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技术领域

本发明适用敞开式阳（阴极）极碳素焙烧炉燃烧控制技术领域，是基于现代控制理论基础，采用预估多变量优化控制的协调碳素焙烧控制系统。

背景技术

随着电解铝行业的发展，配套的碳素行业也在突飞猛进的发展，国内落后的碳素焙烧燃烧控制系统越来越制约碳素行业的发展，造成了能源极大的浪费，造成了严重的大气污染。由于碳素焙烧在传统控制过程中采用手动控制或者PID控制，存在如下问题。
手动控制由于火道温差大，约在70℃以上，一般用196～224小时的焙烧曲线，是一个相对较长的焙烧周期，能耗在110Kg/t重油以上，且由于在生产过程中不能实时精确的控制火道温度、负压，造成沥青挥发份的大量流失，不能充分燃烧，在浪费能源同时加重了对大气环境的污染。
传统的PID控制采用了一定的自控元件和设备，在火道温度上基本解决了火道上下温差过大的问题，但是PID控制系统有如下缺点：
1. PID能控制基本线性的系统和定常系统，但不能有效地控制那些非线性、时变、耦合、时滞，干扰大和不确定因素多的复杂过程。燃烧和操作条件变化的工业过程属于复杂过程，用PID控制很难达到满意的效果。
  2. 控制一个过程对象前必须要整定好PID的参数，包括比例增益Kp，积分时间Ti和微分时间Td。如果由于焙烧炉老化、环境温度变化、燃料变化或负荷变化而引起过程动态特性的改变，就需要不断重新整定PID的各个参数。整定PID的参数通常费事、耗时，影响焙烧炉的生产效率。
3. PID是单变量控制器，不能解决燃料与负压（助燃空气）之间最优化比值问题，控制不了挥发份的充分燃烧，造成能源浪费和环境污染。
4. PID是一种固定参数的控制器，这样的控制器并不适合作为一个具有多变量、多耦合、大滞后的焙烧炉的理想控制器的核心。

发明的目的

鉴于手动和基于传统控制理论的PID焙烧炉燃烧控制系统，存在的控制精度差、耗能、污染环境、生产效率低等诸多问题，就需要一种新型的焙烧炉燃烧控制方法和系统取而代之，采用现代控制理论的系统辨识建模、预估、优化、自适应一种碳素阳极焙烧生产系统的控制方法，就是适应了具有多变量、多耦合、大滞后的焙烧炉的理想控制器，并能够使燃料消耗最小（与其它控制系统相比）。
首先，克服了传统控制理论的PID固定参数，不适应焙烧炉老化、环境温度变化、燃料变化或负荷变化而引起过程动态特性的改变的问题，不断实时在线修订控制因子；
其次，在负压安全限制内调节负压满足燃烧架、负压架、排烟架合理的权重需求，使燃料充分燃烧，实现工艺温升曲线；
第三，负压尽量靠近安全下限，使挥发份完全燃烧，从而实现节约能源的目的。
第四，本控制器是整体调节、控制器，克服了传统控制理论的PID对单一对象的控制问题，充分考虑各种关联因素，按权重进行平衡综合控制，达到满足温度控制精度要求、减少环境污染、节约能源的目的，也是本发明的初衷所在。
发明内容
1概述
在焙烧过程中，系统实时采集现场的火焰温度、阳（阴）极温度、烟气温度、负压、燃料开度等现场数据。为了控制当前火道温度与给定工艺目标温度的偏差，温度控制算法要根据当前及以前采集的现场数据估算下一个采样间隔内燃料的供应量，即燃料喷嘴的开度。燃料开度的大小直接决定火道的温度。
温度控制是阳（阴）极焙烧的主要任务之一，其控制精度直接影响阳（阴）极的质量。温度控制算法的优劣也决定了燃料的消耗量。燃料的消耗量是阳（阴）极产品成本的一个主要部分。
2模块功能描述
    此功能控制算法包括三个方面：（1）负压控制算法；（2）燃烧架温度控制算法；（3）燃料供应过量的检测。

1. 负压控制算法
    预热区的升温依靠的是来自加热区、沥青燃烧区的高温烟气，而沥青燃烧区的升温除了来自燃烧区的烟气外，还有本区沥青挥发份的燃烧能量。预热区、沥青燃烧区的升温不需要另外的燃料供应。所以排烟架、负压架的温度是通过调节负压来控制。同时，负压的调整必须保证燃料燃烧区、挥发份燃烧区的氧气供应，但过大的负压会增加燃料的消耗。排烟架、负压架的温度控制非常重要，如果阳极在450°C前过快升温，阳极容易产生裂纹，降低产品合格率。负压控制算法根据当前时刻的前时刻的现场数据估算下一个采样间隔内的目标负压。下位机根据这个目标负压控制排烟架的闸板阀开度，使沥青燃烧区、预热区达到或接近目标温度。同时还要兼顾燃烧架（加热区）、沥青燃烧区的氧气供应。

2. 燃烧架温度控制算法
    燃烧架的温度依赖于三个因素：燃料供应量、氧气供应量、前后燃烧架的影响。如果氧气供应充足，燃料供应越多温度也越高。但如果氧气供应不足，燃料燃烧不充分，这时即使增加燃料温度也不会升高，反而温度会下降。各个燃烧架是串联着的，当一个燃烧架的温度有波动时肯定会影响其他燃烧架的温度。燃烧架温度控制算法能尽量精确地控制燃料的供给，以消除燃烧架之间的互相干扰，并使实际温度与目标温度的差在允许范围之内。

3. 燃料供应过量的检测
如果氧气供应不充足，即使增加燃料燃烧架的温度也不会升高。其结果必定造成燃料的浪费，增加生产阳（阴）极的成本。可通过火道烟气能见度、排烟架负压架温度、燃烧架温度等因素的综合分析来判断是否出现了燃料供应过量。这个任务需要一个单独的算法完成。

3 负压控制算法设计
    负压的作用有两个，一是保证燃烧的氧气供应，使燃烧架的燃料、以及沥青挥发份的充分燃烧；一是控制排烟架负压架的温度与目标温度的差在允许范围之内。而且，还要求在以尽量小的燃料消耗完成上述任务。控制的基本策略是当排烟架、负压架温度过高时减少负压；温度过低时增加负压，以便燃烧架的高温烟气尽快流动到负压架。阳（阴）极温度在120°C左右时，阳（阴）极中的沥青开始软化。约在200°C以后，沥青中的挥发份开始挥发。一旦到达燃点，这些挥发份便开始燃烧。挥发份的燃烧在负压架，其燃烧较集中。负压控制的难点在于负压架挥发份的燃烧是几乎不可控的，还有保证氧气供应与温度控制有时是冲突的。例如，当排烟架温度过高时应减少负压，但为了保证氧气是供应又不能过多的减少负压。工艺上排烟架、负压架的温度控制精度要求不是很高，远低于对燃烧架的要求。对负压架的温度控制主要是挥发份的集中燃烧区域位置的控制，以及使挥发份尽量燃烧充分。挥发份的充分燃烧有两个优点，一是减少空气污染；一是为焙烧提供热量。挥发份的充分燃烧能提供整个焙烧过程所需热量的40％～50％。
要实现上述目的的负压控制，需要首先找出与负压控制有关的因素，然后对这些因素建立一个数学模型。如果有一个合适的、准确的数学模型，则控制变成一个很简单的问题。那么问题就集中到如何建立一个合适的数学模型。首先，数学模型中所设计的量、以及各个量之间的关系必须是确定的。比如说，在一定条件下燃料供应量、供氧量与温度的关系就是确定的。但挥发份的燃烧导致的温度变化却很难说是确定的，因为阳（阴）极中的沥青含量本身不是确定的，而且很难事先预知。这就是建立负压架温度控制模型的主要难点。图（1）是取自焙烧现场的负压架目标温度与实际温度的两个例子。这两个例子很好地说明了这个问题。

   

图（1）负压架的目标温度与实际温度。由于两个阳（阴）极中的沥
青挥发份、以及焙烧环境的差别，使得实际温度差别非常大。

1. 负压架温度的预测

    建立预测目标负压的数学模型，需要大致地预测负压架挥发份燃烧时的温度。为此，必须另建立一个预测负压架温度的数学模型。对这个数学模型的要求不是很高，只要能给出大致的走势即可。如图（2）所示，通过分析大量的现场数据，负压架的实际温度曲线的大致形状基本可由8个点决定，这8个点称为关键点，或称为控制点。8个点有各自的特征，1点是左端点；4点是顶点；2、3点是拐点，其中2点向下凹，3点向上凹；7点是顶点右面的极小点；5、6是拐点；8是右端点。有时上述特征点并不完全出现，比如1、4点间没有下凹拐点，所以更简单的情况是选择5个点，即2、3点，5、6、7点分别合并成一个点。


 
图（2）负压架实际温度的大致形状及其8个关键点（或称为控制点）。8个关键点的特征分别是：1、8端点；2、3、5、6拐点；4极大点（顶点）；7极小点。

    当所有关键点出现后，可以判断沥青挥发份燃烧的时间、阳极摆放位置是否合适（见后面部分）。甚至只出现部分关键点时也能做到这些。在焙烧过程中，当出现部分关键点时，那么到下一个关键点的走势就可大致确定了。比如在发现第2点后，那么在2、3点间的趋势就基本确定了。同样，在检测到第3点后，就可估算3、4点间的趋势。

2. 负压控制算法