焦炉加热控制系统设计毕业论文(编辑修改稿)

焦炉加热控制系统设计毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

煤的品质和炭化室的温度决定的。 一般结焦周期为 1821 个小时，如果结焦周期为 21 个小时则平均每天有 3 个小时的焦炉检修时间。 同时，焦炉的生产是连续与间歇的结合，焦炉炭化室按一定的推焦计划定期装煤、出焦，焦炉燃烧室内的燃烧过程连续不断地进行。 一般每炉的操作时间为 15 分钟，为使炭化室均匀加热，加热系统定时改变废气流向，同时，为充分利用废气余热，通过蓄热室来预热进入燃烧室的空气 (煤气 )，因此焦炉每隔 30 分钟交换作为煤气和空气上升通道的蓄热室和作为废气下降通道的蓄热室，即进行换向（换向时间大约为 30 秒 )。 另外，为了使推焦顺利，焦炉炭化室通常为楔形，即焦侧宽度大于机侧，因此，在对炭化室加热时，焦侧燃烧室的温度要高于机侧燃烧室的温。 焦炉生产的主要燃料是高炉煤气，在通常情况下，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。 两种气体从各自管道流入各自蓄热室预热后在燃烧室进行混合开始燃烧，燃烧释放出大量的热能，热能以多种方式传递给炉墙，从而使煤在炭化室内高温密闭干馏，生成焦炭。 焦炉加热与其他工业炉不同，装煤的炭化室与燃烧室相间为邻，煤气与 空气在众多特殊燃烧室的立火道中混合燃烧，通过炉墙将热量传递给炭化室中的煤料，使之逐渐结焦而成为焦炭。 为使狭长的炭化室中的煤料均匀获取热量，由机侧和焦侧分别供热，因内蒙 古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 此，一座焦炉实际上是两组加热炉群的集合体。 为使炭化室均匀加热和充分利用燃烧后的废气余热，利用定时变更废气流向，通过机焦二侧蓄热室，加热进入燃烧室的煤气与空气。 国内焦炉均采用自然抽风式结构，利用调节烟道废气流量来维持炉内压力制度，控制进入燃烧室的空气流量。 焦炉加热控制的难点分析 焦化热工过程是一个非常复杂的过程。 对于这个过程的研究，国内外焦化学者仍 在继续进行研究。 在焦化机理研究中，具体运用了煤气燃烧、气体动力学和热传输理论。 焦炉对象具有大惯性和大滞后特性，生产过程中变量变化剧烈，导致干扰强烈，过程机理复杂，实际对象的模型会因种种现场工况而发生变化，焦炉对象不是那种单一数学模型就可以表示的环节，具有一定的不确定性，常规控制方法难以满足生产的要求。 而焦炉加热控制的前提条件就应该满足生产计划要求，完成产量，并且保证焦炭质量。 生产产量决定了焦炉结焦时间，焦炉结焦时间以及煤和煤气的特性要求火道温度应达到一定程度。 从这个意义上讲焦炉加热控制应该在一定范围内保持规 定的炉温稳定。 这需要对影响焦炉温度变化的因素有一定认识。 另外，焦炉是一个大封闭的，散发腐蚀性物体的系统，而且各炭化室结焦时间所处的周期都不一样，为了较准确的反映整个炉组的不同结焦状态，对温度来说，需要许多测点来保证，这样就导致了温度测量的复杂性。 而加热控制的需要足量、准确、可靠的测量温度是非常必要的。 因此，焦炉进行优化燃烧控制的最大难点是温度实时监测。 内蒙 古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 控制系统总体结构及过程参数检测 控制系统总体结构 经过对被控对象的仔细分析，确定了控制系统的总体结构，控制系统总体 结构示意图 如图 21 所示 : 为实现焦炉加热 燃烧自动控制，控制系统需要根据蓄顶实时检测的温度，经 立 火道软测量模型得到全炉火道的平均温度，并根据此预测温度与立火道温度设定值之间的偏差，通过调节焦炉煤气流量或 混合 煤气的流量来改变焦炉供热量，以稳定炉温。 为了保证煤气的合理充分燃烧，仍需调整分烟道吸力。 同时当焦炉周转时间、装煤炉参数、焦饼中心温度调整时，立火道目标温度也需要适时地调整。 立火道温度软测量模型根据立火道蓄顶温度预测整个焦炉炉温，立火道温度控制模型是整个控制系统的核心，它是由 两 个控制回路来完成的。 采用混煤压控制器、分烟道吸力控制器以及温度控制器， 来 保证炉温的稳定及煤气的充分合理燃烧，获得平稳、合适的立火道温度。 焦炉加热控制系统是 通过西门子 S7300 PLC 系统 和由 MCGS 设计的监控画面对各类参数 （ 温度、流量和压力等 ） 在线检测，以及对工艺流程的实时监控 的控制系统。 内蒙 古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 吸 力 控制 器立 火 道温 度 软测 量 模型温 度 控制 器混 煤 压控 制 器炭化室炭化室炭化室燃烧室燃烧室燃烧室焦 炉 煤 气焦 炉 煤 气高 炉 煤 气高 炉 煤 气S P 1 S P 1 P V 1P V 2S P 2—P V 3立 火 道 温 度 设 定蓄 顶 温 度. . .. . .. . .焦炉混合罐混合罐图 焦炉加热控制系统示意图 温度控制策略设计 立火道温度控制分为内外两个回路 :温度控制回路和压力控制回路。 温度控制回路根据立火道温度的偏差，修正煤气流量及吸力给定 值 ，压力回路稳定煤气流量及分烟道吸力。 由于焦炉燃烧加热 过程的复杂性，不可能建立精确温度与供热量、供热量与煤气流量的数学关系，因此 需要 结合实际经验，根据温度的偏差，算出应增加的煤气供热量，进而给出焦炉煤气流量、高炉煤气流量和吸力的设定值，同时由高炉煤气流量和压力的关系，给出混煤压的设定值。 温度控制回路为立火道温度的反馈控制，主要作用是保证立火道温度稳定在给定的目标值上。 当立火道温度与设定温度之间存在偏差时，温度控制回路在考虑加热煤气种类、热值等参数的情况下， 设定 炉温相应增减所需改变的煤气供热量。 由于在煤气热值稳定的情况下，供热量取决于煤气流量的大小，即焦炉煤气 流量与高炉煤气流量。 在煤内蒙 古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 气流量发生改变时，为保证煤气合理地、充分地燃烧，需调节空气供给量。 压力控制回路主要是针对焦炉煤气和 混合 煤气的阀门开度，以及机侧烟道和焦侧烟道挡板开度的反馈控制。 通过调节煤气阀门的开度，控制煤气的供热量为一个合适的值。 为了使煤气能够充分燃烧，同时调节机侧和焦侧分烟道吸力，保证进入燃烧室的煤气能充分地、合理地燃烧。 压力控制回路包括焦炉煤气流量、混煤压控制器和分烟道吸力控制器，是温度闭环控制的基础。 从控制的周期看，温度控制回路的炉温控制周期为 1 小时左右，而压力控制回路的控制周期为十几秒之 内，其工作频率相差很大，因而可将它们看成相互独立的部分。 过程参数检测 要实现温度自动控制首先要获得所必需的过程参数的实时值，主要是煤气流量、压力、吸力、温度等过程量的检测。 本系统需要检测到流量参数有。 焦炉煤气主管流量、高炉煤气主管流量、机侧高炉煤气流量、焦侧高炉煤气流量等 ； 所需检测的压力数据主要是焦炉煤气主管压力、高炉煤气主管压力、机侧混合煤气压力、焦侧混合煤气压力 ，集气管压力等 ； 吸力有机侧分烟道吸力、焦侧分烟道吸力 ； 温度量比较多，有蓄顶温度、上升管荒煤气温度等。 立火道实际温度检测方法的确定 焦炉直行温 度获取的方法有两种 :一种是直接法，即通过红外 测 温仪测定燃烧室标准火道温度，分别将全炉焦侧和机侧所有燃烧室温度平均后，作为当前的焦侧直行温度和机侧直行温度，原来就是每隔 4 小时测温工通过这种方法获取直行温度。 另一种是间接法，通过在一定数量的机焦侧蓄热室顶部插入热电偶，由火道温度软测量模型，得到焦侧直行温度和机侧直行温度。 内蒙 古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 由于红外线测温仪采用人工离线操作，人工测量差异而且测量结果具有较大滞后，无法满足焦炉燃烧实时控制的要求。 所以，通过建立火道温度软测量模型，由热电偶测量的实时蓄顶温度计算出直行温度，对于实现焦炉 燃烧自动控制是非常重要和必不可少的。 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。 立火道温度软测量 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 实时 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。 为了实现立火道温度的控制，必须要准确的测量立火道的温度。 但是立火道温度检测具有温度高、内封闭的特性，很难测量。 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，以热电偶实测温度间接反映焦 炉的立火道温度。 因此建立基于蓄顶温度的立火道温度软测量模型可以避免直接测量立火道的高温，如果模型足够准确，内蒙 古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 还可以减少热电偶的安装数目，大大降低投资，更重要的是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。 执 行 机 构执 行 机 构温 度 控制 器温 度 控制 器上位机M C G S下位机P L C上位机M C G S下位机P L C执 行 机 构执 行 机 构焦 炉 煤气 阀 门焦 炉 煤气 阀 门烟 道 挡板烟 道 挡板焦 炉焦 炉立 火 道 温 度 设 定 值——蓄 顶 温 度立 火 道 温 度 软 测 量焦 炉 煤 气 流 量 ， 压 力 测 量烟 道 吸 力 测 量执 行 机 构混 合 煤气 阀 门高 炉 煤 气 流 量 ， 压 力 测 量S P 1 S P 2图 在图 中，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，在机理分析的基础上，提出建立立火道温度的软测量模型，它以蓄热室顶部温度为辅助变量，建立多元线性回归模型和一元回归模型，为了提高立火道温度软 测量的准确度，充分考虑工艺特点，对多元线性回归模型和一元回归模型进行优化组合，建立了线性回归子模型。 模型权值的在线自修正机制可以保证软测量模型具有较强的稳定性和自适应性。 立火道温度软测量模型的建立 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。 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。 内蒙 古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 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。 大量数据分析结果表明换向 15 分钟后，蓄顶所测下降气流的温度与火道温度密切相关。 采样该时段蓄顶温度数据，并将蓄顶温度与同时段火道实测温度构成一组观测值，多组观测值构成一个样本。 根据线性回归模型的原理，以六个蓄顶温度为基础，可以建立六元线性回归模型。 设 y 为火道温度实测值， x1， x2， … ， x6 为对应时段的六支蓄顶温度值，并对 （ x1， x2， … ，x6， y） 作 n(n7)次试验，就可以得到一个容量为 n 的样本和一个有限样本模型 nnnnn xxxyxxxyxxxy6622110226622221102116612211101 （ ） 其中 :1 ， 2 ， … ， n 相互独立且与  同分布。 可用矩阵表示上式，记 Y=yyyn21，  =610， u=n21 X=xxxxxxnn 6126211611111 则上式变为  ),0(~ 2 I nNnuuxY  （ ） 此模型即为火道温度六元回归预测模型。 为了提高模型的可靠性，本系统还设计。