Consteel電爐廢鋼預(yù)熱通道動(dòng)態(tài)混風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與控制

嚴(yán)巳杰 郭 徽

一、前言

Consteel電爐余熱除塵系統(tǒng)，是在原廢鋼預(yù)熱系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入熱管換熱器使廢鋼預(yù)熱后尾氣余熱得到再利用的除塵系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了煙氣的梯級(jí)余熱利用，但電爐廢鋼預(yù)熱系統(tǒng)普遍存在廢鋼預(yù)熱溫度低、通道漏風(fēng)量大、余熱回收量少等問題。

本文針對(duì)電爐廢鋼通道漏風(fēng)問題，借鑒Consteel電爐動(dòng)態(tài)密封裝置的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種基于全新控制理念的動(dòng)態(tài)混風(fēng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)全面考慮煙氣溫度變化情況和漏風(fēng)的影響因素，不僅僅控制通道的漏風(fēng)問題，起到動(dòng)態(tài)密封作用，還能動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)漏風(fēng)量，動(dòng)態(tài)混風(fēng)，而且采用了不同的控制策略和控制方法，使廢鋼預(yù)熱通道的煙氣溫度可以控制在一個(gè)合適的范圍。

二、動(dòng)態(tài)混風(fēng)原理

動(dòng)態(tài)混風(fēng)，就是在廢鋼預(yù)熱段隧道的入口處，在常溫氣體和高溫?zé)煔庵虚g，設(shè)置一臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)，把通過縫隙進(jìn)入廢鋼預(yù)熱通道的空氣抽走，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的頻率，改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，改變風(fēng)機(jī)的抽風(fēng)量，使進(jìn)入預(yù)熱通道的冷空氣量剛好合適，盡量保證高溫廢氣的溫度在一個(gè)合適的范圍變化，保證廢鋼的預(yù)熱效果及余熱鍋爐的產(chǎn)汽量。

三、動(dòng)態(tài)混風(fēng)系統(tǒng)的特點(diǎn)

1.進(jìn) 行溫度和壓力的聯(lián)鎖控制

動(dòng)態(tài)混風(fēng)系統(tǒng)就通過對(duì)溫度和壓力的聯(lián)系控制，把控制高溫?zé)煔獬隹跍囟仍谝粋€(gè)合適的范圍。

如果高溫?zé)煔獬隹跍囟冗^高，為了避免燒毀除塵系統(tǒng)的濾袋，就要降低風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，減少空氣的抽取量，讓更多的空氣進(jìn)入預(yù)熱通道與高溫?zé)煔饣旌?，以降低煙氣溫度；如果高溫?zé)煔獬隹跍囟冗^低，為了保證廢鋼的預(yù)熱和鍋爐的產(chǎn)氣量，需要盡量提高風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，盡量把進(jìn)來的野風(fēng)抽走，使外部空氣進(jìn)入預(yù)熱段的量最少化；如果高溫?zé)煔獬隹跍囟仍谝粋€(gè)合適的范圍，就要調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的頻率，改變空氣與高溫廢氣混合的數(shù)量和冷風(fēng)負(fù)壓，與熱風(fēng)負(fù)壓達(dá)到平衡，將兩種氣體人為地造成一個(gè)兩種氣體負(fù)壓平衡區(qū)，使空氣和高溫廢氣這兩種氣體在平衡區(qū)互不干擾、互不滲透，造成一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的負(fù)壓區(qū)，減少高溫廢氣的擴(kuò)展，減少空氣的流入，保證高溫?zé)煔獾臏囟仍诤线m的范圍，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)混風(fēng)。因此，動(dòng)態(tài)混風(fēng)系統(tǒng)就是通過監(jiān)控高溫?zé)煔馀c空氣混合前后的溫度值及冷風(fēng)負(fù)壓與熱風(fēng)負(fù)壓，確定氣體的狀態(tài)，并判斷空氣與高溫?zé)煔馐欠裥枰旌霞盎旌狭康亩嗌佟?/p>

2.既 環(huán)保又安全

CONSTEEL電爐動(dòng)態(tài)密封裝置和河南某公司開發(fā)的氣體動(dòng)態(tài)密封裝置，都是僅僅為了實(shí)現(xiàn)完全密封，不讓空氣泄漏進(jìn)預(yù)熱通道。而本文涉及的動(dòng)態(tài)混風(fēng)系統(tǒng)不僅能夠抽風(fēng)，把泄漏進(jìn)來的空氣完全抽走，實(shí)現(xiàn)完全密封，還能夠?qū)崿F(xiàn)適當(dāng)?shù)穆╋L(fēng)，通過控制空氣的泄漏量，讓系統(tǒng)適當(dāng)?shù)鼗烊肜淇諝?，使高溫?zé)煔鉁囟瓤刂圃谝粋€(gè)合適的范圍。

在除塵風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，如果廢鋼預(yù)熱通道漏風(fēng)多了，就會(huì)使管道的負(fù)壓上升，從電爐出來的、由于負(fù)壓被吸進(jìn)預(yù)熱通道的煙氣量就會(huì)減少，散發(fā)到空氣的煙塵量增多，既不利于廢鋼預(yù)熱，又利于余熱回收，更不利于除塵環(huán)保，這時(shí)候就要減少漏風(fēng)，增加抽風(fēng)，降低負(fù)壓，保證效果；如果煙氣溫度高了，會(huì)影響整個(gè)余熱回收除塵系統(tǒng)的安全，這時(shí)候需要盡量漏風(fēng)，減少抽風(fēng)，保證安全；如果溫度低了，盡量抽風(fēng)，減少漏風(fēng)，保證溫度，保證廢鋼預(yù)熱效果和鍋爐產(chǎn)氣量；如果溫度剛好合適，就要調(diào)節(jié)負(fù)壓，保證壓力的平衡，維持溫度不變。

四、動(dòng)態(tài)混風(fēng)系統(tǒng)工藝流程

動(dòng)態(tài)密封控制系統(tǒng)主要由變頻風(fēng)機(jī)、變頻器、PLC、上位機(jī)、熱電偶、差壓變送器等組成。熱電偶與差壓變送器獲取溫度、負(fù)壓后，將信號(hào)傳送給上位機(jī)運(yùn)算，然后根據(jù)運(yùn)算結(jié)果做出判斷，再由PLC發(fā)指令通過變頻器改變變頻風(fēng)機(jī)的頻率，然后改變風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，改變風(fēng)量，其系統(tǒng)工藝流程圖見圖1：

五、動(dòng)態(tài)混風(fēng)系統(tǒng)的控制方法

1.分 段控制

分段控制的基本思想：尋找高溫?zé)煔鉁囟茸兓?guī)律，然后分段調(diào)整風(fēng)機(jī)的頻率，達(dá)到動(dòng)態(tài)密封的目的。在實(shí)際運(yùn)行過程中，高溫?zé)煔獾臏囟群拓?fù)壓一直變化，由于風(fēng)機(jī)頻率改變后，需要一定的時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，如果風(fēng)機(jī)頻率也跟著一直變化，系統(tǒng)就變得不可控。因此，首先要通過現(xiàn)場試驗(yàn)，確定高溫?zé)煔獬隹跍囟扰c風(fēng)機(jī)頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，然后根據(jù)所測量的高溫?zé)煔鉁囟茸兓€，對(duì)溫度變化曲線進(jìn)行分段離散化處理，離散段的時(shí)間間隔就是變頻器的頻率保持時(shí)間。

2.P ID控制

PID控制的關(guān)鍵問題就是PID參數(shù)整定，而且一旦整定計(jì)算好后，在整個(gè)控制過程中都是固定不變的，而實(shí)際過程中，由于系統(tǒng)參數(shù)經(jīng)常發(fā)生變化，參數(shù)整定往往不是最佳，致使性能不良，對(duì)運(yùn)行工況的適應(yīng)性較差，很難獲得滿意的控制效果。在電爐冶煉過程中，煙氣溫度經(jīng)常變動(dòng)，一是煙氣溫度隨冶煉周期變化，二是煙氣溫度隨廢鋼的不同種類變化，三是漏風(fēng)量隨不同的廢鋼外形尺寸變化，因此，采用PID控制很難實(shí)現(xiàn)達(dá)到最佳控制效果，漏風(fēng)問題依然嚴(yán)重。

3.基 本神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的PID控制

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是介于推理與數(shù)值計(jì)算之間的一種數(shù)學(xué)工具。它具有很好的適應(yīng)能力和學(xué)習(xí)能力，因此它適于用作智能控制的工具。它是一種不依賴于模型的自適應(yīng)函數(shù)估計(jì)器。給定一輸入，可以得到一個(gè)輸出，且它并不需要知道輸入與輸出之間的數(shù)學(xué)模型。而通常的函數(shù)估計(jì)器是依賴于數(shù)學(xué)模型的。當(dāng)給定的輸入并不是原來訓(xùn)練的輸入時(shí)，神經(jīng)元也能給出合適的輸出，即它具有插值功能或適應(yīng)功能。

由于PID控制參數(shù)不能在線調(diào)整，系統(tǒng)參數(shù)變化時(shí)控制效果難以保證，須重新進(jìn)行參數(shù)整定。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由于具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)、聯(lián)想記憶和并行計(jì)算等優(yōu)點(diǎn)，并且可以充分逼近任意復(fù)雜的非線性關(guān)系，可以利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自學(xué)習(xí)特性，在線調(diào)整PID控制的參數(shù)(圖2)，提高系統(tǒng)的應(yīng)變能力，在一定程度上克服PID控制參數(shù)難以確定及難以對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)或過程進(jìn)行有效控制的不足。通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自身的學(xué)習(xí)，可以找到PID控制規(guī)律下最優(yōu)的P、I、D參數(shù)，具有較強(qiáng)的自適應(yīng)能力。

但是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也存在收斂速度慢，回到穩(wěn)定狀態(tài)所需時(shí)間較長，很難保證神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的實(shí)時(shí)性。而單神經(jīng)元卻不同，它計(jì)算過程簡單，實(shí)時(shí)性容易保證，又具有自學(xué)習(xí)能力，是一種應(yīng)用前景很好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制算法。為了提高PID控制的自適應(yīng)能力，將單神經(jīng)元的自學(xué)習(xí)能力與PID控制結(jié)合起來構(gòu)成神經(jīng)元PID控制器，實(shí)現(xiàn)PID控制的三個(gè)控制參數(shù)的快速在線調(diào)整，快速適應(yīng)工況變化的需要，提高系統(tǒng)性能及運(yùn)行的穩(wěn)定性。

4.模 糊PID控制

模糊PID控制就是應(yīng)用模糊控制理論設(shè)計(jì)出來的PID控制器。人們運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)的基本理論和方法，把規(guī)則的條件、操作用模糊集表示，并把這些模糊控制規(guī)則及有關(guān)信息(如初始PID參數(shù)等)作為知識(shí)庫存入計(jì)算機(jī)知識(shí)庫中，然后計(jì)算機(jī)根據(jù)控制系統(tǒng)的實(shí)際響應(yīng)情況，運(yùn)用模糊推理，即可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)PID參數(shù)的最佳調(diào)整，這就是自適應(yīng)模糊PID控制。自適應(yīng)模糊PID控制器以誤差e和誤差變化率ec作為輸入(利用模糊控制規(guī)則在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改)，以滿足不同時(shí)刻的e和ec對(duì)PID參數(shù)自整定的要求。

5.基 于粒子群算法的PID控制

粒子群優(yōu)化算法(Particle Swarm Optimization, PSO)是由Kennedy和Eberhart于1995年提出的一種新型的群智能進(jìn)化計(jì)算技術(shù)，其基本概念源于對(duì)鳥類覓食行為的研究。在粒子群算法中，每個(gè)微粒表示D維空間的一個(gè)解，則第i個(gè)微粒的狀態(tài) ，每個(gè)微粒的速度向量 。每個(gè)微粒經(jīng)歷過的最優(yōu)狀態(tài)記做Pi，群體經(jīng)歷過的最優(yōu)狀態(tài)用Pg，在t+1時(shí)刻狀態(tài)更新方程如下所示：

其中：C1是慣性權(quán)重；C2、C3是加速常數(shù)。

由于BP算法存在著收斂速度慢、容易陷入局部極小值等問題，而粒子群算法操作簡單，依賴的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)少并且收斂速度快，因此，將PID控制中的Kp、Ki、Kd三個(gè)參數(shù)作為粒子群算法中的微粒進(jìn)行尋優(yōu)，可以高速高效地確定最佳的PID參數(shù)。

五、總結(jié)

由于漏風(fēng)問題，導(dǎo)致廢鋼預(yù)熱通道的高溫?zé)煔鉁囟炔环€(wěn)定，既不利于環(huán)保，也不利于廢鋼的預(yù)熱和余熱鍋爐蒸汽的產(chǎn)生。動(dòng)態(tài)混風(fēng)系統(tǒng)的引入，可以有效控制進(jìn)入預(yù)熱通道的空氣量，使高溫?zé)煔膺M(jìn)入換熱器前的溫度維持在一個(gè)合適的窄寬范圍，有利于保證余熱鍋爐和布袋除塵的系統(tǒng)安全，有利于余熱回收和除塵系統(tǒng)的運(yùn)行成本，有利于提高余熱回收的效率。但是目前所采用的動(dòng)態(tài)密封系統(tǒng)，無論是進(jìn)口的還是國內(nèi)仿造的，其使用情況都不理想。本文在前人的基礎(chǔ)上，提出了一種新的動(dòng)態(tài)混風(fēng)控制系統(tǒng)，全面考慮煙氣溫度的和漏風(fēng)的影響因素，并采用了新的控制方法，使廢鋼預(yù)熱通道的煙氣溫度可以控制在一個(gè)合適的范圍，最終既達(dá)到環(huán)保除塵的效果又達(dá)到提高余熱回收效率的目的。

1.朱宏飚.康斯迪電爐自動(dòng)控制系統(tǒng)[J].冶金自動(dòng)化，2004.

2.姜茂發(fā)，金成姬.國內(nèi)外電爐煉鋼技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].工業(yè)加熱，2000.

3.溫彩霞,陳天及,孫毅剛.神經(jīng)元PID在空調(diào)機(jī)組性能試驗(yàn)室溫度控制中的建模與仿真[J].制冷與空調(diào)，2007.

4.劉靜紈,魏東,劉熙.變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)溫度模糊PID控制[J].土木建筑與環(huán)境工程，2009.

5.方紅慶,沈祖詒.基于改進(jìn)粒子群算法的水輪發(fā)電機(jī)組PID調(diào)速器參數(shù)優(yōu)化[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)

6.孫一堅(jiān).簡明通風(fēng)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].中國建筑工業(yè)出版社，2002.