智能燃燒優(yōu)化技術(shù)在高爐熱風(fēng)爐上的應(yīng)用

于現(xiàn)軍， 王孝偉， 閆軼佐

(1.北京和隆優(yōu)化科技股份有限公司， 北京 100096; 2.日照市技師學(xué)院， 山東 日照 276800)

冶金行業(yè)中熱風(fēng)爐是高爐的輔助設(shè)備之一，有著復(fù)雜的熱交換系統(tǒng)，采用蓄熱工作方式為高爐冶煉提供連續(xù)的，可控溫度的熱風(fēng)，從而提高冶煉強(qiáng)度，降低焦比。目前,國(guó)內(nèi)熱風(fēng)爐控制的基礎(chǔ)自動(dòng)化設(shè)備已經(jīng)安裝，包括自動(dòng)換爐的邏輯也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，對(duì)燃燒過(guò)程自動(dòng)化、智能化和節(jié)能降耗的研究有了新的進(jìn)展，但受限于儀器儀表及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可靠性，現(xiàn)場(chǎng)很難實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)運(yùn)行，優(yōu)化運(yùn)行也就無(wú)從談起，大多仍采用人工操作方式，需要有豐富經(jīng)驗(yàn)的人員，而且易受到外界因素(如煤氣壓力波動(dòng)頻繁、測(cè)控儀表性能不穩(wěn)定、燃料母管制耦合嚴(yán)重等)的影響。國(guó)外熱風(fēng)爐先進(jìn)控制技術(shù)研究和應(yīng)用較為成熟，由于對(duì)儀器儀表等執(zhí)行機(jī)構(gòu)精度要求較高，很難在國(guó)內(nèi)推廣應(yīng)用[1]。

智能節(jié)能控制技術(shù)在國(guó)內(nèi)已進(jìn)行了較為深入的研究，并進(jìn)行了推廣應(yīng)用?；趪?guó)內(nèi)煉鐵現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，對(duì)智能燃燒優(yōu)化技術(shù)(Intelligent Combustion Optimization Technology, ICOT)進(jìn)行研究并加以推廣是十分必要的[2-7]。為此，本文對(duì)ICOT進(jìn)行了持續(xù)深入研究，成功實(shí)現(xiàn)了有限條件下熱風(fēng)爐全自動(dòng)優(yōu)化運(yùn)行，同等風(fēng)溫條件下可降低噸鐵煤氣消耗5%以上或同等煤氣消耗前提下提高熱風(fēng)溫度20 ℃以上，在一座2 500 m3高爐上實(shí)現(xiàn)年直接經(jīng)濟(jì)效益500萬(wàn)元以上。

1 ICOT原理及核心技術(shù)

1.1 ICOT原理

ICOT與熱風(fēng)爐控制的結(jié)構(gòu)如圖1所示。ICOT立足于現(xiàn)場(chǎng)最基本的測(cè)控儀表，采用先進(jìn)的軟測(cè)量技術(shù)、多變量解耦技術(shù)、過(guò)程優(yōu)化控制技術(shù)、故障診斷與安全控制技術(shù)、智能調(diào)節(jié)技術(shù)以及科學(xué)的數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計(jì)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)燃燒裝置的全自動(dòng)控制，從而實(shí)現(xiàn)其安全穩(wěn)定運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的所有目標(biāo)[8-9]。

圖1 ICOT與熱風(fēng)爐控制的結(jié)構(gòu)

1.2 智能燃燒優(yōu)化核心技術(shù)

1.2.1 智能軟測(cè)量技術(shù) 根據(jù)測(cè)量對(duì)象特性，通過(guò)智能算法實(shí)現(xiàn)測(cè)量對(duì)象的間接測(cè)量，解決了現(xiàn)場(chǎng)煤氣流量、助燃風(fēng)流量等儀表無(wú)法使用或嚴(yán)重不準(zhǔn)問(wèn)題，對(duì)實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐長(zhǎng)期全自動(dòng)優(yōu)化燒爐起到了關(guān)鍵作用[10]。

1.2.2 優(yōu)化核心——瞎子爬山法 ICOT借鑒了華羅庚的“瞎子爬山法”，模擬有經(jīng)驗(yàn)操作人員根據(jù)現(xiàn)有條件，通過(guò)每次操作(如增減燃料量、助燃風(fēng)量、控制點(diǎn)等)爐況的變化趨勢(shì)，自動(dòng)尋找臨近最高點(diǎn)(亞優(yōu)點(diǎn))，即“自尋優(yōu)”算法思想[11]。本文技術(shù)將該思想進(jìn)行了工程化和模型化設(shè)計(jì)，形成了一種改進(jìn)的自尋優(yōu)算法，包括采用變步長(zhǎng)、變精度等策略，用多維梯度極值搜索法尋找熱風(fēng)爐當(dāng)前工況下的最佳運(yùn)行點(diǎn)，每次優(yōu)化基于上次優(yōu)化結(jié)果啟動(dòng)；通過(guò)滾動(dòng)優(yōu)化使燃燒裝置達(dá)到越燒越好的運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)，該算法還集成了優(yōu)化陷阱規(guī)避、快速優(yōu)化與穩(wěn)定性的協(xié)調(diào)、測(cè)量壞值的自動(dòng)處理、自診斷與自愈技術(shù)等[12-13]，解決了因工況等因素頻繁波動(dòng)導(dǎo)致的無(wú)法長(zhǎng)期自動(dòng)優(yōu)化穩(wěn)定運(yùn)行的問(wèn)題。

1.2.3 趨勢(shì)優(yōu)化控制技術(shù) 創(chuàng)造性引入趨勢(shì)優(yōu)化控制，智能優(yōu)化系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤并分析熱風(fēng)爐因自身擾動(dòng)而引起的變化，自動(dòng)篩選最佳運(yùn)行工況并將熱風(fēng)爐鉗位于最佳工況[14]。

1.2.4 擾動(dòng)觀測(cè)器和智能控制技術(shù) 將智能技術(shù)如自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自挖掘、系統(tǒng)協(xié)調(diào)等引入控制系統(tǒng)，使其具有辨識(shí)、決策、自愈等功能，從而使自動(dòng)控制和優(yōu)化控制達(dá)到更高階段，解決傳統(tǒng)技術(shù)手段難以解決的復(fù)雜系統(tǒng)控制問(wèn)題。智能控制系統(tǒng)集成了擾動(dòng)觀測(cè)器、模糊控制、專家系統(tǒng)、自學(xué)習(xí)控制、自適應(yīng)控制、分層遞階控制、遺傳算法等智能技術(shù)[15-16]。

智能控制系統(tǒng)有機(jī)將信號(hào)預(yù)處理、優(yōu)化控制、先進(jìn)控制、在線建模等技術(shù)應(yīng)用于被控過(guò)程對(duì)象，實(shí)現(xiàn)過(guò)程對(duì)象的優(yōu)質(zhì)、高效、安全控制，其邏輯如圖2所示。

2 ICOT實(shí)現(xiàn)方法與節(jié)能運(yùn)行分析

2.1 ICOT實(shí)現(xiàn)方法

2.1.1 多變量控制系統(tǒng) 熱風(fēng)爐總體智能控制方案:在燒爐初期，根據(jù)智能統(tǒng)計(jì)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)獲得的初始煤氣量，實(shí)現(xiàn)拱頂(角)溫度快速達(dá)到目標(biāo)值，在此期間,自動(dòng)尋找最佳空燃配比,保證充分燃燒，并保證拱頂(角)溫度不超溫。同時(shí)，為保護(hù)熱風(fēng)爐格子磚的金屬支撐不被破壞并維持熱效率，燒爐蓄熱期間，廢氣溫度必須控制在合理范圍內(nèi)。因此，熱風(fēng)爐智能優(yōu)化控制模型包含了拱頂保護(hù)控制模型、廢氣溫度預(yù)測(cè)控制模型、煤氣流量?jī)?yōu)化控制模型、煤氣流量先進(jìn)控制模型、助燃風(fēng)流量?jī)?yōu)化控制模型、助燃風(fēng)流量先進(jìn)控制模型等。其中，廢氣溫度預(yù)測(cè)控制模型包含廢氣溫度控制點(diǎn)智能浮動(dòng)模型，能根據(jù)熱風(fēng)爐當(dāng)前和歷史蓄熱能力智能地調(diào)整廢氣溫度控制點(diǎn)；解耦控制模型包含煤氣、助燃風(fēng)總管壓力和支管流量解耦控制，有效提高了總管壓力和支管流量的控制精度，以上模型全面實(shí)現(xiàn)了熱風(fēng)爐快準(zhǔn)穩(wěn)優(yōu)4個(gè)控制目標(biāo)。帶自尋優(yōu)功能的燃?xì)饬績(jī)?yōu)化控制系統(tǒng)如圖3所示，將高爐熱風(fēng)爐相關(guān)關(guān)鍵測(cè)量引入多變量控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)煤氣量的優(yōu)化控制。

圖2智能控制系統(tǒng)模塊邏輯框圖

圖3 帶自尋優(yōu)功能的煤氣量?jī)?yōu)化控制系統(tǒng)框圖

2.1.2 助燃風(fēng)優(yōu)化控制系統(tǒng) 帶自尋優(yōu)功能的熱風(fēng)爐空氣量?jī)?yōu)化控制系統(tǒng)如圖4所示。控制系統(tǒng)主要采用了比值控制算法，包含了風(fēng)量?jī)?yōu)化模型、優(yōu)化時(shí)機(jī)模型、趨勢(shì)優(yōu)化模型、空燃比模型等。根據(jù)優(yōu)化風(fēng)量和當(dāng)前煤氣量，計(jì)算出優(yōu)化空燃比；根據(jù)當(dāng)前煤氣量和優(yōu)化空燃比計(jì)算空氣量，對(duì)空氣調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制。

圖4 帶自尋優(yōu)功能的煤氣量?jī)?yōu)化控制系統(tǒng)框圖

2.2 熱風(fēng)爐ICOT節(jié)能運(yùn)行分析

2.2.1 ICOT的節(jié)能效果來(lái)源于多維優(yōu)化技術(shù) ① 在不降低風(fēng)溫的基礎(chǔ)上，ICOT始終尋找并嵌位于最少的燃料量消耗，或在不增加煤氣消耗的基礎(chǔ)上提高送風(fēng)溫度。② 在優(yōu)化燒爐基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)平衡燒爐，最大化均衡各爐送風(fēng)能力，提高熱風(fēng)溫度和穩(wěn)定性。③ 當(dāng)工況變化時(shí)，如燃料質(zhì)量、設(shè)備性能等，ICOT始終尋找并鉗位于與之最匹配的工藝控制點(diǎn)，進(jìn)一步減少燃料量消耗。

2.2.2 ICOT現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用 某鋼廠6號(hào)1 080 m3高爐熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)的優(yōu)化改造前后對(duì)比測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 優(yōu)化改造前后對(duì)比測(cè)試結(jié)果

注：3月1日到7日為人工操作運(yùn)行，3月8日過(guò)渡一天手動(dòng)，3月9日至15日為優(yōu)化控制系統(tǒng)運(yùn)行

改造后，熱風(fēng)爐實(shí)現(xiàn)了以下功能：

(1) 熱風(fēng)爐實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)優(yōu)化運(yùn)行，自控率達(dá)到90%以上；

(2) 節(jié)能效果顯著，由表1可知，煤氣用量減少了6.67%；

(3) 送風(fēng)溫度也有明顯提高，由表1可知，溫度提升5.1 ℃；

(4) 拱頂溫度、廢氣溫度控制更加平穩(wěn)，整體運(yùn)行工況趨于最優(yōu)。

2.2.3 運(yùn)行效果曲線 ICOT在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行中效果明顯。ICOT與原控制系統(tǒng)DCS曲線對(duì)比如圖5所示。本技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)熱風(fēng)爐拱頂溫度快速達(dá)到設(shè)定溫度，穩(wěn)定性有明顯提高;同時(shí)，煤氣總管壓力波動(dòng)明顯減小，熱風(fēng)爐整體穩(wěn)定性明顯提高。

本優(yōu)化技術(shù)在熱風(fēng)爐空氣和煤氣量上優(yōu)化采用自尋優(yōu)方法進(jìn)行，如圖6所示。尋找最佳空氣和煤氣量，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化運(yùn)行。

2.3 ICOT經(jīng)濟(jì)效益分析

2.3.1 提高風(fēng)溫的效益 高爐利用系數(shù)為3 t/(m3·d)，每度風(fēng)溫降低焦比按0.15 kg/(℃·t)，高爐年生產(chǎn)時(shí)間為每年330天，焦炭?jī)r(jià)格為1 600元/t，高爐總爐容為V(m3)，提高送風(fēng)溫度為ΔT(℃)計(jì)算，則每年因提高風(fēng)溫所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為

圖5 ICOT與原控制系統(tǒng)DCS曲線對(duì)比

圖6 空氣和煤氣量自尋優(yōu)優(yōu)化曲線

M11=V×3.0×330×0.15×ΔT/1 000×1 600/

10 000=0.023 76×V×ΔT(萬(wàn)元/a)

改造一座2 500 m3的高爐熱風(fēng)爐，按至少提高10 ℃風(fēng)溫計(jì)算的年效益為

M11=0.023 76×2 500×10=594 (萬(wàn)元/a)

2.3.2 降低煤氣消耗的效益 高爐生產(chǎn)每噸鐵按副產(chǎn)1 400 m3煤氣(煤氣熱值為3 400 kJ/ m3)，高爐副產(chǎn)煤氣有40%用于熱風(fēng)爐，煤氣核算價(jià)格按0.1元/m3,節(jié)省煤氣比例按ΔF%計(jì)算，則每年因降低煤氣消耗所產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益為

M12=V×3×330×1 400×40%×ΔF%×0.1/10 000=5.544×V×ΔF(萬(wàn)元/a)

改造一座2 500 m3的高爐熱風(fēng)爐，按降低3%煤氣消耗計(jì)算，年效益為

M12=5.544×V×ΔF% =5.544×2 500×3%=416 (萬(wàn)元/a)

3 結(jié) 語(yǔ)

熱風(fēng)爐作為高爐煉鐵設(shè)備的重要組成部分，既要保證送風(fēng)溫度能夠滿足高爐煉鐵需要，又要使煤氣充分燃燒，達(dá)到節(jié)能、減少成本的目的。將先進(jìn)的ICOT應(yīng)用于常規(guī)控制系統(tǒng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)熱風(fēng)爐的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。應(yīng)用實(shí)踐證明，ICOT提高了送風(fēng)風(fēng)溫，節(jié)約了能源。ICOT已經(jīng)成功應(yīng)用于我國(guó)大批鋼鐵企業(yè)近百座高爐熱風(fēng)爐，涵蓋了從110 m3到5 800 m3各種規(guī)模的高爐熱風(fēng)爐。目前，該技術(shù)所覆蓋產(chǎn)能已達(dá)20%以上，在此基礎(chǔ)上，基于企業(yè)級(jí)大數(shù)據(jù)進(jìn)行裝置間的優(yōu)化協(xié)調(diào)，將為企業(yè)創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益。