智能混合控制器在轉爐干法除塵中的應用

孫炳鵬

（中冶華天工程技術有限公司，南京210019）

目前，大型轉爐煙氣凈化與回收的方法有2種。一種是濕法除塵；另一種是以德國魯奇公司為代表的干法除塵[1]。干法除塵主要具有以下3個優點：效率高，節能，無廢水廢渣。轉爐干法除塵已獲得世界各國的重視和采用，符合我國節能環保的政策，其已被認定為轉爐煙氣凈化與回收今后的發展方向。但轉爐干法除塵有危險程度高、操作難度大、控制精度要求較高等缺點，這就要求系統的自動控制程度必須很高。在轉爐干法除塵系統中，蒸發冷卻器出口的溫度控制精度要求很高，溫控好壞直接決定了除塵效果及轉爐煉鋼是否順利。因此，各大轉爐廠都在如何控制好蒸發冷卻器出口溫度上下了很大功夫。為了提高蒸發冷卻器出口溫度的控制精度，采用智能混合控制器[2]控制蒸發冷卻器的噴水量，取得了理想的控制效果。

1 蒸發冷卻器出口溫度控制

轉爐高溫煙氣（1400～1600）℃經汽化冷卻煙道冷卻，煙氣溫度降為（850～1000）℃，然后通過蒸發冷卻器（EC），經高壓水及蒸汽霧化冷卻，煙氣直接冷卻到300℃左右。噴水量根據煙氣含熱量精確控制[3]，所噴出的水完全蒸發，噴水降溫的同時對煙氣進行調質處理，使粉塵有利于電除塵器的捕集[4]。在蒸發冷卻器內，約40%～50%的粗粉塵沉降到底部，并經排灰閥排出。若噴水量過小，蒸發冷卻器出口溫度會過高，這將直接導致轉爐提槍，整個冶煉過程停止，并且會影響比電阻，不利于靜電除塵器的除塵，嚴重影響除塵效果；若噴水量過大，噴出的水不能完全蒸發，會造成蒸發冷卻器及粗灰倉濕灰，不能經排灰閥排出，導致轉爐長時間不能冶煉。由于轉爐具有冶煉周期比較短、煙氣含熱量變化特別劇烈、溫度滯后嚴重等特點，從而造成蒸發冷卻器噴水量非常難控制[5]。

2 常規控制方式及缺點

蒸發冷卻器出口溫度濕度常規控制采用串級控制[6]，包括溫度控制器（主控制器）和流量控制器（副控制器）。常規串級控制框圖如圖1所示。

圖1 常規串級控制框圖Fig.1 Block diagram of conventional cascade control

圖1中T1、T2、T3分別為蒸發冷卻器出口設定溫度、出口實測溫度和入口實測溫度，℃；F1為模型計算噴水量，t/h；F2為蒸發冷卻器實測噴水量，t/h；F3為蒸發冷卻器實測噴蒸汽流量，t/h；F4為靜電除塵后實測濕煙氣流量，m3/h；k1為修正系數，由主控制器根據T1及T2的變化輸出。

根據數學模型，可以計算出蒸發冷卻器所需要的噴水量 F1=k1k2［F4-（F2+F3）K3］（T3-T1），其中 k1為修正系數，k2和k3為常數。主控制器以蒸發冷卻器出口測量溫度為反饋信號，以畫面蒸發冷卻器出口設定溫度為標準信號，通過PID調節計算出修正系數k1[7]。由于剛開始吹煉時，熱量變化特別劇烈，再加上溫度具有一定的滯后性，故在吹煉前期噴水量很難達到控制要求，蒸發冷卻器出口溫度濕度波動特別大，尤其是在吹煉最初的2 min，經常由于噴水不當造成濕灰或出口溫度過高，直接造成轉爐停產。因此，該串級控制系統在工況變化特別劇烈及具有溫度滯后的被控對象上時，效果并不理想。

3 智能混合控制器設計

蒸發冷卻器出口溫度濕度采用串級控制方式的主要缺點是在轉爐冶煉前期控制效果比較差，在冶煉的中后期控制效果還是比較理想的，因此只要把轉爐冶煉前期控制方案進行改善，使前期的控制效果也比較理想，整個蒸發冷卻器出口溫度濕度的控制方式就比較完美。由于轉爐冶煉前期具有熱量變化特別劇烈、溫度響應滯后、找不到前期冶煉的具體噴水模型等特性，而模糊控制恰好對那些數學模型難以獲取、動態變化非常顯著的對象非常適用，因此設計了智能混合控制器[8]。即在轉爐吹煉前期采用模糊控制[9]方案來控制噴水量，轉爐吹煉中后期采用串級控制方案來控制噴水量，模糊控制和串級控制根據蒸發冷卻入口溫度的變化率自動切換，取得了理想的控制效果。智能混合控制器控制框圖如圖2所示。

圖2 智能混合控制框圖Fig.2 Block diagram of intelligent hybrid control

圖2中T1為蒸發冷卻器出口設定溫度，℃；T2為蒸發冷卻器出口實測溫度，℃；T3為蒸發冷卻器入口實測溫度，℃；T3c為蒸發冷卻器入口溫度的變化率；F1為系統選擇噴水設定量，t/h；F2為蒸發冷卻器實測噴水量，t/h；F3為蒸發冷卻器實測噴蒸汽流量，t/h；F4為靜電除塵后實測濕煙氣流量，m3/h；F5為模型計算噴水量，t/h；F6為模糊控制器輸出的噴水量，t/h；k1為修正系數，由主控制器根據T1及T2的變化輸出。

模糊控制的論域及隸屬函數[10]根據實際情況而選定。根據該系統的特點，FZ采用不對稱模糊控制規則，如表1所示。蒸發冷卻器入口溫度變化率T3c為負時，該混合器自動切換為串級控制方式，所以在 T3c為NL、NM、NS、NZ時，模糊控制器FZ不應有輸出，F6取0。蒸發冷卻器入口溫度T3為負時，該系統不需要噴水冷卻，所以在T3為NL、NM、NS、NZ時，模糊控制器FZ也不應有輸出，F6取0。其他規則根據“T3及T3c越大噴水量就越大”的原則設計。只要合理調整各參數，模糊控制器就能夠達到很好的控制效果。

表1 FZ控制規則表Tab.1 FZ control regulation table

4 應用

在北方某鋼廠120 t轉爐干法除塵系統中，采用該智能混合器控制干法除塵蒸發冷卻器出口溫度，整個冶煉過程溫度波動控制在±6℃范圍內，而傳統的串級控制系統控制的蒸發冷出口煙氣溫度波動范圍達到±20℃，可見該智能混合控制器控制效果非常理想，實現了轉爐整個冶煉過程蒸發冷卻器全自動噴水，完全避免了由于干法除塵噴水不當造成的轉爐停產，并很好地調節了煙氣的比電阻，煙氣含塵量達到10 mg/m3左右，環保效果突出。

5 結語

從智能混合控制器在國內幾個煉鋼廠120 t轉爐干法除塵系統應用效果來看，該控制器對蒸發冷卻器出口溫度控制效果非常理想，大大提高了轉爐的效率，使轉爐排放煙氣的含塵量遠遠低于國家規定的含塵量，與常規的串級控制相比，該控制器使被控對象波動較小，穩定性很高，能夠適應變化劇烈的工況。這種智能混合控制器非常適合在前期工況變化劇烈而后期相對穩定的控制系統中應用。

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[2] 蔡自興.智能控制[M].北京：電子工業出版社，2004：61-74.

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[4] 劉萍.100 t轉爐干法除法控制系統的研究與應用[D].山東：山東科技大學，2005.

[5] 魏新民，李銳，劉利民.轉爐煤氣干法凈化回收技術在萊鋼的應用[J].冶金能源，2005，24（5）：49-51.

[6] 王艷秋，王立紅，楊匯軍.自動控制理論[M].北京：北京交通大學出版社，2010.

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[8] 劉金琨.智能控制[M].北京：電子工業出版社，2005：37-86.

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[10]李洪興.Fuzzy控制的本質與一類高精度Fuzzy控制器的設計[J].控制理論與應用，1997，14（6）：868-872.■