自动控制在热风炉燃烧系统中的应用研究

自动控制在热风炉燃烧系统中的应用研究
摘要]：高温热风热量是高炉生产的主要热源之一。

因此提高风温对于强化冶炼，降低焦比有着十分重要的意义。

而满足其高风温条件下实现热风炉系统的全部自动化则尤为关键。

为了达到这个目的，需要设置各种必要的自动化仪表检测和控制系统。

结合这几年的钢厂高炉热风炉的施工经验，短浅研究分析一下自动化控制在高炉热风炉燃烧系统的应用。

[关键词]：高温热风炉自动控制监测
一般高炉的热风炉系统由三座内燃式热风炉组成，燃料为高炉煤气和焦炉煤气混合后的混合煤气，助燃空气由两台助燃风机（一备一用）集中提供。

为节能和提高送风温度，采用了烟气余热回收装置，对助燃空气和混合煤气分别进行预热。

热风炉系统的主要工艺阀门采用液压驱动。

高温热风热量是高炉生产的主要热源之一。

因此提高风温对于强化冶炼，降低焦比有着十分重要的意义。

而满足其高风温条件下实现热风炉系统的全部自动化则尤为关键。

为了达到这个目的，需要设置各种必要的自动化仪表检测和控制系统。

一、系统硬件配置
热风炉控制系统设有1套具有冗余功能的PLC控制系统和2台服务器操作站。

控制系统采用西门子公司容错可编程逻辑控制器S7-400H系列PLC, 该系统能满足对最先进可编程逻辑控制器在有效性，智能度和分布式方面的高要求，系统提供了在采集以及准备过程数据所需的所有功能。

当前，对应用越来越广泛的故障安全可编程逻辑控制器的需求日益突出，只有采用高度自动化，才能使所有工业部门实现经济、节省资源和低污染的生产活动。

同时，西门子的冗余可编程逻辑控制器已经在实践中证明了其有效性。

二、系统监控软件
系统监控软件采用citect软件，该监控系统具有人机交互、通讯、显示及存储、打印等功能，主要用于数据、图形显示，机组状态监控，机组数据输入，信息存储等各种有关操作的功能画面。

操作的功能画面主要有两类，一是显示操作画面:本画面一方面显示数据，显示方式为数字、曲线、棒图、历史趋势等。

另一方面，具有功能软开关、软按钮等供操作人员进行操作。

二是工艺流程画面:显示设备的工艺布置、工艺流程及相应的检测数据。

三、网络结构
考虑各种计算机控制系统结构的特点和热风炉控制系统的实际情况，从计算机控制系统的功能角度出发，我们采用过程监控系统/过程控制系统两层结构，结合热风炉生产过程的特点，提出了如图3.1所示的热风炉生产过程计算机控制系统的结构框图。

图3.1
热风炉生产过程计算机控制系统的网络结构设计如图3.2所示。

该系统由主要包括服务器、操作站、控制处理器、不间断电源和打印机等部分。

采用信息层网即以太网、监控网、控制网组成的三层网络结构来实现热风炉过程计算机控制系统信息和功能的集成以及数据信息的通讯和共享。

图3.2
四、燃烧过程控制
热风炉作为炼铁高炉的主要组成部分，其燃烧操作控制的好坏，直接影响风温的高低，既要使热风炉在规定的时间达到设定的拱顶温度，又要使主环的控制对副环的影响很小，始终保证最佳燃烧。

高炉热风炉燃烧采用高炉煤气，而高炉在实际生产操作过程中由于炉况不稳定或其它种种原因，致使高炉煤气压力不稳定，煤气热值产生波动，进而影响热风炉炉顶温度发生变化，最终影响送风温度。

因此燃烧控制是热风炉最难的控制系统之一，它的控制品质的好坏将直接影响热风炉的拱顶温度及燃烧的热效率。

为了达到最佳燃烧需不断精确调整空气及煤气的供给量，这样，给热风炉燃烧操作带来一定的难度和较大的劳动强度，因此寻找一种能够进行最佳燃烧，节省煤气，降低能耗，减轻劳动强度，同时提高高炉效率的燃烧方法成为必然。

我们通过计算热量数学模型在煤气压力和热值不断变化的情况下以热风炉炉顶温度作为主环，以煤气支管流量为副环，并将煤气量与空气量进行比值控制，构成串级比值随动控制系统，根据炉况的变化，自动寻找最佳空燃比，使燃烧最佳最经济(解决比例燃烧问题)，结果提高了热风炉的风温。

因为热风炉工作是燃烧——送风——燃烧——送风的周期过程，所以燃烧是一个问断过程。

热风炉由送风转为燃烧的初期，煤气支管流量与实际值偏差很大，使煤气的波动假大，故拱顶温度调节单元的设定值是一个关键。

既要使热风炉在规定的时间达到设定的拱顶温度，又要使主环的控制对副环的影响很小，始终保证最佳燃烧。

燃烧控制过程描述：
a.热风炉的燃烧过程大致可分为三个阶段：
第一阶段：燃烧过程刚开始，热风炉的拱顶温度与废气温度都比较低，总供热量的计算值可作为总供热量调节器的设定值，助燃空气流量和混合煤气流量均为一常数，基本不变。

通过小开度指令完成，使用自动(事先设定)的方式完成这一指令，即将小开度指令直接送往输出模块，到执行机构去控制阀位开度，因为燃烧原则为空气先行，所以这小开度指令先送往空气执行机构，后送煤气执行机构。

小开度指令完成后，空气调节阀和煤气调节阀按一定的空燃比开到相应的角度。

第二阶段：热风炉的废气温度仍偏离设定值较远，总供热量的设定值也保持不变。

随着拱顶温度的不断上升，当拱顶温度达到设定值后，混合煤气流量需逐渐减少，但为了使废气温度不断升高，必须保持一定的供热量。

第三阶段：热风炉的废气温度已上升至设定置，应使总供热量的设定值逐渐减少，从而使助燃空气流量和混合煤气流量均减少。

b.燃烧控制过程描述：
包括以下三个调节回路：
·混合煤气流量调节系统
·助燃空气流量调节系统
·拱顶温度调节系统
拱顶温度调节器输出信号的规律是这样的：当燃烧过程刚开始时，拱顶温度较低，与拱顶温度调节器的设定值的偏差较大，使拱顶温度调节器输出信号约等于1。

此时混合煤气调节器的的设定值选中助燃空气流量信号（配比），即按热风炉所需要的供热量进行燃烧。

随着燃烧过程的进行，拱顶温度不断地升高，使拱顶温度调节器输出信号小于1。

当输出信号小于0.5时，此时拱顶温度已接近或达到设定值，因此需要适当地减少一些混合煤气量。

高炉煤气调节器的的测量值是经温度、压力补正计算后的流量测量值。

高炉煤气调节器的的输出信号控制高炉煤气调节阀的开度。

助燃空气调节器的的设定值是高炉煤气流量信号按空然比计算得到，助燃空气调节器的的输出信号控制助燃空气调节阀的开度。

为了进一步减少提高燃烧效率，可以采用双交叉限幅进行热风炉燃烧控制，使燃烧更加充分，从而减少能源消耗，提高效率。

同时，可以进行智能控制系统方面的深入研究，当前基于案例推理智能控制技术（CRB），发展迅速，原理简单，技术实用，应用广泛，可以推广应用于热风炉的控制系统当中。

五、结束语
从这几年做过的几个大型钢铁公司的热风炉计算机控制系统系统运行情况来看，不仅能够满足高炉生产需要，而且运行效果一直很好，燃烧充分，烟气中的CO等有害气体大大减少，减轻了对大气的污染程度，取得了较好的效益。