分階段模糊控制在熱風爐燃燒控制中的應用

高 維

（湖南信息職業(yè)技術學院 電子工程學院，長沙410200）

目前，國內(nèi)大部分高爐熱風爐的燃燒控制都是采用傳統(tǒng)的比例極值調節(jié)法，這種方法對檢測儀表的要求不高，操作工根據(jù)工作經(jīng)驗手動改變?nèi)紵目杖急?，空燃比調整滯后，不能實現(xiàn)熱風爐的最優(yōu)燃燒。采用數(shù)學模型控制能夠針對各階段燃燒的不同特點對整個燃燒過程實施合理的控制，將燃燒和送風結合起來，實現(xiàn)全閉環(huán)自動控制[1]。但是數(shù)學模型需要有完善的檢測系統(tǒng)，投資成本大，在生產(chǎn)條件不夠穩(wěn)定、裝備水平較低的熱風爐中無法應用。國內(nèi)僅有寶鋼等幾個大型鋼鐵企業(yè)的高爐熱風爐使用了燃燒控制數(shù)學模型并且都是引進的國外公司產(chǎn)品。模糊控制技術在一定程度上克服了以上控制方法帶來的缺點，彌補了數(shù)學模型的不足[2]。

本文以某煉鐵廠高爐配套的4 座外燃式熱風爐為對象，對燃燒過程進行分階段控制，每個階段設計一個模糊控制器，根據(jù)目標溫度的偏差和變化速率來優(yōu)化空燃比，在不增加檢測儀表和投資成本的基礎上，提高熱風爐熱效率，穩(wěn)定拱頂溫度，達到工藝的設計要求。

1 工藝簡介

熱風爐在燃燒狀態(tài)下，通過煤氣的燃燒產(chǎn)生廢氣，廢氣穿過蓄熱室和格子磚進行熱交換達到蓄熱的目的[3]，整個燃燒過程，拱頂最高溫度不能超過1400 ℃；在送風期，冷風由下而上穿過蓄熱室，與格子磚進行熱交換后變?yōu)闊犸L送往高爐，熱風爐燃燒時間約90 min，送風時間約45 min。

熱風爐的整個燃燒過程分為燃燒初期、拱頂溫度管理期和廢氣溫度管理期3 個階段[4]，如圖1所示。

圖1 熱風爐燃燒過程原理Fig.1 Combustion process principle of hot blast stove

2 熱風爐模糊控制方案

每個燃燒區(qū)段的控制目標不同，燃燒初期為了盡快達到拱頂溫度設定值，以快速加熱為主，一般保持最大煤氣量根據(jù)含氧量調節(jié)空氣量[5]；拱頂溫度管理期以拱頂溫度為限制值，以廢氣溫度為主要控制對象，加大空氣量來增加蓄熱量；廢氣管理期保證在規(guī)定的燃燒時間內(nèi)，廢氣溫度不會超過上限，保證蓄熱量，防止爐蓖子支柱被損壞，提高熱風爐使用壽命，如圖2所示。

圖2 拱頂和廢氣溫度控制示意圖Fig.2 Dome and exhaust gas temperature control diagram

為了更好的控制效果，一個控制規(guī)則庫不能滿足各個燃燒階段的具體要求，所以采用分階段多規(guī)則庫的模糊控制器，對熱風爐燃燒過程采用分階段模糊控制。分階段多規(guī)則庫的模糊控制器是一個總的模糊控制器內(nèi)部包含幾個單功能的子模糊控制器。這些子模糊控制器針對燃燒過程不同狀態(tài)、不同控制規(guī)則設計，運行時根據(jù)系統(tǒng)輸入的狀況，通過選擇條件接通相應的模糊控制器，實現(xiàn)控制策略的轉換，熱風爐模糊控制方案框圖如圖3所示。

圖3 熱風爐模糊控制方案圖Fig.3 Fuzzy control scheme of hot blast stove

3 模糊控制器設計

熱風爐的燃燒系統(tǒng)是空氣隨煤氣調節(jié)的隨動比值控制系統(tǒng)，空燃比的設定是整個燃燒過程的控制關鍵。根據(jù)燃料熱值計算基本確定各燃燒階段的初始值，在各燃燒階段進行模糊運算確定燃燒狀況，對空燃比進行修正，修正后的空燃比通過網(wǎng)絡傳輸?shù)絇LC，計算得出空煤氣流量，按照交叉限幅進行控制。

熱風爐燃燒過程中的3 個階段，其每個階段對應的模糊控制器的形式和結構基本相同，下面以燃燒過程的拱頂溫度管理期為例說明，圖4為典型的模糊控制器的框圖。

圖4 模糊控制器框圖Fig.4 Diagram of fuzzy controller

3.1 輸入輸出變量的確定

拱頂溫度管理期，為了避免蓄熱時間不夠，提前進入廢氣溫度管理期。以廢氣溫度為控制目標，選取廢氣溫度與設定值的偏差值和廢氣溫度的變化率作為輸入量。廢氣設定溫度Tsv為300 ℃，其基本論域的范圍定義為［276 ℃，324 ℃］，煙氣溫度設定值與實際值的誤差：

設定論域E 為熱風爐煙氣溫度偏差e 的模糊子集，將基本論域分為n=6 檔，量化為13 個等級。根據(jù)，求得量化因子ke=4，對煙氣溫度偏差的基本論域進行均勻量化，采用三角形隸屬函數(shù)曲線，得到模糊語言變量E 的隸屬函數(shù)關系如圖5所示。

圖5 輸入變量E 的隸屬函數(shù)曲線Fig.5 Membership function curve of input variable E

煙氣溫度變化率的基本論域范圍定義為［-2.5 ℃，2.5 ℃］，煙氣溫度變化率：

第n-1 個采樣周期的溫度測量值是Tpv（n-1），第n 個采樣周期就是當前溫度的測量值Tpv（n），Δt是采樣周期，采樣周期1 min。設定論域EC 為熱風爐煙氣溫度變化ec 的模糊子集，將基本論域分為n=6 檔，量化煙氣溫度變化率為13 個等級，根據(jù)，求得量化因子，對煙氣溫度變化率的基本論域進行非均勻量化，采用三角形隸屬函數(shù)曲線，得到模糊語言變量EC 的隸屬函數(shù)關系如圖6所示。

圖6 輸入變量EC 的隸屬函數(shù)曲線Fig.6 Membership function curve of input variable EC

輸出變量為空氣與煤氣的空燃比修正系數(shù)u，其基本論域為［-0.04，0.04］。設定論域U 為輸出量空燃比修正系數(shù)u 的模糊子集，將基本論域分為n=6 檔，空燃比修正系數(shù)量化為13 個等級，離散化空燃比修正系數(shù)連續(xù)變化的精確量，采用三角形隸屬函數(shù)曲線，得到模糊語言輸出變量U 的隸屬函數(shù)關系如圖7所示。

圖7 輸出變量U 的隸屬函數(shù)曲線Fig.7 Membership function curve of output variable U

3.2 模糊控制規(guī)則

總結熱風爐操作和調試經(jīng)驗，形成模糊控制策略，進行歸納總結形成49 條控制規(guī)則，見煙氣升溫模糊控制規(guī)則表1所示。

表1 煙氣升溫模糊控制規(guī)則表Tab.1 Fuzzy control rules for flue gas temperature rise

3.3 實際控制量的確定

拱頂溫度管理期的模糊控制器采用雙輸入、單輸出的形式，根據(jù)模糊集合理論，二維模糊控制器的模糊關系矩陣R 是偏差論域E、變化率論域EC和輸出量增量論域U 的組合。對控制規(guī)則表1中的49 條規(guī)則進行模糊推理及清晰化計算。

表2 實際控制規(guī)則表Tab.2 Actual control rules

本模糊控制設計的3 個子模糊控制器分別對應燃燒過程的3 個燃燒階段，上面介紹了熱風爐拱頂溫度管理期模糊控制器的設計使用過程，選擇切換條件要綜合考慮高爐及熱風爐的運行狀況來決定，合適的切換條件是系統(tǒng)穩(wěn)定運行重要環(huán)節(jié)。每個模糊控制器在運行時模糊量的實際取值也比較重要，空燃比增量太小，拱頂溫度的上升速率不明顯，不能實現(xiàn)快速升溫，步長太大會造成控制不穩(wěn)定。為了保證熱風爐的控制系統(tǒng)穩(wěn)定性，空燃比增量步長采用0.02 較為合適，結合拱頂溫度的燃燒曲線，混合煤氣0.1 的空燃比變化，大約有50～100 ℃的溫度變化，拱頂溫度上升速率會發(fā)生顯著變化。

4 模糊控制應用的效果

穩(wěn)定燃燒過程，克服高爐煤氣壓力等外界干擾對煤氣流量的擾動，穩(wěn)定煤氣和空氣流量，投入自動燃燒系統(tǒng)后，燃燒過程中煤氣流量的波動較小，最大波動可以控制在3000 m3/h 左右。

穩(wěn)定拱頂溫度，提高熱風爐熱效率，通過現(xiàn)場蓄熱室拱頂溫度100 min 和10 h 的歷史趨勢看，4 座熱風爐蓄熱室的拱頂升溫過程的溫度曲線平緩穩(wěn)定，并且能夠將蓄熱溫度保持在1300 ℃，超過工藝要求溫度1250 ℃，滿足高爐生產(chǎn)的風溫要求。

5 結語

本文結合操作經(jīng)驗和調試經(jīng)驗，提出分階段模糊控制方案，在常規(guī)的基礎自動化加入空燃比修正系數(shù)的模糊控制器，在投入運行后穩(wěn)定燃燒過程和提高高爐風溫，熱風爐拱頂溫度可以達到1300 ℃，燃燒控制系統(tǒng)達到預期效果。