遷鋼3高爐熱風(fēng)爐自動(dòng)燃燒系統(tǒng)的研究1

1、遷鋼3高爐熱風(fēng)爐自動(dòng)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(dòng)化信息技術(shù)有限公司 首遷運(yùn)行事業(yè)部,遷安 066400）摘要：遷鋼3高爐熱風(fēng)爐自動(dòng)燃燒系統(tǒng)，它是通過(guò)儀表和計(jì)算機(jī)對(duì)熱風(fēng)爐的燃燒過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)最優(yōu)控制，使燃燒過(guò)程處于最優(yōu)化。此系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是燃燒時(shí)，空、燃比最合理，從而使原料最佳的利用。二是整過(guò)燃燒過(guò)程均勻化，提高熱風(fēng)爐效率、節(jié)約能耗和延長(zhǎng)熱風(fēng)爐壽命。關(guān)鍵詞：熱風(fēng)爐；自動(dòng)；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(guó)對(duì)熱風(fēng)爐自動(dòng)燃燒控制系統(tǒng)的研究始于上世紀(jì)60年代，到70年代才開始真正應(yīng)用于熱風(fēng)爐生產(chǎn)，并且效果不是很好。經(jīng)過(guò)這么多年的發(fā)展和改進(jìn)，現(xiàn)在的熱風(fēng)爐自動(dòng)燃燒控制系統(tǒng)已經(jīng)很成熟了。遷鋼3高爐熱風(fēng)爐也積極引入自動(dòng)燃燒控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐燃燒過(guò)程的自動(dòng)控制，同時(shí)在降低能耗、規(guī)范操作、提高安全、穩(wěn)定燃燒方面應(yīng)用效果顯著，確保了煉鐵生產(chǎn)的穩(wěn)定、高效。本自動(dòng)燃燒控制系統(tǒng)是基于遷鋼3#高爐4000m高爐，其配套的熱風(fēng)爐為四座內(nèi)燃爐和兩座預(yù)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(yù)熱爐工作制采用一燒一送，下圖是單個(gè)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(fēng)爐自動(dòng)燃燒控制系統(tǒng)的控制中心主要包括PLC、HMI和自動(dòng)燃燒系統(tǒng)，其中PLC主要采集現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)和輸出控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，HMI用于顯示參數(shù)和接受操作命令，自動(dòng)燃燒系統(tǒng)就是把PLC采集的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用計(jì)算模型計(jì)算出當(dāng)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(dá)到精確的控制熱風(fēng)爐燃燒。為確保自動(dòng)燃燒系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，在高爐主控室和熱風(fēng)爐液壓站各安裝自動(dòng)燃燒系統(tǒng)計(jì)算機(jī)

6、一套，完成自動(dòng)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(fēng)爐液壓站HMI 1以太網(wǎng)自動(dòng)燃燒系統(tǒng)（控制器）熱風(fēng)爐PLCHMI 2高爐主控室自動(dòng)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(jì)算參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)保存趨勢(shì)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(dòng)燃燒系統(tǒng)的原理自動(dòng)燃燒系統(tǒng)是以空氣流量、煤氣流量的單閉環(huán)自動(dòng)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(biāo)，模糊控制與自尋優(yōu)控制相結(jié)合的自動(dòng)燃燒控制系統(tǒng)，自動(dòng)燃燒控制程序的設(shè)計(jì)思想如下：將原空氣流量的開環(huán)手動(dòng)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(jìn)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(duì)象，根據(jù)空氣流量設(shè)定值與過(guò)程值之間的偏差大小自動(dòng)改變調(diào)節(jié)閥的閥位，通過(guò)調(diào)節(jié)閥的及時(shí)動(dòng)作，克服流量的波動(dòng)，保證了配比的穩(wěn)定。這種控制方式有以下優(yōu)點(diǎn)：隨煤氣流量的變化，調(diào)整空氣設(shè)定值，實(shí)現(xiàn)了配比的定值控制；方便操作人員對(duì)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(fēng)爐在每次的燃燒過(guò)程中，自動(dòng)燃燒系統(tǒng)都會(huì)記錄下當(dāng)前

8、的最優(yōu)空燃比，并把它用于下次燃燒時(shí)的空燃比，這就是一個(gè)自學(xué)習(xí)過(guò)程，通過(guò)這種方式可以最大的提高熱風(fēng)爐效率、節(jié)約能耗和延長(zhǎng)熱風(fēng)爐壽命。下圖是自動(dòng)燃燒系統(tǒng)的控制框圖：圖4.自動(dòng)燃燒控制框圖Fig. 4 Automatic combustion control block 2.1 自動(dòng)燃燒系統(tǒng)的控制過(guò)程下圖為熱風(fēng)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(fēng)爐的燃燒過(guò)程明顯的分為燃燒初期、蓄熱期和蓄熱飽和期三個(gè)階段，根據(jù)各個(gè)階段的不同特點(diǎn)，將自動(dòng)燃燒的控制分為三個(gè)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(diǎn)是以較小煤氣和空氣流量點(diǎn)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(biāo)，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(dòng)尋優(yōu)修正煤氣和空氣流量。并且使這一時(shí)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(shí)間不超過(guò)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(dá)設(shè)定值后，

10、轉(zhuǎn)入蓄熱期。（2）蓄熱期：此階段主要特點(diǎn)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(shì)，若超過(guò)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(yīng)及時(shí)操作減燒或者加燒。廢氣溫度升溫較快，說(shuō)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(yīng)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(huì)下降。如果廢氣溫度升溫較慢，說(shuō)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(yīng)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(huì)上升。這時(shí)，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(dāng)廢氣溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，就進(jìn)入了蓄熱飽和期。（3）、蓄熱飽和期：當(dāng)廢氣溫度達(dá)到設(shè)定值后，生產(chǎn)人員可根據(jù)實(shí)際情況選擇操作，如果結(jié)束燃燒，轉(zhuǎn)入隔斷，則進(jìn)入燃燒轉(zhuǎn)隔斷程序。如果繼續(xù)燒火，則可手動(dòng)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(jìn)模糊控制理論和自尋優(yōu)理論，通過(guò)拱頂溫度和廢氣溫度的變化，自動(dòng)尋找最優(yōu)的空燃比，使燃燒的效果更加理想，達(dá)到節(jié)約能源最大化。針對(duì)遷鋼3高爐熱風(fēng)爐的特點(diǎn)

12、，本系統(tǒng)對(duì)控制過(guò)程進(jìn)行了相應(yīng)的調(diào)整以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，保證燃燒過(guò)程的穩(wěn)定進(jìn)行。3. 自動(dòng)燃燒系統(tǒng)的應(yīng)用在整個(gè)自動(dòng)燃燒系統(tǒng)安裝調(diào)試完成后，進(jìn)入正常運(yùn)行時(shí)，首先將熱風(fēng)爐HMI上位機(jī)的自動(dòng)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(dòng)燃燒就已經(jīng)投入，當(dāng)爐子有燃燒信號(hào)時(shí)，本系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)接手燃燒。自動(dòng)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(huì)執(zhí)行點(diǎn)火過(guò)程，既當(dāng)爐子有燃燒信號(hào)時(shí)，且空氣和煤氣調(diào)節(jié)閥分別在5%和0%的初始閥位時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行點(diǎn)火過(guò)程；中間投入系統(tǒng)不執(zhí)行點(diǎn)火過(guò)程。我們可以通過(guò)總界面視圖中的爐號(hào)或菜單進(jìn)入相應(yīng)爐子的操作界面，下圖是自動(dòng)燃燒系統(tǒng)的主界面

13、圖： 圖6.自動(dòng)燃燒系統(tǒng)主界面圖Fig. 6 Automatic combustion system main interface Figure3.1 自動(dòng)燃燒系統(tǒng)的功能 自動(dòng)燃燒系統(tǒng)包括很多控制功能、保護(hù)功能和報(bào)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(dòng)燃燒系統(tǒng)單個(gè)爐子的操作畫面：圖7. 單個(gè)爐子的操作畫面Fig. 7 Single stove operation screen下面介紹自動(dòng)燃燒其中部分功能：（1） 自動(dòng)點(diǎn)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(dāng)燃燒信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)點(diǎn)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(dòng)開，其過(guò)程為：先輸出空氣

14、調(diào)節(jié)閥點(diǎn)火初始閥位，當(dāng)空氣流量達(dá)到參數(shù)設(shè)定值之后，煤氣調(diào)節(jié)閥輸出點(diǎn)火初始閥位。煤氣流量達(dá)到參數(shù)設(shè)定值之后，空氣調(diào)節(jié)閥輸出增加步長(zhǎng)閥位。調(diào)節(jié)閥反饋與輸出偏差小于4%時(shí)，步進(jìn)開閥，即空氣和煤氣調(diào)節(jié)閥輸出同時(shí)增加步長(zhǎng)閥位。當(dāng)空氣閥位和煤氣閥位到達(dá)正常燃燒時(shí)閥位標(biāo)志點(diǎn)火結(jié)束。（2） 自動(dòng)調(diào)節(jié)：當(dāng)系統(tǒng)點(diǎn)火結(jié)束時(shí)，這時(shí)等空氣流量和煤氣流量穩(wěn)定后開始自動(dòng)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(dòng)作，使它們的實(shí)際流量盡量接近設(shè)定值，這是一個(gè)單閉環(huán)的自動(dòng)流量調(diào)節(jié)。中間投入時(shí)：系統(tǒng)自動(dòng)按無(wú)擾動(dòng)切換方式在保證調(diào)節(jié)閥位不變的情況下，將流量過(guò)程值作為流量設(shè)定值并

15、切為自動(dòng)燃燒狀態(tài)并開始自動(dòng)調(diào)節(jié)。（3） 自動(dòng)加減燒 當(dāng)爐子自動(dòng)燃燒時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)煙道溫度的變化計(jì)算出煙道實(shí)際的升溫速率，而我們?cè)O(shè)定的煙道終點(diǎn)溫度和燃燒時(shí)間，系統(tǒng)就會(huì)計(jì)算出理論上的煙道升溫速率。自動(dòng)加減燒的功能就是使煙道升溫速率的實(shí)際值與理論值盡量接近。（4） 手動(dòng)加減燒當(dāng)爐子自動(dòng)燃燒時(shí)，我們可以人為手動(dòng)加減燒，這樣空氣流量和煤氣流量會(huì)按當(dāng)前的空燃比增加或減少。（5） 手動(dòng)修改空氣流量、煤氣流量 當(dāng)爐子自動(dòng)燃燒時(shí)，我們也可以手動(dòng)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(dòng)燃燒退出：當(dāng)爐子自動(dòng)燃燒時(shí)，我們可以手動(dòng)把單個(gè)爐子有自動(dòng)燃燒改為手動(dòng)燃燒，當(dāng)前調(diào)節(jié)閥

16、控制自動(dòng)按無(wú)擾動(dòng)切換方式在保證調(diào)節(jié)閥位不變的情況下切換至手動(dòng)燃燒，熱風(fēng)爐燃燒狀況保持不變；異常情況下，將熱風(fēng)爐HMI上位機(jī)的自動(dòng)燃燒系統(tǒng)總投入鍵切成解除，自動(dòng)燃燒系統(tǒng)所有投入自動(dòng)燃燒的爐子全部自動(dòng)退出，且當(dāng)前工況不變。（7） 自動(dòng)停燒當(dāng)爐子自動(dòng)燃燒時(shí)，煙道溫度已燒到我們?cè)O(shè)定的煙道終點(diǎn)溫度時(shí)，系統(tǒng)會(huì)提前報(bào)警，報(bào)警結(jié)束后系統(tǒng)會(huì)按自動(dòng)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(huì)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(shí)自動(dòng)停燒結(jié)束。4. 自動(dòng)燃燒系統(tǒng)帶來(lái)的效益現(xiàn)在遷鋼3高爐熱風(fēng)爐自動(dòng)燃燒系統(tǒng)處于試運(yùn)行狀態(tài)，本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)燃燒過(guò)程的全自動(dòng)控制，通過(guò)尋優(yōu)理想

17、空燃比，改善燃燒效果，優(yōu)化燃燒過(guò)程，來(lái)節(jié)約能源或提高熱風(fēng)爐的蓄熱量，下面是自動(dòng)燃燒和手動(dòng)燃燒時(shí)，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(dòng)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(dòng)燃燒流量控制效果圖Fig. 9 The flow impression drawing of automatic combustion control通過(guò)上圖明顯可以看出在熱風(fēng)爐自動(dòng)燃燒時(shí)，點(diǎn)火周期變短，并且比較平順。燃燒過(guò)程中，煤氣流量和空氣流量明顯比手動(dòng)燃燒時(shí)穩(wěn)定，自動(dòng)

18、燃燒流量波動(dòng)能控制在5%以內(nèi)。手動(dòng)燃燒時(shí)流量波動(dòng)最大有時(shí)能超過(guò)20%，嚴(yán)重影響燃燒質(zhì)量、浪費(fèi)燃料和縮短熱風(fēng)爐壽命。首鋼遷鋼3#熱風(fēng)爐在應(yīng)用自動(dòng)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(lái)可以為企業(yè)節(jié)約成本3000到4000萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益非?？捎^。5.結(jié)束語(yǔ)熱風(fēng)爐的自動(dòng)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(zhǎng)熱風(fēng)爐壽命。本系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）流量的尋優(yōu)處理解決了燃燒過(guò)程中燃料成份和熱值的隨機(jī)性及不可控性；（2）合理的流量修正策略解決了燃燒過(guò)程中最佳燃燒配比的不易確定性；（3）均衡、穩(wěn)定的自動(dòng)加減燒功能克服了燃燒過(guò)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(dòng)；（5）規(guī)范化、自動(dòng)化的點(diǎn)火、燃燒、停燒功能確保了控制過(guò)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(shí)時(shí)處理過(guò)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