0 概述
焦炉是冶金行业中最复杂的炉窑，其加热过程有以下特点：单个燃烧室间歇；全炉加热连续；惯性大；非线性；随时间变化加热变化大；影响加热的因素多。由于上述原因，采用单回路控制系统实现焦炉加热过程的控制很难取得满意的效果，近些年来，国内外专家与同行对焦炉加热控制的课题研究有了突破性进展，并形成了比较成熟的技术，在许多焦炉加热控制中都有成功的应用。为提高济钢的焦炉加热水平，济钢借1#焦炉易地大修改造（易地大修后称5#焦炉）之机，于2001年底完善了焦炉加热控制的基础自动化设施，并引进了安徽工业大学的焦炉加热优化调节技术，实现了焦炉加热的全自动控制，为提高焦炭质量、延长焦炉寿命、节能降耗、简化操作、创清洁工厂提供了可靠保证。
1 工艺简介
济钢新建5#焦炉为JN43-80型焦炉，碳化室为65孔，燃烧室为66孔，结焦时间为17.5 h，换向时间为20 min。炉体主要由碳化室、燃烧室、斜道区、蓄热室（包括小烟道）、炉顶区、烟道与烟囱组成。主要工艺过程是：将从备煤车间送业的配合煤装入炼焦炉碳化室内，按规定时间把隔绝空气进行加热，加热到950~1 300℃，经过干燥、热解、熔隔、粘结、固化、收缩等阶段最终制成焦炭，焦炭成熟后被推出炉外，煤气和化学产品则以成分复杂的气体和蒸汽组成的混合气体由碳化室逸出。这些气体经上升管和集气管排出并送往化产回收车间。
2 检测设置
根据焦炉加热控制需要，5#焦炉主要设以下检测系统：
（1）蓄顶温度检测 根据模型的需要，在27#~36#蓄热室顶部各设一点温度检测，蓄顶温度易于安装、趋势明显，能较好地反映实际焦炭的加热温度，所以5#焦炉采用蓄顶温度作为建立加热模型的依据。这也要求温度检测设备热电偶不仅精度要高，还要稳定可靠。
（2）燃气系统 温度、流量、压力、热值检测。
（3）废气系统 温度、流量、压力、氧含量分析检测。
（4）集气系统 温度、压力检测。
上述检测是保证模型自动加热能否成功应用的关键，因此，要求采用的检测设备必须稳定，可靠。
3 加热系统模型
焦炉加热模型框图如图1所示。该模型采用了2个前馈（供热煤气量前馈、分烟道吸力前馈）、1个反馈（炉温反馈）、1个监测（分烟道含氧量监测）的控制思想。
图1 模型控制框图
Fig1 Model control graph
3.1 主要模型
（1）目标火道温度模型
目标火道温度由炼焦所消耗的热量来确定，在实际的目标火道温度计算中，一般只考虑几个主要因素：结焦时间τ、入炉煤水分Mt（%）、入炉煤量Qg（t）和焦饼中心温度tk（℃），根据目标火道温度理论建立的目标火道温度tf线性模型：
tf=1 188.85+634.91 Mt+1.888 Qg+0.471 tk-25.114τ
（2）火道温度模型
火道温度的准确检测是实现炉温反馈的关键，在焦炉生产中，火道温度的直接检测还存在着一定的技术难度，但焦炉加热中的某些参数如蓄顶温度与火道温度有着一定的联系，可以通过蓄顶温度间接计算出火道温度。
火道温度与蓄顶温度的相互关系如图2所示。
图2 火道温度与蓄顶温度相关关系
Fig2 Temperature relations of the fire routh and the roof of regenerator
（3）加热煤气流量模型
为解决焦炉加热中的滞后现象，煤气流量的调节采用前馈调节，对于一座新开工的焦炉，全炉煤气消耗量可用与炉炉体结构和操作调节相似焦炉的实际耗热量数据气流量，再按焦饼中心温度和成熟情况确定。
根据耗热量和已定的周转时间，装煤量等计算标准状态下的煤气流量：
Q=N/t×B×1 000
式中，N为碳化室孔数；t为周转时间；B为湿煤吨数。
故每小时消耗湿煤的煤气流量：
Q0=Qq/Qd
式中，q为湿煤消耗热量；Qd为煤气低发热量。
考虑到实际煤气流量与煤气的实际温度、湿度及压力有关，上述煤气量Q0应修正为：
Q1=Q0/KT?KP
式中，KT为温度校正系数；KP为压力校正系数。
由于实际工艺中加热煤气是从机侧和焦侧两条管道供给，因此机侧和焦侧分别设汉量检测与控制。由于焦侧装煤量Q焦比机侧Q机多，故火道温度高于机侧，热电厂出的废气带走的热量也多，因此根据经验
Q焦/Q机=1.05
由此可基本确定机侧和焦侧加热所需的煤气量。
（4）分烟道吸力模型
焦炉加热过程中合理的空燃比设置，是节能降耗的重要参数。焦炉加热的空气是依靠烟囱从废气盘进风口抽入的，燃烧后所产生的废气分别经机、焦两侧烟道，从烟囱排出。机、焦侧的空气用量通过调节机、焦两侧进风口开度来实现。
根据焦炉秩序上升和下降气流分式可确定分烟道吸力，即：
P吸=P+P下-P上
式中，P为进风口到分烟道翻板前的阻力：P下为上升气流的浮力；P上为下降气流的浮力。
当加热系统中各处局部阻力系统不变时，其阻力P与煤气流温的平方成正比。另外，空气过剩系数的改变、结焦时间的长短都对分烟道吸力的确定有一定的影响。要根据实际情况结合考虑。
3.2 模型修正
通过理论分析和计算，只能定性地确定相关的加热数学模型，对于每一座具体的焦炉加热模型，还必须通过实际运行数据修正并最终确定。为了确定适合济钢5#焦炉的加热数学模型，我们在焦炉正式投产后的20多天中，收集了蓄顶温度煤气流量、废气吸力、焦饼温度等大量的实时运行数据，经过回归分析，最终建立了如下数学模型：
（1）火道温度模型
t拟=t蓄a+b
式中，t拟为拟合温度；t蓄为蓄顶温度；α温度系数；b为温度常数。
（2）热煤气流量前馈模型
Q煤=k(t目-t拟)+C
式中，t拟为拟合温度；t目为目标温度；k为流量系数；C为流量常数。
（3）分烟道吸力前馈模型
P吸=K?Q+C吸
式中，Q为煤气流量；K为吸力系数；C吸为吸力常数。
根据焦炉的参数变化，可以修改各模型中的系数和常数来增加模型的适应性。
4 基础自动化控制系统
5#焦炉的加热控制通过PLC控制系统完成。系统控制框图如图3所示。
图3 回路控制框图
Fig3 Loop control diagram
PLC控制系统完成现场数据的采集、监控和报警等任务，模型的运算与执行也是通过PLC系统完成。所以PLC的系统可靠与否则焦炉安全、高效运行的关键。在5#焦炉中，PLC控制系统采用美国AB公司报道Controllogix控制系统。整个系统由上位监控站、打印机、下位控制站几部分组成。上位监控站2台计算机采用主从结构，主机内插PCIC卡，通过Controlnet网完成与PLC通信，从机通过以太网与主机共享数据。主要完成数据显示、报警、记录、操作等功能。下位控制站是AB Controllogix控制站，主要完成逻辑控制、数学计算及回路控制等功能。系统软件开发分为2个部分：
（1）RSLogix500编程软件
利用该部分程序主要完成信号采集信号转换功能、PID回路调节功能及逻辑控制功能。
（2）RSView 32人机接口软件
该部分软件为生产提供监视及操作界面，完成图形显示、报警监控、事件检测记录、安全措施、趋势记录、操作接口等功能。
济钢5#焦炉加热模型的操作接口设计的比较简洁直观，除了各种工艺参数、优化参数的显示外，还提供了模型参数修改的接口，使得模型能够适应各种具体情况的改变，如：结焦时间改变等客观情况。
5 结束语
济钢5#焦炉加热控制模型于2002年4月投运，至今运行稳定。有以下特点：
（1）操作简单。整个操作过程完全智能化，几乎不需要人工干预，极大减轻了操作工的劳动强度。
（2）适应力强。系统设计了模型修改接口，当结焦时间变化等原因，需要适当调整目标温度或改变其它参数时，只要从操作画面中做相应修改即可。
（3）加热质量高。采用模型控制后炉温比效稳定，温度波动在±5℃左右，焦炭质量较好。
（4）节能降耗。由于空燃比得到合理的分配，但燃烧更加更加充分，效率更高，不仅降低了能源的消耗，对环境保护作用也很明显。
随着对焦炉加热控制技术研究的深入和焦炉基础自动化及检测控制水平的提高，焦炉加热模型控制的优势将更加明显，其应用前景也将更为广阔。
