鏈—回—環(huán)球團(tuán)生產(chǎn)冷卻系統(tǒng)優(yōu)化控制研究

孫彥強(qiáng) 果乃濤

(北京中冶設(shè)備研究設(shè)計(jì)總院有限公司 北京100029)

鏈—回—環(huán)球團(tuán)生產(chǎn)冷卻系統(tǒng)優(yōu)化控制研究

孫彥強(qiáng)①果乃濤

(北京中冶設(shè)備研究設(shè)計(jì)總院有限公司 北京100029)

鏈篦機(jī)—回轉(zhuǎn)窯—環(huán)冷機(jī)球團(tuán)生產(chǎn)工藝具有變量多、長(zhǎng)滯后、非線性及強(qiáng)耦合的特點(diǎn)。利用鏈—回—環(huán)系統(tǒng)仿真模型，建立正交回歸實(shí)驗(yàn)分析得到球團(tuán)溫度與影響因素之間的關(guān)系式；結(jié)合鏈—回—環(huán)系統(tǒng)熱工特點(diǎn)，根據(jù)分布式系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)思路，建立以球團(tuán)溫度為目標(biāo)的系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控模型，優(yōu)化調(diào)控模型主要包括三大主要設(shè)備機(jī)速調(diào)控、風(fēng)量調(diào)控及燃料供給量。根據(jù)優(yōu)化調(diào)控模型調(diào)控過(guò)程，利用VB語(yǔ)言開(kāi)發(fā)鏈—回—環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控程序，并利用OPC技術(shù)解決與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備通訊問(wèn)題，為該控制軟件在生產(chǎn)線應(yīng)用提供了基礎(chǔ)；對(duì)鏈—回—環(huán)系統(tǒng)的研究成果，對(duì)提高球團(tuán)生產(chǎn)工藝自動(dòng)化水平有較高參考價(jià)值。

鏈篦機(jī)—回轉(zhuǎn)窯—環(huán)冷機(jī) 球團(tuán) 優(yōu)化控制

1 引言

鏈—回—環(huán)球團(tuán)生產(chǎn)系統(tǒng)能夠連續(xù)生產(chǎn)球團(tuán)[2]，系統(tǒng)優(yōu)化控制難點(diǎn)是鏈篦機(jī)、回轉(zhuǎn)窯和環(huán)冷機(jī)的機(jī)速協(xié)調(diào)配合和各生產(chǎn)工藝段熱工參數(shù)的優(yōu)化設(shè)置。鏈—回—環(huán)系統(tǒng)機(jī)速調(diào)節(jié)的目的是為保證三大主體設(shè)備能夠連續(xù)正常生產(chǎn)，保證物料的穩(wěn)定運(yùn)輸，為熱工參數(shù)優(yōu)化提供基礎(chǔ)；系統(tǒng)熱工制度的優(yōu)劣決定了球團(tuán)質(zhì)量和產(chǎn)品能耗水平。本文結(jié)合作者利用課題研究及課題組研究成果，提出一種基于鏈—回—環(huán)系統(tǒng)生產(chǎn)工況的優(yōu)化控制思路，并以某球團(tuán)廠的實(shí)際生產(chǎn)條件為基礎(chǔ)，建立鏈—回—環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控模型，為提高球團(tuán)生產(chǎn)控制水平提供參考。

2 鏈篦機(jī)—回轉(zhuǎn)窯—環(huán)冷機(jī)系統(tǒng)熱工特性分析

鏈篦機(jī)—回轉(zhuǎn)窯—環(huán)冷機(jī)系統(tǒng)球團(tuán)工藝主要流程如圖1所示。

2.1 鏈—回—環(huán)系統(tǒng)熱工模型及仿真軟件開(kāi)發(fā)

本課題組經(jīng)過(guò)幾年的研究，結(jié)合熱工測(cè)試分析，利用Visual Basic程序語(yǔ)言及Fluent軟件模擬鏈—回—環(huán)生產(chǎn)過(guò)程，建立了完整、準(zhǔn)確的鏈—回—環(huán)系統(tǒng)熱工模型，并開(kāi)發(fā)出系統(tǒng)仿真軟件；利用實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)與軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析，

圖1 鏈—回—環(huán)系統(tǒng)工藝流程簡(jiǎn)圖

軟件計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)偏差完全滿足工業(yè)應(yīng)用要求，結(jié)果顯示軟件計(jì)算結(jié)果可靠；應(yīng)用該軟件可以分析不同工藝參數(shù)和操作參數(shù)對(duì)球團(tuán)生產(chǎn)的影響，從而為球團(tuán)生產(chǎn)實(shí)踐提供指導(dǎo)。

本文鏈—回—環(huán)生產(chǎn)工藝均以某鋼鐵廠實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備為基礎(chǔ)，針對(duì)不同生產(chǎn)設(shè)備仿真結(jié)果及優(yōu)化控制方程會(huì)有所區(qū)別。

2.2 鏈—回—環(huán)系統(tǒng)熱工制度

鏈—回—環(huán)球團(tuán)生產(chǎn)系統(tǒng)根據(jù)其工藝和熱工設(shè)備分布可分成若干子工藝段，每一個(gè)工藝段都有其獨(dú)立的特點(diǎn)及工藝要求。鏈—回—環(huán)系統(tǒng)可調(diào)控設(shè)備主要為：鼓風(fēng)機(jī)、主抽風(fēng)機(jī)、回?zé)犸L(fēng)機(jī)、燃料量及環(huán)冷機(jī)1#、2#、3#鼓風(fēng)機(jī)，鏈篦機(jī)機(jī)速、回轉(zhuǎn)窯轉(zhuǎn)速和環(huán)冷機(jī)機(jī)速。

鏈—回—環(huán)系球團(tuán)生產(chǎn)系統(tǒng)的三大主要設(shè)備是緊密相連的，系統(tǒng)熱工調(diào)控的目標(biāo)是根據(jù)生產(chǎn)情況合理配置三臺(tái)主要設(shè)備的熱工參數(shù)，保證球團(tuán)加熱質(zhì)量并使系統(tǒng)總的能耗水平保持在較低水平。

3 優(yōu)化控制模型開(kāi)發(fā)

3.1 鏈—回—環(huán)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

鏈—回—環(huán)系統(tǒng)可調(diào)節(jié)參數(shù)主要包括各設(shè)備機(jī)速調(diào)節(jié)和風(fēng)量分配調(diào)節(jié)(調(diào)節(jié)各風(fēng)機(jī)參數(shù))。

3.1.1 球團(tuán)產(chǎn)量計(jì)算

鏈—回—環(huán)系統(tǒng)中，由于回轉(zhuǎn)窯與環(huán)冷機(jī)球團(tuán)入口的高溫環(huán)境限制，球團(tuán)產(chǎn)量難以稱量，但球團(tuán)產(chǎn)量是確定設(shè)備機(jī)速及熱工參數(shù)的重要參數(shù)。

鏈—回—環(huán)系統(tǒng)球團(tuán)質(zhì)量可以根據(jù)表1的關(guān)系式計(jì)算。

3.1.2 機(jī)速調(diào)節(jié)方案

鏈篦機(jī)—回轉(zhuǎn)窯—環(huán)冷機(jī)系統(tǒng)各熱工設(shè)備的球團(tuán)質(zhì)量流量是控制三大主要熱工設(shè)備的基礎(chǔ)，鏈篦機(jī)、回轉(zhuǎn)窯和環(huán)冷機(jī)的速度調(diào)節(jié)便是以球團(tuán)質(zhì)量流量為依據(jù)進(jìn)行的。

表1 鏈—回—環(huán)系統(tǒng)質(zhì)量總表

注：M0為造球皮帶稱量值。

3.1.3 鏈—回—環(huán)系統(tǒng)熱工參數(shù)優(yōu)化

鏈—回—環(huán)系統(tǒng)熱工參數(shù)的優(yōu)化需要參考本實(shí)驗(yàn)室已有研究成果，本研究課題已經(jīng)建模模擬鏈—回—環(huán)系統(tǒng)加熱過(guò)程，并且利用正交回歸分析，得到球團(tuán)加熱終溫與影響因素之間的關(guān)系。因此，熱工參數(shù)優(yōu)化可利用相關(guān)回歸關(guān)系方程。

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果分析[8]，鏈篦機(jī)球團(tuán)最終預(yù)熱溫度主要與鏈篦機(jī)料厚、鏈篦機(jī)機(jī)速、回轉(zhuǎn)窯煙氣的溫度、風(fēng)速(風(fēng)量)相關(guān)。正交試驗(yàn)擬合關(guān)系式如下：

(1)

式中y—球出該段的溫度，℃；z1為料層厚度，m；z2—風(fēng)速，m/s；z3—機(jī)速，m/s；z4—風(fēng)溫，℃。

在影響預(yù)熱二段球團(tuán)預(yù)熱溫度的四個(gè)因素中，鏈篦機(jī)料厚和鏈篦機(jī)機(jī)速是鏈篦機(jī)部分的參數(shù)，回轉(zhuǎn)窯煙氣的溫度和風(fēng)速是回轉(zhuǎn)窯相關(guān)工藝參數(shù)，由回轉(zhuǎn)窯的熱工制度決定。

首先分析鏈篦機(jī)部分參數(shù)優(yōu)化計(jì)算。假定回轉(zhuǎn)窯煙氣溫度為1000℃，且風(fēng)速為2m/s，并將鏈篦機(jī)機(jī)速與料厚關(guān)系式代入，可得：

(2)

式中Wg—鏈篦機(jī)寬度，m。

根據(jù)式(2)，鏈篦機(jī)料厚z1范圍設(shè)定為[0.15m，0.25m]，球團(tuán)產(chǎn)量M1′的范圍為[50kg/s,100kg/s]，利用Matlab繪制出料溫度與鏈篦機(jī)料層厚度和鏈篦機(jī)進(jìn)料量之間關(guān)系的三維直觀圖，如圖2所示。

圖2 出料溫度與料厚和進(jìn)料量三維關(guān)系圖

從圖2可以看出，在鏈篦機(jī)進(jìn)料量一定的情況下，球團(tuán)最終預(yù)熱溫度隨著球團(tuán)料層厚度的增加而增大。鏈篦機(jī)應(yīng)該盡量增加布料厚度，以提高球團(tuán)預(yù)熱終溫。

鏈篦機(jī)機(jī)速優(yōu)化設(shè)定之后，球團(tuán)出料溫度在不改變回轉(zhuǎn)窯煙氣的條件下，是所能達(dá)到的極值溫度，因此，如果球團(tuán)出料溫度不能達(dá)到要求的出料溫度，可以適當(dāng)提高回轉(zhuǎn)窯煙氣溫度來(lái)補(bǔ)充。

根據(jù)回歸方程，鏈篦機(jī)機(jī)速、料層厚度及預(yù)熱煙氣速度均為已知，球團(tuán)預(yù)熱終溫與回轉(zhuǎn)窯煙氣溫度的關(guān)系可表示如下：

(3)

式中A0、A1和A2—與z1、z2、z3相關(guān)參數(shù)，均為已知值。

此時(shí)，可以利用上式計(jì)算出預(yù)熱二段需要高溫氣體滿足球團(tuán)預(yù)熱條件的最低溫度T’，則回轉(zhuǎn)窯的窯尾煙氣溫度需要從目前溫度T提高到T’。

在回轉(zhuǎn)窯當(dāng)前工況條件下，為滿足預(yù)熱二段的加熱要求，燃料增加量可以根據(jù)下式計(jì)算：

ΔM=(c′×T′-c×T)×V/QDWy

(4)

式中QDWy—燃料的低位發(fā)熱量，kJ/kg；ΔM—燃料增加量，kg；c′—煙氣在T′時(shí)的比熱；c—煙氣在T時(shí)的比熱；V—回轉(zhuǎn)窯進(jìn)去預(yù)熱二段煙氣量，m3。

預(yù)熱一段球團(tuán)出料溫度設(shè)定值為T。鏈篦機(jī)球團(tuán)預(yù)熱一段進(jìn)口料溫z1、鏈篦機(jī)機(jī)速z2和預(yù)熱氣體溫度z3均可計(jì)算或根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)儀表監(jiān)控得到，則鏈篦機(jī)預(yù)熱一段需要?dú)怏w量可以根據(jù)下式計(jì)算：

V=l×Wg×z4min

(5)

鼓風(fēng)干燥段調(diào)控重點(diǎn)是使環(huán)冷三段輸送的熱氣體保持在風(fēng)溫200℃且風(fēng)速為2.5m/s的最佳設(shè)定值。如果風(fēng)溫過(guò)高可以兌入冷風(fēng)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

兌入冷風(fēng)量依據(jù)質(zhì)量守恒和能量守恒定律求解，計(jì)算如下：

(6)

式中c0—?dú)怏w在T0時(shí)的比熱，kJ/kg·K；c1—?dú)怏w在T1時(shí)的比熱，kJ/kg·K；c2—?dú)怏w在T2時(shí)比熱，kJ/kg·K；c3—?dú)怏w在T3時(shí)的比熱，kJ/kg·K；T1—環(huán)冷三段熱風(fēng)溫度，℃；T2—兌入冷空氣溫度，℃；T3—混合后鼓風(fēng)干燥段風(fēng)溫，℃。

根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻工況參數(shù)，來(lái)自環(huán)冷機(jī)的助燃風(fēng)風(fēng)溫z1、助燃風(fēng)風(fēng)速z2及產(chǎn)量z4均可計(jì)算[9]，則回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)焙燒終溫y與燃料量z3的關(guān)系可以由下式形式表示：

(7)

式中A0、A1、A2—與z1、z2、z4相關(guān)參數(shù)，均已知參數(shù)。

因此，可以計(jì)算滿足回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)焙燒要求y的最低燃料消耗量z3。

根據(jù)環(huán)冷機(jī)工況情況，焙燒終了溫度z1由回轉(zhuǎn)窯相關(guān)公式計(jì)算得到；環(huán)冷機(jī)進(jìn)料量z3根據(jù)鏈—回—環(huán)系統(tǒng)質(zhì)量延遲效應(yīng)計(jì)算得到；環(huán)冷機(jī)臺(tái)車料厚z4根據(jù)環(huán)冷機(jī)臺(tái)車基本尺寸確定，因此，環(huán)冷機(jī)球團(tuán)冷卻終溫計(jì)算公式[10]可以轉(zhuǎn)化為下式形式：

(8)

因此，可以計(jì)算滿足環(huán)冷機(jī)球團(tuán)冷卻要求y的最低鼓入料層風(fēng)速z3，進(jìn)而可以確定每臺(tái)鼓風(fēng)機(jī)的鼓風(fēng)量。

3.1.4 鏈—回—環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控步驟

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際考察情況及對(duì)系統(tǒng)工藝流程的分析，鏈—回—環(huán)系統(tǒng)在線控制研究?jī)?yōu)化控制步驟是：

步驟1：初始化和通信。在每個(gè)調(diào)控周期開(kāi)始時(shí)刻，每個(gè)控制子系統(tǒng)讀取當(dāng)前測(cè)量狀態(tài)參數(shù)，求解優(yōu)化問(wèn)題，并得到局部?jī)?yōu)化問(wèn)題的標(biāo)稱解ui；與相關(guān)子系統(tǒng)共享優(yōu)化參數(shù)，迭代次數(shù)為0；

步驟4：賦值與實(shí)現(xiàn)。將優(yōu)化控制參數(shù)輸出到各子系統(tǒng)，進(jìn)行調(diào)控。

4 優(yōu)化控制軟件開(kāi)發(fā)

根據(jù)前章建立的鏈—回—環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控模型，本文利用VB編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了鏈—回—環(huán)系統(tǒng)優(yōu)化控制軟件。

程序框圖如圖3。

圖3 程序結(jié)構(gòu)框圖

程序主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

1)利用OPC技術(shù)實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備監(jiān)控?zé)o隙連接，讀取現(xiàn)場(chǎng)工況參數(shù)數(shù)據(jù)及將優(yōu)化調(diào)控指令返回到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的功能。

2)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝情況對(duì)系統(tǒng)熱工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，使系統(tǒng)連續(xù)、穩(wěn)定、高效運(yùn)行，減少人為調(diào)控引起的誤差及調(diào)控延遲。

3)利用VB語(yǔ)言編寫程序界面，清晰、簡(jiǎn)單，便于指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)際。

5 結(jié)論

鏈篦機(jī)—回轉(zhuǎn)窯—環(huán)冷機(jī)系統(tǒng)是涉及到傳熱、傳質(zhì)和復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)的工業(yè)過(guò)程，其調(diào)控對(duì)象具有大慣性、多變量、參數(shù)分布廣、時(shí)滯性長(zhǎng)的特點(diǎn)，為合理高效調(diào)控鏈—回—環(huán)系統(tǒng)工藝參數(shù)，本文利用課題組已有研究成果，開(kāi)發(fā)出以球團(tuán)終溫為目標(biāo)的優(yōu)化控制模型，并利用VB程序語(yǔ)言開(kāi)發(fā)出系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控程序，為提高鏈—回—環(huán)系統(tǒng)自動(dòng)化水平起到參考作用。

[1]葉匡吾．高爐爐料結(jié)構(gòu)與精煉[J] ．燒結(jié)球團(tuán)，2001，Vol.26(3)：6-7．

[2]Sterneland J,Andersson M A T, Jonsson P G．Comparison of iron orereductio in experimental blast furnace and laboratory scale simulation of blast fumace process[J] ．Ironmaking and Steelmaking, 2003, 30:313-327.

[3]陳三鳳，任偉.鏈篦機(jī)—回轉(zhuǎn)窯球團(tuán)工藝有關(guān)技術(shù)問(wèn)題的探討[J].球團(tuán)燒結(jié)，2006,Vol.31(4)：11-13.

[4]徐少川，井元偉，茍維東．基于自適應(yīng)專家控制的鏈篦機(jī)料厚自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．燒結(jié)球團(tuán)，2009(10):38-42.

[5]李伯全，高學(xué)福，丁麗娟.基于S7300的鏈篦機(jī)篦床溫度場(chǎng)智能控制其的設(shè)計(jì)[J].燒結(jié)球團(tuán)，2008,Vol.33(3)：11-13.

[6]王德人編著．非線性方程組解法與最優(yōu)化方法[M] ．北京：人民教育出版社，1979．

[7]David G．Luenberger．Liner and nonlinearprogramming[M] ．Reading，Mass．Addison-Wesley，1984．

[8]鄭海薇．鏈篦機(jī)內(nèi)球團(tuán)干燥預(yù)熱過(guò)程的研究：碩士學(xué)位論文．北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2007．

[9]呂悠揚(yáng)．回轉(zhuǎn)窯內(nèi)氧化球團(tuán)焙燒熱工過(guò)程研究：碩士學(xué)位論文．北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2007．

[10]孫志斌．環(huán)冷機(jī)內(nèi)球團(tuán)熱過(guò)程的研究：碩士學(xué)位論文．北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，2007．

Research of Optimal Control of Iron Pellets in Grate-Kiln-Cooler System

Sun Yanqiang1Guo Naitao

(Beijing Metallurgical Equipment Research & Design Co., Ltd. of MCC Group, Beijing 100029)

The grate-kiln-cooler system of iron pellets has the characteristic of variables process, long delay, nonlinear and strong coupling. Basing on the existed research results of the items, the thermal characteristic of grate-kiln-cooler system is analyzed, combining the simulation results, and the optimization control model is established. The grate-kiln-cooler system optimal control software is developed by using Visual Basic programming tools, which has the value to take the grate-kiln-cooler system’s automation to the higher level.

Grate-kiln-cooler system Pellet Optimal control

孫彥強(qiáng)，男，1978年出生，畢業(yè)于河北理工大學(xué)，工程師，就職于北京中冶設(shè)備研究設(shè)計(jì)總院有限公司

TF046

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2015.05.005

2015-04-07)