基于模糊自尋優控制技術在熱風爐中的研究與應用＊

楊青峰

（山東工業職業學院電氣學院，山東 淄博 256414）

1 概述

熱風爐主要是為高爐提供冶煉需要的熱風，根據高爐容積的大小，配套的熱風爐數量通常為3座或4座。圣戈班穆松橋馬鞍山基地高爐配套3座熱風爐，高爐所產生的荒煤氣經過煤氣凈化后，為熱風爐和鍋爐提供燃燒使用的煤氣，由于沒有經過煤氣柜進行緩沖，造成高爐在布料過程中對煤氣壓力影響非常大。同時加之高爐容積比較小，高爐爐況不穩定造成其產生的煤氣熱焓值也不穩定。因此，熱風爐使用該煤氣燒爐進行自動控制難度比較大[1]。

經過對現場設備、工藝參數的數據采集分析，確定了基于模糊自適應控制策略實現對圣戈班穆松橋馬鞍山基地的熱風爐自動燃燒控制方案。該控制方案有效克服了熱風爐燃燒使用的煤氣壓力波動大、熱焓值不穩定等不利因素，有效提高了熱風溫度和節約了煤氣。

2 模糊自尋優技術應用

2.1 工藝簡介

熱風爐的工作過程：燃燒→悶爐→送風→悶爐→燃燒，整個循環工作過程是格子磚（蓄熱室內）在燃燒期間吸收熱量，然后把熱量在送風期間傳給空氣，加熱后送入高爐。

如圖1 所示，熱風爐的燃燒分兩個周期：1）強化燃燒期，短時間達到最高拱頂溫度，如果實際溫度＞=Tmax，自動進入下個循環；2）蓄熱期，煙道溫度達到要求的最高溫。

圖1 熱風爐燃燒工藝原理圖

當爐子送風時間和蓄熱面一定后，熱風爐蓄熱程度以煙道溫度達到規定溫度來衡量。影響煙道溫度的因素是燃燒時間T、空氣燃燒量以及煤氣燃燒量。

2.2 系統控制功能架構

通過模糊自尋優控制在快速加熱期保證拱頂溫度快速上升，在蓄熱期拱頂溫度穩定在設定值。為了實現空氣流量和空燃比的最優控制，從而保證熱風爐加熱過程處于最優，因此，初步設計整個系統包括下列模塊：專家協調控制器、快速加熱期空燃比模糊自尋優控制器、蓄熱器空燃比模糊自尋優控制器、蓄熱器空氣流量模糊自尋優控制器、流量給定計算模塊和流量調節閥前饋協調器。第四模塊完成流量對空燃比和煤氣流量設定的跟隨即優化控制。前三模塊對空燃比尋優。流量調節閥前饋協調器在流量給定計算模塊給出流量后計算煤氣、空氣閥開度[2]。

2.3 模糊自尋優控制器

模糊控制器用于快速燃燒期及蓄熱期空燃比的優化設定，控制輸入為拱頂溫度偏差以及偏差變化率，控制輸出是空燃比調節增量。在給定空燃比初始值的前提下增量調節控制，得到最優空燃比[3]。

模糊自尋優控制器設計步驟：

1）確定輸入輸出變量：

拱頂溫度偏差e和偏差變化率ec為模糊控制器的輸入，空燃比增量u是輸出。

2）模糊自尋優控制器的控制規則的設計：

表1 偏差 e 隸屬函數中心和寬度表

表2 偏差變化率 ec 隸屬函數中心和寬度表

圖2 手動燒爐煙道氧含量

e、ec的隸屬度函數采用高斯隸屬函數，解析式如下：

偏差e的高斯型隸屬函數中心和寬度如表1所示。

高斯型隸屬函數中心和寬度如表2所示。

3）模糊自尋優控制器系數設定：

Ke選大了，系統動態性能上升較快，超調量較大，過渡過程長。

Ke的初選值：Ke=6/60=0.1。

Kec 選較大時系統超調量減小，響應速度變慢，因此Kec對系統超調抑制明顯。

Kec的初選值：Kec=6/40=0.15。

模糊自尋優控制器系數在線修正：利用專家系統對模糊控制器量化因子Ke、Kec 進行修正。根據E 和EC 的大小確定Ke、Kec 的取值。當E 和EC 很大時，控制系統要減小誤差，加快動態過程，得到較大的控制量，應減小Ke 和Kec；當E和EC很小時，應加大Ke和Kec。

通過模糊自尋優控制器，將e 和ec 模糊化后求得E、EC，得到u，空燃比的增量通過對被觸發的規則輸出加權平均后求得，然后加上當前空燃比實際值，得到輸出設定值[4]。

3 效果對比

本系統在圣戈班穆松橋馬鞍山基地的熱風爐上已經成功應用，該系統能把熱風爐的煙道氧含量控制在0.5～1.0 之間，正常燃燒過程中煙道一氧化碳含量小于500 ppm。圖2、圖3為現場煙道氧含量對比圖。

圖3 自動燒爐煙道氧含量

從上面兩幅圖中可以看出手動燒爐對煙道氧含量控制不平穩，間接的反應出空氣和煤氣的配比不合適，自動控制能把氧含量控制在目標范圍內，使空氣和煤氣達到合理的配比，煤氣得到充分燃燒達到節約能源的目的。

4 結論

鋼鐵企業廣泛應用熱風爐自動燃燒控制系統，本系統只需常規的氧含量、流量、壓力參數，可以實現自動優化燃燒。