模糊控制在高爐爐溫控制中的應用

王文雙

(馬鞍山鋼鐵股份有限公司，安徽 馬鞍山 243003)

1 前言

高爐主要是鋼鐵冶煉的設備，而其中的熱風爐主要是為高爐提供熱風的燃燒設備。熱風爐主要就是燃燒并送風給高爐。在熱風爐燃燒階段，高爐的燃燒氣體在熱風爐內燃燒，并產生熱氣，熱氣在經過蓄熱室的時候對蓄熱室的蓄熱磚加熱，使之溫度升高并至某一臨界值;在送風的過程中，蓄熱室在將冷風加熱后將之輸送到高爐，降低高爐的能耗。由于熱風爐在燃燒過程中需要消耗巨大的能量，因此控制熱風爐的燃燒狀況對于高爐爐溫的控制是至關重要的。但是在目前的發展狀況表明，國內的控制技術相對落后，部分廠家的技術仍舊停留在手動控制，依靠操作工人的經驗來改變煤氣和空氣的比例控制熱風爐的燃燒。但由于控制的復雜性，很難最優化控制煤氣和空氣的比例，因此浪費了資源，影響冶煉的效率和質量。

因此，熱風爐爐溫控制的研究越來越受到重視:如何控制熱風爐的燃燒過程，并能使熱風爐保持熱量，保證高爐送風的時間長度和溫度，保證熱風爐的溫度，并能減少資源損耗，提高燃燒效率。

在熱風爐的控制方面，傳統的控制都是建立在明確的數學模型的基礎上。但是熱風爐溫控系統具有非線性，時變性，較大滯后性的特點，傳統的控制方法對于高爐爐溫控制系統無法做出有效的調整，很難適應熱風爐溫度的控制這樣復雜的控制對象。因此控制效果一直不甚理想。而在目前的控制方法中，模糊控制在爐溫控制中最受研究者的重視。

2 高爐燃燒過程分析

一般高爐的燃燒過程中，所用燃料品類，質量和送風量，以及壓力等各類因素都會影響高爐燃燒的狀況，從而影響高爐爐溫。

熱風爐是高爐的附屬設備，通過給高爐供給熱風來達到功能。我們要控制高爐的爐溫，很大程度上依賴于熱風爐燃燒的效率，因此對熱風爐的燃燒進行控制是很有必要的，并提高熱風爐的送風效率。

現在模糊控制的策略在于通過在安裝傳感器，分析空氣中氧氣的含量。并通過鼓風機線性改變燃風量，通過氧氣含量來改變然風量。現在熱風爐的燃燒過程分為燃燒期與送風期，燃燒期就是要以最快的速度燃燒，加熱爐子，使溫度達到某臨界值。在送風階段，要保證送風溫度，并要調節爐內煤氣量與空燃比，保證熱風爐內溫度，并使高爐溫度得到維持。

2.1 燃燒期溫度控制

根據以往文章，燃燒期熱風爐的中氧氣體積在0.3～0.7%時熱風爐燃燒情況會很好。因此可以把控制目標定為煙氣中氧氣體積為0.5 時，氧氣含量在0.4～0.6%時為穩態控制范圍，在這個范圍不進行改變控制。

2.2 送風期溫度控制

在保證熱風爐爐頂溫度不變的前提下，送風期應該充分燃燒，得到足夠的煙氣，以保證熱風爐的溫度。因此，在送風期中，我們需要同時調節煤氣含量和空氣與燃氣的比例。調節空氣和燃氣的比例，我們同樣采取上述控制方法，以2.1%的氧氣含量為控制指標，穩態控制范圍為1.7% ～2.5%。后期的話，控制煤氣輸入量需要根據煙氣溫度上升的誤差和誤差變化作為模糊控制的輸入變量，而輸出控制變量時煤氣該變量。通過改變煙氣溫度上升速率來改變煤氣流量。當煙氣溫度上升速度過快時，減少煤氣供給;不然則保持不變，當升高速度偏低且可能繼續減少時，則須根據實際情況增大煤氣量，并實時調整相關參數。

在此我們將煙氣溫度定為350℃，則煙氣升溫速度為V=(350-t1)/(t-t2)

上式中t1為送風爐爐頂達到指定溫度時煙氣溫度;t2 為送風爐爐頂達到指定溫度時燃燒時間;t 為燃燒時間。

熱風爐工作的狀況依賴于高爐的工作情況。當高爐的工作情況穩定后，依據送風溫度和量來計算出熱風爐的工作標準。通過這樣得出其物理模型。這個過程需要計算輸入與輸出量來求得。但是，相關過程的參量很難測量，因此純粹依靠模型很難計算出最優化燃燒條件。我們為了得到最優化條件，需要修正，修改計算過程，這就是模糊控制。

模糊控制通過熱風爐內的溫度情況和改變其操作條件來實現計算機控制，不同公司由于技術工藝設備的不同，在實際的控制方法略有差別，但的策略是一致的。一般的物理模型是根據高爐的作業狀況啟動控制，并進行計算，當熱風爐對高爐送風完畢時再反饋給熱風爐，對其下一個周期的燃燒參數進行修正。模糊控制的模型由幾組規則組成。一是判定熱風爐溫度是否能夠保持，然后輸出一個表示熱風爐溫度狀態的評定參數。二是依據該評定參數和方塊磚的溫度計算得出最佳的燃燒條件。一般來說方塊磚的溫度越低，溫度范圍越能有效利用熱風爐內的熱氣，從而提高熱風爐的加熱效率，穩定高爐溫度。

3 結論

對于高爐爐溫控制來說，燃燒控制是至關重要的一環。本文所介紹的控制方式模糊控制也是從其他策略總結演化的來。在引入模糊控制之后，高爐爐溫得到了更為有效的控制，并且很大程度上降低了熱量損耗，自動化的控制方式引進，避免了人為控制的滯后，實時保證高爐爐溫，并使其熱狀態穩定在某一范圍。

一般情況下，根據高爐爐溫的熱狀態調節其熱風爐的工作條件，在下一步工作中，如何能將熱風爐的熱控制和高爐爐溫控制緊密結合起來將是一個非常重要的課題。

［1］姜立秋，吳鏗，趙繼偉，等.熱風爐燃燒模糊控制系統［J］.鋼鐵研究學報，1999，11(6)：64-68.

［2］汪光陽，王志英，張雷，等.熱風爐燃燒系統模糊控制參數優化［J］.安徽工業大學學報，2003，20(4)：349-352.