基于熱平衡原理的熱風(fēng)爐燃燒控制模型

郭雪峰

摘 要：隨著國內(nèi)鋼鐵產(chǎn)能過剩，鋼鐵價格持續(xù)低迷，鋼鐵企業(yè)對熱風(fēng)爐系統(tǒng)節(jié)能減排的要求逐漸提高，文章提出了一種基于熱平衡原理的燃燒控制模型，可以降低能耗、提高風(fēng)溫，從而降低生鐵成本。

關(guān)鍵詞：熱風(fēng)爐；數(shù)學(xué)模型；燃燒控制

熱風(fēng)爐作為高爐煉鐵的重要子系統(tǒng)，其作用是向高爐提供穩(wěn)定的熱量。熱風(fēng)爐系統(tǒng)有燃燒、燜爐和送風(fēng)三個階段。在當(dāng)前鋼鐵行業(yè)利潤大幅度下降的大環(huán)境下，節(jié)能增效已經(jīng)成為其必然的發(fā)展出路，因此建立一套行之有效的燃燒控制策略對整個煉鐵生產(chǎn)必將具有極大的意義。

1 燃燒控制原理

熱風(fēng)爐的燒爐過程從本質(zhì)上說就是蓄熱過程。對于燃燒高爐煤氣和助燃空氣的熱風(fēng)爐來說，完整的熱風(fēng)爐燃燒控制包含空燃比控制（煤氣流量及助燃空氣流量調(diào)節(jié)）、拱頂溫度控制以及廢氣溫度控制，具體如圖1所示：

燒爐過程可分為三個階段。以頂燃式熱風(fēng)爐為例，在燒爐初期，拱頂蓄熱室的溫度很低，廢氣的熱量絕大部分被拱頂蓄熱室吸收，蓄熱室頂部的溫度迅速上升，蓄熱室中下部溫度則上升緩慢，因此燃燒初期拱頂溫度的上升速率是主要控制對象。此時最佳的控制策略是以較大量的煤氣與合適的空燃比對拱頂蓄熱室進(jìn)行快速加熱，使拱頂溫度快速達(dá)到設(shè)定值。當(dāng)拱頂溫度上升到設(shè)定值附近，就進(jìn)入了拱頂溫度管理期。這時，再逐步增大空燃比，適當(dāng)減小煤氣流量以保持拱頂溫度維持在設(shè)定值基本不變，提高并穩(wěn)定廢氣的升溫速率。此時熱風(fēng)爐拱頂蓄熱室不再吸收廢氣的熱量，廢氣熱量主要被蓄熱室中下部所吸收。當(dāng)從廢氣管道排出的廢氣溫度較低時，熱風(fēng)爐的熱交換效率較高，反之則熱交換效率較低，因此在拱頂溫度管理期，廢氣的溫度上升速率是主要控制對象。在燒爐末期，熱風(fēng)爐的廢氣溫度已上升至設(shè)定值。在熱風(fēng)爐操作未下達(dá)換爐指令前，應(yīng)全面減少對熱風(fēng)爐的供熱量以防止拱頂溫度或廢氣溫度超高影響熱風(fēng)爐壽命。此時的控制策略是助燃空氣流量和煤氣流量均逐漸減少并維持在較低的水平。

2 數(shù)學(xué)模型的建立

數(shù)學(xué)模型建立在熱平衡原理的基礎(chǔ)上，即根據(jù)送風(fēng)期帶走的總熱量QA等于燃燒期積蓄的總熱量QB，建立數(shù)學(xué)模型及推導(dǎo)方法如下?；跓峤粨Q原理，熱風(fēng)爐送風(fēng)期帶走的熱量QA為送風(fēng)期熱風(fēng)與冷風(fēng)的物理熱之差，即：

式中cV、cV0分別為熱風(fēng)和冷風(fēng)的平均熱容量；V為送風(fēng)期間單位時間內(nèi)的冷風(fēng)流量；T、T0分別為熱風(fēng)溫度和冷風(fēng)溫度；ta、tb分別為該熱風(fēng)爐送風(fēng)的起止時間。

由于送風(fēng)期間熱風(fēng)溫度與冷風(fēng)溫度均基本保持不變，（1）式又可改為：

根據(jù)熱平衡原理，燃燒期熱風(fēng)爐的蓄熱量QB由燃燒用煤氣的物理熱和化學(xué)熱與空氣帶入的物理熱之和減去所產(chǎn)生廢氣的物理熱及熱損失量Q損求得，即：

式中Qg為煤氣的化學(xué)熱，cg·Vg·Tg為煤氣的物理熱；co·Vo·To為助燃空氣物理熱；cf·vf·Tf為廢氣的物理熱；Q損為熱風(fēng)爐外殼散熱等導(dǎo)致的熱損失量；Tg、To、Tf分別為煤氣、助燃空氣和廢氣的溫度；cg、co、cf分別為煤氣、助燃空氣和廢氣的平均熱容量；Vg、Vo、Vf分別為燃燒時煤氣、助燃空氣和廢氣的體積；其中煤氣和助燃空氣體積通常使用流量計直接測量并累積，廢氣的生成量則基于煤氣的成分構(gòu)成并通過以下反應(yīng)公式（4）、（5）、（6）計算得出：

式中，QS為燃燒初期的蓄熱量；QT為拱頂溫度管理期的蓄熱量；QF為燃燒末期的蓄熱量。

由（7）式并基于熱平衡原理可得：

式中，QgF為燃燒末期煤氣量的化學(xué)熱；cfF為燃燒末期廢氣的平均熱容量；TfF為燃燒末期廢氣的溫度；VgF、VoF、VfF分別為燃燒末期煤氣、助燃空氣和廢氣在單位時間內(nèi)的消耗量或生成量；Qf為燃燒末期中的熱損失量；tm為燃燒末期的起始時間。由上文所述，燃燒末期廢氣的溫度 應(yīng)該保持穩(wěn)定，那么通過廢氣預(yù)熱的煤氣和助燃空氣的溫度也應(yīng)該保持穩(wěn)定，所以式（9）又可簡化為：

上式中的積分部分可以通過在程序中逐秒累積求得；此外，在一定的送風(fēng)周期下，當(dāng)達(dá)到燒爐末期時，剩余的燃燒時間也可以確定，即（tb-tm）確定。這樣，利用式（12）、（14）即可確定燒爐末期消耗的平均煤氣流量和助燃空氣流量。綜合上述，可推導(dǎo)燃燒初期、拱頂溫度管理期及燒爐末期的煤氣及助燃空氣量，即可實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐的精確燃燒控制。

3 結(jié)束語

目前國內(nèi)大部分熱風(fēng)爐設(shè)備水平較低，燃燒控制多采用傳統(tǒng)PID控制方式和模糊控制方式。隨著控制要求的提高，熱風(fēng)爐燃燒控制朝著智能方向發(fā)展是必然趨勢，將數(shù)學(xué)模型的優(yōu)點(diǎn)與智能控制結(jié)合，提高操作技術(shù)水平，同時節(jié)能、降耗提高經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]馬竹梧.高爐熱風(fēng)爐自動化的新課題[J].冶金自動化，2004.

[2]馬竹梧，白鳳雙，莊斌，等.高爐熱風(fēng)爐流量設(shè)定及控制專家系統(tǒng)[J].人工智能技術(shù)應(yīng)用，2002，05.

[3]馬智慧，吳敏，曹衛(wèi)華，等.鋼廠熱風(fēng)爐燃燒控制模型的開發(fā)與應(yīng)用[J].計算機(jī)測量與控制，2006，01.