浅谈宝钢湛江钢铁焦炉的少人化
2022-09-20 10:31:25
宝钢湛江炼铁新建三期 2×65 孔碳化室高 7m，宽 530mm 的复热式顶装大型焦炉，其生产移动设备包括推焦车、导焦车、装煤车和电车，执行装煤、推焦、导焦及运焦主要功能作业，执行无人操作少人值守操作模式，主要应数字孪生系统，无烟装煤车，余热回收控制系统，煤口堵塞检测，炉顶测温，主动防碰撞，故障诊断系统，炉底地下机器人、无线数传系统、炭化室压力控制系统等技术应用，实现焦炉机车的自动化、少人化，提高作业效率，无人作业是炼焦技术的必然结果。
1、焦炉概况
炼铁厂炼焦单元，为 6×65 孔 JNX3-70-2 型复热式顶装大型焦炉，年产干全焦约 580 万吨。其中一二焦炉配备推焦车、导焦车、装煤车、有（无）驱动运载车各 3 套，为 2 开 1 备使用，三焦炉系统新建推焦车、导焦车、装煤车和电车各 2 套，为 1 开 1 备使用，采用 2-1 串序对炭化室进行操作，操作者可以按照手动、自动方式进行操作，结合焦炉本体的液压交换机，炉底巡检机器人，上升管余热利用及自动开闭和火落判定技术等功能相互配合，完成焦炉无人生产作业。
2、焦炉的无人化
炼铁焦炉单元三期新建年产干息焦 160 万吨，2×65 孔碳化室高 7m，宽 530mm 的复热式顶装焦炉，采用全干息焦工艺。
主要生产设备推焦车、导焦车、无烟装煤车、电机车，执行煤塔接煤、装煤、推焦、导焦、运焦等主要生产需求，采用 2-1 串序对焦炉进行操作，其焦炉移动车辆按焦炉作业计划，首先由无烟装煤车完成从煤塔下取出炼焦煤，装入碳化室，经过一个结焦周期，由推焦机启闭机侧焦炉炉门，同时由导焦机启闭焦侧焦炉炉门，并将成熟的焦炭推出炭化室，将成熟焦炭导入旋转焦罐车，电机车驱动焦罐运载车到达牵引位，干熄焦牵引横移焦罐台车，送至提升机进行息焦，熄焦直送高炉使用，蒸汽锅炉利用余热进行汽轮机发电。其中无烟装煤车配套炭化室单孔压力调节系统和余热回收蒸汽系统，实现上升管系统的全自动操作和余热利用，改善上升管周围环境，焦炉煤气由集气管吸入煤精区域净化。区域封闭、机车主动防碰撞系统、炉顶碳化室温度检测、炉底地下巡检机器人，通过限制和监控达到区域内生产安全。
2.1 推、导机车除尘半封闭
湛钢为绿色钢铁，无组织排放控制严格，不得有可见烟粉尘，推、导机车炉前部分采用伸缩半封闭集尘罩，推、导机车走形时集尘罩后退，不影响机车走形，机车推、导摘取炉门前，控制集尘罩前进，封闭炉口区域，最大化形成避免空间，达到机车除尘最优效果。
2.2 无线数传系统
炉顶自动控制、地下巡检机器人、四车综合联锁，监控系统数据传输利用 5G 数据，完成。
无线数据系统由控制信号无线数传和视频无线数传两个组成。控制信号无线数传用已车上 PLC 控制系统与地面协调系统间的数据通信，视频无线数传用以车上摄像头信号的传输。无线数传系统由地面基站及天线、车载站及天线、数传机柜及网络等设备组成。地面基站及天线的布置应完全覆盖车辆工作区域，无信号盲区，通信宽带满足数据信号和视频信号的实时可靠传输需求。
2.3 炉顶辅助功能
炉顶测温、火落判定、加煤口堵塞检测、上升管余热回收利用、碳化室单孔调压系统等炉顶辅助功能利用，在加煤口安装探头装置，用温度判定方法进行检测，在取盖机构侧旁安装红外激光检测器，探测每个加煤口，通过温度判别加煤口盖是否正常开启，加煤口是否存在堵塞现象。
2.4 焦炉机车数字孪生系统
四大车数字孪生系统，采用数字化双胞胎技术，充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，在虚拟空间中完成映射，实现了焦炉机械设备实体向数字化模型的反馈，保证数字化系统与物理实物的协调一致，以三维的方式实时动态显示设备运行状态，实现了以“飞行”“穿透”等“上帝视角”全方位查看设备实时状态，并结合机车设备故障诊断系统，对机车设备长期监督、判断、分析等运行数据模型分析，提出合理化建议设备管理趋势，提醒、辅助设备点检员对机车设备倾斜性管理。
2.5 主动防碰撞系统
采用毫米波雷达和激光-时间飞行原理及多重回波技术，非接触性检测，建立主动防碰撞系统，系统通过雷达扫描和激光回波，对焦炉机车走行区域内人机实时信息，检测车与人/障碍物/车的距离，通过检测及计算得出车距及与异常障碍物或人的距离，保障人车安全，并根据距离及趋势联锁车辆报警、减速、制动等车辆动作，保障车辆全自动作业后人机安全，最大限度辅助车辆走行系统控制决策，避免车辆与周围目标物发生碰撞，从而最大限度的改善车辆的主动安全性。
2.6 炭化室压力控制系统
单炭化室压力控制系统，在焦炉装煤生产操作阶段，集气管负压配合高压氨水喷射效应工艺，有效的控制烟尘的无组织排放。在焦炉结焦生产操作阶段依据荒煤气发生量曲线，把整个结焦过程分成 11 段调节给定值，更能精确控制炭化室底部压力在 5~50Pa 的范围内。在焦炉推焦生产操作阶段，炭化室与集气管完全阻断，避免推焦过程中吸入大量的空气，保证焦炉及后续工艺生产安全。系统与四大车系统数据交换，实现焦炉装煤、结焦、推焦过程的自动化。
2.7 焦炉炉底自动巡检小车
自动巡检小车携带工业视觉相机、热成像相机、CO 传感器和温湿度传感器按预先设定的计划进行巡检，读取巡检点，自动记录巡检点的编码和读取的准确日期和时间，然后完成该巡检点预先设定的采集内容，然后对采集的图像、环境参数等进行实时分析计算，将分析得到的设备运行状态、环境参数等结果通过 WIFI网络提交给部署在巡检专用服务器上的巡检管理系统软件。通过监控和采集炉底数据，完成焦炉区域无人。
2.8 焦炉机车故障诊断
结合数字孪生和全流程监控及信息流控制，建立智能化的分析诊断系统，指导焦炉设备生产运行，使焦炉设备保持最佳运行状态，提高生产效率和经济效益。智能诊断由：大数据采集、远程数据连接、数据分析、专家诊断系统、分析报告输出等单元组成，主要任务：
（1）关键数据采集：核心状态监测，对主要零部件的轴承、车轮转数统计，减速机使用时间累计，推焦杆、导焦栅、平煤杆、使用次数数据统计，对主要参数炉体温度、压力、荒煤气发生量，及机车推焦电流或推焦力形成数据库，便于焦炉生产、配煤等系统的优化。
（2）能源介质管理：包括水、电、气、液压介质、润滑介质消耗量进行数据采集与分析。在线监测能源介质压力、流量、清洁度，对能源介质消耗监控，保证能源量最小，对介质清洁度进行监控，形成数据库。
（3）备件周期管理：以宝钢设备管理为基础，预知状态维修为指导，结合设备使用说明书的推荐，对设备寿命进行专家系统评测，智能指导维修、保养。
（4）对设备进行故障预诊断，形成数据库，便于设备维护保养。
3、焦炉无人化前景
随着设备水平不断的提高和自动化技术的迅速发展，炼焦生产工艺自动化研究的也越来越深人，电机车无人驾驶较多，短时自动，监控密集，区域封闭，并不是真正的无人驾驶，设备的智能判断处理、长期状态保持是最大影响因素，这直接影响到焦炉机车无人驾驶的实现。
（1）生产运行模式智能切换。黑天、白天、雨天、大雾、大风等作业模式智能切换，天气环境对焦炉机车生产运行有着制约性，雨天模式车辆性能下降，走行轨道沾雨水后车轮会打滑，对位问题严重；大雾天摄像头视线受阻，现场设备成像捕捉；黑白天模式智能切换等问题，这对于焦炉无人化来说显然存在问题，必须重点解决不同环境下运行模式问题。
（2）辅助设备的利用。淌焦板扒焦装置、炉门封烟、装煤口封烟及装煤口内石墨清理等常规辅助作业，需要配备相关辅助设备，捕捉烟尘，辅助设备对应处理相关工作，减少辅助人员作业，确保焦炉作业环境，配套相应的辅助设备，也是无人化需要解决的重要问题之一。
（3）主辅设备脱离。每炉出焦，四大机车百多个机构连续动作，上千联锁信号通讯，对焦炉无人化制约巨大，主辅设备脱离是必然趋势，其中的炉台清扫、炉门清扫、炉框清扫、炉口清扫、车辆除尘、余焦余煤收集等装置，做独立辅助设备，保证主线设备最大性能发挥。
（4）全员信息采集。无人、少人工厂是焦化的最终目标，现代化全流程智能信息流控制，但现场不可缺少辅助人员及巡检人员配合，员工的生命状态及位置信息采集就尤为重要，人机结合才是完美实现焦化无人生产最终结果。
4、总结
炼铁厂三期新建大型焦炉，通过应用数字孪生，无烟装煤，故障诊断系统，机车辅助功能拓展，炉底地下机器人、无线数传系统、炭化室压力控制系统等多钟技术柔和应用，全流程监控智能分析操作及控制，实现焦炉机车的自动化、少人化，同时提高生产作业效率，确保区域生产安全，最终实现焦炉无人。
来源：第十三届中国钢铁年会
