熱風(fēng)爐智能燃燒控制技術(shù)分析與應(yīng)用

胡正益

（福建泉州閩光鋼鐵有限責(zé)任公司，福建 泉州 362411）

鋼鐵工業(yè)是支撐我國國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，同時也是高能耗、高排放產(chǎn)業(yè)，其能耗占國民生產(chǎn)工業(yè)能源消耗的17%左右，而其中煉鐵工序能耗又占了鋼鐵能耗的70%左右[1]。因此，在當(dāng)下經(jīng)濟形勢嚴(yán)峻、企業(yè)追求高效低耗生產(chǎn)的背景下，有效降低煉鐵工序的能源消耗對于降低產(chǎn)品成本、提升企業(yè)競爭力、保障在國家節(jié)能降耗政策框架內(nèi)的平穩(wěn)生產(chǎn)具有重要作用。熱風(fēng)爐是高爐煉鐵的重要熱工設(shè)備，其能耗約占高爐工序能耗的20%，同時也是碳排放大戶。而智能燃燒控制系統(tǒng)能實現(xiàn)無人工干預(yù)的自動優(yōu)化燃燒，可有效降低勞動強度。使用熱風(fēng)爐智能控制系統(tǒng)來提高熱風(fēng)爐配比的燃燒控制精確度是提高風(fēng)溫、降低燃料消耗以及減排的重要手段，也是提高熱風(fēng)爐使用壽命和減輕工人勞動強度的有效措施。工業(yè)試驗表明：通常情況下，采用智能燃燒控制系統(tǒng)可提高風(fēng)溫10℃以上或節(jié)約煤氣3.0%以上。

1 高爐熱風(fēng)爐控制現(xiàn)狀分析

高爐熱風(fēng)爐的燃燒是非線性的，溫度調(diào)控嚴(yán)重滯后，溫度變化響應(yīng)相對緩慢，而影響熱風(fēng)爐燃燒的因素較多，且各種因素間相互制約，從而導(dǎo)致高爐熱風(fēng)爐的控制過程比較復(fù)雜，常規(guī)的自動化控制系統(tǒng)無法達到比較好的控制效果，同時，也很難使用比較精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型來描述。此外，傳統(tǒng)的熱風(fēng)爐燒爐控制模型調(diào)控不靈活，應(yīng)變能力差，很難適應(yīng)較復(fù)雜的控制系統(tǒng)。目前國內(nèi)的熱風(fēng)爐燒爐方式現(xiàn)狀及存在的問題主要有以下幾方面。

1.1 人工燒爐成本高、控制精度低、溫度波動大

人工燒爐調(diào)控精度較低，若跟蹤不及時，會造成燒爐能耗成本的加大；當(dāng)煤氣熱值、煤氣壓力等影響因素發(fā)生比較大的波動時，往往會因人工操作反應(yīng)不及時而使得拱頂溫度波動變大，致使熱風(fēng)爐蓄熱不夠充分，從而直接對高爐風(fēng)溫的穩(wěn)定性造成影響，甚至?xí)绊懙秸麄€熱風(fēng)爐的使用壽命。

1.2 基礎(chǔ)自動化控制系統(tǒng)成本高、控制效果不佳

基礎(chǔ)自動化的過程控制中，需要投入相當(dāng)大的工程費用來進行儀表改造，儀表維護成本高，由此使得自動化控制系統(tǒng)無法有效克服煤氣熱值和煤氣壓力頻繁變化帶來的影響，導(dǎo)致控制效果不佳。

1.3 數(shù)學(xué)模型過于復(fù)雜滯后

傳統(tǒng)的熱風(fēng)爐燒爐數(shù)學(xué)模型主要通過計算所需的煤氣流量和助燃空氣流量來滿足熱風(fēng)爐格子磚的蓄熱能量，但由于熱風(fēng)爐的燃燒過程是一個耗時較多且滯后的過程，因此，實現(xiàn)燃燒控制的主要困難為不能及時得到控制作用的反饋信息，以致在實際生產(chǎn)過程中，等到控制效果通過輸出體現(xiàn)時，控制調(diào)整往往已經(jīng)失去作用，從而使得模型計算的數(shù)據(jù)來源以及計算的結(jié)果不能實時有效地反應(yīng)到熱風(fēng)爐狀態(tài)的調(diào)整上。

1.4 熱風(fēng)爐智能燃燒控制系統(tǒng)的重要性

基于以上熱風(fēng)爐燃燒的特點和要求，立足于鋼鐵行業(yè)節(jié)能降耗的目標(biāo)，開發(fā)出一套可實現(xiàn)熱風(fēng)爐全自動智能控制的系統(tǒng)是十分必要的[3]。該熱風(fēng)爐智能燃燒控制系統(tǒng)可為鋼鐵企業(yè)實現(xiàn)高爐煉鐵領(lǐng)域深化能源的有效利用、高效利用二次能源、降低生產(chǎn)成本等提供必要的基礎(chǔ)條件。

2 熱風(fēng)爐智能燃燒控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

熱風(fēng)爐智能燃燒控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下頁圖1所示。

圖1 熱風(fēng)爐智能燃燒控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)原理

熱風(fēng)爐智能燃燒控制系統(tǒng)在不改變原有熱風(fēng)爐DCS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制方式的基礎(chǔ)上，利用計算機軟硬件技術(shù)、經(jīng)典控制理論、專家系統(tǒng)、模糊控制等技術(shù)，完全模擬熱風(fēng)爐專家級優(yōu)秀操作人員的整個操作過程，采用熱風(fēng)爐專家系統(tǒng)專用控制器，以實現(xiàn)對所需數(shù)據(jù)的采集處理，并通過熱風(fēng)爐專家系統(tǒng)人機界面軟件，針對每一個熱風(fēng)爐的不同情況，現(xiàn)場調(diào)試并量身訂制出一套適用的控制參數(shù)。該系統(tǒng)建立有熱風(fēng)爐燃燒的數(shù)學(xué)模型，在燒爐過程中可通過自學(xué)習(xí)功能，不斷深化記憶各熱風(fēng)爐的特性；建立有針對各熱風(fēng)爐特點可不斷優(yōu)化的知識庫，同時可在正常工況下，根據(jù)不同的參數(shù)變化和燒爐情況，實現(xiàn)熱風(fēng)爐燒爐全過程的自動優(yōu)化和最佳燃燒控制。

熱風(fēng)爐智能燃燒控制系統(tǒng)不需要改變現(xiàn)有工藝設(shè)備和工藝路線，僅需要將熱風(fēng)爐的拱頂溫度、廢氣溫度、煤氣總管壓力、控制閥的控制及反饋信號、換爐信號、空氣壓力、煤氣流量、空氣流量等通過OPC傳至熱風(fēng)爐專家系統(tǒng)，經(jīng)專家系統(tǒng)的控制運算后，陸續(xù)得出在整個燒爐過程的空氣、煤氣閥位控制值，再通過OPC將其送回?zé)犸L(fēng)爐給DCS控制站，對空氣和煤氣閥門進行實時調(diào)節(jié)。系統(tǒng)完全模擬優(yōu)秀操作工的整個操作過程，實現(xiàn)了全自動智能燒爐控制而無需人工干預(yù)。系統(tǒng)只需參考拱頂溫度、廢氣溫度、煤氣壓力、空氣壓力等幾個常規(guī)變量就能實現(xiàn)實時的自動跟蹤調(diào)節(jié)，而不需要借助煤氣熱值儀或煙道殘氧分析儀分析這些易損量，并在煤、空氣支管流量無法長期保持穩(wěn)定時，仍可實現(xiàn)可靠的自動燃燒調(diào)節(jié)，從而達到最好的節(jié)能效果。

2.3 系統(tǒng)特點

1）具有較強的抗擾動性。高爐煤氣壓力、煤氣成分、煤氣和助燃空氣的溫度及壓力波動往往都比較大，系統(tǒng)能夠在較短時間內(nèi)對空燃比進行調(diào)整適應(yīng)，避免拱頂溫度出現(xiàn)大幅度波動。

2）具有較高的控制精度。操作人員將拱頂溫度和廢氣溫度目標(biāo)輸入系統(tǒng)后，系統(tǒng)能夠按照最佳燒爐曲線自動控制好拱頂溫度，并在規(guī)定時間內(nèi)使廢氣溫度達到目標(biāo)值。

3）系統(tǒng)界面友好，操作簡單可靠。熱風(fēng)爐智能燃燒控制系統(tǒng)通過OPC與熱風(fēng)爐DCS通訊，可與熱風(fēng)爐原DCS系統(tǒng)并行在線使用；通過在熱風(fēng)爐DCS操作界面設(shè)置控制權(quán)切換按鈕，可很方便地實現(xiàn)自動燒爐系統(tǒng)和熱風(fēng)爐原DCS系統(tǒng)的控制權(quán)切換。熱風(fēng)爐原DCS系統(tǒng)的所有控制功能均完全保留，系統(tǒng)可靠性強。

4）實現(xiàn)燒爐全過程的全自動控制，使燒爐過程中具備安全連鎖功能，可大幅度減輕現(xiàn)場工人的勞動強度。

3 熱風(fēng)爐智能燃燒控制系統(tǒng)應(yīng)用分析

3.1 節(jié)能分析

通過將熱風(fēng)爐智能燃燒控制系統(tǒng)部署在泉州閩光3號高爐熱風(fēng)爐上進行實測，并分別對系統(tǒng)投入前的人工燒爐和系統(tǒng)投入后的智能燒爐進行了15 d的燒爐數(shù)據(jù)取樣，對取樣數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如下頁表1—表3所示。

表1 熱風(fēng)爐人工燒爐數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

表3 人工燒爐與智能燒爐15日數(shù)據(jù)均值對比

通過對15 d人工燒爐與智能燒爐的數(shù)據(jù)分析比對表明：

1）有效節(jié)省煤氣使用量，并使風(fēng)溫提高。風(fēng)溫提高值為9.4℃，折煤氣為3.13%（按3℃風(fēng)溫折1%煤氣計），煤氣節(jié)省率=（手動煤氣單耗-自動煤氣單耗）/手動煤氣單耗×100%=（2 058 273-1 962 367）/2 058 273×100%=4.66%。

2）智能燒爐的拱頂溫度控制較人工燒爐更為穩(wěn)定，拱頂溫度波動幅度控制在目標(biāo)±10℃以內(nèi)，拱頂溫度平均上升約20℃。熱風(fēng)爐拱頂溫度趨勢圖如圖2所示。

圖2 熱風(fēng)爐拱頂溫度趨勢圖

3）智能燒爐的廢氣溫度控制較人工燒爐更穩(wěn)定，廢氣溫度可控制在目標(biāo)值±10℃以內(nèi)，廢氣溫度上升約7.8℃。熱風(fēng)爐廢氣溫度趨勢圖如圖3所示。

圖3 熱風(fēng)爐廢氣溫度趨勢圖

表2 熱風(fēng)爐自動燒爐數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

3.2 應(yīng)用結(jié)論

在人工燒爐和智能燒爐取數(shù)期間，高爐熱風(fēng)爐生產(chǎn)、工況穩(wěn)定，數(shù)據(jù)取樣合理有效。熱風(fēng)智能燃燒控制系統(tǒng)投運后，平均煤氣量可節(jié)省4.64%，平均風(fēng)溫提高9.4℃，折合煤氣為3.13%，綜合節(jié)能率為7.77%，節(jié)能效果明顯。

熱風(fēng)爐智能燃燒控制系統(tǒng)可實現(xiàn)提高風(fēng)溫約10℃，理論上，按照每提高風(fēng)溫10℃可降低1 kg/t焦比計算，噸鐵可降低成本3元以上（焦炭價格隨市場波動），一個年產(chǎn)300萬t生鐵的鋼鐵企業(yè)，年可降低成本900萬元以上。如果企業(yè)煤氣資源緊張，需進行煤氣的節(jié)約控制，可以有效降低煤氣消耗量5%以上，且可保證在煤氣波動較大的情況下，熱風(fēng)爐燒爐過程能夠平穩(wěn)進行。

4 結(jié)語

熱風(fēng)爐智能燃燒控制系統(tǒng)以拱頂溫度和廢氣溫度為控制目標(biāo)，對熱風(fēng)爐燒爐過程進行自動尋優(yōu)控制，無需人工干預(yù)，可實現(xiàn)熱風(fēng)爐燒爐全過程自動優(yōu)化和最佳燃燒控制，并能在穩(wěn)定燃燒的基礎(chǔ)上實現(xiàn)最大限度的節(jié)能，節(jié)能減排效果顯著。

“十四五”期間，鋼鐵行業(yè)將面臨從碳排放強度的“相對約束”到碳排放總量的“絕對約束”，同時還可能面臨更多來自“碳經(jīng)濟”的國際挑戰(zhàn)，加快低碳轉(zhuǎn)型勢在必行[3]。為推動鋼鐵行業(yè)低碳綠色發(fā)展，加快推進智能制造，數(shù)字化轉(zhuǎn)型是實現(xiàn)鋼鐵企業(yè)全面可持續(xù)發(fā)展和高質(zhì)量發(fā)展的必由之路，因此，熱風(fēng)爐智能燃燒控制系統(tǒng)的應(yīng)用經(jīng)驗值得在鋼鐵企業(yè)推廣應(yīng)用。