金马焦化有限公司与安徽工业大学合作在2×72孔的宽幅焦炉上首次开发成功了焦炉加热优化串级调控系统，简称OCC工艺（Optimizing Cascade Control)，目前使用效果较好。
1 宽幅焦炉的热工特性与控制
1.1 宽幅焦炉与控制特点
焦炉炭化室在高度与长度上的发展较快，对其发展争论也不多，但在宽度方向发展一直很缓慢，争论也较多。我国的炭化室宽度一般为407mm和450mm，国外的情况也大致如此。发展宽幅炭化室的主要争论点是宽度与产量的关系问题。单孔炭化室昼夜产焦量：
G=24kbLhρ／τ (1)
式中的k为操作紧张系数；b为炭化室宽度；L为炭化室长度；h为炭化室高度；ρ为装炉煤密度；τ为结焦时间。
当k、L、ρ、h相同时，则24kLhρ=C, 故G=Cb／τ。当两座炭化室的宽度b与结焦时间τ不同时，可得：
τ1／τ2 = (b1／b2)n (2)
幂指数n的研究表明
τ1／τ2 = (b1／b2)1.1tc/tk
当火道温度tc=1350℃，焦饼中心温度tk=950℃时，则1.1tc/tk =1.1×1350/950 = 1.563，过去的研究均认为是1.8，但据原德国矿山研究所和巨型反应器的生产实际认为n=1.2，则生产能力变化如下：
G1／G2 = (b1/τ1)／(b2/τ2)＝(b1/b2)(τ2/τ1)＝(b1/b2) (b2/b1)n = (b2/b1)n-1 (3)
炭化室宽度由450mm扩大到500mm 时，当n=1.56，则
G1／G2 = (b2/b1)0.56 = (450/500)0.56 = 94.3%
当n=1.2时,则
G1／G2 = (b2/b1)0.2 = (450/500)0.2 = 97.9%
由此可知，每孔炭化室每昼夜的焦炭产量随着炭化室宽度的增加而降低，但幂指数值越小，降低值越小。这样对使用宽炭化室焦炉的评价比过去更为有利。从以上计算可见，炭化室宽度从450mm增加到500mm时，因结焦时间延长而造成的焦炭产量下降值为2%～3%，由于炭化室宽度增加后，使煤料的堆密度可增加至0.77～0.79，故宽炭化室的焦炭产量没有明显下降。
宽度与炉孔数的增加，必定会使焦炉的总蓄热量和总供热量增加，炉墙的厚度与个数增减对此起了很大的作用。显然，72孔宽幅炭化室焦炉与常规的42孔炭化室焦炉相比，蓄热量明显增加，总供热量也明显提高。为了使焦炉加热自动调节既有一定的稳定性与精度，又有一定的灵敏度与调节性，在本方案中比例增益参数起了作用。比例增益表示温度变化1℃时煤气压力（或流量）的调节量，在OCC工艺投运初期，比例增益为25Pa/℃, 42孔焦炉常用此值，但用于72孔焦炉时就偏小，将其调整为50Pa/℃后有了明显改善。
1.2 OCC工艺对宽幅焦炉的适用性
OCC工艺的温度检测采用《焦炉拟合火道温度测定装置》专利中蓄热室顶部空间温度测温法，需要解决的问题是安装10支热电偶对孔数较多的焦炉是否具有代表性。从实测数据（表1）可知，全炉温度与安装热电偶的10排温度误差较小，所以该测温法既能满足多孔焦炉要求，又节约了热电偶的购置费用。OCC工艺的实践也表明，只要K均＞0.80，均能满足要求。
2 OCC工艺控制方案的关键问题
加热控制的目的是在规定的结焦时间内，用较少的煤气生产出合格的焦炭。因此焦炉加热控制要解决三个问题，一是如何在线连续检测出火道温度的变化；二是目标火道温度和燃烧系统的优化；三是在规定的目标火道温度下，采用何种控制算法才能获得最佳的控制效果。
表1 全炉与10排平均直行温度比较（℃）
|
测温次数 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
平均 |
|
18日 |
全炉 |
1304 |
1305 |
1302 |
1304 |
1300 |
1298 |
|
|
10排 |
1304 |
1305 |
1303 |
1302 |
1300 |
1298 |
|
|
温差 |
0 |
0 |
-1 |
+2 |
0 |
0 |
0.17 |
|
20日 |
全炉 |
1305 |
1306 |
1305 |
1302 |
1304 |
1306 |
|
|
10排 |
1307 |
1306 |
1304 |
1301 |
1303 |
1305 |
|
|
温差 |
-2 |
0 |
+1 |
+1 |
+1 |
+1 |
0.33 |
2.1 目标火道温度的优化
目标（火道）温度生产上又称标准（火道）温度，是机、焦侧火道温度平均值的目标值，它是在规定的结焦时间内保证焦饼成熟的主要工艺指标。目标值定得过高，单位产品的能耗迅速上升，焦炭块度小；目标值定得过低，焦炭不易成熟，焦炭强度低。影响目标火道温度的因素有结焦时间、焦饼中心温度、装炉煤的堆密度、装炉煤含水量、炭化室宽度、炉墙厚度等。由于模型复杂、参数较多，在生产中难以实现，故在控制系统采用焦饼中心温度的定期测量和结焦指数模型，实施对目标火道温度的修正，以实现优化控制。
2.2 火道温度的检测与控制数学模型
火道温度是焦炉生产中一个非常重要的工艺参数，直接影响着产品能耗的高低与质量的稳定，但在技术上难以实现火道温度的在线连续检测。因此在焦炉上采用火道温度与蓄热室顶部温度相互关系的检测方法。
从蓄热室顶部温度与换向时间规律性的研究可看到，无论上升气流或下降气流，单号或双号，蓄热室顶部温度的变化幅度较大，且有规律性，因而调节灵敏度比较高。因为蓄热室顶部温度是反映几个立火道气体的平均温度，所以蓄热室顶部温度与火道温度的相关性比较好，从安装的位置上也可看出，热电偶安装在蓄热室顶部空间位置受外部的干扰少，损坏率低。因此该控制系统采用蓄热室顶部温度与火道温度的相关模型作为炉温反馈中的拟合温度。安徽工业大学与宝钢一期工程合作中采用跨越孔温度作为拟合温度的控制方案，该方法在济钢1、 2、5号焦炉上也曾经采用过，但热电偶的投资过高，难以推广。
2.3 火道温度的反馈控制
焦炉是一个典型的大惯性非线性时变的复杂系统，干扰因素很多，它的过渡过程时间长达6～10h，并且过程特性参数受装煤量、煤的性质、含水量等影响较大，因此采用传统的控制方法难以获得理想的控制效果。本系统所采用的串级控制方案，分别以火道温度和煤气主管压力为主、副回路的被控参数见图1。
图1 串级控制回路框图
引入副回路的目的是为了克服焦炉煤气总管压力的频繁波动，它的控制规律为PI调节，采样控制周期为1s。主回路采用多模式模糊控制。通过副回路稳定煤气压力，以保证煤气流量的相对稳定，并间隔一定时间根据火道温度的高低调整煤气控制系统的设定值。由于模糊控制不依赖于被控对象的数学模型，并且其控制规则可根据生产工况的变化进行灵活调整，系统响应快，超调量小，实际使用情况良好，炉温的波动幅度小，一般≤±5℃。
2.4 关键数学模型的建立
实现OCC工艺的数学模型很多，有前馈、反馈、相关数学模型等，而前馈供热量模型的种类最多，也最为复杂。因此需要简化模型找出关键参数，并结合生产实际建立前馈供热量模型。
IV> 经宝钢一期焦炉大量的测定数据统计，已经获－得了不同开工率（不同结焦时间）下的各个前馈偏置量设定模型。本控制以原冶金部规定的焦炉炼焦耗热量的等级为参照依据，结合该焦炉的实际生产情况来确定不同结焦时间下的最佳偏置量模型。
P＝a+bτ P=3100－50τ (4）
式中的P为前馈偏置量设定压力；τ为结焦时间；a为常数；b为系数。当结焦时间改变时，根据该公式可自动输入前馈偏置量设定压力进行调节，操作方便。
3 动态数学模型的建立
OCC工艺动态数学模型分两类：常规操作和特殊操作状态。
3.1 以炉温反馈方式建立的常规操作
操作状态下的动态数学模型。焦炉在没有使用优化串级调控系统前，4h调温1次，主要依据三班实测火道温度进行煤气主管压力（或流量）和分烟道吸力的人工调节，使用本系统后，每换向1次自动调节1次，根据热电偶自动采集的蓄热室顶部温度的变化进行自动调节，即：
拟合温度＝系数×蓄热室顶部温度+常数
设定压力＝偏置压力+比例增益×温差
设定吸力＝系数×设定压力+常数
当蓄热室顶部温度变化时，拟合温度、设定压力、设定吸力的值都随之改变，以达到动态平衡。下一次蓄热室顶部温度又发生相应的变化时，这时拟合温度、设定压力、设定吸力又会达到新的平衡，这是一个动态的过程。
3.2 特殊操作状态下建立的修正动态数学模型
3.2.1 水分对设定煤气压力（流量）的动态修正
当装炉煤水分发生较大变化时（如雨季），用常规的调节方法无法保证炉温的稳定，控制方案针对这一情况建立了控制水分的模糊关系及编程，用以对水分的影响进行在线调节。
在正常条件下，湿煤中1％的干煤量被1％的水分代替，耗热量的变化量为：Δq=60～80kJ/kg。经计算，72孔焦炉需增加热量为1612800kJ, 当煤气热值为17MJ/m3，即需增煤气量94.9m3, 故设调节量V调为100m3。由于本方案采用压力控制的方法，因此水分的修正系数为50Pa。
例如：本厂年平均水分设定为Mt1=9%,当实测水分Mt2=10%，设定压力修正值＝(10－9)×50=50Pa，修正后的设定压力＝修正前的设定压力+50。
3.2.2 焦饼中心温度对目标温度的动态修正
焦饼中心温度的高低直接与标准火道温度有关，例如设定焦饼温度1000℃，实测焦饼温度1050℃，焦饼温度修正值为10，则计算机按顺序进行自动计算所得的目标温度修正值为－5。若修正前的目标温度1335℃，则优化画面上自动弹出修正后的目标温度为1330℃，设定煤气压力会自动减少。
3.2.3 热值对偏置压力的动态修正
同上所述，当实测煤气热值与设定煤气热值不一致时，动态数学模型能自动进行煤气主管压力的修正，提高了控制的精度与灵敏度。宝钢一期采用了上述控制方案，使用流量控制方法。
4 结论
(1) OCC工艺已成功运用于攀钢、济钢、沙钢、宝钢等20余个焦化厂的51座焦炉，但用于多孔数的宽幅焦炉上还是首次，该项目已通过河南省科技厅科技成果鉴定。
(2) 结合炉型特点与生产实践，采用焦炉煤气主管压力单侧控制方案，及使用系列动态数学模型，提高了控制精度与灵敏度。
(3) OCC工艺使用效果明显，炉温稳定，安定系数达到特级炉标准，节能3.4%，年创经济效益319.6万元。
