熱風(fēng)爐自動燃燒控制系統(tǒng)研究與應(yīng)用

溫興河

摘 要：本文主要應(yīng)用專家系統(tǒng)和自尋優(yōu)控制模型等技術(shù)，實現(xiàn)燒爐狀態(tài)、外界波動動態(tài)判定以及燒爐控制策略選擇，并通過空燃比快速尋優(yōu)和流量優(yōu)化控制，確保燒爐過程始終（包括燃燒期、蓄熱期）處于最佳配比燃燒狀態(tài)。實現(xiàn)煉鐵工序低碳節(jié)能、降耗降本的目的。

關(guān)鍵詞：熱風(fēng)爐；自動控制；應(yīng)用

中圖分類號：TG162.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

0 前言

山鋼集團(tuán)萊蕪分公司熱風(fēng)爐換爐操作為半自動加手動，其中燒爐過程完全由人工手動調(diào)節(jié)，崗位操作人員要根據(jù)熱風(fēng)爐的拱頂溫度上升情況，通過頻繁調(diào)節(jié)煤氣和空氣調(diào)節(jié)閥開度，來增減煤氣及空氣的流量大小，判定給出熱風(fēng)爐燒爐的空燃比，逐步尋找合理的空燃比。人工調(diào)節(jié)存在的問題：

（1）因個人技能和責(zé)任心差異較大，使各班燒爐狀況不穩(wěn)定、不統(tǒng)一。

（2）同樣條件所能提供風(fēng)溫不一樣，煤氣的消耗也不一樣，高爐爐況變化大時差異更大。

（3）尋找空燃比時間較長，且很難尋找最佳的空燃比。

（4）煤氣壓力波動頻繁，煤氣熱值也不斷變化，最佳空燃比是不斷變化的，所以人工判斷、調(diào)劑難度很大，不但工作量大，而且往往調(diào)整不及時（滯后或超前）、不準(zhǔn)確，造成燒爐過程中拱頂溫度波動較大，燒爐效果差，影響高爐風(fēng)溫使用水平。

本文主要針對熱風(fēng)爐換爐操作為半自動加手動，其中燒爐過程完全由人工手動調(diào)節(jié)導(dǎo)致判斷、調(diào)劑難度很大，調(diào)整不及時不準(zhǔn)確，造成燒爐過程中拱頂溫度波動較大，燒爐效果差，影響高爐風(fēng)溫使用水平的問題。應(yīng)用專家系統(tǒng)和自尋優(yōu)控制模型等技術(shù)，實現(xiàn)燒爐狀態(tài)、外界波動動態(tài)判定以及燒爐控制策略選擇，并通過空燃比快速尋優(yōu)和流量優(yōu)化控制，確保燒爐過程始終（包括燃燒期、蓄熱期）處于最佳配比燃燒狀態(tài)

1 熱風(fēng)爐自動控制功能開發(fā)

1.1 數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)二級上位機(jī)能夠讀取和控制熱風(fēng)爐PLC系統(tǒng)。其中關(guān)鍵性技術(shù)（問題）PLC系統(tǒng)的通信的解決方法（技術(shù)手段）是通過OPC通信協(xié)議建立OPC服務(wù)器和客戶端實現(xiàn)與PLC通信。

1.2 控制決策協(xié)調(diào)器，實現(xiàn)專家系統(tǒng)、燃燒自尋優(yōu)模型、拱頂溫度控制模型和速度模型協(xié)調(diào)控制。其中關(guān)鍵性技術(shù)（問題）協(xié)調(diào)控制的解決方法（技術(shù)手段）是通過與生產(chǎn)操作工結(jié)合，了解熱風(fēng)爐工藝確定各個模型之間的時序，編寫程序?qū)崿F(xiàn)總結(jié)出來的時序控制。

1.3 專家系統(tǒng)，實現(xiàn)在煤氣壓力和熱焓值變化比較大的情況下，利用專家系統(tǒng)根據(jù)熱風(fēng)爐當(dāng)前工藝條件算出相應(yīng)的調(diào)節(jié)閥輸出。其中關(guān)鍵性技術(shù)（問題）專家最佳案例的收集和工藝條件的判斷輸出的解決方法（技術(shù)手段）是通過與生產(chǎn)操作工結(jié)合了解熱風(fēng)爐工藝確定最佳案例的判斷條件，以及案例管理算法。

1.4 自尋優(yōu)模型，實現(xiàn)模仿操作工熱風(fēng)爐操作控制空燃比最優(yōu)。其中關(guān)鍵性技術(shù)（問題）外界條件不斷變化下最佳空燃比的確定的解決方法（技術(shù)手段）是通過時間序列法與熱風(fēng)爐操作工燒爐經(jīng)驗總結(jié)出自尋優(yōu)模型算法，根據(jù)算法確定出最佳空燃比，并且應(yīng)用于自動燃燒控制中。

1.5 拱頂溫度控制模型，實現(xiàn)拱頂溫度控制在目標(biāo)溫度范圍內(nèi)。其中關(guān)鍵性技術(shù)（問題）煤氣質(zhì)量影響拱頂溫度高低的解決方法（技術(shù)手段）是通過尋找到最佳空燃比，根據(jù)熱風(fēng)爐操作工操作經(jīng)驗控制拱頂溫度在目標(biāo)范圍之內(nèi)。

2 系統(tǒng)創(chuàng)新

2.1 系統(tǒng)獨(dú)立、功能清晰：本系統(tǒng)與現(xiàn)有熱風(fēng)爐 PLC 系統(tǒng)之間功能獨(dú)立，PLC系統(tǒng)保持現(xiàn)有換爐邏輯控制不變，而本系統(tǒng)則負(fù)責(zé)自動燒爐狀態(tài)下煤氣、空氣的閥門調(diào)節(jié)量設(shè)定計算，并下發(fā) PLC 系統(tǒng)控制執(zhí)行。

2.2 技術(shù)先進(jìn)、效果顯著：采用專家系統(tǒng)和模糊控制技術(shù)，實現(xiàn)燃燒狀態(tài)和外界波動動態(tài)識別，通過空燃比快速尋優(yōu)，確保系統(tǒng)始終（包括強(qiáng)化燃燒期、蓄熱期）處于最佳配比燃燒狀態(tài)，即最佳燒爐狀態(tài)。

2.3 操作方便、界面友好：本系統(tǒng)自動獲知燒爐信號后，即可根據(jù)燒爐目標(biāo)（目標(biāo)拱頂溫度、目標(biāo)廢氣溫度和目標(biāo)換爐周期）實現(xiàn)燒爐全過程的煤氣閥和空氣閥的自動調(diào)節(jié)，全過程無需人工干預(yù)。

2.4 無擾動系統(tǒng)投運(yùn)：本系統(tǒng)能在正常生產(chǎn)過程中完成安裝部署，并利用熱風(fēng)爐換爐間隙實現(xiàn)系統(tǒng)投運(yùn)，安裝調(diào)試操作對正常生產(chǎn)無不良影響。即使發(fā)生特殊情況，可借助“控制權(quán)切換”操作，切換到原有控制系統(tǒng)和控制模式。

2.5 異常應(yīng)對方便快捷：本系統(tǒng)可實現(xiàn)手動與自動的無擾切換。在緊急條件下，通過“控制權(quán)切換”操作，本系統(tǒng)隨時可切換到手動控制模式，待異常解除后亦可切換到自動控制模式。

2.6 系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠：采用拱頂溫度、廢氣溫度、煤氣流量、空氣流量、煤氣壓力等常規(guī)非易損量為輸入量，具備燒爐狀態(tài)判定準(zhǔn)確、燒爐控制精確的特點(diǎn)，保證系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性和可靠性。

2.7 新增系統(tǒng)維護(hù)工作量少：本系統(tǒng)主要依賴于原來測量儀表、控制閥及通訊回路，新增設(shè)備有限，系統(tǒng)維護(hù)工作主要集中于上述儀表設(shè)備，基本不額外增加維護(hù)工作量。

2.8 克服熱風(fēng)爐非線性、大滯后、慢時變特性的復(fù)雜被控對象特點(diǎn)把專家智能控制應(yīng)用到熱風(fēng)爐自動燃燒控制中，脫離PLC基礎(chǔ)控制真正實現(xiàn)二級控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用。

2.9 由于熱風(fēng)爐燒爐過程中煤氣熱值、煤氣壓力、煤氣溫度和空氣溫度時刻變化的不利因素，利用空燃比自尋優(yōu)模型算法實時追蹤最佳空燃比基帶控制熱風(fēng)爐燃燒，實現(xiàn)節(jié)約煤氣消耗的目的。

結(jié)論

山鋼集團(tuán)萊蕪分公司熱風(fēng)爐通過自控系統(tǒng)硬件升級、保證了設(shè)備安全順行。具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)獨(dú)立、功能清晰：本系統(tǒng)與現(xiàn)有熱風(fēng)爐 PLC 系統(tǒng)之間功能獨(dú)立，PLC系統(tǒng)保持現(xiàn)有換爐邏輯控制不變，而本系統(tǒng)則負(fù)責(zé)自動燒爐狀態(tài)下煤氣、空氣的閥門調(diào)節(jié)量設(shè)定計算，并下發(fā) PLC 系統(tǒng)控制執(zhí)行。

（2）技術(shù)先進(jìn)、效果顯著：采用專家系統(tǒng)和模糊控制技術(shù)，實現(xiàn)燃燒狀態(tài)和外界波動動態(tài)識別，通過空燃比快速尋優(yōu)，確保系統(tǒng)始終（包括強(qiáng)化燃燒期、蓄熱期）處于最佳配比燃燒狀態(tài)，即最佳燒爐狀態(tài)。

（3）操作方便、界面友好：本系統(tǒng)自動獲知燒爐信號后，即可根據(jù)燒爐目標(biāo)（目標(biāo)拱頂溫度、目標(biāo)廢氣溫度和目標(biāo)換爐周期）實現(xiàn)燒爐全過程的煤氣閥和空氣閥的自動調(diào)節(jié)，全過程無需人工干預(yù)。

（4）無擾動系統(tǒng)投運(yùn)：本系統(tǒng)能在正常生產(chǎn)過程中完成安裝部署，并利用熱風(fēng)爐換爐間隙實現(xiàn)系統(tǒng)投運(yùn)，安裝調(diào)試操作對正常生產(chǎn)無不良影響。即使發(fā)生特殊情況，可借助“控制權(quán)切換”操作，切換到原有控制系統(tǒng)和控制模式。

近年來熱風(fēng)爐自動燃燒控制系統(tǒng)在鋼鐵企業(yè)得到應(yīng)用，但是大多數(shù)熱風(fēng)爐自動燃燒系統(tǒng)都需要依靠殘氧量的測量參數(shù)，本項目研發(fā)的熱風(fēng)爐自動燃燒系統(tǒng)不依靠殘氧量參數(shù)，只需要常規(guī)的流量、壓力參數(shù)就能實現(xiàn)自動燃燒，所以，本項目研發(fā)的熱風(fēng)爐自動燃燒控制系統(tǒng)能廣泛地應(yīng)用在鋼鐵企業(yè)中的熱風(fēng)爐控制中，具有很好的市場前景和應(yīng)用前景。

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