CN112779032B - 一种焦炉在线热工测试方法 - Google Patents

Abstract

一种焦炉在线热工测试方法，解决传统的焦炉热工测试工作效率低，热工测试报告时效性差的问题。该焦炉在线热工测试方法，以焦炉炼焦过程中的工艺信号为基础，通过关联模型和算法得到实时在线的热工测试结果，并对测试结果进行诊断分析，指导焦炉生产存在的不足，从而实现热工效率的提高、吨产品煤气耗热量的降低、焦炉炼焦过程在线诊断分析节能降耗的目的。同时，减少人为参与，降低错误率，降低热工测试成本，提高热工测试效率；减少焦炉热工测试时间，做到实时在线测试，测试反馈的结果及时性好，并为后续指导焦炉生产和焦炉生产的智能化奠定良好的基础。

Description

一种焦炉在线热工测试方法

技术领域

本发明属于冶金自动化的工业人工智能技术领域，具体涉及一种工作效率高，时效性好，能够指导焦炉最优化生产，降低吨产品煤气耗热量，可实现焦炉炼焦过程的在线诊断分析、节能降耗的焦炉在线热工测试方法。

背景技术

焦炉炼焦过程是一个对进入焦炉的煤进行高温干馏的过程，煤经过物理和化学反应达到指标，生成合格焦炭。在此过程中，焦炉煤气作为副产气，从焦炉炭化室顶部进行持续性回收。焦炉中的煤在隔绝空气的环境下吸收热量生成焦炉煤气和焦炭，所以焦炉炼焦是一个能源单向传递的过程。焦炉集气管中回收的气体为焦炉煤气。在保证焦炭质量的条件下，焦炉煤气的回收量越大，热值越高，则意味着整个焦炉炼焦过程的经济性越高。

焦炉煤气的来源分为物理反应和化学反应两大块，物理反应由煤中水分从液相变为气相和煤表面附着气体受热溢出组成；化学反应则由煤的挥发分受热发生裂解和缩聚反应组成。焦炉炼焦时，通过改变加热煤气量，调节煤的升温速率，焦化工序从集气管收集的焦炉煤气，经过一系列净化工艺后的气体即为焦炉净煤气。焦炉净煤气的主要成分包括CO、CO₂、H₂、CH₄、N₂、C_mH_n等。

焦炉煤气产生后，需要符合一定的指标和要求才能够进行回收，回收的焦炉煤气经过净化后才能进入煤气管网和煤气消耗端。焦炉炼焦过程中产生的焦炉煤气离开炭化室后，经过上升管和桥管、进入集气管。通常由焦炉煤气的压力和温度来判断焦炉炭化室顶部空间的状态；炭化室顶部空间需要保持在一定的压力和温度限定值之下，压力过大会使焦炉炸炉，温度过高则使焦炉煤气分解生成沉积碳、堵塞管道。通过流量计测定焦炉煤气离开炭化室的温度和压力，满足回收标准的焦炉煤气经过净化处理后通入煤气管网，不符合要求的焦炉煤气直接点火放散。

以往的焦炉热工测试，是通过人员跟踪测试焦炉生产一周时间，获取焦炉各点的温度和气体成分，之后，再用一周时间去进行数据计算和诊断，最后整理出诊断报告。这种传统的测试方式，存在以下三个缺点：1、焦炉热工测试一次需要两周时间，时间跨度长、及时性差；2、需要大量的人员相互配合，人工成本高；3、每次焦炉的装煤量存在着差异，不同时间供给焦炉的热量不同，进而影响计算的准确性。故有必要对现有的焦炉热工测试方式予以改进。

发明内容

本发明就是针对上述问题，提供一种工作效率高，时效性好，能够指导焦炉最优化生产，降低吨产品煤气耗热量，可实现焦炉炼焦过程的在线诊断分析、节能降耗的焦炉在线热工测试方法。

本发明所采用的技术方案是：该焦炉在线热工测试方法包括如下步骤：

步骤一、建立焦炉炼焦过程的信号关联性模型；首先，进行基础信号获取，确定焦炉基础参数，即：焦炉型号、炭化室的结构尺寸、焦炉散热面积，进而确定焦炉的基本结构；

步骤二、确定煤的信息，每个厂的原煤多达数十种，将这数十种原煤混合形成焦炉所用煤；

步骤三、信号在线实时获取和计算；焦炉有多个炭化室，获取推焦序列号N₁、N₂、N₃……N_n，序列号与各个炭化室相对应；进入焦炉燃烧的加热煤气主要有高炉煤气和焦炉煤气，可采用流量计计量的方式，实时统计使用量；

步骤四、采用模拟煤的温度场预测焦炉的焦炭、焦油、苯、氨、水和焦炉煤气产量，即：获取每个炭化室的空间结构，加热煤气量、空气量和结焦时间，计算炭化室所获取的热量；根据煤的传热效率和焦饼中心温度，模拟出煤的温度场，建立煤的温度与时间的函数；

步骤五、信号汇总；汇总现场直接获取的信号，经过关联模型计算后得到一系列的参数，调用不同参数计算出指标，将指标反馈给现场人员；

步骤六、实时在线的诊断分析与测试报告；首先对指标进行计算，当指标计算值在给定范围内时，指标正常，焦炉运行良好，无需诊断；当指标计算值在给定范围外时，指标异常，焦炉运行存在问题，需要诊断焦炉运行异常的原因；

步骤七、确定好异常的指标后，找到计算指标的关联模型，确定模型中有哪些参数；当判断出参数项不在合理范围内时，继续判断此异常参数是否可拆解，如果可以继续拆解，则表明此参数是中间计算参数而不是直接从设备中获取的参数，所以找到计算此参数的关联模型；重复进行以上的判断步骤，直至所找到的异常参数不可拆解；之后，汇总所有的问题参数，形成诊断原因；

步骤八、最优炉次数据统计和分析；最优炉次以指标值的大小为判定依据，在线热工测试的判定指标为热工效率和单耗；最优指标的炉次编号是将本炉次的指标值与历史最优指标值进行一对一地比对，所有满足判断要求的指标，用此指标对应的炉次编号替换历史最优炉次编号，否则对应指标的历史最优炉次编号保持不变。

所述步骤二，按照公式(1)、(2)计算配煤的工业成分；

式中：

—煤的工业成分含量，％；

—每种原煤所含工业成分含量，％；

K_k—对应原煤的占比，％；

式中：K_k—对应原煤的占比，％；

是每种原煤对应的工业成分；K是每种原煤所占质量比例，总比例之和为1。

所述步骤三，按照式(3)、(4)计算混合后的加热煤气量；

式中：V_加热煤气—加热煤气量，m³；

V_k—不同种类的加热煤气的体积量，m³；

实施方法为计量所用加热煤气的流量和对应的体积占比，保证体积占比之和为1。

所述步骤四，根据焦炭、焦油、苯、氨、水和焦炉煤气在不同温度下理论产生最大速率和理论产生量，可预测不同结焦时间下每种物料的产生量和带出热量；一个周期的预测产量和带出热量根据实际产量统计值修正；

以焦油为例，焦油的产生量和带出热量按式(5)、(6)计算；

式中：G_焦油—焦油产生量，t；

T—结焦时间，h；

f(T)—焦油产生量与结焦时间的函数，kg；

T₁—焦油开始产生对应的结焦时间，h；

T₂—焦油不再产生对应的结焦时间，h；

式中：Q_焦油—焦油带出热量，kJ；

T—结焦时间，h；

f(T)—焦油产生量与结焦时间的函数，kg；

t(T)—焦油产生温度与结焦时间的函数，℃；

c(T)—焦油的比热容与结焦时间的函数，kJ/(kg·℃)

T₁—焦油开始产生对应的结焦时间，h；

T₂—焦油不再产生对应的结焦时间，h；

在模拟煤的温度场中，可获得对应结焦时间下焦油的产生温度，以此温度计算出焦油的比热容；焦油带出热量为产生量、产生温度和比热容乘积的累加值；焦炭、苯、氨、水和焦炉煤气的产生量、带出热量也按照此方法计算。

进一步地，部分焦炉煤气通过炭化室和燃烧室顶部孔隙漏入到燃烧室中燃烧，此部分的焦炉煤气量无法计量，采用经验式(7)进行计算；

Q_{漏入焦炉煤气燃烧热量}＝K_漏入率K_焦炉煤气G_湿煤q_焦炉煤气 (7)

式中：Q_{漏入焦炉煤气燃烧热量}—漏入燃烧室的焦炉煤气燃烧热量，kJ；

K_漏入率—焦炉煤气漏入燃烧室的质量百分比，％；

K_焦炉煤气—焦炉煤气的产生率，％；

G_湿煤—入炉湿煤量，kg；

q_焦炉煤气—焦炉煤气的热值，kJ/kg。

所述步骤六，在线热工测试的指标计算包括：1kg干煤所消耗的加热煤气供给焦炉的热量Q_{吨干煤耗热量}；每练成1kg焦炭所消耗的加热煤气供给焦炉的热量Q_{吨焦炭耗热量}；

式中：Q_{吨干煤耗热量}—每吨干煤耗热量，kJ/t；

Q_{加热煤气燃烧热}—加热煤气燃烧热量，kJ；

G_干煤—干煤质量，t；

式中：Q_{吨焦炭耗热量}—每吨焦炭耗热量，kJ/t；

Q_{加热煤气燃烧热}—加热煤气燃烧热量，kJ；

G_焦炭—焦炭质量，t。

所述步骤六，在线热工测试的指标计算还包括：传入炭化室的热量比上供入焦炉总热量的百分比η_热工效率，焦炉的总热量等于所有热量收入项的和，传入炭化室的热量等于供入焦炉总热量减去烟气带走的热量和表面散热热量；可被利用的热量占供入焦炉总热量的百分比η_热效率，可被利用的热量等于供入焦炉总热量减去烟气带走的热量；

式中：η_热工效率—热工效率，％；

Q_煤气热量—加热煤气带入热量，kJ；

Q_{煤气燃烧热量}—加热煤气燃烧放出的热量，kJ；

Q_空气热量—空气带入热量，kJ；

Q_干煤热量—干煤带入热量，kJ；

Q_{入炉煤中水热量}—入炉煤中水带入热量，kJ；

Q_{漏入荒煤气燃烧热量}—漏入燃烧室的焦炉煤气燃烧放出的热量，kJ；

Q_{烟气带出热量}—烟气带出的热量，kJ；

Q_散热—炉体表面散热热量，kJ；

Q_{不完全燃烧损失热量}—加热煤气不完全燃烧损失的热量，kJ；

式中：η_热效率—热效率，％；

Q_煤气热量—加热煤气带入热量，kJ；

Q_{煤气燃烧热量}—加热煤气燃烧放出的热量，kJ；

Q_空气热量—空气带入热量，kJ；

Q_干煤热量—干煤带入热量，kJ；

Q_{入炉煤中水热量}—入炉煤中水带入热量，kJ；

Q_{漏入荒煤气燃烧热量}—漏入燃烧室的焦炉煤气燃烧放出的热量，kJ；

Q_{烟气带出热量}—烟气带出的热量，kJ；

Q_{不完全燃烧损失热量}—加热煤气不完全燃烧损失的热量，kJ。

所述步骤六，在线热工测试的指标计算还包括每炼成1kg焦炭所产生的焦炉净煤气量G_单产；

式中：G_单产—每生产1t焦炭平均产生的焦炉净煤气质量，kg/t；

G_{净煤气产生量}—焦炉净煤气产生质量，kg；

G_焦炭—焦炭质量，t。

所述步骤六，在线热工测试还包括以下的指标计算：

式中：

—每生产1t焦炭平均消耗的高炉煤气体积量，m³/t；

V^BFG—通入焦炉燃烧的高炉煤气体积量，m³；

G_焦炭—焦炭质量，t；

式中：

—每生产1t焦炭平均消耗的焦炉煤气体积量，m³/t；

V^COG—通入焦炉燃烧的焦炉煤气体积量，m³；

G_焦炭—焦炭质量，t；

式中：Q_燃耗—每生产1t焦炭平均消耗的燃料热量，kJ/t；

Q_煤气热量—加热煤气带入热量，kJ；

Q_{煤气燃烧热量}—加热煤气燃烧放出的热量，kJ；

Q_空气热量—空气带入热量，kJ；

Q_干煤热量—干煤带入热量，kJ；

Q_{入炉煤中水热量}—入炉煤中水带入热量，kJ；

Q_{漏入荒煤气燃烧热量}—漏入燃烧室的焦炉煤气燃烧放出的热量，kJ；

G_焦炭—焦炭质量，t。

本发明的有益效果：该焦炉在线热工测试方法可以在线测试，完成一份热工测试报告的时间是焦炉的一个周期，工作效率高，热工测试报告时效性好。以实时信号为基础，依托焦炉炼焦过程的冶金物理化学模型算法，通过智能计算和指标分析，找到异常的指标和引起指标异常的最底层参数，指导现场工作人员快速准确地找到本次焦炉指标异常的原因。在线热工测试可以记录下热工效率最高的最优炉次的指标参数和底层参数，指导焦炉最优化生产，降低吨产品煤气耗热量，实现焦炉炼焦过程在线诊断分析节能降耗的目的。并且，减少人为参与，降低错误率，降低热工测试成本，提高了热工测试效率；同时，减少焦炉热工测试时间，做到实时在线测试，测试反馈的结果及时性好，为后续指导焦炉生产和焦炉生产的智能化奠定良好的基础。

附图说明

图1是本发明的焦炉基础参数获取框图。

图2是本发明的物料参数信号框图。

图3是本发明的热信号框图。

图4是本发明的预测和修正物料产量和带出热量框图。

图5是本发明的在线热工测试信号汇总方式图。

图6是本发明的指标计算和判断框图。

图7是本发明的指标异常时的判断流程框图。

图8是本发明的最优炉次指标值框图。

图9是本发明的最优指标的炉次编号框图。

具体实施方式

为了达到焦炉在线热工测试，并做到对焦炉炼焦过程的实时产耗跟踪分析，本发明提供了焦炉在线热工测试方法，该方法以焦炉炼焦过程中的工艺信号为基础，通过关联模型和算法得到实时在线的热工测试结果，并对测试结果进行诊断分析，指导焦炉生产存在的不足，从而实现热工效率的提高、吨产品煤气耗热量的降低、焦炉炼焦过程在线诊断分析节能降耗的效果。

详细说明本发明的具体步骤。该焦炉在线热工测试方法包括：

步骤一、实时获取基础信号、物料信号、热信号，将所有信号汇总，建立焦炉炼焦过程的信号关联模型(如图1所示)。首先，进行基础信号获取，确定在线热工测试对象的信息，即焦炉基础参数。由现场人员提供焦炉型号、炭化室的结构尺寸、焦炉散热面积，这些参数可以确定焦炉的基本结构。

步骤二、确定煤的信息。每个厂的原煤多达数十种，将这数十种原煤混合形成焦炉所用煤。

按照公式(1)、(2)计算配煤的工业成分；

式中：

—煤的工业成分含量，％；

—每种原煤所含工业成分含量，％；

K_k—对应原煤的占比，％；

式中：K_k—对应原煤的占比，％；

是每种原煤对应的工业成分；K是每种原煤所占质量比例，总比例之和为1。

步骤三、信号在线实时获取和计算。焦炉有多个炭化室，获取推焦序列号N₁、N₂、N₃……N_n，序列号与各个炭化室相对应；煤在炭化室中经过高温干馏后，挥发分、水汽和部分有机物质形成焦炉煤气从炭化室顶部空间溢出，剩下的物质形成焦炭。由于焦炉煤气的成分极其复杂，所以将焦炉煤气拆解为可回收的焦油、苯、氨、水和焦炉煤气。焦油、氨、苯、水、焦炉煤气和焦炭等物料参数是焦炉一个炼焦周期获取的参数信号值，对应参数信号获取方式共三种，分别为称重、流量计计量、电信号(如图2所示)。

进入焦炉燃烧的加热煤气主要有高炉煤气和焦炉煤气，可采用流量计计量的方式，实时统计使用量(如图3所示)。

根据现场实际情况，可以按照式(3)、(4)计算混合后的加热煤气量；

式中：V_加热煤气—加热煤气量，m³；

V_k—不同种类的加热煤气的体积量，m³；

实施方法为计量所用加热煤气的流量和对应的体积占比，保证体积占比之和为1。煤气的燃烧需要充足的空气，空气中的氧气与可燃气体发生化学反应放热。但是空气量过多时，多余的空气不仅不能帮助燃料充分燃烧，还会吸收部分煤气燃烧放出的热量，所以计量进入焦炉燃烧室的空气量和空气温度尤为重要。烟气成分通过红外光谱仪实时测量，同时使用流量计实时计量烟气产生量和离开焦炉的温度。

步骤四、现场对于焦炭、焦油、苯、氨、水和焦炉煤气只取一个周期的统计值，无法提供更短时间内的产量，所以采用模拟煤的温度场预测焦炉的焦炭、焦油、苯、氨、水和焦炉煤气产量。具体方法如下：获取每个炭化室的空间结构，加热煤气量、空气量和结焦时间，计算炭化室所获取的热量。根据煤的传热效率和焦饼中心温度，模拟出煤的温度场，建立煤的温度与时间的函数。根据焦炭、焦油、苯、氨、水和焦炉煤气在不同温度下理论产生最大速率和理论产生量，可预测不同结焦时间下每种物料的产生量和带出热量。一个周期的预测产量和带出热量根据实际产量统计值修正(如图4所示)。

以焦油为例，焦油的产生量和带出热量按式(5)、(6)计算；

式中：G_焦油—焦油产生量，t；

T—结焦时间，h；

f(T)—焦油产生量与结焦时间的函数，kg；

T₁—焦油开始产生对应的结焦时间，h；

T₂—焦油不再产生对应的结焦时间，h。

式中：Q_焦油—焦油带出热量，kJ；

T—结焦时间，h；

f(T)—焦油产生量与结焦时间的函数，kg；

t(T)—焦油产生温度与结焦时间的函数，℃；

c(T)—焦油的比热容与结焦时间的函数，kJ/(kg·℃)

T₁—焦油开始产生对应的结焦时间，h；

T₂—焦油不再产生对应的结焦时间，h。

在模拟煤的温度场里，定义有煤的温度达到焦油产生温度标准时，所对应的结焦时间为T₁；定义所有煤的温度超过焦油产生温度标准时，所对应的结焦时间为T₂。所以焦油只在结焦时间T₁至T₂内产生，焦油产生量按函数f(T)计算，可实时在线预测焦油产生量。在模拟煤的温度场中，可获得对应结焦时间下焦油的产生温度，以此温度计算出焦油的比热容；焦油带出热量为产生量、产生温度和比热容乘积的累加值；焦炭、苯、氨、水和焦炉煤气的产生量、带出热量也按照此方法计算。

部分焦炉煤气通过炭化室和燃烧室顶部孔隙漏入到燃烧室中燃烧，此部分的焦炉煤气量无法计量，采用经验式(7)进行计算。

Q_{漏入焦炉煤气燃烧热量}＝K_漏入率K_焦炉煤气G_湿煤q_焦炉煤气 (7)

式中：Q_{漏入焦炉煤气燃烧热量}—漏入燃烧室的焦炉煤气燃烧热量，kJ；

K_漏入率—焦炉煤气漏入燃烧室的质量百分比，％；

K_焦炉煤气—焦炉煤气的产生率，％；

G_湿煤—入炉湿煤量，kg；

q_焦炉煤气—焦炉煤气的热值，kJ/kg。

步骤五、信号汇总。汇总现场直接获取的信号，经过关联模型计算后得到一系列的参数，调用不同参数计算出指标，将指标反馈给现场人员。信号汇总方式如图5所示，方框中的信号为现场直接获取，其余箭头指向系统的参数为系统通过现场获取信号和关联模型计算得到，参数全部汇总到系统中，由系统统一处理。所有箭头指出系统的均为计算指标，指标结果展示在系统界面上。

步骤六、实时在线的诊断分析与测试报告，包括在线热工测试的指标计算。

在线热工测试存在以下的指标计算：

式中：Q_{吨干煤耗热量}—每吨干煤耗热量，kJ/t；

Q_{加热煤气燃烧热}—加热煤气燃烧热量，kJ；

G_干煤—干煤质量，t。

式中：Q_{吨焦炭耗热量}—每吨焦炭耗热量，kJ/t；

Q_{加热煤气燃烧热}—加热煤气燃烧热量，kJ；

G_焦炭—焦炭质量，t。

式中：η_热工效率—热工效率，％；

Q_煤气热量—加热煤气带入热量，kJ；

Q_{煤气燃烧热量}—加热煤气燃烧放出的热量，kJ；

Q_空气热量—空气带入热量，kJ；

Q_干煤热量—干煤带入热量，kJ；

Q_{入炉煤中水热量}—入炉煤中水带入热量，kJ；

Q_{漏入荒煤气燃烧热量}—漏入燃烧室的焦炉煤气燃烧放出的热量，kJ；

Q_{烟气带出热量}—烟气带出的热量，kJ；

Q_散热—炉体表面散热热量，kJ；

Q_{不完全燃烧损失热量}—加热煤气不完全燃烧损失的热量，kJ。

式中：η_热效率—热效率，％；

Q_煤气热量—加热煤气带入热量，kJ；

Q_{煤气燃烧热量}—加热煤气燃烧放出的热量，kJ；

Q_空气热量—空气带入热量，kJ；

Q_干煤热量—干煤带入热量，kJ；

Q_{入炉煤中水热量}—入炉煤中水带入热量，kJ；

Q_{漏入荒煤气燃烧热量}—漏入燃烧室的焦炉煤气燃烧放出的热量，kJ；

Q_{烟气带出热量}—烟气带出的热量，kJ；

Q_{不完全燃烧损失热量}—加热煤气不完全燃烧损失的热量，kJ。

式中：G_单产—每生产1t焦炭平均产生的焦炉净煤气质量，kg/t；

G_{净煤气产生量}—焦炉净煤气产生质量，kg；

G_焦炭—焦炭质量，t。

式中：

—每生产1t焦炭平均消耗的高炉煤气体积量，m³/t；

V^BFG—通入焦炉燃烧的高炉煤气体积量，m³；

G_焦炭—焦炭质量，t。

式中：

—每生产1t焦炭平均消耗的焦炉煤气体积量，m³/t；

V^COG—通入焦炉燃烧的焦炉煤气体积量，m³；

G_焦炭—焦炭质量，t。

式中：Q_燃耗—每生产1t焦炭平均消耗的燃料热量，kJ/t；

Q_煤气热量—加热煤气带入热量，kJ；

Q_{煤气燃烧热量}—加热煤气燃烧放出的热量，kJ；

Q_空气热量—空气带入热量，kJ；

Q_干煤热量—干煤带入热量，kJ；

Q_{入炉煤中水热量}—入炉煤中水带入热量，kJ；

Q_{漏入荒煤气燃烧热量}—漏入燃烧室的焦炉煤气燃烧放出的热量，kJ；

G_焦炭—焦炭质量，t。

Q是不同的热量收入和热量支出参数对应的热量。G是焦炭或干煤的质量。η是效率。Q_{吨干煤耗热量}是1kg干煤所消耗的加热煤气供给焦炉的热量。Q_{吨焦炭耗热量}是每练成1kg焦炭所消耗的加热煤气供给焦炉的热量。η_热工效率是传入炭化室的热量比上供入焦炉总热量的百分比，焦炉的总热量等于所有热量收入项的和，传入炭化室的热量等于供入焦炉总热量减去烟气带走的热量(包括不完全燃烧损失热量)和表面散热热量。η_热效率是可被利用的热量占供入焦炉总热量的百分比，可被利用的热量等于供入焦炉总热量减去烟气带走的热量(包括不完全燃烧热)。G_单产是每炼成1kg焦炭所产生的焦炉净煤气量。

是每炼成1kg焦炭所消耗的高炉煤气量。

是每炼成1kg焦炭所消耗的焦炉煤气量。Q_燃耗是焦炉单位产品的燃料热量消耗。

实时在线的诊断分析与测试报告，还包括在线热工测试指标诊断。本发明中在线热工测试首先对指标进行计算，每个指标均已经给定一个范围值，当指标计算值在给定范围内时，指标正常，焦炉运行良好，无需诊断。当指标计算值在给定范围外时，指标异常，焦炉运行存在问题，需要诊断焦炉运行异常的原因(如图6所示)。

步骤七、具体的诊断流程如下，确定好异常的指标后，找到计算指标的关联模型，确定模型中有哪些参数，由于每个参数均给定了合理范围区间，所以跳过在合理范围内的参数，继续判断下一个参数项。当判断出参数项不在合理范围内时，继续判断此异常参数是否可拆解，如果可以继续拆解，则表明此参数是中间计算参数而不是直接从设备中获取的参数，所以找到计算此参数的关联模型，重复进行以上的判断步骤，直至所找到的异常参数不可拆解。汇总所有的问题参数，形成诊断原因(如图7所示)。

以在线热工测试中一次异常数据诊断为例，说明诊断过程：

首先，η_热工效率的合理范围为70～75％，当加热煤气中高炉煤气的体积占比36％，焦炉煤气的体积占比64％时，η_热工效率的值为75.4％。由于η_热工效率的值超出了合理范围，所以指标异常，开始诊断。

与η_热工效率关联的模型参数分别为Q_煤气热量、Q_{煤气燃烧热量}、Q_空气热量、Q_干煤热量、Q_{入炉煤中水热量}、Q_{漏入荒煤气燃烧热量}、Q_{烟气带出热量}、Q_{不完全燃烧损失热量}。经过分析后发现Q_空气热量、Q_{烟气带出热量}这两个参数的热平衡占比均低于合理范围下限，Q_{不完全燃烧损失热量}参数的热平衡占比高于合理范围上限。

与Q_空气热量关联的模型参数分别为空气流量，空气温度、干空气比热容，相对湿度和绝对湿度。经过分析后发现只有空气流量低于合理范围下限。

与空气流量关联的模型参数为空燃比和加热煤气流量。经过分析发现空燃比值低于合理范围下限，同时空燃比没有关联的模型。

因为空燃比低于合理范围下限，所以输出诊断结果：空气热量低于合理范围下限的原因是空燃比过小，空气流量过小。

与Q_{烟气带出热量}关联的模型参数分别为烟气量、烟气比热容和烟气温度。经过分析后只有烟气量低于合理范围下限。

因为烟气量低于合理范围下限，所以输出结果：烟气热量低于合理范围下限的原因是烟气量过小。

与Q_{不完全燃烧损失热量}关联的模型参数分别为烟气量、烟气的低位发热量。经过分析后烟气量低于合理范围下限，烟气的低位发热量高于合理范围上限。

因为烟气量低于合理范围下限，烟气的低位发热量高于合理范围上限，所以输出结果：不完全燃烧损失热量低于合理范围下限的原因是烟气量减小，烟气的低位发热量增大。

步骤八、最优炉次数据统计和分析。

根据上述针对焦炉炼焦过程中的吨干煤耗热量、吨焦耗热量、热工效率、热效率、单产、BFG单耗、LDG单耗及燃耗的数据关联性计算、诊断分析等，最终可以分析出最优炉次对应的指标(如图8所示)。

在线热工测试给出的最优炉次分为两种，一是历史最优炉次，二是最优指标所对应的历史炉次编号。最优炉次以指标值的大小为判定依据，在线热工测试的判定指标为热工效率和单耗，本炉次指标值与历史最优炉次指标同时满足热工效率进一步提高、单耗进一步降低的要求，便以本炉次编号替代历史最优炉次编号，否则历史最优炉次指标值不变。

最优指标的炉次编号是将本炉次的指标值与历史最优指标值进行一对一地比对，所有满足判断要求的指标，用此指标对应的炉次编号替换历史最优炉次编号，否则对应指标的历史最优炉次编号保持不变(如图9所示)。

在线热工测试采用人工和智能化相结合的方式，测量环境恶劣、需要实时测定的参数均使用测量仪器替代人工测量，变动性小或无法测量的参数采用人工调节的方式，保证在线热工测试运作的可持续性和简便性。采用机器智能计算，减少人为参与，降低错误率，提高计算效率；实时检测，达到随时调用热工测试报告的目的，时效性好。

Claims (8)

1.一种焦炉在线热工测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、建立焦炉炼焦过程的信号关联性模型；首先，进行基础信号获取，确定焦炉基础参数，即：焦炉型号、炭化室的结构尺寸、焦炉散热面积，进而确定焦炉的基本结构；

步骤二、确定煤的信息，每个厂的原煤多达数十种，将这数十种原煤混合形成焦炉所用煤；

所述步骤二，按照公式(1)、(2)计算配煤的工业成分；

式中：

—煤的工业成分含量，％；

—每种原煤所含工业成分含量，％；

K_k—对应原煤的占比，％；

式中：K_k—对应原煤的占比，％；

是每种原煤对应的工业成分；K是每种原煤所占质量比例，总比例之和为1；

步骤三、信号在线实时获取和计算；焦炉有多个炭化室，获取推焦序列号N₁、N₂、N₃……N_n，序列号与各个炭化室相对应；进入焦炉燃烧的加热煤气主要有高炉煤气和焦炉煤气，可采用流量计计量的方式，实时统计使用量；

步骤四、采用模拟煤的温度场预测焦炉的焦炭、焦油、苯、氨、水和焦炉煤气产量，即：获取每个炭化室的空间结构，加热煤气量、空气量和结焦时间，计算炭化室所获取的热量；根据煤的传热效率和焦饼中心温度，模拟出煤的温度场，建立煤的温度与时间的函数；

步骤五、信号汇总；汇总现场直接获取的信号，经过关联模型计算后得到一系列的参数，调用不同参数计算出指标，将指标反馈给现场人员；

步骤六、实时在线的诊断分析与测试报告；首先对指标进行计算，当指标计算值在给定范围内时，指标正常，焦炉运行良好，无需诊断；当指标计算值在给定范围外时，指标异常，焦炉运行存在问题，需要诊断焦炉运行异常的原因；

步骤七、确定好异常的指标后，找到计算指标的关联模型，确定模型中有哪些参数；当判断出参数项不在合理范围内时，继续判断此异常参数是否可拆解，如果可以继续拆解，则表明此参数是中间计算参数而不是直接从设备中获取的参数，所以找到计算此参数的关联模型；重复进行以上的判断步骤，直至所找到的异常参数不可拆解；之后，汇总所有的问题参数，形成诊断原因；

步骤八、最优炉次数据统计和分析；最优炉次以指标值的大小为判定依据，在线热工测试的判定指标为热工效率和单耗；最优指标的炉次编号是将本炉次的指标值与历史最优指标值进行一对一地比对，所有满足判断要求的指标，用此指标对应的炉次编号替换历史最优炉次编号，否则对应指标的历史最优炉次编号保持不变。

2.根据权利要求1所述的焦炉在线热工测试方法，其特征在于：所述步骤三，按照式(3)、(4)计算混合后的加热煤气量；

式中：V_加热煤气—加热煤气量，m³；

V_k—不同种类的加热煤气的体积量，m³；

实施方法为计量所用加热煤气的流量和对应的体积占比，保证体积占比之和为1。

3.根据权利要求1所述的焦炉在线热工测试方法，其特征在于：所述步骤四，根据焦炭、焦油、苯、氨、水和焦炉煤气在不同温度下理论产生最大速率和理论产生量，可预测不同结焦时间下每种物料的产生量和带出热量；一个周期的预测产量和带出热量根据实际产量统计值修正；

以焦油为例，焦油的产生量和带出热量按式(5)、(6)计算；

式中：G_焦油—焦油产生量，t；

T—结焦时间，h；

f(T)—焦油产生量与结焦时间的函数，kg；

T₁—焦油开始产生对应的结焦时间，h；

T₂—焦油不再产生对应的结焦时间，h；

式中：Q_焦油—焦油带出热量，kJ；

T—结焦时间，h；

f(T)—焦油产生量与结焦时间的函数，kg；

t(T)—焦油产生温度与结焦时间的函数，℃；

c(T)—焦油的比热容与结焦时间的函数，kJ/(kg·℃)

T₁—焦油开始产生对应的结焦时间，h；

T₂—焦油不再产生对应的结焦时间，h；

在模拟煤的温度场中，可获得对应结焦时间下焦油的产生温度，以此温度计算出焦油的比热容；焦油带出热量为产生量、产生温度和比热容乘积的累加值；焦炭、苯、氨、水和焦炉煤气的产生量、带出热量也按照此方法计算。

4.根据权利要求3所述的焦炉在线热工测试方法，其特征在于：部分焦炉煤气通过炭化室和燃烧室顶部孔隙漏入到燃烧室中燃烧，此部分的焦炉煤气量无法计量，采用经验式(7)进行计算；

Q_{漏入焦炉煤气燃烧热量}＝K_漏入率K_焦炉煤气G_湿煤q_焦炉煤气 (7)

式中：Q_{漏入焦炉煤气燃烧热量}—漏入燃烧室的焦炉煤气燃烧热量，kJ；

K_漏入率—焦炉煤气漏入燃烧室的质量百分比，％；

K_焦炉煤气—焦炉煤气的产生率，％；

G_湿煤—入炉湿煤量，kg；

q_焦炉煤气—焦炉煤气的热值，kJ/kg。

5.根据权利要求1所述的焦炉在线热工测试方法，其特征在于：所述步骤六，在线热工测试的指标计算包括：1kg干煤所消耗的加热煤气供给焦炉的热量Q_{吨干煤耗热量}；每练成1kg焦炭所消耗的加热煤气供给焦炉的热量Q_{吨焦炭耗热量}；

式中：Q_{吨干煤耗热量}—每吨干煤耗热量，kJ/t；

Q_{加热煤气燃烧热}—加热煤气燃烧热量，kJ；

G_干煤—干煤质量，t；

式中：Q_{吨焦炭耗热量}—每吨焦炭耗热量，kJ/t；

Q_{加热煤气燃烧热}—加热煤气燃烧热量，kJ；

G_焦炭—焦炭质量，t。

6.根据权利要求5所述的焦炉在线热工测试方法，其特征在于：所述步骤六，在线热工测试的指标计算还包括：传入炭化室的热量比上供入焦炉总热量的百分比η_热工效率，焦炉的总热量等于所有热量收入项的和，传入炭化室的热量等于供入焦炉总热量减去烟气带走的热量和表面散热热量；可被利用的热量占供入焦炉总热量的百分比η_热效率，可被利用的热量等于供入焦炉总热量减去烟气带走的热量；

式中：η_热工效率—热工效率，％；

Q_煤气热量—加热煤气带入热量，kJ；

Q_{煤气燃烧热量}—加热煤气燃烧放出的热量，kJ；

Q_空气热量—空气带入热量，kJ；

Q_干煤热量—干煤带入热量，kJ；

Q_{入炉煤中水热量}—入炉煤中水带入热量，kJ；

Q_{漏入荒煤气燃烧热量}—漏入燃烧室的焦炉煤气燃烧放出的热量，kJ；

Q_{烟气带出热量}—烟气带出的热量，kJ；

Q_散热—炉体表面散热热量，kJ；

Q_{不完全燃烧损失热量}—加热煤气不完全燃烧损失的热量，kJ；

式中：η_热效率—热效率，％；

Q_煤气热量—加热煤气带入热量，kJ；

Q_{煤气燃烧热量}—加热煤气燃烧放出的热量，kJ；

Q_空气热量—空气带入热量，kJ；

Q_干煤热量—干煤带入热量，kJ；

Q_{入炉煤中水热量}—入炉煤中水带入热量，kJ；

Q_{漏入荒煤气燃烧热量}—漏入燃烧室的焦炉煤气燃烧放出的热量，kJ；

Q_{烟气带出热量}—烟气带出的热量，kJ；

Q_{不完全燃烧损失热量}—加热煤气不完全燃烧损失的热量，kJ。

7.根据权利要求5所述的焦炉在线热工测试方法，其特征在于：所述步骤六，在线热工测试的指标计算还包括每炼成1kg焦炭所产生的焦炉净煤气量G_单产；

式中：G_单产—每生产1t焦炭平均产生的焦炉净煤气质量，kg/t；

G_{净煤气产生量}—焦炉净煤气产生质量，kg；

G_焦炭—焦炭质量，t。

8.根据权利要求5所述的焦炉在线热工测试方法，其特征在于：所述步骤六，在线热工测试还包括以下的指标计算：

式中：

—每生产1t焦炭平均消耗的高炉煤气体积量，m³/t；

V^BFG—通入焦炉燃烧的高炉煤气体积量，m³；

G_焦炭—焦炭质量，t；

式中：

—每生产1t焦炭平均消耗的焦炉煤气体积量，m³/t；

V^COG—通入焦炉燃烧的焦炉煤气体积量，m³；

G_焦炭—焦炭质量，t；

式中：Q_燃耗—每生产1t焦炭平均消耗的燃料热量，kJ/t；

Q_煤气热量—加热煤气带入热量，kJ；

Q_{煤气燃烧热量}—加热煤气燃烧放出的热量，kJ；

Q_空气热量—空气带入热量，kJ；

Q_干煤热量—干煤带入热量，kJ；

Q_{入炉煤中水热量}—入炉煤中水带入热量，kJ；

Q_{漏入荒煤气燃烧热量}—漏入燃烧室的焦炉煤气燃烧放出的热量，kJ；

G_焦炭—焦炭质量，t。

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