＊李旭森

（潞安焦化公司 山西 046032）

隨著人口紅利的降低，我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)中面臨的用工難問(wèn)題越發(fā)嚴(yán)重，因此有越來(lái)越多的企業(yè)認(rèn)識(shí)到工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的重要性。煉焦行業(yè)也不例外，作為基礎(chǔ)行業(yè)的煉焦產(chǎn)業(yè)關(guān)系到上下游多個(gè)行業(yè)的發(fā)展。我國(guó)是焦炭大國(guó)，行業(yè)數(shù)據(jù)調(diào)研顯示我國(guó)焦炭的出口量約占世界的60%左右。并且煉焦作為冶金行業(yè)的重要組成部分，降能減排政策要求行業(yè)具有更為完善的焦炭生產(chǎn)技術(shù)，因此對(duì)焦?fàn)t自動(dòng)加熱溫控系統(tǒng)有強(qiáng)烈的需求[1]。為提升生產(chǎn)效率，降低焦炭的耗損，提升生產(chǎn)效益，煉焦行業(yè)使用的管理方式、機(jī)器設(shè)備也在不斷改進(jìn)。其中焦?fàn)t作為煉焦行業(yè)最為重要的生產(chǎn)設(shè)備，其改進(jìn)和發(fā)展一直受到行業(yè)的關(guān)注。本文主要對(duì)焦?fàn)t的自動(dòng)加熱，即焦?fàn)t自動(dòng)化溫控系統(tǒng)進(jìn)行介紹，旨在將先進(jìn)的溫控技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)煉焦行業(yè)中，保障焦?fàn)t溫度的穩(wěn)定可靠，滿足行業(yè)發(fā)展的需要。

1.焦?fàn)t自動(dòng)加熱的基本概述和背景

焦?fàn)t是煉焦行業(yè)的重要生產(chǎn)資料，其安全、穩(wěn)定、可靠地使用直接影響著煉焦企業(yè)的生產(chǎn)效益。隨著自動(dòng)化、智能化、無(wú)人化成為工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展方向，焦?fàn)t自動(dòng)溫控系統(tǒng)也越發(fā)受到關(guān)注[2]。在煉焦行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，焦?fàn)t運(yùn)行溫度是最為重要的生產(chǎn)指標(biāo)之一，如在生產(chǎn)期間溫度出現(xiàn)異常可導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降，甚至是工業(yè)生產(chǎn)事故。作為冶金行業(yè)的重要一環(huán)，如煉焦行業(yè)出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，將對(duì)上下游造成難以預(yù)估的損害。而焦?fàn)t的溫度受到多種因素的限制，因此自動(dòng)溫控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)難度大。

焦?fàn)t自動(dòng)溫控系統(tǒng)是以焦?fàn)t火道溫度作為控制目標(biāo)，使用安裝在焦?fàn)t蓄熱室內(nèi)的熱電偶作為傳感器，將焦?fàn)t內(nèi)部各個(gè)部位的溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇範(fàn)t自動(dòng)溫控系統(tǒng)之中。再由溫控系統(tǒng)通過(guò)分析各個(gè)因素，并通過(guò)計(jì)算火道溫度值對(duì)加熱煤氣流進(jìn)行智能調(diào)整，使焦?fàn)t達(dá)到自動(dòng)加熱、自動(dòng)控溫的目的。為了保障對(duì)熱煤氣流的調(diào)節(jié)，保證加熱煤氣空燃比在安全范圍內(nèi)，自動(dòng)溫控系統(tǒng)通常還會(huì)對(duì)機(jī)、焦兩側(cè)煙道廢氣氧含量等指標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以此對(duì)煙道吸力控制模型等進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定加熱、實(shí)時(shí)控溫的自動(dòng)化生產(chǎn)流程。

焦?fàn)t自動(dòng)溫控系統(tǒng)的核心是自動(dòng)加熱與自動(dòng)控溫，關(guān)系到焦?fàn)t是否能穩(wěn)定運(yùn)行，均勻加熱。自動(dòng)溫控系統(tǒng)根據(jù)火道及煙道采集的數(shù)據(jù)，自動(dòng)化調(diào)整溫度，能夠有效提升焦?fàn)t溫度的穩(wěn)定性，滿足煉焦行業(yè)發(fā)展方向和安全生產(chǎn)。

2.焦?fàn)t自動(dòng)加熱的應(yīng)用前景

焦?fàn)t是煉焦行業(yè)的核心生產(chǎn)資料，目前我國(guó)焦?fàn)t自動(dòng)溫控系統(tǒng)雖然已經(jīng)較為普遍的應(yīng)用，但與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)依然存在客觀差異，因此焦?fàn)t自動(dòng)加熱溫控系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。影響焦?fàn)t溫度的因素較多，且焦?fàn)t加熱過(guò)程是典型的大慣性、非線性變化，因而溫度出現(xiàn)異常，即使及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，也難以避免造成重大損失。焦?fàn)t在進(jìn)行煉焦作業(yè)時(shí)，其生產(chǎn)具有連續(xù)性，因此加熱時(shí)需要溫度穩(wěn)定提升。焦?fàn)t的主要結(jié)構(gòu)包括蓄熱室、火道、炭化室等，基本結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是為提升生產(chǎn)效益，不同企業(yè)的焦?fàn)t存在不同的控制方式和結(jié)構(gòu)。影響焦?fàn)t溫度的因素較多，基本影響因素包括煤料品質(zhì)、入煤量、水分等；其次我國(guó)大部分煉焦企業(yè)采用的是自然抽風(fēng)結(jié)構(gòu)，故環(huán)境溫度、壓力等的變化，也會(huì)影響到燃燒室的做功。此外，技術(shù)人員技術(shù)水平不同，焦?fàn)t在生產(chǎn)過(guò)程中因不同的操作，其溫度、結(jié)焦時(shí)間也會(huì)受到極大的影響。

基于以上原因，如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加熱的溫控系統(tǒng)具有重要的意義，具有廣闊的應(yīng)用前景。

（1）焦?fàn)t溫度人工監(jiān)測(cè)的弊端。焦?fàn)t火道溫度監(jiān)測(cè)一直是焦?fàn)t生產(chǎn)活動(dòng)中的重要日常工作，傳統(tǒng)方式為人工測(cè)量，通過(guò)使用紅外測(cè)溫儀測(cè)試火道底部、鼻梁磚等的溫度，繼而依據(jù)測(cè)定溫度數(shù)據(jù)調(diào)整加熱煤氣的流量和煙道的吸力。其弊端在于人工監(jiān)測(cè)無(wú)法實(shí)施測(cè)定溫度，且人工測(cè)試溫度還會(huì)受到測(cè)溫點(diǎn)位、時(shí)間、煤料等主客觀因素的影響，存在一定誤差[3]。人工測(cè)定不是實(shí)時(shí)性監(jiān)測(cè)，因此溫度數(shù)據(jù)具有一定時(shí)效性和延后性。

（2）焦?fàn)t自動(dòng)加熱溫控系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。相較于人工監(jiān)測(cè)和調(diào)整焦?fàn)t溫度，焦?fàn)t自動(dòng)加熱溫控系統(tǒng)具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

首先，自動(dòng)加熱溫控系統(tǒng)的溫度監(jiān)測(cè)是連續(xù)性實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，因此能夠?qū)Ω鱾€(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的火道溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。由于溫度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，故在調(diào)整熱煤氣流、煙道吸力等時(shí)具有更為可靠的參考指標(biāo)。能夠最大限度的降低溫度慣性對(duì)溫控調(diào)整的影響，使焦?fàn)t保持穩(wěn)定、安全的狀態(tài)。

其次，焦?fàn)t自動(dòng)加熱溫控系統(tǒng)應(yīng)用后可極大解放生產(chǎn)力，使操作人員將更多的精力投入到其他工作中。因此，焦?fàn)t自動(dòng)加熱溫控系統(tǒng)的另一大作用是減少維護(hù)人員數(shù)量，提升單位生產(chǎn)人員的生產(chǎn)效率。目前隨著人口紅利的下降，煉焦企業(yè)的員工年齡構(gòu)成呈現(xiàn)明顯的倒金字塔結(jié)構(gòu)，40～50歲的員工占比極高，而這不利于企業(yè)的持續(xù)化發(fā)展[4]。自動(dòng)溫控系統(tǒng)的應(yīng)用，可減少維護(hù)人員，使企業(yè)的用工壓力降低。且自動(dòng)溫控系統(tǒng)的應(yīng)用，可降低員工的工作難度，提升工作環(huán)境，也有利于降低招工難度。

最后，自動(dòng)加熱溫控系統(tǒng)相較傳統(tǒng)人工測(cè)定溫度，調(diào)整焦?fàn)t溫度的效率更高，也有利于節(jié)能減排，使企業(yè)的效益提升。由于自動(dòng)加熱溫控系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)是連續(xù)性、實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)，因此在調(diào)整溫度時(shí)更為精確，能最大程度的減少煤料的使用，使單位煤料的產(chǎn)值提升。而人工調(diào)整難以回避溫度變化的慣性，因此在調(diào)整溫度時(shí)需要對(duì)煤料、煙道壓力等進(jìn)行更大幅度的改變，不利于控制能耗比。

（3）焦?fàn)t自動(dòng)加熱系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。解決了焦?fàn)t溫度管理中人工測(cè)調(diào)滯后、誤差大的問(wèn)題，使焦?fàn)t溫度管理更加科學(xué)、準(zhǔn)確。其次減少了人力測(cè)調(diào)的需求，將原有人工調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)變?yōu)檩o助、備用調(diào)節(jié)手段，提高了焦?fàn)t溫度管理的效率。提高焦?fàn)t產(chǎn)能的同時(shí)，降低了焦?fàn)t加熱煤氣的消耗，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益顯著。最后，通過(guò)加熱系統(tǒng)的精準(zhǔn)控制，為焦?fàn)t高負(fù)荷生產(chǎn)創(chuàng)造了良好的基礎(chǔ)條件，促進(jìn)了焦?fàn)t產(chǎn)能的釋放和焦炭質(zhì)量的穩(wěn)定提升。

3.焦?fàn)t自動(dòng)加熱溫控系統(tǒng)的應(yīng)用

不同企業(yè)使用的焦?fàn)t類型雖然大體結(jié)構(gòu)差異不大，但是細(xì)微的差異較多，因而不同焦?fàn)t也需要選擇合適的自動(dòng)加熱溫控系統(tǒng)。常見(jiàn)的自動(dòng)溫控系統(tǒng)的技術(shù)趨勢(shì)主要包括前饋供熱量控制系統(tǒng)、爐溫反饋控制系統(tǒng)。

（1）前饋供熱量反饋系統(tǒng)。前饋供熱量控制系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)是操作簡(jiǎn)單，溫控效果好。該系統(tǒng)的基本運(yùn)行思想是“按需供熱”，即依據(jù)采集的溫控?cái)?shù)據(jù)，按照生產(chǎn)需要調(diào)整焦?fàn)t的溫度。其調(diào)節(jié)溫度的基礎(chǔ)條件較多，因而需要對(duì)火道溫度、煤料溫度、煤氣熱值、煤配比等指標(biāo)實(shí)施監(jiān)測(cè)，利用這些指標(biāo)調(diào)整焦?fàn)t的實(shí)時(shí)溫度。但受限于采集數(shù)據(jù)較多，故缺點(diǎn)也較為明顯，即需要對(duì)多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在實(shí)際生產(chǎn)中由于各種不確定因素的影響，難以達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的理想值。實(shí)際焦?fàn)t運(yùn)行過(guò)程中各種參數(shù)值其變化是不確定的，因而按照采集數(shù)據(jù)調(diào)整焦?fàn)t溫度，會(huì)出現(xiàn)不及時(shí)，繼而造成焦炭品質(zhì)下降。

（2）爐溫反饋控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)也是當(dāng)前焦?fàn)t加熱自動(dòng)溫控系統(tǒng)的一種技術(shù)趨勢(shì)，其實(shí)現(xiàn)形式主要有三種。第一種，依據(jù)火道溫度或者擬合火道溫度與目標(biāo)火道溫度的偏差增加煤氣流溫度，該模式需要使用熱電偶連續(xù)監(jiān)測(cè)火道內(nèi)溫度的變化，通過(guò)調(diào)整煤氣流實(shí)現(xiàn)溫度的調(diào)節(jié)。該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但由于調(diào)整存在較大的滯后性，導(dǎo)致節(jié)能減排的效果不理想。且該技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中需要的維護(hù)費(fèi)用較高，故不適合長(zhǎng)期應(yīng)用，僅適合短期內(nèi)替代使用。第二種，實(shí)測(cè)焦餅的中心溫度，繼而調(diào)整火道的溫度。但焦餅溫度只有在形成焦后才能獲取，加熱控制滯后性也較為嚴(yán)重，因此該技術(shù)主要作為輔助控制系統(tǒng)。第三種，將實(shí)測(cè)的結(jié)焦終了時(shí)間或煉焦指數(shù)作為控制溫度的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，通過(guò)調(diào)整粗煤氣顏色、溫度、成分等進(jìn)行焦?fàn)t的溫度調(diào)節(jié)。該技術(shù)是溫控系統(tǒng)的設(shè)想趨勢(shì)，需要繼續(xù)積累更多的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，才能實(shí)現(xiàn)該技術(shù)，因而技術(shù)難度較大。

（3）前、反饋系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用。鑒于前反饋溫控、反饋溫控系統(tǒng)在應(yīng)用中的局限性，也有學(xué)者認(rèn)為焦?fàn)t自動(dòng)加熱溫控系統(tǒng)應(yīng)該結(jié)合兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)綜合應(yīng)用，達(dá)到更理想的溫控效果。兩種控制系統(tǒng)結(jié)合后面臨兩種選擇，其一是以前饋為主，反饋為輔；其二是前饋為輔，反饋為主[5]。兩種方案的結(jié)合使得溫度調(diào)整更為靈活和前瞻，極大降低滯后性，使焦炭的質(zhì)量提升。目前國(guó)內(nèi)的主流加熱溫控方案是應(yīng)用兩種反饋系統(tǒng)的結(jié)合，通過(guò)計(jì)算入爐煤和結(jié)焦時(shí)間綜合計(jì)算目標(biāo)熱量，并實(shí)測(cè)焦?fàn)t實(shí)際溫度，加減煤氣流大小[6]。

前、反饋系統(tǒng)相結(jié)合控制系統(tǒng)克服了單一控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)，使焦炭質(zhì)量、成本控制達(dá)到更完美的平衡，是國(guó)內(nèi)外目前應(yīng)用廣泛的一種控制系統(tǒng)。

4.自動(dòng)加熱溫控系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用案例

作為工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)，最終需要落實(shí)到實(shí)際生產(chǎn)環(huán)節(jié)，因此焦?fàn)t自動(dòng)加熱系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用才能真實(shí)反映其使用價(jià)值?，F(xiàn)以某企業(yè)自動(dòng)加熱控制系統(tǒng)為例進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

（1）焦?fàn)t加熱控制技術(shù)。相較于人工監(jiān)測(cè)火道溫度的技術(shù)，自動(dòng)加熱控制技術(shù)的火道溫度的監(jiān)測(cè)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，見(jiàn)表1。

表1 自動(dòng)加熱系統(tǒng)與人工監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)比

從表1的紙面數(shù)據(jù)來(lái)看，實(shí)際應(yīng)用中焦?fàn)t自動(dòng)加熱系統(tǒng)也具備較大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)溫度的穩(wěn)定控制，減少人力需求。

（2）煤氣流量自動(dòng)控制技術(shù)。作為調(diào)節(jié)溫度的重要輔助手段，自動(dòng)調(diào)節(jié)煤氣流量也是自動(dòng)加熱控制系統(tǒng)的重要一環(huán)。相較于人工調(diào)節(jié)，也具有明顯的優(yōu)勢(shì)，見(jiàn)表2。

表2 煤氣流量自動(dòng)控制技術(shù)與人工調(diào)節(jié)對(duì)比

從表2可知，使用自動(dòng)加熱控制系統(tǒng)，能極大的提升煤氣流量的控制效果，解決人工調(diào)節(jié)的滯后性，使焦?fàn)t溫度的變化更為線性和穩(wěn)定，避免溫度的大起大落。

5.當(dāng)前我國(guó)焦?fàn)t自動(dòng)加熱溫控系統(tǒng)面臨的技術(shù)難點(diǎn)

焦?fàn)t自動(dòng)加熱是煉焦企業(yè)發(fā)展的必然之路，因此雖然我國(guó)煉焦行業(yè)的起步相對(duì)較晚，但發(fā)展也極為迅猛。早在20世紀(jì)80年代，上海焦化廠就開(kāi)展了焦?fàn)t微機(jī)自動(dòng)加熱系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，在1983年上海焦化廠的四號(hào)爐已實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制自動(dòng)加熱[7]。此后我國(guó)各個(gè)地方的焦化廠也在不斷進(jìn)行自動(dòng)加熱溫控系統(tǒng)的研究和應(yīng)用。最初應(yīng)用的溫控方案是簡(jiǎn)單的恒流控制，隨后發(fā)展到爐溫控制和計(jì)算機(jī)優(yōu)化控制。焦?fàn)t自動(dòng)化進(jìn)程對(duì)焦炭質(zhì)量的影響極大，不僅可提升焦炭的產(chǎn)量和品展，還能極大降低能耗比，使單位煤料的產(chǎn)值增加。但由于焦?fàn)t在早期設(shè)計(jì)中未充分考慮到自動(dòng)化發(fā)展，因此焦?fàn)t自動(dòng)加熱系統(tǒng)的應(yīng)用面臨著諸多問(wèn)題，具體包含：

（1）前期設(shè)計(jì)技術(shù)難點(diǎn)。首先，部分焦?fàn)t建造初并未完全考慮到自動(dòng)加熱系統(tǒng)的應(yīng)用，因而未留足充足的空間預(yù)留監(jiān)測(cè)設(shè)備的空間，這導(dǎo)致在后期加裝溫控系統(tǒng)時(shí)面臨諸多障礙。雖然通過(guò)克服困難，使自動(dòng)加熱系統(tǒng)能滿足基本生產(chǎn)需要，但是維護(hù)困難，影響經(jīng)濟(jì)效益。

其次，在前期設(shè)計(jì)中完全參照國(guó)外的焦化廠設(shè)計(jì)，未結(jié)合我國(guó)煤料的實(shí)際情況，導(dǎo)致前、反饋控制系統(tǒng)對(duì)國(guó)內(nèi)的煤料不適應(yīng)，使結(jié)焦時(shí)間不穩(wěn)定，影響焦炭質(zhì)量。另外，有的焦化廠在設(shè)計(jì)初設(shè)定了極高的工藝指標(biāo)和生產(chǎn)模型，但并未考慮到實(shí)際生產(chǎn)狀況，因而當(dāng)模型與實(shí)際生產(chǎn)出現(xiàn)較大偏差時(shí)，溫度控制、結(jié)焦時(shí)間控制等指標(biāo)控制效果會(huì)嚴(yán)重打折，最終導(dǎo)致自動(dòng)加熱系統(tǒng)頻繁調(diào)整，影響效益。

（2）后期使用技術(shù)難點(diǎn)。自動(dòng)加熱控制系統(tǒng)需要監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)較多，而數(shù)據(jù)的獲取依賴各種類型的傳感器、檢測(cè)器，在日常生產(chǎn)中因各種因素，如交付時(shí)間短等影響，控制系統(tǒng)的元部件得不到正常的維護(hù)保養(yǎng)，繼而導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)出現(xiàn)問(wèn)題，最終影響焦?fàn)t溫度的控制。其次，自動(dòng)加熱系統(tǒng)并非完全依賴智能化控制系統(tǒng)，也需要人工進(jìn)行干預(yù)和糾錯(cuò)。因此，受限于主觀因素的影響，焦?fàn)t的加熱控制也會(huì)存在顯著差異。如操作人員的專業(yè)性不足，不規(guī)范的操作則會(huì)影響自動(dòng)加熱系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）升級(jí)換代問(wèn)題。焦?fàn)t的自動(dòng)加熱控制系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)往往與焦?fàn)t的設(shè)計(jì)相匹配，這就導(dǎo)致升級(jí)換代存在較大的問(wèn)題。自動(dòng)控制系統(tǒng)在使用一段時(shí)期后，性能的穩(wěn)定性會(huì)出現(xiàn)下降，而后續(xù)升級(jí)換代則面臨著較為嚴(yán)重的匹配問(wèn)題。且隨著技術(shù)水平的發(fā)展，自動(dòng)加熱控制系統(tǒng)的技術(shù)會(huì)逐漸落后，而更新成本又較大。

6.焦?fàn)t自動(dòng)加熱溫控系統(tǒng)的未來(lái)展望

目前焦?fàn)t自動(dòng)加熱已得到行業(yè)的認(rèn)可，在大部分煉焦企業(yè)中廣泛應(yīng)用，具有廣闊的市場(chǎng)前景。但由于焦?fàn)t溫控的自動(dòng)化、智能化是與焦?fàn)t設(shè)計(jì)相匹配的技術(shù)，故先進(jìn)自動(dòng)加熱技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用受到焦?fàn)t設(shè)計(jì)的限制，難以及時(shí)應(yīng)用于生產(chǎn)環(huán)節(jié)。目前更多的焦?fàn)t自動(dòng)加熱技術(shù)作為技術(shù)儲(chǔ)備尚待開(kāi)發(fā)和實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證。相信在不久的將來(lái)有更多的自動(dòng)加熱技術(shù)突破理論，應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中。

7.結(jié)束語(yǔ)

焦?fàn)t自動(dòng)加熱技術(shù)的使用，使焦?fàn)t溫度的控制更為精確，能極大提升焦炭的品質(zhì)，增加產(chǎn)品的穩(wěn)定性。其次，使用焦?fàn)t自動(dòng)加熱控制技術(shù)，還為更高負(fù)荷使用焦?fàn)t提供先決條件，對(duì)提升能耗比，降低環(huán)境污染有重大意義。通過(guò)實(shí)施焦?fàn)t自動(dòng)加熱控制，能極大提高煤氣燃燒效率，減少排放，達(dá)到節(jié)能減排的行業(yè)目標(biāo)。