熱風(fēng)爐的自動控制技術(shù)對策

張維

摘 要：熱風(fēng)爐燃燒自動控制系統(tǒng)，是目前高爐控制系統(tǒng)的核心部分，其作用是熱風(fēng)爐控制，然后利用自鼓風(fēng)裝置形成規(guī)定的壓力冷空氣加熱后形成高溫、高壓的熱空氣，然后利用高爐總管和圍管送入到高爐爐膛內(nèi)，讓爐內(nèi)焦炭等介質(zhì)燃燒形成化學(xué)反應(yīng)，鐵礦石在高壓的影響之下快速排出雜質(zhì)，形成鐵水。本文以某鋼鐵廠4#高爐大修的風(fēng)爐控制系統(tǒng)改造為基礎(chǔ)，物理構(gòu)造、管道建設(shè)后并不會大規(guī)模改動，通過現(xiàn)代控制技術(shù)，了解廢氣溫度、拱頂溫度，設(shè)計DCS、PLC建設(shè)的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)自動化熱風(fēng)爐燃燒控制，提高操作效率和準(zhǔn)確性，也會改善運行環(huán)境，降低人員勞動強度，自適應(yīng)系統(tǒng)進行空氣流量、煤氣流量、空燃比確定，讓風(fēng)爐實現(xiàn)穩(wěn)定工作。

關(guān)鍵詞：熱風(fēng)爐;燃燒控制;DCS;PLC;雙交叉限幅

某鋼鐵廠的高爐運行超過20年的時間，高爐本體以及附屬結(jié)構(gòu)部分的爐齡較長，設(shè)備老化嚴重，和新建設(shè)高爐對比分析，有著明顯差距，導(dǎo)致高爐鐵水產(chǎn)量較低，且有較大隱患。在這種情況下，管理者決定對于該高爐進行整體擴容改造，同時對于該裝置進行自動化操作系統(tǒng)安裝，保證整體裝備水平滿足運行要求，還會減輕勞動強度。熱風(fēng)爐自動化改造是該鋼計量中心設(shè)計完成的，該單位還進行了工業(yè)控制計算機維護、開發(fā)以及管理等工作。

1.熱風(fēng)爐簡介

高爐煉鐵是我國工業(yè)領(lǐng)域重要基礎(chǔ)設(shè)施，在系統(tǒng)內(nèi)，送風(fēng)系統(tǒng)的重要設(shè)備是熱風(fēng)爐裝置，其作用就是將鼓風(fēng)機加壓之后的冷空氣進行加熱處理，然后形成溫度在1000℃左右的熱風(fēng)，再通過熱風(fēng)管道傳輸?shù)礁郀t爐膛內(nèi)，為煉鐵提供基礎(chǔ)。

當(dāng)前所使用的煉鐵熱風(fēng)爐主要是內(nèi)燃式、外燃式、頂燃式等形式。本文主要分析某鋼廠4#高爐應(yīng)用的新日鐵外燃式熱風(fēng)爐，其主要優(yōu)勢就是運行穩(wěn)定、氣體分布范圍好、熱效率高、質(zhì)量好、壽命長等，缺陷則是占地面積較小，需要良好基礎(chǔ)，成本也比較高，所以僅應(yīng)用到大型鋼鐵企業(yè)內(nèi)。

2.熱風(fēng)爐自動燃燒控制系統(tǒng)方案設(shè)計

利用熱風(fēng)爐的工作形式、結(jié)構(gòu)展開分析，本文具體分析熱風(fēng)爐工作流程，然后總結(jié)燃燒控制要點，總結(jié)出自動燃燒控制設(shè)計方案。

2.1主工藝控制流程

4#高爐熱風(fēng)爐進行工藝控制就是利用煤氣支管內(nèi)高爐煤氣形成的混合煤氣與空氣支管中助燃空氣經(jīng)過充分混合，傳輸?shù)教沾扇紵鲀?nèi)，燃燒室開始燃燒，形成比較多的高溫?zé)煔?，會帶走比較多的能量，且經(jīng)過對流、輻射能量傳輸?shù)侥突鸩牧媳砻婊騼?nèi)部。燃燒完成之后，熱風(fēng)爐的各個閥門動作后，讓燒爐轉(zhuǎn)化成為燜爐，很多冷風(fēng)進入到蓄熱室吸收耐候材料，然后通過大量能量轉(zhuǎn)化成為1000℃以上的熱風(fēng)。熱風(fēng)溫度符合標(biāo)準(zhǔn)要求后，閥門繼續(xù)動作也會讓燜爐轉(zhuǎn)化為送風(fēng)狀態(tài)，熱風(fēng)都傳輸?shù)礁郀t本體中。熱風(fēng)溫度下降到規(guī)定條件下，閥門會繼續(xù)動作，然后又會從送風(fēng)狀態(tài)轉(zhuǎn)化為燜爐，并且把廢氣排放出去，并且開啟閥門把煤氣、空氣都送入燃燒室燃燒，形成循環(huán)。具體可見圖2。

2.2雙交叉限幅的熱風(fēng)爐燃燒控制方案

2.2.1串級調(diào)節(jié)法

熱風(fēng)爐燃燒時，高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣會根據(jù)規(guī)定比例混合形成混合煤氣，這是熱風(fēng)爐主要燃料，混合煤氣與助燃空氣充分混合，然后經(jīng)過陶瓷燒嘴在燃燒室內(nèi)燃燒。熱風(fēng)爐燃燒系統(tǒng)的控制，需要從煤氣量、空燃比參數(shù)進行控制。熱風(fēng)爐燃燒控制要從下述幾個參數(shù)進行：煤氣流量、空燃比、拱頂溫度、廢氣溫度。燃燒時，廢氣溫度不能超過設(shè)計要求的420℃，拱頂溫度不能超過設(shè)計要求的1350℃。合理控制這些技術(shù)參數(shù)，熱風(fēng)爐燃燒會被分解為燃燒加熱期與蓄熱期兩個部分。加熱期中，為了保證拱頂溫度短期內(nèi)達到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，需要做好空燃比、煤氣量控制，增大煤氣量，以快速燃燒，讓熱風(fēng)爐內(nèi)的能量足夠，而熱量較高的情況下，風(fēng)爐蓄熱期會比較長，這樣也會導(dǎo)致風(fēng)溫波動較小。進入到蓄熱器之后，會增大空氣進入量，讓拱頂溫度處于穩(wěn)定狀態(tài)，且廢氣溫度達到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，熱風(fēng)爐燃燒控制的目標(biāo)為拱頂溫度、廢氣溫度達到設(shè)計要求，還要充分燃燒煤氣，最大限度內(nèi)增大蓄熱量，且要不斷的提升蓄熱量。

2.2.2改進后的串級調(diào)節(jié)法

在應(yīng)用雙較叉限幅控制理論方式的串級調(diào)節(jié)法，改造完成后，熱風(fēng)爐燃燒控制性能得到提升。分析燃燒周期、煤氣熱值、風(fēng)溫控制等方面，確定合理拱頂溫度參數(shù)，然后需要確定燃燒爐運行環(huán)節(jié)的煤氣流量參數(shù)（大約60000m?/h座），確定合適的空燃比，計算機自動調(diào)節(jié)控制。

空燃比=空氣流量設(shè)定值

煤氣流量設(shè)定值

雙交叉限幅是以目前的串級控制為出發(fā)點，然后進行空氣燃燒剩余系數(shù)μ的上限控制，這樣可以有效的避免熱風(fēng)爐燃燒的末期階段因為負荷過小而導(dǎo)致空氣過剩的問題。雙交叉限幅控制之下，不管是熱風(fēng)爐燃燒時空氣負荷狀態(tài)如何，都能夠確保空氣剩余率符合要求。空氣量不足、燃燒不充分、能耗利用率低等缺陷，空氣過熱，會導(dǎo)致熱風(fēng)爐加熱時間延長，同時廢氣會導(dǎo)致能源浪費。通過空氣剩余系數(shù)控制，在空氣負荷隨著燃燒環(huán)節(jié)變化時，μ值會處于1.06左右，達到最佳燃燒狀態(tài)，空燃比也會達到最佳狀態(tài)，利用燃燒高爐煤氣的熱量，提升熱效率，最終可以保證熱風(fēng)爐爐溫達到要求。具體原理可見圖3所示。

經(jīng)過改進之后，串級調(diào)節(jié)法燃燒時，同步換爐時，達到設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求的廢氣均壓交叉并聯(lián)送風(fēng)，所以需要使用全自動化換爐的系統(tǒng)，這樣操作人員進行送風(fēng)時間的控制，送風(fēng)倒計時結(jié)束后，自動開啟換爐，以燒爐溫度作為控制基礎(chǔ)，符合溫度要求的先進行送風(fēng)。這種系統(tǒng)設(shè)置的方式，規(guī)避了傳統(tǒng)手動換爐的缺陷，還能夠降低工作強度，操作人員只需要操控鼠標(biāo)等終端設(shè)備進行熱風(fēng)爐的控制，完全達到系統(tǒng)控制要求，保證系統(tǒng)正常運行，也能夠降低能耗損失，實現(xiàn)總體效果的提升。

3.結(jié)語

熱風(fēng)爐作是高爐系統(tǒng)內(nèi)非常重要的組成結(jié)構(gòu)，因為設(shè)備投入大、規(guī)模大，所以更換頻率會非常低，即使功能性較低，也不能及時更換。本文以某鋼廠4#高爐為例分析，分析熱風(fēng)爐的自動控制系統(tǒng)建設(shè)過程，提高系統(tǒng)控制水平，達到運行標(biāo)準(zhǔn)，降低投入、提高工作效率，還能節(jié)約人力資源，所以綜合效益好，未來可以推廣應(yīng)用。

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（南京市南鋼集團第一煉鐵廠，江蘇 南京 210035）