遷鋼3高爐熱風爐自動燃燒系統(tǒng)的研究1

1、遷鋼3高爐熱風爐自動燃燒系統(tǒng)的研究唐維夫 王洪庚 劉園園 李雪嬌（北京首鋼自動化信息技術(shù)有限公司 首遷運行事業(yè)部,遷安 066400）摘要：遷鋼3高爐熱風爐自動燃燒系統(tǒng)，它是通過儀表和計算機對熱風爐的燃燒過程進行自動最優(yōu)控制，使燃燒過程處于最優(yōu)化。此系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：一是燃燒時，空、燃比最合理，從而使原料最佳的利用。二是整過燃燒過程均勻化，提高熱風爐效率、節(jié)約能耗和延長熱風爐壽命。關(guān)鍵詞：熱風爐；自動；空燃比；最優(yōu)The Research of the qiangang 3 blast furnace stove automatic combustion systemTang wei fu 、

2、Wang hong geng、Liu yuan yuan、Li xue jiao(Shouqian Division, Beijing Shougang Automation & Information Technology CO., Ltd., Qianan 064400)Abstract: The automatic combustion system in stove of Qiangang 3 blast furnace, it is through the combustion process instrumentation and computer stove automatic

3、optimal control, the combustion process in the optimization. This system has the following advantages: First, the burning, the most reasonable air, fuel ratio, so that the best use of raw materials. The second is uniform over the whole combustion process, improve stove efficiency, save energy and ex

4、tend the life of stove.Keywords: stove automatic air-gas ratio best0.前言我國對熱風爐自動燃燒控制系統(tǒng)的研究始于上世紀60年代，到70年代才開始真正應用于熱風爐生產(chǎn)，并且效果不是很好。經(jīng)過這么多年的發(fā)展和改進，現(xiàn)在的熱風爐自動燃燒控制系統(tǒng)已經(jīng)很成熟了。遷鋼3高爐熱風爐也積極引入自動燃燒控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現(xiàn)熱風爐燃燒過程的自動控制，同時在降低能耗、規(guī)范操作、提高安全、穩(wěn)定燃燒方面應用效果顯著，確保了煉鐵生產(chǎn)的穩(wěn)定、高效。本自動燃燒控制系統(tǒng)是基于遷鋼3#高爐4000m高爐，其配套的熱風爐為四座內(nèi)燃爐和兩座預熱爐，主要用高爐煤氣燒

5、爐，其內(nèi)燃爐工作制一般采用兩燒兩送，預熱爐工作制采用一燒一送，下圖是單個內(nèi)燃爐的工藝圖：圖1.內(nèi)燃爐的工藝圖Fig. 1 The technics picture of stove 1.系統(tǒng)構(gòu)成熱風爐自動燃燒控制系統(tǒng)的控制中心主要包括PLC、HMI和自動燃燒系統(tǒng)，其中PLC主要采集現(xiàn)場信號和輸出控制現(xiàn)場設(shè)備，HMI用于顯示參數(shù)和接受操作命令，自動燃燒系統(tǒng)就是把PLC采集的相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析，利用計算模型計算出當前的煤氣流量、空氣流量，把數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC，從而調(diào)節(jié)煤氣調(diào)節(jié)閥和空氣調(diào)節(jié)閥的閥位，達到精確的控制熱風爐燃燒。為確保自動燃燒系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，在高爐主控室和熱風爐液壓站各安裝自動燃燒系統(tǒng)計算機

6、一套，完成自動燃燒系統(tǒng)的監(jiān)視和控制功能。這兩套系統(tǒng)采用控制器與客戶端的模式，它們可以互相切換，以提高其穩(wěn)定性。下面是控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和數(shù)據(jù)流向框圖：熱風爐液壓站HMI 1以太網(wǎng)自動燃燒系統(tǒng)（控制器）熱風爐PLCHMI 2高爐主控室自動燃燒系統(tǒng)（客戶端）圖2.控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 2 The structure picture of control system 控制參數(shù)計算參數(shù)現(xiàn)場設(shè)備數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)計算數(shù)據(jù)保存趨勢曲線數(shù)據(jù)處理圖3.數(shù)據(jù)流向框圖Fig. 3 Transfer data control block2.自動燃燒系統(tǒng)的原理自動燃燒系統(tǒng)是以空氣流量、煤氣流量的單閉環(huán)自動調(diào)節(jié)控制為

7、基礎(chǔ)，以拱頂溫度最快、最大的上升速率為目標，模糊控制與自尋優(yōu)控制相結(jié)合的自動燃燒控制系統(tǒng)，自動燃燒控制程序的設(shè)計思想如下：將原空氣流量的開環(huán)手動調(diào)節(jié)改為單閉環(huán)控制調(diào)節(jié)。設(shè)定煤氣流量固定不變，按設(shè)定空燃比進行定比值調(diào)節(jié)，系統(tǒng)根據(jù)煤氣量的變化調(diào)整空氣流量設(shè)定值，以空氣調(diào)節(jié)閥為控制對象，根據(jù)空氣流量設(shè)定值與過程值之間的偏差大小自動改變調(diào)節(jié)閥的閥位，通過調(diào)節(jié)閥的及時動作，克服流量的波動，保證了配比的穩(wěn)定。這種控制方式有以下優(yōu)點：隨煤氣流量的變化，調(diào)整空氣設(shè)定值，實現(xiàn)了配比的定值控制；方便操作人員對空氣流量控制，由控制閥位改為更加精確，快捷的流量控制。熱風爐在每次的燃燒過程中，自動燃燒系統(tǒng)都會記錄下當前

8、的最優(yōu)空燃比，并把它用于下次燃燒時的空燃比，這就是一個自學習過程，通過這種方式可以最大的提高熱風爐效率、節(jié)約能耗和延長熱風爐壽命。下圖是自動燃燒系統(tǒng)的控制框圖：圖4.自動燃燒控制框圖Fig. 4 Automatic combustion control block 2.1 自動燃燒系統(tǒng)的控制過程下圖為熱風爐在燃燒期間拱頂溫度和廢氣溫度的變化曲線，可以看出熱風爐的燃燒過程明顯的分為燃燒初期、蓄熱期和蓄熱飽和期三個階段，根據(jù)各個階段的不同特點，將自動燃燒的控制分為三個階段，即燃燒初期、蓄熱期和蓄熱飽和期。在不同的階段，采用不同的控制方法。 起始溫度Min燃燒初期蓄熱期蓄熱飽和期1370350廢氣溫

9、度拱頂溫度圖5.升溫曲線圖Fig. 5 The curve of rise in temperature（1）燃燒初期：此階段主要目的是使拱頂溫度按照規(guī)定梯度快速上升，調(diào)節(jié)特點是以較小煤氣和空氣流量點火后，迅速將煤氣流量和空氣流量增加到正常燃燒所需的最佳流量。在此基礎(chǔ)上，以拱頂溫度上升為目標，以廢氣含氧量為參考，依據(jù)初始煤氣和空氣流量設(shè)定值，快速自動尋優(yōu)修正煤氣和空氣流量。并且使這一時間盡量縮短，在保證燃燒充分的條件下，從燃燒開始就保證系統(tǒng)處于最佳的燃燒配比狀態(tài)，從而使拱頂溫度快速上升。一般情況下，燃燒初期持續(xù)時間不超過15分鐘，此期間，拱頂溫度快速上升，接近最高溫度。在拱頂溫度到達設(shè)定值后，

10、轉(zhuǎn)入蓄熱期。（2）蓄熱期：此階段主要特點是一方面保證拱頂溫度繼續(xù)不斷升高且穩(wěn)定在一定范圍，另一方面又要保證與蓄熱室格子磚的熱交換，使其溫度加速上升，隨著蓄熱室溫度的上升，廢氣溫度也不斷升高。調(diào)節(jié)思路是維持拱頂溫度繼續(xù)上升，兼顧廢氣溫度上升速率。依據(jù)拱頂溫度的變化情況，繼續(xù)修正煤氣流量和空氣流量，保證其穩(wěn)定且維持上升趨勢，若超過限值則反向調(diào)節(jié)，以穩(wěn)定頂溫在一定范圍內(nèi)。如果發(fā)生廢氣溫度升溫較快或較慢的情況，應及時操作減燒或者加燒。廢氣溫度升溫較快，說明燃燒用煤氣流量較大，減小煤氣流量設(shè)定值，空氣流量相應減少，這樣，在拱頂溫度保持不變的情況下，廢氣溫度的升速會下降。如果廢氣溫度升溫較慢，說明燃燒用煤

11、氣流量較小，增大煤氣流量設(shè)定值，空氣流量相應增加，這樣，在拱頂溫度保持不變的情況下，廢氣溫度的升速會上升。這時，大量廢氣將熱量帶到蓄熱室，隨著蓄熱室的溫度的上升，廢氣的溫度也不斷升高，當廢氣溫度達到設(shè)定值時，就進入了蓄熱飽和期。（3）、蓄熱飽和期：當廢氣溫度達到設(shè)定值后，生產(chǎn)人員可根據(jù)實際情況選擇操作，如果結(jié)束燃燒，轉(zhuǎn)入隔斷，則進入燃燒轉(zhuǎn)隔斷程序。如果繼續(xù)燒火，則可手動減少煤氣流量設(shè)定值，以較少的能源維持拱頂溫度，直到燃燒結(jié)束。本系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上，引進模糊控制理論和自尋優(yōu)理論，通過拱頂溫度和廢氣溫度的變化，自動尋找最優(yōu)的空燃比，使燃燒的效果更加理想，達到節(jié)約能源最大化。針對遷鋼3高爐熱風爐的特點

12、，本系統(tǒng)對控制過程進行了相應的調(diào)整以適應現(xiàn)場的實際情況，保證燃燒過程的穩(wěn)定進行。3. 自動燃燒系統(tǒng)的應用在整個自動燃燒系統(tǒng)安裝調(diào)試完成后，進入正常運行時，首先將熱風爐HMI上位機的自動燃燒系統(tǒng)總投入鍵切成投入，再將本系統(tǒng)工作方式切為控制器，這樣自動燃燒就已經(jīng)投入，當爐子有燃燒信號時，本系統(tǒng)就會自動接手燃燒。自動燃燒的投入分為兩種情況，即初始投入和中間投入，兩者區(qū)別是初始投入系統(tǒng)會執(zhí)行點火過程，既當爐子有燃燒信號時，且空氣和煤氣調(diào)節(jié)閥分別在5%和0%的初始閥位時系統(tǒng)自動執(zhí)行點火過程；中間投入系統(tǒng)不執(zhí)行點火過程。我們可以通過總界面視圖中的爐號或菜單進入相應爐子的操作界面，下圖是自動燃燒系統(tǒng)的主界面

13、圖： 圖6.自動燃燒系統(tǒng)主界面圖Fig. 6 Automatic combustion system main interface Figure3.1 自動燃燒系統(tǒng)的功能 自動燃燒系統(tǒng)包括很多控制功能、保護功能和報警功能，由于篇幅有限我們就介紹其中一些主要。下圖是自動燃燒系統(tǒng)單個爐子的操作畫面：圖7. 單個爐子的操作畫面Fig. 7 Single stove operation screen下面介紹自動燃燒其中部分功能：（1） 自動點火功能：初始投入：確?？諝庹{(diào)節(jié)閥位反饋10%，煤氣調(diào)節(jié)閥位反饋0%，當燃燒信號出現(xiàn)時，系統(tǒng)自動點火燃燒，空氣調(diào)節(jié)閥和煤氣調(diào)節(jié)閥按設(shè)定值自動開，其過程為：先輸出空氣

14、調(diào)節(jié)閥點火初始閥位，當空氣流量達到參數(shù)設(shè)定值之后，煤氣調(diào)節(jié)閥輸出點火初始閥位。煤氣流量達到參數(shù)設(shè)定值之后，空氣調(diào)節(jié)閥輸出增加步長閥位。調(diào)節(jié)閥反饋與輸出偏差小于4%時，步進開閥，即空氣和煤氣調(diào)節(jié)閥輸出同時增加步長閥位。當空氣閥位和煤氣閥位到達正常燃燒時閥位標志點火結(jié)束。（2） 自動調(diào)節(jié)：當系統(tǒng)點火結(jié)束時，這時等空氣流量和煤氣流量穩(wěn)定后開始自動調(diào)節(jié)，系統(tǒng)根據(jù)歷史最優(yōu)頂溫和最優(yōu)空燃比設(shè)定空氣流量和煤氣流量，空氣調(diào)節(jié)閥和煤氣調(diào)節(jié)閥在系統(tǒng)的控制下動作，使它們的實際流量盡量接近設(shè)定值，這是一個單閉環(huán)的自動流量調(diào)節(jié)。中間投入時：系統(tǒng)自動按無擾動切換方式在保證調(diào)節(jié)閥位不變的情況下，將流量過程值作為流量設(shè)定值并

15、切為自動燃燒狀態(tài)并開始自動調(diào)節(jié)。（3） 自動加減燒 當爐子自動燃燒時，系統(tǒng)會根據(jù)煙道溫度的變化計算出煙道實際的升溫速率，而我們設(shè)定的煙道終點溫度和燃燒時間，系統(tǒng)就會計算出理論上的煙道升溫速率。自動加減燒的功能就是使煙道升溫速率的實際值與理論值盡量接近。（4） 手動加減燒當爐子自動燃燒時，我們可以人為手動加減燒，這樣空氣流量和煤氣流量會按當前的空燃比增加或減少。（5） 手動修改空氣流量、煤氣流量 當爐子自動燃燒時，我們也可以手動修改空手流量設(shè)定值或煤氣流量設(shè)定值，以使空氣流量或煤氣流量滿足我們的需求。（6） 自動燃燒退出：當爐子自動燃燒時，我們可以手動把單個爐子有自動燃燒改為手動燃燒，當前調(diào)節(jié)閥

16、控制自動按無擾動切換方式在保證調(diào)節(jié)閥位不變的情況下切換至手動燃燒，熱風爐燃燒狀況保持不變；異常情況下，將熱風爐HMI上位機的自動燃燒系統(tǒng)總投入鍵切成解除，自動燃燒系統(tǒng)所有投入自動燃燒的爐子全部自動退出，且當前工況不變。（7） 自動停燒當爐子自動燃燒時，煙道溫度已燒到我們設(shè)定的煙道終點溫度時，系統(tǒng)會提前報警，報警結(jié)束后系統(tǒng)會按自動停燒工能開始關(guān)煤氣調(diào)節(jié)閥和空氣調(diào)節(jié)，并判斷它們流量是否在我們的控制范圍內(nèi)，最后系統(tǒng)會把煤氣調(diào)節(jié)閥和空氣調(diào)節(jié)分別設(shè)定在0%和5%，這時自動停燒結(jié)束。4. 自動燃燒系統(tǒng)帶來的效益現(xiàn)在遷鋼3高爐熱風爐自動燃燒系統(tǒng)處于試運行狀態(tài)，本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)燃燒過程的全自動控制，通過尋優(yōu)理想

17、空燃比，改善燃燒效果，優(yōu)化燃燒過程，來節(jié)約能源或提高熱風爐的蓄熱量，下面是自動燃燒和手動燃燒時，煤氣流量和空氣流量控制效果圖：煤氣流量空氣流量圖8. 手動燃燒流量控制效果圖Fig. 8 The flow impression drawing of manual combustion control煤氣流量空氣流量圖9. 自動燃燒流量控制效果圖Fig. 9 The flow impression drawing of automatic combustion control通過上圖明顯可以看出在熱風爐自動燃燒時，點火周期變短，并且比較平順。燃燒過程中，煤氣流量和空氣流量明顯比手動燃燒時穩(wěn)定，自動

18、燃燒流量波動能控制在5%以內(nèi)。手動燃燒時流量波動最大有時能超過20%，嚴重影響燃燒質(zhì)量、浪費燃料和縮短熱風爐壽命。首鋼遷鋼3#熱風爐在應用自動燃燒控制系統(tǒng)后，在同比條件下節(jié)約煤氣量3%左右，一年下來可以為企業(yè)節(jié)約成本3000到4000萬元，經(jīng)濟效益非常可觀。5.結(jié)束語熱風爐的自動燃燒就是使燃燒最優(yōu)化，其主要的目的是節(jié)約能源、提高熱效率，延長熱風爐壽命。本系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：（1）流量的尋優(yōu)處理解決了燃燒過程中燃料成份和熱值的隨機性及不可控性；（2）合理的流量修正策略解決了燃燒過程中最佳燃燒配比的不易確定性；（3）均衡、穩(wěn)定的自動加減燒功能克服了燃燒過程速度的不易控制性；（4）流量閉環(huán)控制與精確的調(diào)節(jié)閥控制功能有效的克服了頻繁的壓力波動；（5）規(guī)范化、自動化的點火、燃燒、停燒功能確保了控制過程的安全、穩(wěn)定；（6）快速、可靠的數(shù)據(jù)通訊方式保證了數(shù)據(jù)的實時處理過程；（7）靈活、多變的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)確保了系統(tǒng)的穩(wěn)定、可