煉鐵高爐噴煤自動控制系統的應用研究

鄭正豪

（中鋼菲律賓匯洋礦業有限公司，菲律賓 馬尼拉 1634）

0 引言

隨著我國新基建和城市化進程的不斷發展，對鋼鐵的需求量迅速增加。為提高煉鐵生產的經濟性，降低焦比，需要通過噴煤系統向高爐內噴出連續和穩定的煤粉。為確保高爐生產爐料順行穩定，要求煤粉噴吹系統一方面要保證高爐持續供熱的穩定性，另一方面要保證進入高爐內的煤粉燃燒充分性，從而提高鋼鐵冶煉過程中的經濟性和環保性。目前對煤粉的噴吹主要是通過噴粉控制系統進行，但在實際工作中發現，煤粉噴吹的控制主要是定煤粉供給方案。現存在著控制精確性差、噴煤效率低的不足，無法提高高爐冶煉效率和經濟性。

結合自動化控制技術的發展，中鋼研發了一種新的煉鐵高爐噴煤自動控制系統，利用變頻器實現對噴煤過程的閉環反饋控制調整，能夠根據煉鐵高爐的實際工作情況進行靈活調整，滿足了噴煤效率和噴煤精確性的需求。根據實際應用表明，新的噴煤自動控制系統能夠將噴煤偏差控制在±1%內，將噴煤效率提升4.4%，有效提升了煉鐵高爐的工作穩定性和可靠性。

1 高爐噴煤流程及系統組成

為了滿足高爐煉鋼的工藝流程，保證噴煤控制的精確性，高爐噴煤需經過連續的過濾和吹送，其噴煤工藝流程如圖1 所示[1]。

圖1 高爐噴煤工藝流程示意圖

由圖1 可知，該煤粉控制系統可分為制粉控制和噴吹控制兩個部分。制粉控制主要是要精確控制在制粉過程中的磨機運行情況和對煤粉的干燥。噴吹控制系統主要是保證向高爐內及時、準確地輸送煤粉，實現智能補壓、智能噴吹控制及系統的安全聯鎖保護。該噴吹系統的核心是通過電子控制信號實現對閥門開度大小的調整，從而保證在整個冶煉過程中煤粉供給的穩定性，提高高爐冶煉的經濟性和環保性。

2 噴吹控制系統結構改造

對煤粉噴吹的控制，核心是在系統中增加了監測反饋控制系統和變頻控制系統。通過對高爐運行過程中的爐溫情況監測，發出調整控制信號給變頻控制器，變頻器在收到信號后發出調控指令，控制電動閥門調整其工作時的開度，從而實現對噴吹量大小的精確控制[2]。

在進行噴吹時，采用了全自動倒罐控制的模式。在系統中設置了2 個噴吹罐，煤粉能夠在重力的作用下自動從煤倉進入到噴吹罐中。當噴吹罐內的煤粉裝到設定高度后系統開始對噴吹罐進行增壓，準備噴煤。2 個噴吹罐采用并聯模式，一個噴吹罐噴吹完成后自動切換到另一個噴吹罐，實現無停頓切換。在噴吹控制系統中各閥門的噴吹順序十分重要，必須保證各個閥門的開關動作和時機，通過全自動倒罐控制[3]能夠有效地提高噴吹系統在工作時的穩定性和精確性。同時在控制系統界面上能夠精確顯示各個閥門的動作狀態，便于監測人員的準確監控。噴吹控制系統界面如圖2 所示。

圖2 噴吹控制系統界面示意圖

3 噴吹控制系統閥門選擇

噴吹控制系統的核心是能夠精確的控制閥門的開度，因此要求閥門在接收到調控信息后能夠快速響應，進行動作，調整開度大小。同時閥門還需要具備調控精度高、密封性好的優點。綜上所選擇的閥門必須要具備能實現遠程自動調控的電氣配件[4]。

根據噴吹控制系統對閥門性能的要求，在對多種控制閥門分析后，選擇了氣動球閥，該球閥應具備法蘭連接和固定球結構，滿足在噴煤管道系統中的安裝需求。根據實際驗證，在該噴吹系統上上煤閥和下煤閥采用了DN250 型氣動球閥，卸壓閥選擇了DN100型氣動球閥，補氣閥選擇了DN32 型氣動球閥，滅火氮氣選擇了DN150 型氣動球閥。在球閥安裝時需要注意球閥的安裝方向，安裝完成后續對球閥進行調試，保證球閥運行的穩定性。氣動球閥外觀結構如圖3 所示[5]。

圖3 氣動球閥外觀結構示意圖

4 噴煤閉環反饋控制策略

為了保證對噴煤量的精確控制，系統采用了一種新的閉環反饋控制策略。通過新的算法能夠對工作過程中煤粉的消化率和噴煤補償量進行判斷，從而采用預測控制[6]的方式對噴煤量進行智能動態調整，該噴煤閉環反饋控制邏輯如圖4 所示。

圖4 噴煤閉環反饋控制邏輯示意圖

該系統的核心是將T-S 模糊神經網絡[7]的預測控制融入進控制系統中，通過訓練神經網絡模型采用預測控制中的滾動優化和反饋校正控制方式，解決了傳統控制模式中對象多、數據計算穩定性差、效率低的不足，具有極強的魯棒性。同時該系統以高爐爐溫等核心工藝指標為動態調整量，滿足了在長期工作過程中調控穩定性和精確性的需求。實現了對煤粉變化情況的精確預測和提取調整，降低了在調控過程中的反應時間，極大地提升了該控制系統調控的精確性和穩定性，具有極大的應用推廣價值。

5 應用情況分析

目前該高爐噴煤控制系統已經在多個煉鋼高爐投入應用，根據對近一年的實際應用情況分析，在優化后，該控制系統能夠將噴煤的偏差量由最初的±2.4%降低到±1%以內，顯著提升在噴煤時的控制精度，提高了煤粉的利用率。同時由于采用了閉環調控模式，可以根據高爐的實際運行情況進行靈活調整，因此該系統能夠將噴煤效率提升4.4%，極大地提升了煉鐵高爐的運行經濟性和穩定性。

6 結論

針對高爐噴煤自動控制系統所存在的控制精確性差、噴煤效率低的難題。通過對噴煤工藝流程的分析，采用精確控制閥門開度的反饋控制模式，實現對高爐噴煤過程的自動調控。根據實際應用表明：

1）對煤粉噴吹的控制，核心是在系統中增加了監測反饋控制系統和變頻控制系統，控制氣動閥門調整其工作時的開度，從而實現對噴吹量大小的精確控制。

2）全自動倒罐控制的模式能夠有效的提高噴吹系統在工作時的穩定性和精確性。

3）新的噴煤自動控制系統能夠將噴煤偏差控制在±1%內，將噴煤效率提升4.4%，極大地提升了噴煤控制精度和可靠性。