熱風爐自動控制技術應用

邵國利 周旭朋 季雙鳳 王新彥 尹曙昶

(安陽鋼鐵股份有限公司)

熱風爐自動控制技術應用

邵國利 周旭朋 季雙鳳 王新彥 尹曙昶

(安陽鋼鐵股份有限公司)

主要介紹安鋼2000 m3級熱風爐工藝流程和及自動控制系統(tǒng),并著重闡述了熱風爐燃燒過程的串級控制部分,使煤氣在爐內能充分燃燒,提高燃燒效率,節(jié)省了能源,減少了大氣的污染、保護了環(huán)境。

熱風爐 工藝流程 串級燃燒控制

0 前言

高爐熱風爐是給高爐燃燒提供熱風以助燃的設備,是一種儲熱型熱交換器。國內大部分高爐均采用每座高爐帶3至4臺熱風爐并聯(lián)輪流送風方式,保證任何瞬時都有一座熱風爐給高爐送風,而每座熱風爐都按:燃燒—燜爐—送風—燜爐—燃燒的順序循環(huán)生產(chǎn)。當一座或多座熱風爐送風時,另外的熱風爐處于燃燒或燜爐狀態(tài)。送風中的熱風爐溫度降低后,處于燜爐狀態(tài)的熱風爐轉入送風狀態(tài),原來送風熱風爐轉入燃燒狀態(tài)、蓄熱直至溫度達到要求后,轉入燜爐狀態(tài)等待下一次送風。

熱風爐燃燒過程是一個非線性、反應嚴重滯后的系統(tǒng),影響熱風爐燃燒的因素很多,并且各種因素相互牽制,因此導致它的控制過程非常復雜,很難用精確的數(shù)學模型描述。為了在規(guī)定的燃燒時間內,按照溫升曲線完成對熱風爐的加熱,并且達到低污染、高效率的要求,熱風爐燃燒需要助燃空氣與煤氣量的精確控制。即控制助燃空氣與煤氣的流量,使二者按照一定的空燃比完全燃燒,用傳統(tǒng)的方法進行控制,很難實現(xiàn)系統(tǒng)的平穩(wěn)性和可靠性。使用多種控制技術,合理優(yōu)化控制,使煤氣在爐內能充分燃燒是一項技術難題。

1 熱風爐工藝流程

熱風爐爐內砌有許多格子磚,對熱風爐的加熱,也就是加熱這些格子磚。在加熱期間,也被稱為"燃燒"狀態(tài),煤氣和大量的助燃空氣混合燃燒,使熱風爐格子磚加熱,廢氣從熱風爐煙道排出。當熱風爐被加熱到一定溫度時,結束燃燒狀態(tài),然后準備向高爐提供熱風,也就是準備換到“送風”狀態(tài)。在送風期間,冷風通過格子磚,磚的熱量傳遞給流過的空氣,被加熱的空氣也稱作熱風,通過管道送入高爐給高爐供熱風。三個熱風爐交替連續(xù)不斷給高爐提供熱風,保持高爐的連續(xù)生產(chǎn)。

1.1 熱風爐的工作狀態(tài)

熱風爐主要有三種工作狀態(tài):即燃燒狀態(tài)、送風狀態(tài)和燜爐工作狀態(tài)。

1)熱風爐燃燒狀態(tài)。熱風爐處于燃燒狀態(tài)時,通過熱風爐煤氣管道和助燃空氣管道向熱風爐送入高爐煤氣和助燃空氣,高爐煤氣和助燃空氣燃燒產(chǎn)生熱量使熱風爐蓄熱;熱風爐處于燃燒狀態(tài)時,其廢氣閥、煙道閥、助燃空氣燃燒閥、高爐煤氣燃燒閥、高爐煤氣切斷閥等閥均處于開啟狀態(tài),其它各閥 (切斷閥)均處于關閉狀態(tài)。

2)熱風爐送風狀態(tài)。熱風爐處于送風狀態(tài)時,向燃燒結束蓄有一定熱量的熱風爐送入冷風,冷風經(jīng)熱風爐加熱后再送入高爐。熱風爐處于送風狀態(tài)時,其冷風閥、熱風閥處于開啟狀態(tài),其它各閥 (切斷閥)均處于關閉狀態(tài)。

3)熱風爐燜爐狀態(tài)。熱風爐處于燜爐狀態(tài)時,為保持溫度,熱風爐所有的閥門均處于關閉狀態(tài)。

1.2 熱風爐工作狀態(tài)的轉換

熱風爐處于上述三種狀態(tài)之間的轉換過程定義為換爐過程。在熱風爐的操作過程中最基本的工作過程是換爐。換爐時,應保證整個熱風爐系統(tǒng)不間斷的向高爐送風,并應盡量使進入高爐的風量、風壓波動很小,還要注意煤氣安全。熱風爐工作狀態(tài)改變周期順序如圖1所示。

圖1 熱風爐工作狀態(tài)

2 自動控制系統(tǒng)組成及換爐控制方式

2.1 自動控制系統(tǒng)組成

熱風爐控制系統(tǒng)是高爐自動化中的基礎自動化子系統(tǒng),采用MOD I CON公司的 UN ITY系列 PLC可編程控制器,完成順序控制和回路控制。采用工業(yè)以太網(wǎng)和OS監(jiān)控系統(tǒng)進行控制和監(jiān)控。熱風爐自動控制系統(tǒng)由儀控和電控兩部分組成。儀控主要完成工藝生產(chǎn)過程參數(shù)檢測、各種切斷閥的動作聯(lián)鎖過程控制、各種調節(jié)閥的自動調節(jié)控制。電控主要完成熱風爐各種設備的電氣過程控制。UN ITY系列可編程控制器實時性強、可靠性高、體積小且堅固耐用,具有處理復雜的數(shù)據(jù)運算、存儲及查詢等功能,能夠滿足工藝要求進行邏輯控制和算法控制。

2.2 換爐控制方式

熱風爐換爐方式包括“全自動”(整個換爐過程全自動進行)、“單爐自動”(對單個熱風爐進行換爐操作,單爐閥門按聯(lián)鎖關系自動執(zhí)行)、“單爐手動”(對單個閥進行操作,閥門之間保持聯(lián)鎖)、“機旁手動”(現(xiàn)場操作箱操作,各閥門之間沒有聯(lián)鎖)等四種操作方式。

2.2.1 全自動操作方式

在三座熱風爐同時工作時,選擇兩燒一送工作方式,控制程序按設定換爐時間,自動給出換爐提示,在得到應答后完成換爐過程。由“燃燒”轉為“送風”各閥門的動作順序為:關閉煤氣、空氣切斷閥和燃燒閥→延時若干秒后關閉煙道閥 (至此各閥關閉而轉入“閥爐狀態(tài)”)→開啟冷風旁通閥 (進入灌入冷風)→延時若干秒后開啟熱風閥→打開冷風閥→關閉冷風旁通閥;由“送風”轉入“燃燒”各閥門的動作的順序為:關冷風閥→關熱風閥→開廢氣閥 (放去爐內殘留廢氣)→延時若干秒均壓后開煙道閥→關廢氣閥→開煤氣切斷閥、燃燒閥 (煤氣調節(jié)閥微開若干秒,點火后全開)→開空氣燃燒閥。

2.2.2 單爐自動操作

根據(jù)熱風爐當前工作狀態(tài)人為選擇其要轉換的工作狀態(tài)。例如:燜爐→燃燒、燃燒→燜爐,燜爐→送風,送風→燜爐、進行狀態(tài)轉換,各閥門按聯(lián)鎖關系動作。

2.2.3 單爐手動

根據(jù)熱風爐當前的工作狀態(tài)人為選擇要轉換的工作狀態(tài),在操作站上對單個閥門進行開、關操作,各個閥門的開、關保持聯(lián)鎖關系。

2.2.4 機旁手動

使用現(xiàn)場控制箱上的按鈕,對單個閥門操作,各閥門之間沒有聯(lián)鎖關系,供設備檢修、緊急情況下使用。

3 熱風爐燃燒過程串級控制

3.1 熱風爐燃燒過程

熱風爐燃燒所用的燃料為高爐煤氣,燃料進入熱風爐燃燒室后,與助燃空氣一起通過燒嘴進行燃燒。熱風爐的燃燒時間約為110min左右。燃燒時爐體溫度達1050℃,拱頂溫度最高不得超過1350℃。熱風爐燃燒控制通過調節(jié)煤氣和助燃空氣流量以及兩者之間的比值 (空燃比)來實現(xiàn)。

熱風爐燃燒過程分為加熱期和蓄熱期 (如圖2所示)。在加熱期內,在限定燃燒時間和熱風爐拱頂溫度后,應盡量縮短達到規(guī)定拱頂溫度的時間,即縮短加熱期,這樣可以延長蓄熱期,增加熱風爐內存儲的熱量,降低送風時風溫的波動。在蓄熱期內,除了要保證拱頂溫度不發(fā)生大的變化,還要考慮廢氣的溫度。熱風爐廢氣溫度不能超過規(guī)定的界限(350℃),否則爐篦子支柱將被損壞,降低爐體壽命。增加熱損失。目前降低廢氣溫度的主要方法是減少煤氣量,而煤氣量的減少會導致拱頂溫度下降、熱風爐蓄熱量降低。如何既能獲得更多的蓄熱量,又能保持廢氣溫度在規(guī)定界限內是熱風爐控制的關鍵問題,采用串級控制燃燒過程,可以很好地解決這一技術問題。

圖2 熱風爐燃燒過程

3.2 串級控制系統(tǒng)

3.2.1 串級控制系統(tǒng)原理及優(yōu)點

串級控制系統(tǒng)是一種復雜的控制系統(tǒng),它是由兩個或兩個以上的控制器串聯(lián)組成,一個控制器的輸出作為另一個控制器的設定值,在結構上形成兩個環(huán) (如圖3所示),里面的環(huán)起粗調作用,外面的環(huán)用來完成細調任務。在熱風爐燃燒控制過程,用溫度控制器的輸出信號作為煤氣流量控制的設定值,在煤氣控制回路中引入溫度串級控制,通過選定爐頂溫度為被控參數(shù),可以使熱風爐根據(jù)設定的溫度曲線來控制煤氣流量,實現(xiàn)熱風爐的爐頂溫度控制。

圖3 串級控制系統(tǒng)方框圖

采用串級控制可以迅速消除副控制器回路中進入的擾動影響,例如煤氣流量的變化以及熱值的變化。當干擾來自煤氣流量的變化時,其工作過程為:初始階段,爐頂溫度不變,溫度控制器的輸出不變,流量控制器就按照變化了的測量值與沒有變化的設定值之差進行控制,改變調節(jié)閥的原有開度,煤氣流量向原來的設定值靠近。當爐頂溫度發(fā)生變化時,溫度控制器不斷改變著流量控制器的設定值,流量控制器就按照測量值與變化了的設定值之差進行控制,直到爐頂溫度重新恢復到設定值。當干擾來自煤氣的熱值方面,使爐出口溫度升高時,其工作過程為:爐頂溫度升高→溫度控制器輸出降低→流量控制器設定值降低,使煤氣流量為適應溫度控制的需要而不斷變化。

3.2.2 串級燃燒控制過程

在燃燒初期,為了保證空氣先行,需給空氣流量調節(jié)閥一個初期開度。同時為避免燃燒一開始,就有大量的煤氣流量產(chǎn)生,需給煤氣流量調節(jié)閥一個初期開度,即煤氣流量串級調節(jié)、空氣流量串級調節(jié)均選擇煤氣初期開度設定值及空氣初期開度設定值,同時將廢氣溫度串級調節(jié)、爐頂溫度串級調節(jié)設為手動。拱頂溫度開始迅速上升,當檢測拱頂溫度上升到接近要求溫度時,將爐頂溫度串級調節(jié)置成自動,檢測到的煤氣流量經(jīng)串級調節(jié)單元輸出后乘以空燃比,從而獲得空氣流量設定值。在空氣流量調節(jié)單元內,空氣流量設定值與檢測到的空氣流量實際值進行比較,從而決定空氣流量調節(jié)閥的大小。當進入蓄熱期后,將廢氣溫度串級調節(jié)設為自動,獲得煤氣流量給定值,與檢測到的煤氣流量進行比較,從而決定煤氣流量調節(jié)閥的大小。在燃燒期內,控制的主要目標是維持拱頂溫度在設定范圍內,在蓄熱期內,控制的主要目標變?yōu)閺U氣溫度,通過調節(jié)煤氣流量的大小使廢氣溫度控制在350℃內。

3.2.3 串級控制參數(shù)整定方法

二步整定法分兩步對串級控制系統(tǒng)主、副控制器進行參數(shù)整定。副控制器回路的要求一般較低,通常采用先副后主的步驟。先將主控制器的輸出斷開,切入手動位置,對副控制器單獨進行參數(shù)整定,方法與簡單控制系統(tǒng)類似,然后再將主控制器的輸出接通,切入自動位置,對主控制器進行參數(shù)整定,方法也與簡單控制系統(tǒng)類似。必要時可對副控制器參數(shù)再作調整,反復進行。一步整定法是一種較簡捷的整定方法。副控制器構成回路的控制要求不高,可根據(jù)一些經(jīng)驗準則確定副控制器的參數(shù)值,因而只需像簡單控制系統(tǒng)一樣對主控制器參數(shù)進行整定。

4 應用效果

串級燃燒控制技術在2000 m3級高爐熱風爐上的應用,有效的控制熱風爐燃燒,使熱風爐既能充分蓄熱,達到了最佳燃燒效率,確保向高爐送風的溫度和時間,又能最大限度的減少能源消耗,防止熱風爐拱頂過燒,延長熱風爐壽命,從根本上解決了熱風爐非線性、反應嚴重滯后,燃燒控制困難的技術難題。

5 結語

安鋼2000 m3級高爐熱風爐自動控制系統(tǒng)應用串級控制技術,優(yōu)化了燃燒控制方案,通過串級燃燒控制調節(jié),實現(xiàn)了自動控溫,保證了空氣、煤氣的入爐最佳比例,使煤氣充分燃燒、高效供熱,避免了能源浪費,減小了環(huán)境污染。提高了生產(chǎn)效率。

[1]何衍慶.工業(yè)生產(chǎn)過程控制.北京:化學工業(yè)出版社,2004:65-68.

[2]田濤.過程計算機控制及先進控制策略的實現(xiàn).北京:機械工業(yè)出版社,2007:79-81.

UTOMATI ON CONTROL TECHNOLOGY APPL ICATI ON OF HOT STOVE

Shao Guoli Zhou Xupeng Ji Shuaogfeng Wang Xinyan Yin Shuchang
(Anyang Iron﹠Steel Stock Co.,Ltd)

The papermainly introduced the process and automation control system of2000 m3hot stove and cascade combustion control.It can make sufficient combustion,rise combustion efficiency,save energy,decrease pollution.

hot stove process cascade combustion control

2010—3—27