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2.2焦炉加热燃烧工艺
焦炉是冶金行业中极其重要的热工设备，焦炉的基本结构比较复杂。它由多个炭化室和燃烧室交替配置组成，炭化室和燃烧室仅仅相邻。本次设计所使用的是JN型焦炉，同时，炭化室与燃烧室的大小是由焦炉的型号所决定的。
炭化室是煤粉结焦成焦炭的地方，燃烧室是用来进行混合煤气的燃烧。而且燃烧室又含有多个立火道，每两个立火道组成一个气体通路，同时，焦炉立火道的两端会分别和蓄热室相连。
焦炉生产过程具有周期性特点。从装煤开始到焦炭结焦完成的所有时间称为结焦周期，结焦时间的长短和焦炉立火道内部温度决定焦炭质量的好坏。焦炉生产的主要燃料是高炉煤气和焦炉煤气组成的混合煤气，在通常情况下，为了提高混合煤气燃烧热值，需要控制焦炉煤气的高炉煤气的比例。高炉煤气和焦炉煤气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从而劫夺大量的能源，热能以多种方式传递给炉墙，最主要的方式是通过热辐射传递给炭化室内部的煤粉。
2.3焦炉加热过程中的不确定性分析
焦炉立火道温度燃烧控制具有很大的难度[19]。焦炉结构和生产工艺是用来控制焦炉立火道加热的，其特点与独特的操作方式如图2.2所示，而且主要是由以下几个方面来影响焦炉加热过程的不确定因素的。
装炉煤参数、水分等不确定性信息煤气热值推焦及生产过程的人为因素环境温度、大气压力等机侧焦炉煤气流量机侧高炉煤气流量焦侧焦炉煤气流量焦侧高炉煤气流量焦机侧立火道温度炉焦侧立火道温度
图2.2 焦炉加热控制输入输出及不确定性信息
1、煤料水分、装煤量及煤料品种
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在炼制焦炭的过程中，首先要在炉煤粉中加入适量的水，煤粉加入水的含量范围要求控制在9%-13.5%之间，并且要求加入水分的含量基本保持不变[16]。当煤粉中水分较低时，炼焦的耗能情况将有所改善;当煤粉中的水分含量较高时，不仅影响结焦时间而且炼焦的总耗能会增加。炭化室中的煤粉不仅会因为水分含量的变化而变化，也会随着推焦的过程而更新的，因此，焦炉立火道的温度变化不会因为其中两个因素中的任何一个改变立即发生比较明显的变化的。
装煤量的多少只是表现炭化室的两个燃烧室温度的变化，而其他的的燃烧室温度并受不到影响，即使受到影响，影响也不是很大，在通常的实际生产情况下的装煤量是在你所设定的标准值附近进行波动，你多次测得的数值进行平均值计算，然后再与标准值相比，直至是装煤量的平均值接近标准值，因此我们可以假设装煤量在标准值的上下很小的范围内波动是不会对焦炉立火道直行温度有太大的影响的。
2、煤气热值
焦炉生产用的燃料有两种：焦炉煤气和高炉煤气，根据每个大小的实验以及每个工厂所统计的数据，焦炉煤气和高炉煤气的组成成分以及各个成分的热值如表2.1所示。
表2.1 焦炉煤气和高炉煤气的组成和热值
名称 H2 C H4 CO CO2 N2 O2 热值 Kg/m3 焦炉55-60 煤 气 23-27 5-8 1.5-3 3-7 5-8 17000-19000 高炉1.5-3.0 0.2-0.5 23-27 煤 气 15-19 55-60 0.2-0.4 3200-3800 从上表中可以看出，燃料煤气主要受煤气热值影响，它是单位体积的煤气在完全燃烧的情况下所放出的热量，然而，热值是有高、低之分的，其是受燃烧产物中水的状态的影响。高热值是指燃烧产物中水蒸气冷凝成0℃液态水时的热值；低热值是指燃烧产物中的水成气态时的热值。在实际的焦炉立火道燃烧过程中，燃烧时产生废气的温度很高，水气不可能凝液态水，焦炉立火道燃烧使得热量是低热值。焦炉立火道加热燃烧过程中，一般将焦炉煤气和高炉煤气两种煤气按照一定比例混合后作为加热用混合煤气，混合煤气在进入燃烧室中燃烧产生热量。
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3、环境温度、大气压力等因素
在本设计中焦炉立火道燃烧控制系统是半开放式操作的系统，然而焦炉结构是自然抽风式，因此炭化室不可能完全的与空气隔绝，外界因素对焦炉立火道温度控制系统影响很严重。环境温度、大气压力等众多因素的变化，使焦炉立火道内部温度极其分烟道压力很难控制，分烟道压力发生变化时，引起燃烧混合煤气的空气过剩系数发生相应改变，焦炉立火道内部温度也会发生改变。
环境温度、大气压力对焦炉直行温度的影响也是比较缓慢过程，因此也可以通过焦炉立火道温度变送器的输出反馈控制来调节煤气在燃烧室的流量，从而保证焦炉立火道内部温度保持相对的稳定。由于大气压力的变化会引起分烟道压力的变化，进而影响空气过剩系数及分烟道废气中的氧气含量，通过反馈控制系统可以很快使分烟道的含氧量快速恢复平稳状态。
4、其他因素
在实际生产过程中人为的操作因素对焦炉立火道温度也有重要的影响、焦炉生产推出焦时间的不均匀、推出焦因生产条件发生改变、设备故障、运输条件等等人为因素，也都会引起焦炉立火道温度的改变。焦炉直行温度的设定值是对应于焦炉的结焦时间，因此，当结焦时间发生变化时，则重新设定控制器来控制焦炉立火道的直行温。
综上所述，本文将受到焦炉煤气加热的干扰，燃烧过程中的不确定性主要是烟道热值，并为焦炉烟道燃烧过程热效应煤气热值在进一步深入分析，在本文中，提出了相应的控制策略。
2.4焦炉立火道的加热特点及其控制难度
焦炉立火道加热燃烧过程控制是根据被控对象焦炉立火道内部温度的发生改变时，及时地调混合煤气流量，使其混合煤气在燃烧室中充分的燃烧，在各种干扰因素的影响下，保证焦炉立火道温度的基本稳定。当焦炉立火道火道内部温度平均值与设定温度的标准值之间存在偏差时，通过焦炉立火道温度变送器控制混合煤气的调节阀大小，控制混合煤气的实际流量。然而实际情况中，混合煤气热值不断发生变化，若忽略混合煤气热值对焦炉立火道温度的影响，焦炉立火道内部温度保持相对稳定。同时焦炉立火道温度控制系统由于存在比较明显的滞后现象。针对焦炉本身特有的这些特性，本文最终提
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出焦炉立火道温度多模态模糊控制系统来实现焦炉立火道供热量的调节，在控制算法中加入反馈校正环节，提高焦炉立火道温度控制精度[21]。
2.5小结
本章介绍了焦炉烟道的生产工艺，在加热过程中燃烧的基础上，深入的分析了焦炉加热燃烧不确定性以及对火道温度的影响过程，将混合煤气热值作为焦炉立火道温度控制系统的主要不确定因素，并在此基础上提出了焦炉火道温度控制的基本思想，设计了焦炉立火道温度多模态模糊控制系统总体方案。
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第三章 焦炉立火道加热控制系统
焦炉立火道温度控制系统共由一下五部分组成，为实现焦炉立火道温度的自动化控制每个部分都由一个串级控制系统来实现，在焦炉立火道加热燃烧控制系统中，焦炉立火道温度主控制器的输出值作为流量控制器的设定值，通过混合煤气的控制阀调节混合煤气在焦炉立火道的总体流量。然而焦炉煤气和高炉煤气的热值的改变情况下，并利用混合煤气的负反馈回路来控制对焦炉立火道影响扰动对焦炉立火道的影响作用【15】。在焦炉立火道温度稳定的条件情况下，焦炉立火道温度控制器和混合煤气流量控制器的输出值和给定值都处于相对稳定的情况下。对于焦炉立火道的影响主要有以下两种干扰：
1、焦炉的混合煤气总体压力值发生变化是，混合煤气相对稳定条件也发生相应的改变，在焦炉混合煤气变化的起始阶段混合煤气的总流量的变化值不会对焦炉立火道温度控制产生太大的影响，因此，焦炉立火道温度控制器的输出值在焦炉混合煤气压力值变化是不会发生太大的改变。所以误差的产生，焦炉混合煤气流量控制器发生改变，经过副回路的反馈调节作用，焦炉混合煤气压力变化对焦炉立火道温度变化影响不是特别的严重，焦炉立火道温度输出值不断变化，在焦炉立火道温度控制器和混合煤气流利那个调节器的工作作用下，焦炉立火道温度值很快回到焦炉立火道温度的设定值。
2、焦炉立火道温度改变。当通过焦炉立火道温度变送器测的焦炉立火道温度降低时，焦炉立火道温度控制器发作用开始工作，与焦炉立火道的给定值想成的误差值，作为焦炉混合煤气调节器的设定值，是焦炉混合煤气流量发生改变，焦炉立火道温度逐渐升高，直到重新恢复设定值。可见，串级控制系统对于焦炉立火道具有很好的解决方案。
3.1单回路控制系统
3.1.1焦炉立火道单回路控制系统
焦炉立火道单回路温度控制系统框图如下。
给定-温度控制器调节阀焦炉立火道温度温度变送器
图3.1单回路温度控制系统方框图
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