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高炉热风炉优化控制技术

2023-03-16 来源:好走旅游网
Vo1.34 No.2 冶金能源 Mar.2015 ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY 61 高炉热风炉优化控制技术 李明党 (北京和隆优化科技股份有限公司) 摘要针对高炉热风炉运行中存在的问题,提出了一套高炉热风炉优化控制技术,描述了 该技术的实现过程及应用效果。该技术可有效提高热风炉的燃烧效率及送风温度。 关键词 高炉热风炉 优化控制 自寻优卡边控制 Optimization control technology of blast furnace hot blast stove Li Mingdang (Beijing Heroopsys Co.,Ltd.) Abstract Aiming at the existing problems in the operation of blast furnace hot blast stove,put for- ward a set of optimization control technology,and described the implementation process and application effect of hte technology.rI'l1e technology can effectively improve the combustion efifciency and the blast temperature of hot blast stove. Keywords blast furnace hot blast stove optimization contorl technology self——optimizing limit con・- torl 目前我国的钢铁产量为7亿多t,居世界首 炉燃烧效率及送风温度已经被视为降低高炉炼铁 位。虽然近年来我国钢铁行业生产技术水平有了 能耗、提高高炉炼铁产量的主要措施之一…。 很大提高,但整体水平与国外的差距仍然较大, 钢铁生产综合能耗比国外高出20%~30%,提 1 高炉热风炉运行控制存在的问题 高技术水平、降低生产能耗是钢铁行业急需解决 1.1燃烧效率 的问题…。而高炉热风炉作为钢铁生产的重要 目前高炉热风炉燃烧控制以传统控制、数学 辅助设备,其生产技术水平的高低对钢铁生产综 建模控制以及人工智能控制等方式为主。其中人 合能耗影响很大 j。相关研究资料显示,高炉 工智能控制包括神经元网络技术、专家控制系统 风温由900℃提高到1000oC,可节约焦炭约 等,虽然这些技术已经有了一定的应用,但因技 4%,同时提高产量约5%,风温由1000℃提高 术本身尚不成熟,系统实施难度大、成本高、维 到1100℃,可节约焦炭约3%,同时提高产量 护困难,使得这些技术难以推广应用。 约4%,风温由1100clc提高到・1200℃,可节约 热风炉燃烧控制的传统控制方法主要包括比 焦炭约2.3%,同时提高产量约2%,提高高炉 值调节法和废气氧含量串级调节法。比值调节法 风温可产生很大的直接经济效益 。另外,提 是指空气和煤气按照固定的比例进行燃烧,这个 高高炉热风炉本身的燃烧效率,降低燃料消耗, 固定的比例一般是在某种特定的工况下得出的实 也可获得很大的直接经济效益。所以,提高热风 验数据或理论计算数据。这种控制方式显然不能 适应频繁变化的各种工况,特别是在煤气热值发 收稿13期:2014—07—07 李明党(1979一 ),工程师;100096北京市海淀区。 生变化时会使燃烧状况恶化,使得热风炉燃烧效 率降低。废气氧含量串级调节法以比值调节法为 冶 金62 能 源 Vo1.34 No.2 Mar.2015 ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY 主,废气含氧量调节为辅,并通过废气含量在线 修正空燃比。这种调节方式较比值调节法有较大 想应用在寻找最佳的空燃比上则可以按如下方式 操作:首先尝试改变空燃比,然后判断燃烧效果 是否比改变前有所改善,如果有改善则继续同方 向改变空燃比,直至燃烧效果达到最佳;如果第 一改进,但由于测氧仪表容易发生漂移,导致测量 数据与实际数据常有较大偏差,且测氧仪表一般 寿命较短,因此,实际应用效果并不理想l5 J。 数学建模控制根据热风炉的全炉热平衡方程 实时计算最佳空燃比,同时可对燃料流量进行有 效控制,使燃料的流量和空燃比达到最佳,可大 幅提高热风炉的运行效率。但该方式也有其显著 缺点:第一,精确地数学建模难度很大,需要较 大投资;第二,需要的检测点较多,特别是燃料 步改变空燃配比后燃烧效果变差,则尝试反方 向改变空燃比并重复上述过程。 2.2燃烧优化控制技术实现 自寻优及滚动优化技术需要计算热风炉实时 燃烧效率或者找出能够表征热风炉实时燃烧效果 的中间变量。计算热风炉实时燃烧效率需要有煤 气热值实时分析数据,该数据显然难以得到,所 以只能寻找一个能够表征热风炉实时燃烧效果的 中间变量。 的在线热值分析仪表必不可少,导致硬件设备投 资很大。因此数学建模控制方式在广大的中小钢 铁厂几乎没有得到实际应用,大型钢厂的实际应 用也较少。 1.2送风温度 要构建燃烧效果中间变量需先分析影响燃烧 效果的因素。煤气和空气在热风炉内燃烧时产生 一定的热量和废气,热量和废气量的大小在很大 热风炉送风温度偏低主要是因为在规定的烧 程度上决定了拱顶温度和废气温度的变化趋势。 热量和废气量的大小取决于参与燃烧的煤气量、 炉时间内热风炉蓄热量偏低,导致这种现象的原 因,除热风炉本身设备、工艺缺陷以及燃烧效率 偏低以外,没有对热风炉烧炉过程实施合理控制 及卡边控制也是很重要的一个因素。 空气量以及煤气热值。当煤气量与空燃比均合适 的情况下,燃烧释放的热量和废气量达到比较理 想的状态,这时拱顶温度的上升趋势最好或保持 没有对热风炉烧炉过程实施合理控制及卡边 控制,主要体现在废气温度的控制上。目前国内 绝大多数热风炉在烧炉阶段并没有对废气温度进 行精确、合理的控制,经常导致下列两种情况发 生:在烧炉结束时废气温度与安全上限差距较 在较高的水平上,废气温度上升趋势也很合理, 蓄热过程最佳,是热风炉烧炉操作的理想状态。 但当煤气量或空燃比不合理时,燃烧释放的热量 与废气量的平衡被打破,表现为拱顶温度上升缓 慢或呈下降趋势,废气温度合理的上升趋势也被 大,热风炉蓄热量自然难以保证;烧炉时间尚未 到时,废气温度已经达到安全上限,不得不提前 结束烧炉过程,热风炉蓄热量本身就偏低,结束 烧炉转入闷炉后又会导致热量散失,进一步降低 改变,需要及时修正空燃比使燃烧工况重新回到 最佳状态。 通过上面的描述可以得出如下结论:燃烧效 果与煤气量、空气量、拱顶温度及其变化趋势、 废气温度及其变化趋势密切相关。通过相关变量 构造燃烧效果中间变量r/: 叼= Q1,q2,T1,/2,R1,R2,C1,C2,C3,C4) 蓄热量。不管哪种情况发生都会导致热风炉蓄热 量偏低,进而导致热风炉送风温度无法保证。 2燃烧优化控制技术及实现 结合自寻优及滚动优化技术提出了一套提高 热风炉燃烧效率的方法。 2.1 自寻优及滚动优化技术简介 自寻优及滚动优化技术是北京和隆优化科技 股份有限公司的核心技术之一。该技术起源于著 式中:Q1为煤气流量;Q2为空气流量;T1为 拱顶温度;/2为废气温度;R1为拱顶温度变化 速率,正值为上升速率,负值为下降速率;R2 为废气温度变化速率,正值为上升速率,负值为 下降速率;C1一c4为模型常数。 利用燃烧效果中间变量田结合自寻优及滚 动优化技术即可实现热风炉燃烧优化控制,控制 程序如图1所示。 名数学家华罗庚《优选学》中的瞎子爬山法, 瞎子爬山法的核心思想就是“试探”。将这个思 Vo1.34 No.2 冶 金 能源 Mor.2015 ENERGY FOR METALLURCICAL INDUSTRY 63 优化控制及卡边控制技术。 该技术在烧炉初始时刻依然延续了常规控制 的优点,即直接以较大煤气量烧炉使拱顶温度快 速上升到较高水平,持续一段时间以后,烧炉控 制直接转为预测废气温度控制,即以预测的烧炉 结束时的废气温度控制煤气流量,空气流量则按 照不断优化后的空燃比进行比值控制,进而实现 废气温度的精确控制,使烧炉结束时废气温度接 近废气温度安全上限,以最大限度地在规定时间 内增加热风炉蓄热量。其中,废气温度预测值 计算方式如下: =口× +(1一口)×厂(T1,T[n1],£[n2] [n3],T,t,C1,C2) 式中:0为常数,0<口<1;T1为当前废气温 度;T[n1]为废气温度数组,存储废气温度历 史数据;L[ ][n3]为废气温度变化规律数 组,存储废气温度变化规律相关参数;T为设定 烧炉时问;t为已烧炉时间;c1、c2为模型常 数。 利用模型可比较准确的预测在当前烧炉工况 下,烧炉时间t到达烧炉设定时间 时的废气温 图1 燃烧优化控制程序框图 度,从而可以实现在烧炉过程中对废气温度进行 有效、合理地控制。 3烧炉过程优化控制及卡边控制 废气温度的控制模型如图2所示。 高炉热风炉平均送温度偏低,除了空燃比不 4技术特点及应用效果 合理等因素以外,另一个非常重要的因素是烧炉 过程中没有对拱顶温度及废气温度进行优化控制 4.1技术特点 及卡边控制,导致在规定时间内热风炉增加的蓄 该技术可很好地实现高炉热风炉的优化控 热量不足。根据热风炉运行特点,结合热风炉常 制,具有如下特点: 规控制的部分优点,提出了一套热风炉烧炉过程 (1)自寻优及滚动优化:基于空燃比自寻 煤气调节阀 空气调节阀 图2废气温度的控制模型 冶金能源 Vo1.34 No.2 Maro 2015 ENERGY FOR METALLURGICAL INDUSTRY 优及滚动优化技术,使高炉热风炉烧炉时空燃比 保持最佳,既可以提高拱顶温度,也可以节省煤 气用量; (2)拱顶温度卡边控制:在保证废气温度 上升速度合理的情况下,尽量提高拱顶温度,且 不能使拱顶温度超温,可最大限度增加热风炉蓄 热量; (3)废气温度卡边控制:可自动控制废气 温度的增长速率,使废气温度在设定烧炉时间正 好达到废气温度设定点,而该设定点一般接近废 气温度控制上限,以最大限度增加热风炉蓄热 量; (4)智能伺服调节:废气温度控制模型中 的智能伺服调节模块有效控制被控变量的同时, 可最大限度地降低调节阀的动作频率和幅度,相 比于常规自动控制,可使调节阀的寿命提高十倍 以上; (5)对现场仪表要求低:不需要现场仪表 有很高的精度,只需要这些仪表测量趋势正确即 可,同时也不需要安装易坏且难以维护的氧含量 仪表。 4.2应用效果 目前,该技术已经在多个厂家的多套高炉热 风炉装置上得到成功应用,实现了热风炉的全自 动优化烧炉控制。运行统计数据表明,应用该技 术后可提高风温l5~30℃,同时可降低煤气消 耗2%以上。以一座1200m 的中小规模高炉为 例,每年因提高风温和降低煤气消耗带来的经济 效益在600万元以上。 5 结语 该技术可实现高炉热风炉的烧炉全自动优化 控制,在实现提高送风温度的同时可降低煤气消 耗,可以为企业带来可观的经济效益和良好的社 会效益。该技术对用户现场仪表要求低,非常适 合中国国情,具有很好的推广价值。 参考文献 [1]孙进生.高炉热风炉燃烧的CBR智能控制技术 [M].北京:冶金工业出版社,2006. 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