煉鐵高爐爐缸安全運(yùn)行評(píng)估技術(shù)研究

劉運(yùn)橋

伴隨著生產(chǎn)力的高速發(fā)展，新能源與新型技術(shù)的開發(fā)與產(chǎn)品市場(chǎng)的擴(kuò)充，現(xiàn)代化工業(yè)逐漸由傳統(tǒng)的集成發(fā)展轉(zhuǎn)變?yōu)槿嵝陨a(chǎn)的模式，不論是冶金行業(yè)還是其他產(chǎn)品領(lǐng)域，每個(gè)領(lǐng)域都有其核心設(shè)備，如車輛中的發(fā)電機(jī)、發(fā)動(dòng)器或是冶金行業(yè)的高爐等等，其運(yùn)行狀態(tài)對(duì)于此行業(yè)的發(fā)展至關(guān)重要，一旦設(shè)備運(yùn)行出現(xiàn)問題，將會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損害，甚至危害人們的人身安全，其后果對(duì)人們的生活將會(huì)造成巨大影響。

高爐的使用壽命是鋼鐵制造業(yè)產(chǎn)業(yè)化的重要基礎(chǔ)，為實(shí)現(xiàn)鋼鐵生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、低耗的目標(biāo)，從經(jīng)濟(jì)與安全的角度出發(fā)，盡可能延長(zhǎng)高爐爐缸的使用壽命。在高爐的運(yùn)行過程中，其爐缸為影響其使用壽命的關(guān)鍵部位，高爐爐缸異常狀態(tài)達(dá)到一定程度時(shí)，高爐的健康狀態(tài)也岌岌可危，在這種情況下是無法生產(chǎn)出高質(zhì)量的鋼鐵的，還會(huì)影響產(chǎn)量與工作人員的人身安全。如何在復(fù)雜的工業(yè)過程中，對(duì)高爐爐缸進(jìn)行健康管理與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以及應(yīng)用歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行評(píng)估，成為當(dāng)前工業(yè)健康維修管理中的重要問題。因此，本次研究在當(dāng)前煉鐵高爐安全運(yùn)行評(píng)估技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出一種新型煉鐵高爐爐缸安全運(yùn)行評(píng)估技術(shù)，希望通過此技術(shù)對(duì)高爐的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)估，以此提升高爐的維修與管理效果。

1 煉鐵高爐爐缸安全運(yùn)行評(píng)估技術(shù)設(shè)計(jì)

高爐煉鐵過程工序復(fù)雜，同時(shí)需要協(xié)調(diào)工作，根據(jù)高爐煉鐵過程，在進(jìn)行安全運(yùn)行評(píng)估設(shè)計(jì)前，對(duì)大量的設(shè)備安全診斷以及評(píng)估方法進(jìn)行了分析，通過監(jiān)測(cè)高爐爐缸運(yùn)行過程，爐缸內(nèi)襯腐蝕數(shù)據(jù)采集與計(jì)算、安全運(yùn)行評(píng)估指標(biāo)數(shù)據(jù)處理、構(gòu)建煉鐵高爐爐缸安全運(yùn)行評(píng)估模型四個(gè)流程完成新型的煉鐵高爐爐缸安全運(yùn)行評(píng)估技術(shù)，并將煉鐵高爐爐缸安全運(yùn)行評(píng)估技術(shù)設(shè)計(jì)流程設(shè)定為下述形式，具體如圖1 所示。

由圖1 可知，本文根據(jù)高爐結(jié)構(gòu)及工作流程，在爐缸運(yùn)行的基礎(chǔ)上進(jìn)行，根據(jù)上述設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)選擇合適的方法與技術(shù)，對(duì)當(dāng)前安全評(píng)估技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，完成本次研究目標(biāo)。

圖1 煉鐵高爐爐缸安全運(yùn)行評(píng)估技術(shù)設(shè)計(jì)流程

1.1 監(jiān)測(cè)高爐爐缸運(yùn)行過程

高爐爐缸的運(yùn)行與電氣、儀表、衡器以及操作設(shè)定密切相關(guān)，現(xiàn)將爐缸在PLC 控制器程序內(nèi)的外部條件與內(nèi)部條件進(jìn)行可視化監(jiān)測(cè)，將展現(xiàn)爐缸運(yùn)行畫面，并開發(fā)獨(dú)立的樹狀圖，當(dāng)爐缸出現(xiàn)運(yùn)行異常時(shí)，高爐設(shè)備操作人員及維修人員僅需點(diǎn)擊相關(guān)窗口，便可實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步操作，及時(shí)處理爐缸運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)的故障。在監(jiān)控高爐爐缸運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，對(duì)爐缸運(yùn)行過程進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的分析，在線診斷爐缸運(yùn)行中出現(xiàn)的故障，對(duì)高爐爐缸的主要監(jiān)測(cè)包括對(duì)爐缸頂、槽下、東西渣等操作過程的實(shí)時(shí)記錄，為約束操作行為，設(shè)置高爐的關(guān)鍵操作日志，記錄高爐操作與維系人員對(duì)高爐的操作行為，利于在爐缸發(fā)生故障時(shí)查詢受存在認(rèn)為操作的失誤。將高爐爐缸的重要儀表、電極、衡器重量以及邊皮電流的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，記錄閥門開關(guān)到位的時(shí)間，通過對(duì)以上數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理，分析并預(yù)測(cè)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)爐缸運(yùn)行趨勢(shì)的影響，發(fā)現(xiàn)爐缸狀態(tài)異常后及時(shí)發(fā)出預(yù)警，并統(tǒng)計(jì)相關(guān)的故障信息。可視化監(jiān)測(cè)直觀展現(xiàn)爐缸運(yùn)行數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)展示在畫面中，并根據(jù)維修人員每天的點(diǎn)檢情況統(tǒng)計(jì)爐缸運(yùn)行報(bào)警條數(shù)及故障條數(shù)，便于對(duì)爐缸工作情況進(jìn)行整體評(píng)價(jià)。

1.2 爐缸內(nèi)襯腐蝕數(shù)據(jù)采集與計(jì)算

由于外界干擾會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)采集過程造成一定的影響，如數(shù)據(jù)采集裝置造成的數(shù)據(jù)損壞與丟失情況，為盡可能保證采集時(shí)保留大量的原始信息，本文在數(shù)據(jù)采集時(shí)剔除原始樣本集中的異常數(shù)據(jù)，并通過插值法修補(bǔ)異常數(shù)據(jù)，由于高爐爐缸的系統(tǒng)時(shí)間具有一定的滯后性，導(dǎo)致數(shù)據(jù)在采集過程中參數(shù)也具有滯后性，因此高爐數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)的時(shí)間序列要求較為嚴(yán)格，刪除異常值的方法會(huì)使原本數(shù)據(jù)缺失，因此不采用此方法，通過差值法使用數(shù)據(jù)附近的值來校正異常值，本文利用異常數(shù)據(jù)的前后四個(gè)時(shí)間的數(shù)據(jù)來進(jìn)行校正。本次研究中將主要對(duì)高爐爐缸內(nèi)存的腐蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，由于爐缸內(nèi)襯的腐蝕具有不可見性，高爐工作者多通過溫度監(jiān)測(cè)的方式為其運(yùn)行評(píng)估提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，但此方法不可確定侵蝕發(fā)生位置，影響運(yùn)行評(píng)估結(jié)果的可靠性。

1.3 安全運(yùn)行評(píng)估指標(biāo)數(shù)據(jù)處理

由于爐缸運(yùn)行的復(fù)雜性及內(nèi)部的不可測(cè)量性，爐缸內(nèi)部的裝填情況無法被直接觀測(cè)，需要通過爐缸外部可以觀察的參數(shù)變動(dòng)情況判斷爐缸的爐況，其中爐渣成分、料速等都是重要的狀態(tài)參數(shù)，根據(jù)煉鐵原理，狀態(tài)運(yùn)行控制參數(shù)有風(fēng)溫、噴煤等，若高爐爐缸出現(xiàn)狀態(tài)異常的情況，則應(yīng)進(jìn)行調(diào)控使?fàn)t缸恢復(fù)正常運(yùn)行。本文根據(jù)高爐爐缸煉鐵的主要生產(chǎn)流程，以煉鐵廠中的某爐缸的運(yùn)行數(shù)據(jù)為主要資源，選取爐頂壓力、平均溫度與煤氣成分、爐喉邊沿均溫、送風(fēng)風(fēng)量等指標(biāo)作為爐缸安全運(yùn)行的評(píng)估指標(biāo)。將爐缸內(nèi)襯腐蝕引入到安全運(yùn)行評(píng)估指標(biāo)中，并對(duì)新的評(píng)估指標(biāo)體系中涉及到的數(shù)據(jù)展開處理。由于部分?jǐn)?shù)據(jù)需使用傳感器進(jìn)行采集，其數(shù)據(jù)易受到噪聲影響，造成數(shù)據(jù)使用結(jié)果異常的問題。為此，在本次研究中將對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。

在本次研究中根據(jù)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜抑笇?dǎo)，采用5 點(diǎn)3 次式處理，以此保證數(shù)據(jù)處理精度。使用上述計(jì)算公式，對(duì)數(shù)據(jù)中的尖峰與低谷起到彌補(bǔ)作用，消除數(shù)據(jù)中的噪聲。在數(shù)據(jù)處理結(jié)束后，為了保證數(shù)據(jù)具有代表性及采集的數(shù)據(jù)較為平穩(wěn)，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平穩(wěn)性檢驗(yàn)，其中高爐爐缸在運(yùn)行參數(shù)保持不變的特定時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)時(shí)平穩(wěn)可靠的，在對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析師，會(huì)出現(xiàn)頻譜泄漏的現(xiàn)象，因此需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加窗處理，將數(shù)據(jù)傳輸信號(hào)加上一個(gè)窗函數(shù)，選用合適的窗函數(shù)進(jìn)行截?cái)啵纳平財(cái)嗵幍牟贿B貫性。

1.4 構(gòu)建煉鐵高爐爐缸安全運(yùn)行評(píng)估模型

使用處理后的數(shù)據(jù)得到各指標(biāo)特征向量，計(jì)算各個(gè)向量的指標(biāo)權(quán)重。在爐缸安全運(yùn)行評(píng)估中，指標(biāo)權(quán)重僅為評(píng)估過程的一部分。爐缸各個(gè)功能模塊與零件的重要程度各異，因此必須選擇一個(gè)合適的算法對(duì)各指標(biāo)的權(quán)重進(jìn)行計(jì)算。本次研究將主要使用組合賦權(quán)法得到指標(biāo)權(quán)重。

在已有層次分析法的基礎(chǔ)上，建立自上而下的層級(jí)結(jié)構(gòu)，分析導(dǎo)致爐缸運(yùn)行狀態(tài)下發(fā)生故障問題的所有元素及連接關(guān)系，將各元素進(jìn)行分類分組，實(shí)現(xiàn)遞階層次關(guān)系，每層元素?cái)?shù)目過多會(huì)給比較判斷帶來困難，因此每層元素設(shè)置數(shù)量不超過7 個(gè)。在遞階層次結(jié)構(gòu)建成后，構(gòu)建判斷矩陣，將相同層次的元素間的相對(duì)重要性給出一定度量的判斷，得出相對(duì)于準(zhǔn)確的重要程度，進(jìn)行標(biāo)度定量化，判斷矩陣的建立常用1-9 比例標(biāo)度法，具體標(biāo)度如表1 所示。

表1 1-9 比例標(biāo)度

由表1 可判斷矩陣中的各元素，當(dāng)兩個(gè)不同的元素在比較中的數(shù)量極不平等時(shí)，分解高數(shù)量級(jí)別的元素，保證元素?cái)?shù)量級(jí)一致，基于模糊綜合初始模型，對(duì)每一對(duì)象賦予一個(gè)是數(shù)值作為評(píng)判指標(biāo)，是綜合評(píng)估指標(biāo)大小反映全面評(píng)估的高低。

使用上述公式可對(duì)評(píng)估結(jié)果展開較為精確地衡量，并根據(jù)此衡量結(jié)果對(duì)爐缸進(jìn)行維護(hù)與管理。

2 應(yīng)用論證分析

2.1 確定評(píng)估因子權(quán)重

利用下表中運(yùn)行狀態(tài)下各因素權(quán)重即可評(píng)估出安全運(yùn)行狀態(tài)下各因素權(quán)重，具體如表2 所示。

表2 實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)各因素權(quán)重

由表2 權(quán)重，計(jì)算平均值，得出各因素權(quán)重。

其次確定運(yùn)動(dòng)性變化量各因素權(quán)重的確定，根據(jù)本文使用的層次分析法，利用專家對(duì)各個(gè)因素的影響程度進(jìn)行打分，得到各因素權(quán)重值，根據(jù)爐缸各因素變化趨勢(shì)對(duì)高爐爐缸安全運(yùn)行影響程度的不同，每個(gè)因素后數(shù)字即為該因素比例尺度。

2.2 評(píng)估數(shù)據(jù)來源

本次研究中選擇煉鐵2500 立高爐作為研究對(duì)象，在現(xiàn)場(chǎng)采集高爐爐缸運(yùn)行數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)作為本次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，具體采集結(jié)果如下表所示。

表3 高爐爐缸實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)

表4 爐缸運(yùn)行變量采集結(jié)果

使用上述數(shù)據(jù)作為本次實(shí)驗(yàn)過程中的數(shù)據(jù)來源，對(duì)高爐爐缸的運(yùn)行效果進(jìn)行評(píng)估，分析文中設(shè)計(jì)方法的使用效果。

2.3 實(shí)驗(yàn)過程

根據(jù)上文設(shè)定的運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估技術(shù)，將獲取到的數(shù)據(jù)代入其中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，得到下表中數(shù)據(jù)。

表5 高爐運(yùn)行數(shù)據(jù)歸一化處理結(jié)果

在獲取此數(shù)據(jù)后，按照數(shù)據(jù)處理要求完成數(shù)據(jù)歸一化處理，提取數(shù)據(jù)特征，根據(jù)層次分析法得到各評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重，獲取相應(yīng)的評(píng)價(jià)結(jié)果。根據(jù)此原理對(duì)高爐運(yùn)行的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，構(gòu)建相應(yīng)的評(píng)價(jià)模型，輸出高爐運(yùn)行最終評(píng)估結(jié)果。為了更好地分析此文中提出評(píng)估技術(shù)的使用效果，選擇兩種當(dāng)前使用中的評(píng)估結(jié)果與之進(jìn)行對(duì)比，確定不同評(píng)估方法對(duì)高爐運(yùn)行評(píng)估等級(jí)劃分的可靠性。為便于獲取實(shí)驗(yàn)結(jié)果，將高爐運(yùn)行狀態(tài)劃分為4個(gè)等級(jí)，1 至4 分別對(duì)應(yīng)良好、正常、波動(dòng)與異常四個(gè)部分，通過對(duì)比此數(shù)據(jù)確定評(píng)估技術(shù)的使用性能。

2.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

表6 高爐安全運(yùn)行評(píng)估結(jié)果

根據(jù)上述數(shù)據(jù)可以看出，文中設(shè)計(jì)技術(shù)所得結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致，說明此技術(shù)所得結(jié)果可靠性較高，其評(píng)估結(jié)果較為客觀、準(zhǔn)確。當(dāng)高爐出現(xiàn)問題，可在最短時(shí)間內(nèi)完成維修工作，保證高爐的運(yùn)行安全。從宏觀上把握高爐的運(yùn)行狀態(tài)，為其管理與維護(hù)提供科學(xué)的決策依據(jù)。反觀當(dāng)前使用中的兩種評(píng)估技術(shù)，其所得評(píng)估結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果相差較大，其所得結(jié)果可供參考的價(jià)值較低，無法為維修工作提供有力數(shù)據(jù)。綜合上述，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示本文設(shè)計(jì)的安全評(píng)估技術(shù)具有良好的使用效果。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過監(jiān)測(cè)高爐爐缸運(yùn)行過程，爐缸內(nèi)襯腐蝕數(shù)據(jù)采集與計(jì)算，安全運(yùn)行評(píng)估指標(biāo)數(shù)據(jù)處理，構(gòu)建煉鐵高爐爐缸安全運(yùn)行評(píng)估模型，提出了一種新型的高爐爐缸運(yùn)行評(píng)估技術(shù)，經(jīng)應(yīng)用測(cè)試表明此技術(shù)具有一定的科學(xué)性，可將其應(yīng)用在日后的研究中。由于時(shí)間和條件的限制，此技術(shù)還有部分問題需要進(jìn)行完善與優(yōu)化，如對(duì)高爐爐缸所涉及的許多參量還需要在實(shí)際運(yùn)行中進(jìn)行驗(yàn)證和補(bǔ)充，在參量獲取的同時(shí)需要加強(qiáng)對(duì)高爐爐缸運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)，以保證獲取的參量更加精確。在日后的研究中將完成此部分內(nèi)容，為鋼鐵行業(yè)提供合理的設(shè)備評(píng)估維護(hù)方法。