d e la n dt h ea b i l i t yo ft h e m o d e li si m p r o v e do b v i o u s l y t h ee f f e c t i v ed r a w i n g so ft h em o d e ls i m u l a t i o na r e b u i l to nt h ef i e l dd a t a , t h ea c c u r a t ep r e c i s i o no ft h ep r e d i c t i o np r o v e st h eh i g h p e r f o r m a n c eo ft h ei n t e g r a t e dc o k eo v e nf l u et e m p e r a t u r es o f ts e n s o rm o d e lb a s i n go n t h em u l t i r a t e k e yw o r d s ：c o k eo v e n ，m u l t i - r a t es a m p l i n g ，s o f ts e n s o r , l i n e a rr e g r e s s ，t e m p o r a l d i f f e r e n c em e t h o d ，e l m a nn e u r a ln e t w o r k ，c u r v ef i t t i n g ，p o l y n o m i f lp r e d i c t i v e 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, 另j d h 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。 日期：么近年月上日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 焦炭作为工业中重要的还原剂，在冶金、机械、化工等行业有着其广泛的应 用。钢铁工业的逐步发展，高炉炼铁技术的不断更新，吨铁耗焦量逐年下降，我 国对焦炭质量要求也日益提高。我国炼焦工业随着炼焦工艺的改进，在一定程度 上，得到了发展，可是与发达国家相比，仍存在一定的差距。随着节能、降耗、 环保的概念逐步深入人们的脑海，炼焦作为一个高耗能的工业，同时又作为一个 我国重要的生产工业，如何高效益、低能耗的发展炼焦工业，一直是困扰人们的 一个难题。而焦炉直行温度，亦即焦炉各个火道的平均温度，其稳定与否直接关 系到焦炭的质量、产量和焦炉炉体的寿命。然而，由于成本等原因，国内焦炉火 道温度大都难以实现实时测取，而采用人工每四小时一次的测温方法，又存在较 大的迟滞性等不足。因此，在低成本前提下，解决焦炉火道实时测温的问题也正 是人们关注的焦点难题之一。 本文以焦炉燃烧过程控制为研究背景，通过研究分析焦炉火道温度与各焦炭 生产过程中可测量参数的关系，采用关联性分析、基于时间差分算法的e l m a n 神 经网络、线性回归算法等集成建模方法，探究如何构建基于多率采样的焦炉火道 温度软测量模型，并将其与实际生产过程相结合，为实现焦炉燃烧过程的优化控 制，提高焦化工业的自动化水平，提供有力的依据。 1 1 研究背景及意义 我国炼焦煤资源丰富，生产规模大，产品比较齐全，是目前世界上最大的焦 炭生产国和出口国，我国焦炭的产量占世界焦炭总产量的1 3 2 5 ，焦炭的出口量 占世界焦炭总出1 ：3 量的5 6 左右【l 一，但国内每年的炼焦煤消耗量为9 1 0 亿吨， 炼焦煤资源仍相对稀缺。同时，由于钢铁工业的迅速发展和我国对钢铁需求的不 断增长，我国对炼焦煤的需求将持续、稳步增长。因此我国既是世界最大的炼焦 煤生产国，也是其最大的消费国。 焦炭是炼焦生产的主要产品，在高炉炼铁、有色金属冶炼、铸造、电石、气 化等方面广泛应用，是冶金、机械、化工等行业的主要生产原料，为国民经济发 展提供重要的物质基础。 在钢铁行业中，随着工业过程的不同，对焦炭的质量也提出了不同的要求。 例如：炼铁用焦炭，作为炼铁工业过程的还原剂和支撑骨架，对焦炭的抗碎强度 和耐磨强度有着较高的要求；而铸造用焦炭，则对其灰分、挥发分和抗碎强度有 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 一定的要求，以便燃烧时释放更大的热量 3 】。因此焦炭的质量与企业的生产质量、 企业产品成本联系紧密，焦炭质量的好坏，不仅关系到各工序消耗指标，而且影 响到后续工业流程中的生铁质量。一旦生铁质量达不到要求，会引起各工序消耗 指标升高，同时会导致后道工序的生铁质量不符合要求，炼钢用生铁也将产生质 量异议，轧钢用炼钢的钢坯生产钢材会导致钢材不符合用户需求，一系列的连锁 反映，将使企业付出高额的成本，承受重大的质量损失【4 j 。作为炼焦本体的焦炉， 其炉体温度的稳定性直接关系到焦炭的质量，而焦炉火道的平均温度是全炉温度 的反映。可见，对焦炭质量的把握，实际上可以归结为对焦炉火道温度的控制上。 如果不能控制好焦炉火道温度，使其稳定在一定的温度范围内，不仅会发生由于 炉温过高，严重影响焦炉寿命，提升炉体维修费用的现象，而且一旦炉温过低， 焦炭质量会严重受损，还会使得加热煤气燃烧不完全，出现产生黑烟， 严重污 染环境的现象。可见实时测取焦炉火道温度，实现对焦炉火道温度的良好控制， 其重要性非同一般。 焦炉是由一系列的炭化室和燃烧室相互间隔组成，是煤化学工业中重要的工 业窑炉。燃烧室由若干立火道组成，是煤气燃烧处，通过与其两侧炭化室的隔墙 向炭化室提供热量，炼焦用煤则在炭化室经高温干馏成焦炭；而位于炭化室与燃 烧室底部的蓄热室，其用途为利用焦炉燃烧废气的热量预热煤气和空气。炼焦生 产过程具有周期性的特点，主要由推焦车、装煤车、熄焦车和拦焦车进行操作。 炼焦煤经装煤车运至焦炉炉顶，注入炭化室后，在炭化室高温干馏形成焦炭；推 焦车打开机侧炉门，将成熟焦炭推至另一侧的熄焦车上，拦焦车同时配合操作； 熄焦车将炙热的焦炭送至熄焦塔冷却，最终形成工业用焦炭，完成炼焦生产周期 性操作的一次i ”。 正是由于焦炉独特的炉体结构和复杂的生产过程，使得炼焦生产过程具有大 时滞、大惯性、强非线性、多因素耦合、变参数的特点，从而也使得研究者在对 其数学建模时，困难重重。 在工业过程控制中，人工智能为解决复杂工业过程优化控制问题提供了很好 的解决办法，引起了研究人员的广泛关注【6 ，7 1 。智能控制技术能对复杂系统( 如 非线性、时变、多变量和环境扰动等) 进行有效的全局优化控制，并具有较强的 容错能力。智能优化控制技术主要包括：人工智能【8 l 、软测量技术 9 1 、神经网络、 专家系统、模糊控制【l o 】、进化算法【l l 】等，己广泛应用在机器人学、机械制造、 电力电子、工业过程控制等领域。尽管上述人工智能方法各有特色，但是由于工 业过程本身的复杂、多变的特性，也使得当采用单一的人工智能方法，难以实现 对工业过程较好的控制。因此综合多种人工智能方法的多模型控制技术，正逐步 成为研究复杂工业过程控制的发展方向。 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 本文受到企业科技攻关项目和国家8 6 3 计划课题面向综合生产目标的炼焦 生产全流程智能集成优化控制技术及应用研究( 项目编号：2 0 0 6 a a 0 4 2 1 7 2 ) 的 支持，力图通过详尽分析焦炉燃烧生产过程，探讨焦炉火道温度软测量技术的实 现，并采用集成建模的方法，在低成本、高效益的前提下，实现对焦炉火道温度 的实时测量。 1 2 国内外研究现状 对焦炉的研究，可以追溯n 2 0 世纪5 0 年代，当时美国、前苏联等国家就己对 焦炉的操作和控制进行了研究，但鉴于当时的科技水平以及焦炉工艺和设备复杂 性，进展非常有限。国外焦炉借助计算机控制开始于2 0 世纪7 0 年代中期，8 0 年代 初期相关技术日趋完善。在这其中，比较著名的是日本新日铁开发的a c c s 系统 和日本钢管公司开发的焦炉燃烧控制系统( c c c s ) 【1 2 】，此外欧美国家，如：美国、 法国、英国、德国等也都开发了不同的实用系统，实现了对焦炉燃烧过程的计算 机自动控制。从8 0 年代开始，国内就一直致力于焦炉加热的计算机控制系统的研 究，最先实现该计算机过程控制系统的是上海焦化厂，达到了节能1 5 。随后包 钢、武钢、鞍钢、重钢焦化厂等都陆续开发了微机控制系统，也都达到了一定的 节能目标【l 引。 国外发达国家由于在现场条件和资金投入方面的优势，针对每个焦炉燃烧 室，都实施了独立自动控制，从而较好的实现了对焦炉加热系统的全程自动控制。 但是国内由于在条件、资金等方面的不足，无法实现对每个燃烧室单独的控制， 所以与国外焦炉控制系统相比，国内的仍停留在全炉总供热量的控制水平上。针 对这种情况，国内学者采用软测量的思想，构建蓄热室顶部温度( 后称：蓄顶温 度) 和火道温度的数学模型，进而获取燃烧室的温度，从而实现了对焦炉火道温 度的自动控制。 软测量技术的理论最早来源于b r o s i l o w 等人提出的推断控制思想【1 4 1 ，其设计 是根据某种最优准则，选择一组既与主导变量有密切联系，又容易测量的二次变 量，通过构造某种数学关系，实现对主导变量的在线估计【1 5 1 。而在工业中，软 测量技术则是一种能利用温度、压力等可直接测量的变量来求取工业生产中难以 直接测量的关键工艺参数的方法【1 6 】，近年来在石油、化工和环保等领域，得到 了广泛的应用。 在国内，采用软测量的方法间接测量火道温度，主要可以分为以下几类： ( 1 ) 抛物线模型 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 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 控制模型和前馈供热量控制模型【1 7 1 8 】。其中，焦炉目标温度控制模型中，利用 蓄顶温度来间接反映火道温度，建立了火道温度和蓄顶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，焦碳质量提高，炉温控 制偏差减小。 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， 推广得到了焦炉火道温度软测量模型【1 9 , 2 0 】。该模型能基本准确的预测火道温度。 ( 2 ) 线性回归模型 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，同样采用蓄顶温度反映火道温度的策略，建立了火道温度和1 0 个蓄顶温 度平均值的一元线性回归模型 2 卜2 3 1 。据文献介绍，该系统工作状况良好，满足工 业控制要求。 ( 3 ) 神经网络模型 铁道科学研究院智能系统研究中心利用蓄顶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【2 4 ，2 5 1 。该智能控制系统应用在北京焦化厂，运行 效果良好。 采用软测量的方法对火道温度进行检测，在模型建立适宜和精度可靠的前提 下，可以很大程度上减少工业成本，降低由于采用人工测温带来的劳动强度。 在国内，还有采用直接测量火道温度的方式，其典型代表是宝钢。该厂5 、 6 号焦炉加热自动控制系统【2 6 l 在每个燃烧室都安装了测温热电偶，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。 国外，焦炉加热控制技术可以分为两类，分别是以前馈控制为主、反馈控制 为辅和反馈控制为主、前馈控制为辅的两类。 以前馈控制为主、反馈控制为辅的控制系统，具有代表性的是法国的c r a p o 系统【2 7 1 、荷兰c e t c 0 1 2 8 1 及其改进系统、比利时的c r m 系统2 9 、德国的a b c 系统【3 0 1 、芬兰的c p m s 3 1 1 系统和美国的大部分公司都采用这种控制策略。其特 点是依据入炉煤的性状参数和焦炉的平均温度计算炼焦热，根据装煤量、生产任 务或同时考虑废气带出热和炉体散热等通过热平衡原理求得炼焦耗热量，或根据 生产操作经验值给定炼焦耗热量。由此可以看出，此类系统主要根据供热模型直 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 接控制供热量，缺点是投资大，适应性差，维护困难，且不能克服各种随机扰动。 以反馈控制为主、前馈控制为辅的控制系统，具有代表性的是日本钢管的 c c c s 系统3 2 1 、日本钢铁公司的a c c 系统【3 3 】、荷兰霍戈文钢铁公司的c e t c 0 1 3 4 1 系统。其共同特点是：首先假定目标火道温度和标准火道温度、目标结焦终了时 间和目标焦饼温度；然后由实测火道温度与标准火道温度、结焦终了时间与焦饼 温度与假定值之间的偏差进行校正，同时考虑焦炉炉温的滞后效应。此类系统以 稳定火道直行温度为目标，主要通过比较火道温度和目标温度来调节煤气流量与 烟道吸力，实现加热控制，与前馈控制为主的相比，具有能够克服各种随机扰动， 投资少，维护成本低，适应性好的特点。 而如果系统有两种或两种以上操作或运行频率，通常被视为多率系统【3 5 1 。 多率系统根据其系统内部采样频率的不同，一般又可以分为两类系统。一类是双 率系统。系统所有的控制输入和系统输出的采样( 刷新) 只存在两种不同频率，并 且这两种频率是某个基频的整数倍，称这样的采样数据系统为双速率采样系统 ( 简称双率系统) 。如果所有的输入具有相同的刷新频率，而所有的输出具有与输 入不同的相同采样频率，则这样的数据采样系统就是我们常见的双率系统，目前 关于双率系统的文献均是对这种双率系统的研究。 另一种双率系统是针对m i s o 系统、s i m o 系统和m i m o 系统而言的。对 m i s o 系统来说，输入存在两种不同频率，而输出频率与两种输入刷新频率的一 种相同；对s i m o 系统来说，输出存在两种频率，而输入频率与两种输出采样频 率的一种相同；对m i m o 系统来说，所有输入和输出中仅存在两种不同频率， 且输入存在着这两种频率或输出存在着这两种频率；另一类是当系统存在三种或 三种以上采样( 刷新) 频率，并且所有的这些频率是某个基频的整数倍，称这样的 采样数据系统为多速率采样系统( 简称多率系统) 。多速率采样系统，根据输入信 号刷新频率和输出信号采样频率的不同，可以分为三大类别，即：输出信号采样 频率相同，而输入信号刷新频率不同的多速率输入采样系统；输入信号刷新频率 相同，而输出采样频率不同的多速率输出采样系统；以及输入信号刷新频率和输 出信号采样频率均不相同的多速率输入输出采样系统。目前研究得最多的多速 率输出采样系统，并且输出采样频率比输入刷新频率慢很多的多速率采样系统。 而根据输入刷新频率与输出采样频率间的高低，多率系统又可分为输入刷新速率 低于输出采样速率的多率系统和输入刷新速率高于输出采样速率的多率系统两 大类。 从以上分类可以看出，双率系统是多率系统的特殊情形，是一类最简单的多 率系统。国内外对多率系统的研究始于二十世纪5 0 年代。k r a n c l 9 5 7 年提出的 向量开关分解技术【3 6 j ，可以看作对多率系统最早的重要研究。1 9 7 5 年m e y e r 等 中南大学硕士学位论文第一章绪论 人处理多率系统时提出了块滤波器实现技术m 8 1 ，后来由k h a r g o n e k a r 等人把这 种技术引入到控制领域，并称之为提升技术【3 9 】，现已成为处理多率系统最为流行 的标准工具。多率系统在工业现场很常见。许多有关建模、参数辨识和状态预估 等软测量的设计问题，都囊括了多率系统的思想。有关多率系统的建模和控制在 化工、石油等行业，有很多成功的应用 4 0 , 4 1 】。 由上述国内外现状，综合考虑我国焦炉加热系统的实际情形和技术发展趋势 可知，采用当今日益发展的软测量和人工智能技术，对焦炉加热系统进行分析和 研究是大势所趋。这也为本文的后续研究提供了一个指导性的方向。本文在后续 章节将详细讨论基于多率采样的焦炉火道温度集成建模的具体方法和步骤。 1 3 论文的主要研究内容 本论文在详细分析焦炉加热燃烧机理的基础上，以焦炉火道温度为研究对 象，分析在焦炉燃烧过程中与其紧密相关的各种参数，从而建立焦炉火道温度的 软测量集成模型，为焦炉火道温度的自动平稳控制，提供有力的依据。 第二章通过分析焦炉生产工艺，研究焦炉火道温度的变化特点，深究与火道 温度变化相关的各种因素，分析其与火道温度的相关性，为后续软测量建模提供 依据；讨论焦炉蓄顶温度的测量，并分析多率采样和焦炉火道温度软测量的融合。 第三章分别采用线性回归和基于t d ( 时间差分法) 的e l m a n 神经网络建立了 焦炉火道温度软测量模型，在分析相应的物理意义后，采用误差预测的思想，将 两模型进行结合。最后，在分析多率采样的基础上，采用多率算法，对短时间间 隔的火道温度值，进行拟合和预测。 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，给出了最终的模型仿真效果。 第五章总结全文，并对研究工作作了进一步的展望。 6 中南大学硕士学位论文第二章焦炉火道温度软测量机理 第二章焦炉火道温度软测量机理 炼焦过程是一个复杂的间歇式操作的热工过程，焦炉由若干个炭化室和燃烧 室交替配置组成，混合煤气在燃烧室里扩散、燃烧，产生的热量通过炉墙传递给 炭化室，使煤料在炭化室中高温干馏形成焦炭。在炼焦生产过程中，焦炉火道温 度的稳定性不仅仅直接关系到焦炭的质量，而且对降低焦炉能耗、延长炉体寿命、 减少环境污染等，都具有非常重要的意义。 本章首先从焦炉生产工艺的角度入手，分析焦炉结构和其周期性的生产过 程，对火道温度的特点进行分析归纳；然后，探究影响火道温度的各种因素，这 其中包括：蓄顶温度、煤气换向、推焦串序、入炉煤水分、煤气种类与热值等。 在这其中，通过进一步的分析比较，获得影响火道温度最显著的关系量，从而为 下一步软测量模型的建立，做铺垫工作；最后，针对火道温度的测温特点，引入 多率采样方法，迸一步研究、分析焦炉火道温度软测量。 2 1 焦炉生产工艺 焦炉是冶金行业重要的工业窖炉之一，其生产工艺是将煤料置于炭化室中， 隔绝空气加热，从而形成焦炭，燃烧室里煤气燃烧产生的废气经蓄热室、烟道排 放，这个工程还将产生焦炉煤气、焦油等其他有机化学副产品。 2 1 1 焦炉结构与生产过程 焦炉炉体主要由若干炭化室和燃烧室间隔配置而成，其主体一般由5 0 1 0 0 个 加热单元组成，每个加热单元包括炭化室、燃烧室和蓄热室，炭化室与燃烧室只 相隔一墙，而蓄热室位于炭化室和燃烧室的底部，煤气则从蓄热室进入燃烧室扩 散燃烧【3 】。本文研究的对象是某大型钢铁企业使用的j n 6 0 型。 炼焦生产的操作主要由装煤车、推焦车、拦焦车和熄焦车这四大车完成。炼 焦过程大致为：为了获得符合炼焦标准的混合煤，先将各种品质的煤按照一定的 比例混合；之后，混合煤经皮带运送到达焦炉一侧顶部的煤塔，作为炼焦的基本 材料；在焦炉结束上一个炼焦周期并已经推焦完毕后，装煤车从煤塔装载合格的 混合煤，运送至焦炉炉顶，经装煤孔将混合煤注入到空的炭化室；在经过一段时 间( 一般约为十七个小时) 隔绝空气的高温干馏后，混合煤在炭化室中焖熟，形 成焦炭；此时，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 7 中南大学硕士学位论文 第二章焦炉火道温度软测量机理 车同时进行配合操作3 1 。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。在这个过程中，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。推焦车进行操作的一侧称为机侧，出焦的一侧 称为焦侧。 图2 1 煤气流向示意图 本文研究的某大型钢铁企业使用的心6 0 型焦炉，由5 5 个炭化室、5 6 个燃 烧室和5 7 个蓄热室组成。炭化室是混合煤高温干馏成焦炭的地方，其高度为 6 0 0 m m ，为了使推焦顺利进行，焦炉炭化室通常为梯形，焦侧宽度大于机侧宽度， 机、焦侧炭化室平均宽度分别为4 3 5 m m 、4 6 5 m m ；燃烧室是煤气燃烧的地方， 每个燃烧室又包括一定数量的火道，其中每两个火道作为一对，组成一个气体通 路，其两端分别和蓄热室相连；蓄热室位于焦炉炉体底部，其上与燃烧室相连， 是用来回收焦炉燃烧废气的热量并预热贫煤气和空气的地方。 焦炉的组成结构如图2 1 所示。为了便于表述，特将图2 1 中的蓄热室、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 。经观察可知，每两个燃烧室之间夹着一个炭化室，通过隔墙横向从两侧向炭 化室供热；每两个蓄热室之间的上方，夹着一个燃烧室，而混合煤气则在蓄热室 预热后，斜向流入两侧的燃烧室扩散燃烧；燃烧结束后的废气，则从其流入蓄热 室的两侧相邻的蓄热室排出，具体内部气体的流向，如图2 1 。 燃烧室被分割成若干个火道，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。为了便 于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。在后续章节，本文将讨论焦炉这种 中南大学硕士学位论文第二章焦炉火道温度软测量机理 特殊的加热方式，研究在这种加热方式下，焦炉火道温度和蓄顶温度的变化特点。 要获取火道温度数据，分析火道温度变化规律，最直截了当的方法当然是在 焦炉火道中，置入测温热电偶直接测得数据。可是由于火道温度常常高达1 3 0 0 左右，插入的热电偶很容易因为高温而损坏，即使对火道中测温热电偶采用一定 的保护措施，其维护费用也是一笔不菲的数目，因此，这些构建在软测量基础上 的间接测量火道温度的方法，逐渐被多数焦化厂商接受。 2 1 2 焦炉加热方式 焦炉加热所用煤气主要是焦炉煤气、高炉煤气及高炉煤气与焦炉煤气的混合 煤气三种方式。针对不同的加热方式，需采用相应的控制措施，以实现更精确、 更有效的控制。下面将简要介绍此三种加热方式的主要特点： ( 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，增减煤气流量时，焦炉燃烧 室温度变化比较灵敏，但焦炉煤气价格相对较高且对设备腐蚀严重。 ( 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的各自温度。同时，高炉煤气发热值低，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，但高 炉煤气价格比较低。由于高炉煤气的热值为焦炉煤气的2 0 2 5 ，而且使用高炉 煤气加热时耗热量比使用焦炉煤气时高1 0 - 2 0 ，因此在相同结焦时间内所需加 热煤气量，约为焦炉煤气的5 2 倍。 ( 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。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。 火道温度的控制是通过调节焦炉煤气流量和高炉煤气流量进行的。焦炉煤气 通过焦炉煤气主管进入，焦炉煤气主管上有专门的预热器，经过预热，如果是燃 9 中南大学硕士学位论文第二章焦炉火道温度软测量机理 料是纯烧焦炉煤气，则焦炉煤气不进入支管，而是由焦炉主管直接进入燃烧室燃 烧；如果是混合煤气加热，则焦炉煤气进入机侧和焦侧的焦炉煤气支管，与高炉 煤气混合后进入蓄热室预热，进入燃烧室燃烧；高炉煤气是通过高炉煤气主管进 入，进入高炉煤气支管后，经蓄热室预热进入燃烧室燃烧。在机、焦两侧的焦炉 煤气支管和高炉煤气支管各有一个阀门来控制煤气流量。在本文所涉及到的焦炉 的实际生产中，以上三种加热方式均有采用。具体何时选择何种加热方式，均由 生产计划及生产任务来决定。 2 1 3 结焦时间和换向周期对炉温的影响 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 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【4 2 删。这个过程如图2 2 所示。 火道 温度 “ t b t ct dt e 时间 图2 2 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 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 l o 中南大学硕士学位论文第二章焦炉火道温度软测量机理 度又开始下降，经3 5 小时后又逐渐上升( 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“，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。 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2 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 1 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。 p 型 赠 箍 路 侧 臻 栅 8 5 8 0 7 5 1，。1 ， v 1i i2 13 1 4 1 5 16 1 7 1 8 19 11 0 1l l l1 2 11 3 1 时刻 图2 - 3 蓄热室顶部温度二个换向周期内的变化规律 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 3 所示。 中南大学硕士学位论文第二章焦炉火道温度软测量机理 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【3 5 】。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 2 焦炉火道温度软测量 焦炉火道由于其温度常常高达13 0 0 。c 左右，使得一般的测温热电偶在这种恶 劣的环境下，难以长期使用。而采用人工的方式每四个小时测取当时的焦炉火道 温度，不仅缺乏实时性，而且也存在人为测温操作不同、测温经验不等和劳动强 度大的原因，导致测得的火道温度数据存在偏差。可是焦炉火道温度作为控制焦 炭成熟的重要因素，也是众多焦化厂商渴望得到的温度数据。而国内外一部分焦 化厂商出于成本等考虑，不采用在火道中插入热电偶，直接测取火道温度数据的 方式，而是采用火道温度软测量，亦即间接测量火道温度的方法。本节从分析影 响火道温度的各种因素入手，逐步归纳总结与火道温度联系紧密的生产过程参 数，并在此基础上，进一步分析软测量原理。 2 2 1 影响火道温度的因素及分析 由于焦炉独特的窖式结构和其生产工艺，使得影响焦炉火道温度的因素众 多，主要有煤气换向操作、推焦串序编排方法、配合煤水分、煤气加热方式等， 这些影响因素在作用火道温度变化时，一些可以量化，一些则无法量化，但它们 对火道温度的影响都存在一个特点，即在影响火道温度变化的同时，也影响到了 蓄顶温度。 在上述的影响因素中，煤气换向、推焦串序因为工艺的特殊，使得其对火道 温度的影响无法量化。它们存在以下工艺特点： ( 1 ) 煤气换向操作 煤气换向操作是焦炉特有的结构和加热方式决定的。根据图2 4 所示的焦炉 内换向时气流方向，燃烧室被分割成若干个火道，蓄热室与燃烧室相联的特点决 定了气体流动遵循的原则是：每个蓄热室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，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。以n + l 号燃烧室为例，煤气首先进入以+ 2 号蓄 1 2 中南大学硕士学位论文第二章焦炉火道温度软测量机理 热室预热，预热后从燃烧室的单号火道上升，进入燃烧室燃烧，燃烧结束后的废 气从双号火道下降，随后从n + l 号燃烧室出来，进入，l + 1 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， 煤气将从时1 号蓄热室进入，从肿2 号蓄热室排出。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。 由以上分析可以看出，蓄热室作为与燃烧室紧密联结的热交换结构，从工艺 上分析，其顶部温度与火道温度存在着不可分割的连带关系。 双号 单号 蓄热室：”