熱風爐自動燃燒控制系統研究與應用

溫興河

摘 要：本文主要應用專家系統和自尋優控制模型等技術，實現燒爐狀態、外界波動動態判定以及燒爐控制策略選擇，并通過空燃比快速尋優和流量優化控制，確保燒爐過程始終（包括燃燒期、蓄熱期）處于最佳配比燃燒狀態。實現煉鐵工序低碳節能、降耗降本的目的。

關鍵詞：熱風爐；自動控制；應用

中圖分類號：TG162.4 文獻標志碼： A

0 前言

山鋼集團萊蕪分公司熱風爐換爐操作為半自動加手動，其中燒爐過程完全由人工手動調節，崗位操作人員要根據熱風爐的拱頂溫度上升情況，通過頻繁調節煤氣和空氣調節閥開度，來增減煤氣及空氣的流量大小，判定給出熱風爐燒爐的空燃比，逐步尋找合理的空燃比。人工調節存在的問題：

（1）因個人技能和責任心差異較大，使各班燒爐狀況不穩定、不統一。

（2）同樣條件所能提供風溫不一樣，煤氣的消耗也不一樣，高爐爐況變化大時差異更大。

（3）尋找空燃比時間較長，且很難尋找最佳的空燃比。

（4）煤氣壓力波動頻繁，煤氣熱值也不斷變化，最佳空燃比是不斷變化的，所以人工判斷、調劑難度很大，不但工作量大，而且往往調整不及時（滯后或超前）、不準確，造成燒爐過程中拱頂溫度波動較大，燒爐效果差，影響高爐風溫使用水平。

本文主要針對熱風爐換爐操作為半自動加手動，其中燒爐過程完全由人工手動調節導致判斷、調劑難度很大，調整不及時不準確，造成燒爐過程中拱頂溫度波動較大，燒爐效果差，影響高爐風溫使用水平的問題。應用專家系統和自尋優控制模型等技術，實現燒爐狀態、外界波動動態判定以及燒爐控制策略選擇，并通過空燃比快速尋優和流量優化控制，確保燒爐過程始終（包括燃燒期、蓄熱期）處于最佳配比燃燒狀態

1 熱風爐自動控制功能開發

1.1 數據采集，實現二級上位機能夠讀取和控制熱風爐PLC系統。其中關鍵性技術（問題）PLC系統的通信的解決方法（技術手段）是通過OPC通信協議建立OPC服務器和客戶端實現與PLC通信。

1.2 控制決策協調器，實現專家系統、燃燒自尋優模型、拱頂溫度控制模型和速度模型協調控制。其中關鍵性技術（問題）協調控制的解決方法（技術手段）是通過與生產操作工結合，了解熱風爐工藝確定各個模型之間的時序，編寫程序實現總結出來的時序控制。

1.3 專家系統，實現在煤氣壓力和熱焓值變化比較大的情況下，利用專家系統根據熱風爐當前工藝條件算出相應的調節閥輸出。其中關鍵性技術（問題）專家最佳案例的收集和工藝條件的判斷輸出的解決方法（技術手段）是通過與生產操作工結合了解熱風爐工藝確定最佳案例的判斷條件，以及案例管理算法。

1.4 自尋優模型，實現模仿操作工熱風爐操作控制空燃比最優。其中關鍵性技術（問題）外界條件不斷變化下最佳空燃比的確定的解決方法（技術手段）是通過時間序列法與熱風爐操作工燒爐經驗總結出自尋優模型算法，根據算法確定出最佳空燃比，并且應用于自動燃燒控制中。

1.5 拱頂溫度控制模型，實現拱頂溫度控制在目標溫度范圍內。其中關鍵性技術（問題）煤氣質量影響拱頂溫度高低的解決方法（技術手段）是通過尋找到最佳空燃比，根據熱風爐操作工操作經驗控制拱頂溫度在目標范圍之內。

2 系統創新

2.1 系統獨立、功能清晰：本系統與現有熱風爐 PLC 系統之間功能獨立，PLC系統保持現有換爐邏輯控制不變，而本系統則負責自動燒爐狀態下煤氣、空氣的閥門調節量設定計算，并下發 PLC 系統控制執行。

2.2 技術先進、效果顯著：采用專家系統和模糊控制技術，實現燃燒狀態和外界波動動態識別，通過空燃比快速尋優，確保系統始終（包括強化燃燒期、蓄熱期）處于最佳配比燃燒狀態，即最佳燒爐狀態。

2.3 操作方便、界面友好：本系統自動獲知燒爐信號后，即可根據燒爐目標（目標拱頂溫度、目標廢氣溫度和目標換爐周期）實現燒爐全過程的煤氣閥和空氣閥的自動調節，全過程無需人工干預。

2.4 無擾動系統投運：本系統能在正常生產過程中完成安裝部署，并利用熱風爐換爐間隙實現系統投運，安裝調試操作對正常生產無不良影響。即使發生特殊情況，可借助“控制權切換”操作，切換到原有控制系統和控制模式。

2.5 異常應對方便快捷：本系統可實現手動與自動的無擾切換。在緊急條件下，通過“控制權切換”操作，本系統隨時可切換到手動控制模式，待異常解除后亦可切換到自動控制模式。

2.6 系統運行穩定可靠：采用拱頂溫度、廢氣溫度、煤氣流量、空氣流量、煤氣壓力等常規非易損量為輸入量，具備燒爐狀態判定準確、燒爐控制精確的特點，保證系統的長期穩定性和可靠性。

2.7 新增系統維護工作量少：本系統主要依賴于原來測量儀表、控制閥及通訊回路，新增設備有限，系統維護工作主要集中于上述儀表設備，基本不額外增加維護工作量。

2.8 克服熱風爐非線性、大滯后、慢時變特性的復雜被控對象特點把專家智能控制應用到熱風爐自動燃燒控制中，脫離PLC基礎控制真正實現二級控制系統的研究與應用。

2.9 由于熱風爐燒爐過程中煤氣熱值、煤氣壓力、煤氣溫度和空氣溫度時刻變化的不利因素，利用空燃比自尋優模型算法實時追蹤最佳空燃比基帶控制熱風爐燃燒，實現節約煤氣消耗的目的。

結論

山鋼集團萊蕪分公司熱風爐通過自控系統硬件升級、保證了設備安全順行。具有以下優點：

（1）系統獨立、功能清晰：本系統與現有熱風爐 PLC 系統之間功能獨立，PLC系統保持現有換爐邏輯控制不變，而本系統則負責自動燒爐狀態下煤氣、空氣的閥門調節量設定計算，并下發 PLC 系統控制執行。

（2）技術先進、效果顯著：采用專家系統和模糊控制技術，實現燃燒狀態和外界波動動態識別，通過空燃比快速尋優，確保系統始終（包括強化燃燒期、蓄熱期）處于最佳配比燃燒狀態，即最佳燒爐狀態。

（3）操作方便、界面友好：本系統自動獲知燒爐信號后，即可根據燒爐目標（目標拱頂溫度、目標廢氣溫度和目標換爐周期）實現燒爐全過程的煤氣閥和空氣閥的自動調節，全過程無需人工干預。

（4）無擾動系統投運：本系統能在正常生產過程中完成安裝部署，并利用熱風爐換爐間隙實現系統投運，安裝調試操作對正常生產無不良影響。即使發生特殊情況，可借助“控制權切換”操作，切換到原有控制系統和控制模式。

近年來熱風爐自動燃燒控制系統在鋼鐵企業得到應用，但是大多數熱風爐自動燃燒系統都需要依靠殘氧量的測量參數，本項目研發的熱風爐自動燃燒系統不依靠殘氧量參數，只需要常規的流量、壓力參數就能實現自動燃燒，所以，本項目研發的熱風爐自動燃燒控制系統能廣泛地應用在鋼鐵企業中的熱風爐控制中，具有很好的市場前景和應用前景。

參考文獻

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