高爐熱風爐流量設定及自控專家系統
http://www.sharifulalam.com 2007-05-08 15:43 來源：中國自動化學會專家咨詢工作委員會
1 前言
傳統的完善的高爐熱風爐燃燒自動化系統都是具有完善的基礎自動化和使用數學模型計算所需的加熱煤氣流量和助燃空氣流量，并對基礎自動化的熱風爐燃燒自動控制系統進行有關的設定。完善的基礎自動化對于燃燒混合煤氣或燃燒預熱的高爐煤氣和預熱空氣的熱風爐來說包括：煤氣流量控制、空氣流量控制、空燃比控制、拱頂溫度控制和廢氣溫度控制。如圖1所示，在熱風爐燃燒初期是以較大的煤氣量和合適的空燃比（最好還設有燃燒廢氣成分分析，按殘氧量來修正空燃比），以實行快速加熱，使拱頂溫度迅速達到規定值，然后逐步增加空氣量以保持拱頂溫度為規定值，當達到廢氣溫度管理期，即溫度達到某一規定值時，需要減少煤氣及空氣量以維持廢氣溫度為設定值。對于燃燒高爐煤氣和焦爐煤氣具有三眼燃燒器的熱風爐來說，由于高爐煤氣和焦爐煤氣分別送入，需分別設置其流量控制，該流量比例控制和空燃比要分別適應高爐煤氣和焦爐煤氣需要，因此使系統回路更多、更復雜。熱風爐流量設定數學模型的基本原理是使燃燒時熱風爐格子磚的蓄熱量適合于加熱鼓風到生產所需的熱風溫度和流量而需要的熱量。除了數學模型相當復雜外，更需設置自動分析加熱煤氣的各種成分的分析器，這種儀器不僅昂貴，還需良好的維護，此外要使數學模型有效，必須依靠完善的基礎自動化。因此，在國內除寶鋼以外，很少被采用。
在國外，已經使用人工智能的方式來代替數學模型，如日本川崎鋼鐵公司就開發了模糊控制系統取代數學模型。日本鋼鐵公司（新日鐵）也使用專家系統來取代數學模型。
由于上述完善的基礎自動化所設的儀表和控制回路較多，特別是要在三座或四座熱風爐都設置，故投資相當大。此外，這種只有基礎自動化的系統，在實際操作中還需人工對熱風爐的流量進行設定，而且目前由于耐火材料的進步，耐溫增高，熱風爐拱頂不易燒壞，故拱頂沒有限溫的必要，故這種基礎自動化并不適用，許多工廠，包括如鞍鋼10#高爐那樣的大型高爐大都使用較簡單的系統，即只有煤氣總管壓力控制、煤氣及空氣流量或閥位自動控制，然后人工控制流量或閥位的設定值或開度。
圖1 熱風爐燃燒控制原理圖
由于人工控制難以在預熱煤氣和空氣溫度變化時、高爐所需鼓風溫度和流量變化時、助燃空氣壓力變化時、熱風爐蓄熱量尚有富裕時，修正熱風爐加熱的煤氣和空氣量，因而達不到節能和優化熱風爐操作的目的。下面介紹的高爐熱風爐流量設定及控制的專家系統，可以解決上述問題，實現了熱風爐燃燒控制的全自動化，并可為高爐提高風溫創造條件。
2 系統原理
系統是考慮以下幾點來構成的：
① 根據工藝要求；
② 根據工廠的實踐；
③ 參考國外流量設定數學模型的出發點；
④ 考慮熱風爐的加熱和送風的熱傳導、熱交換等工藝理論；
⑤ 考慮節能和可為提高風溫創造條件的各種影響因素；
⑥ 考慮減輕勞動強度而需采用全自動化控制。
國內熱風爐燃燒（又稱燒爐）大都采用快速燒爐方法。即在燃燒初期用最大的煤氣量與小的超量空氣系數相配合，進行強化加熱，在最短時間內，使拱頂溫度迅速升到規定值，這一階段燒爐稱為加熱期。此后逐步改變超量空氣系數以小的煤氣量維持拱頂溫度，逐步提高煙道溫度至界限值，使整個熱風爐充分蓄熱，這一階段稱為保溫蓄熱期。根據不同的設備條件實現快速燒爐有三種方法：
① 固定煤氣調節助燃空氣量。它一直是使用最大煤氣量，當拱頂溫度迅速升到規定值后，增加助燃空氣量，因而廢氣量增加，流速增大，有利于對流傳熱，從而強化熱風爐中、下部的熱交換作用，它適用于助燃風機有余力的熱風爐
② 固定空氣量調節煤氣量。它在保溫蓄熱期減少煤氣量，因而不如第一種好，但調節方便，適用于助燃風機無余力的熱風爐；
③ 煤氣量與助燃空氣量都不固定。它在加熱期用最大的煤氣量與小的超量空氣系數相配合，進行強化加熱，當拱頂溫度達到規定值后，同時減少煤氣量與助燃空氣量，在拱頂溫度不變的情況下來加熱熱風爐中、下部，這種方法難以掌握兩者同時變化的比例，故除了煤氣壓力波動大的熱風爐和用以控制廢氣溫度外，很少采用。此外還利用廢氣分析和火焰來判斷合理的燃燒溫度。后者是適合于沒有在線廢氣分析的中小高爐的熱風爐，主要是靠觀察火焰顏色來判斷。
一般高爐設有三座或四座熱風爐，兩爐燃燒，單爐送風或兩爐并聯，燃燒所用煤氣有混合煤氣或高爐煤氣，并利用煙氣余熱的預熱器來預熱煤氣和空氣。目前國內高爐熱風爐的儀表及自動化的狀況為：除少數工廠外，基礎自動化不完善或雖有如圖1所示的自動化系統，但為了滿足高爐高風溫的要求，往往盡量燃燒而不限制拱頂溫度，結果只使用煤氣流量和空氣流量控制。考慮這種情況，可按如圖2所示進行系統的開發。即按5段時間進行預設定所需的煤氣流量和空氣流量。其中t1是到達規定拱頂溫度的時間，t2、t3、t4、t5分別為逐步要減小的煤氣和空氣量，它由熱風爐操作員憑自己或他人的豐富經驗進行設定，使沒有經驗的操作員也可達到專家水平，設定后熱風爐即自動按此流量進行燒爐。
圖2 熱風爐燒爐流量設定原理圖
按工藝要求，當煙氣溫度達到熱風爐格子磚支承的金屬允許的上限時，應恰好到達規定的燃燒時間。如圖3所示，如果煙氣溫度到達規定允許的上限（假設為350℃）而尚未到達燃燒終點，即尚有剩余時間才到達規定的燃燒時間，這就意味著廢氣溫度太高，導致熱效率下降，格子磚支承的金屬被燒損，故需進行校正，即到達校正點時，計算是否如虛線所示到達燃燒終點尚有剩余時間，如果有剩余時間則需減少煤氣及空氣流量，以改變煙氣溫度上升速度，使燃燒終點與規定的燃燒時間重合。剩余時間ts計算公式為：
1—不控制時預測溫度；2—控制后預測溫度
圖3 煙氣控制溫度圖
ts = tr – tj – ( 350℃-T1) /煙氣升溫速度 (1)
tj為已燃燒時間；tr為燃燒終止時間；T1為校正點溫度。
為使剩余時間為零，應減少煤氣及空氣流量。
減少煤氣流量QT1計算公式為：
QT1 = KG×ts (2)
減少空氣流量VT1計算公式為：
VT1 = KA×ts (3)
式中KG為煤氣流量減少系數；KA為空氣流量減少系數。
由于輸入熱風爐的能量，即所需的蓄熱量，除了與輸入煤氣流量有關外，還與高爐所需的鼓風流量Q熱風和溫度T熱風及使用的燃燒時間t燃燒有關。煤氣燃燒所帶入的熱量還與煤氣熱值K熱值、預熱后煤氣溫度T煤氣和預熱后空氣溫度T空氣有關，所需煤氣量可用下式表示：
Q實際需要量 = f（Q煤，Q空，T煤氣，T空氣，K熱值，K空燃比，Q熱風，t燃燒，T熱風……） (4)
故在圖2中在各個時間內設定的煤氣量還需按(4)式一一補正為實際需要的煤氣量，才能有效節能。當然實際需要的空氣量也要補正。
為了有效利用熱風爐的蓄熱量，應該使送風時從熱風爐帶走的熱量正好等于燒爐時的蓄熱量。由于蓄熱量無法直接測量，故可以用混風閥開度進行評價。爐熱（即蓄熱量）不足時將在送風結束前閥門即已開到下限值而無法再控制溫度。故在送風終了前達到下限值的程度就可表示爐熱水準，如果有富裕將可降低所設定的煤氣量，反之，應增加所設定的煤氣量。對于那些混風閥不調節的高爐（如鞍鋼10#高爐），那就用換爐時熱風爐出口溫度是否有富裕來評價爐熱。
此外，為了適應實際情況（即適合于只有簡單的基礎自動化，便于改造）且使之能全自動控制，系統還包括一些其它控制功能，如煤氣、空氣壓力過低時報警，空氣、煤氣閥門限位，燃燒到時，煤氣閥門隨空氣閥門開啟等。
3 系統的結構和實現
(1) 總方框圖 如圖4所示。
圖4 熱風爐燒爐流量設定及自控專家系統框圖
(2) 系統組成
硬件：使用工控機，Pentium-III CPU，內存128MB，硬盤10GB以上。
軟件：Windows-NT操作系統，Visual Basic 6.0，MAES-JT專家系統開發工具。
(3) 專家系統 使用MAES-JT專家系統開發工具修改、刪除、增添容易，且可靠性和可維護性良好，編制規則容易。它采用產生式規則，即If…Then…Else…形式。本系統共設有80多條規則。由于熱風爐要求實時在線控制，要求專家系統為確定性輸出（MAES-JT專家系統開發工具的推理有三種方式。即可信度為獨立的、按一定公式綜合的；可信度為平均的；可信度為“是”或“否”的），為此不能有多個可信度不同的輸出，而應為單可供控制的輸出，故在規則編制上應在If…項加上某些否定的條件。
由于本系統除了屬于過程自動化性質的流量設定外，還要適合國內現場情況（只有簡單的基礎自動化），便于低成本應用本系統，所以還負責執行許多屬于基礎自動化性質的功能。原則上所有基礎自動化性質的功能都可用規則實現，但為減少規則數量、增加實時性，采用混合系統的方法，即某些簡單功能，如煤氣或空氣壓力過低時報警是使用常規程序來實現的。
本專家系統是廣義概念的專家系統，即除了專家系統的功能外，還附有熱風爐操作所需的其他功能，包括技術計算、規程查詢、打印生產報表、趨勢顯示等，以獲得一個全面操作的熱風爐自動化系統。
(4) 綜合顯示 為便于熱風爐操作員的操作，提供一個綜合顯示畫面，如圖5所示，借此監測到熱風爐操作所需的主要信息。
4 結語
本系統自2001年8月中旬在鞍鋼10#（容積為2500m3）高爐熱風爐投入運行至今，效果良好，使熱風爐實現全自動燒爐、在線運行；能有效設定燒爐所需的煤氣空氣量；在煙氣溫度到達管理期時自動計算剩余到達終點時間并自動修正煤氣空氣量，使燃燒終點與規定燒爐時間重合；在預熱煤氣空氣溫度變化時、熱風溫度和流量變化時自動修正煤氣空氣量；在預熱空氣壓力變化時，自動補償空氣閥位開度，使空氣量維持不變。此外還有其它基礎自動化的功能等，有關節能等實際數字由于運行不久，尚在統計中。
圖5 熱風爐燒爐流量設定及自動控制專家系統綜合顯示畫面
編輯精選
