张艳艳 臧元国 王彩琴 王成和（莱芜钢铁集团有限公司，莱芜271104)
干法熄焦是目前国内外较为先进的熄焦技术，与湿法熄焦相比，具有节能、环保以及提高焦炭质量等优点。它是利用冷的惰性气体在干熄炉内和红焦换热，将红焦冷却至规定的温度范围内。950～1050℃的红焦由装料装置从炉顶装入干熄炉的预存段，并且自上而下运动；惰性气体由干熄炉底的中心风帽和周边环缝鼓入，自下而上运动。二者在逆向运动中，焦炭逐渐被冷却到200℃以下，然后从炉底的排焦装置排出。惰性气体被加热到960℃左右，从干熄炉斜道口经过一次除尘器进入干熄焦锅炉，产生P=3.82MPa, t=450℃的中压蒸汽，与此同时，循环气体被冷却到180℃左右，再经二次除尘后由循环风机送至干熄炉循环使用。
1 焦炭预存量的计算
1.1 焦炭预存量的测量分析
对干熄炉内焦炭预存量的检测，由于被测介质为红焦，温度高达1100℃，硬度大，预存室焦炭料位的检测设备仅设计了耐高温、耐磨、抗径向冲击的电容料位计和分接触式γ射线料位计，无法直接获取预存量的监控实时值，而只能通过自动化系统建立某一模型的方式由程序演算得到。通过对干熄焦工艺及检测参数的研究与分析发现，干熄炉内的焦炭量与焦炭的装入量、排出量和焦炭的某一初始值有直接的关系，针对这几个因素我们进行了深入的分析和研究。
(1) 装入量值的影响因素。干熄炉在库量值指的是干熄炉预存室内储存的焦炭数量。显然在库量值与1个时间段内的焦炭投入量、切出量和在库初始值有关。焦炭投入量采用定量投入方式（21t/次），其量值由炭化室容积和配煤比例决定，没有称量环节。每次的装入量没有称量环节，与炭化室容积、炭化时间、燃烧程度、配煤成分以及运输过程中的损耗都有极为密切的关联。虽然生产中有严格的工艺控制，但这些影响也不可忽视。
(2) 切出量值的采集和影响因素。切出量值由装设在皮带输送机上的电子皮带秤检测，皮带秤测量的误差是影响切出量值的直接因素。
(3) 初始量值的确定和误差。对预存室焦炭预存量的采集只包括上上限（设计为210吨）和在预存室中部的校正料位（设计为85吨)，而上上限是干熄焦在正常生产过程中不经常达到的料位值，属于报警联锁值，当料位达到此值时，为了预防红焦溢出，禁止装焦。γ射线料位计的主要作用是正确掌握干熄炉预存段的焦炭量。当干熄炉预存段内焦炭刚刚低于γ射线料位时，将计算机程序测算所求得的料位值强制校正为焦炭的真实料位，并作为程序演算的初始量值，从而达到准确控制焦炭料位的目的。所以γ射线料位计又被称为强制校正料位。校正料位是经常会达到的料位，为保证干熄焦生产的安全、连续、稳定，应每隔2h进行1次校正。
1.2 焦炭预存量控制算法
1.2.1 理想控制模型的建立
在库量理想控制模型公式为：
Q＝Q0+ Win－ Wout （1)
式中的Q为在库量值，t；Q0为在库量值初始值，85t；Win为装入量值，21t；Wout 为排出量值，t。
强制校正料位的采集数据源于γ射线料位计的开关量信号，当PLC系统接收的校正料位信号由ON转变为OFF时，Q被程序自动赋值为初始值Q0；装入值Win在PLC系统接收到干熄炉装入装置发来的一次装入信号时，程序将在模型上加上21t; 排出量值Wout是由安装在皮带输送机上的电子皮带秤检测的。
我们将控制模型的控制过程按循环周期划分，当强制校准料位第1次出现时，标志着第1次循环的开始，此时在库量为Q0，计算机通过采集的数据对料位进行演算和监控。再次出现校准位时，标志着第1次循环的结束, 同时第2次循环开始，此时实际在库量依然为初始值Q0，以此循环，通过设计上的校正料位对演算料位进行间断式校准，以尽量减少程序演算值的误差。
1.2.2 模糊控制模型的建立
(1) 模糊控制模型的建立。由于在库量控制的实际过程具有非线性、时变性和不确定性，并且影响因素甚多且变化多端，理想控制模型误差较大。经过研究开发，引用了模糊控制的思想，其基本思想为：采用适时检测实际输出与模型输出之间的误差，把迭代优化策略建立在预测模型输出误差和反馈校正的基础上，使系统处于在线的状态下，反复进行优化、计算和迭代补偿，从而使模型失配、时变、干扰等引起的不确定性及时得到弥补。
由于焦炉单炉实际产量与理想产量存在误差和冷焦排出存在计量误差等原因会导致演算值与实际值产生误差。为了进一步精确测量干熄炉预存室焦炭的预存量，当干熄炉内焦炭下降到校正料位以下时，即γ射线导通，计算机自动控制系统自动对焦炭预存量进行校正，并添加了对预存量演算的修正。因此得到模糊控制模型公式：
Qi=Qi-1+Win－Wiout+ Ki×αi (2)
式中的Qi为第i次循环周期的演算在库量值； Qi-1为第（i－1）次循环周期的演算在库量值；Win 为每次投入焦炭量值；Wiout 为第i次循环周期的排出量；Ki 为第i次循环周期的排出量修正系数；αi 为预存量偏差值(αi ＝Q0 －Qi ) ; i为第i次循环周期（i=1, 2…）。
(2) 模型排出量修正系数。排出量修正系数Ki是控制模型中最关键的参数，间接地反馈校正在库量值，使得本周期内的在库量实际变化过程与在库量控制模型输出之间形成误差，可以通过对排出量系数Ki的修改，在下一个周期内得到修正。它一方面对第i次循环周期的在库量起直接的控制作用；另一方面是第（i+1）次循环周期的排出量修正系数Ki+1修正基础。
每个循环周期都有各自的排出量系数Ki，并用本次循环周期内的在库量值误差αi 来修正下一个循环周期的排出量系数Ki+1。各循环周期的长短是随机的，因此本循环周期内的在库量值误差αi 不能准确地反映在库量控制精度，应通过测定本循环周期内的总排出量Wiout求出本循环周期内的在库量值相对误差αi/Wiout。为排除偶然因素的影响，系统不采用相对误差（αi/Wiout)消除方式，而是按照一定比例消除，即引入权重系数βi = 0.5～1.0，通过试验确定βi的具体数值。由此得到排出量修正系数公式：
Ki+1＝Ki＋βiαi/ Wiout (3）
其中，第1次循环的修正系数K1为1。
1.2.3 程序的编制
莱钢干熄焦自动控制系统由我们专业技术人员自行开发，系统采用西门子S7-400+200M方式，编程软件为STEP7+iFIX。在程序编制过程中，调用了组织块OB35（扫描周期为1s)，完成对焦炭预存量模型的建立和演算功能。
图1 干熄焦料位控制图
2 焦炭预存量的控制
预存室焦炭预存量的控制共设有5个，其中L1'（程序演算值为200t)、 Ll (LT4101，静电容式料位为210t，作为L1’备用）为预存室料位上上限；L2（程序演算值为146t）为预存室料位上限；L3（程序演算值为0 t）为预存室料位下限，L4 (LT4102,采用γ射线料位85t)为预存室料位强制校验料位。L4安装在基准料位面上，γ射线式料位由ON转为OFF，系统自动校准1次。控制点具体位置见图1。
干熄焦正常生产时，应尽量使所设排焦量与装焦量相适应，并把焦炭预存量控制在0～146t范围内，尽可能降低对后续工序的影响。但为了保证干熄焦的安全生产，装焦和排焦装置都与料位发生联锁，即预存室料位在下限L3时，禁止排焦；在上上限Ll’时，禁止装焦；在上限L2时，允许再装入一罐焦。
3 效果与结论
莱钢自行开发的干熄炉内焦炭预存量数学模型已经成功运用在莱钢1、2号干熄焦生产中，有效防止了红焦外溢和炽热红焦排出损坏设备等重大事故的发生，保证了生产安全，得到用户的一致好评，值得在全国相关行业推广。
