節(jié)能燃燒控制系統(tǒng)在高爐熱風(fēng)爐中的應(yīng)用

APPLICATIONOFHIGHTEMPERATUREANDHIGH PRESSUREGASPOWERGENERATION

Zhang Haiyan Liu Wenbin Yao Zhenyu

Abstract：The energy-saving combustion control system playsa crucial role inthe blast furnace hot stove. On the one hand，itcansignificantlyimproveenergyutilizationeficiency，reduce energyconsumption，andlowerproductioncosts. At the same time，it guarantees the stable operation of the blast furnace hotstove and improves product quality. On the other hand，researching it helps promote the innovation and development of related technologies，thereby promoting the sustainabledevelopmentof thestelindustry，reducingthenegativeimpactontheenvironment，andenhancing the marketcompetitivenessof enterprises.It has great research significance in both economic and environmental aspects. Company is based on theadvanced BCS series optimized control and energy-saving patented technology. Starting fromthe mostbasic measurement andcontrolinstruments of the blastfurnace hot stove，itusesadvancedcontrol technology to realize theautomatic optimized controlof the blastfurnace hot stove.Byadopting methods such as fuzzy control，theair-fuelratioduring thefurnaceburning processisautomaticallyadjusted，whichnotonlyimproves the combustion eficiencyof thehotstove，reduces gasconsumption，butalsoreduestheadverseimpactontheenvironment.

Key words：energy-saving combustion control；environmental protection；blast furnace hot stove；coal gas; automatic optimized control

0前言

球墨鑄鐵管行業(yè)作為國家供水行業(yè)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，在整個社會運(yùn)行中占據(jù)重要地位。然而，不可忽視的是，它同時也是一個高能耗、高排放的產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。在當(dāng)前國際形勢下，“碳達(dá)峰”“碳中和”目標(biāo)的提出對各行各業(yè)的節(jié)能減排提出了更為嚴(yán)苛的要求。對于球墨鑄鐵管生產(chǎn)企業(yè)而言，這既是挑戰(zhàn)，更是機(jī)遇。在追求高效低耗生產(chǎn)的進(jìn)程中，有效降低煉鐵工序的能源消耗意義非凡。不僅能夠直接削減球墨鑄鐵管的生產(chǎn)成本，增強(qiáng)企業(yè)在市場中的競爭力，而且對國家節(jié)能降耗政策的落實有著至關(guān)重要的推動作用。

高爐熱風(fēng)爐作為煉鐵工序中的關(guān)鍵耗能設(shè)備，其能源利用效率的高低直接影響著整個煉鐵環(huán)節(jié)的能耗水平[，2]。因此，節(jié)能燃燒控制系統(tǒng)在高爐熱風(fēng)爐中的應(yīng)用研究，對于實現(xiàn)煉鐵工序的節(jié)能降耗目標(biāo)，助力球墨鑄鐵管行業(yè)乃至整個國家的低碳發(fā)展具有不可替代的價值。

1高爐熱風(fēng)爐現(xiàn)狀分析

高爐熱風(fēng)爐在球墨鑄鐵管生產(chǎn)過程中消耗著大量的能源，燃料使用量大，包括煤炭、重油等。這些燃料的燃燒，一方面消耗大量能源，另一方面也引發(fā)了諸多環(huán)境問題。在環(huán)保方面，熱風(fēng)爐運(yùn)行會排放二氧化硫、氮氧化物、煙塵等有害氣體，不僅對大氣環(huán)境造成污染[3]，還會對生態(tài)平衡造成破壞。再者，能源的高效利用也是亟待解決的問題，高爐熱風(fēng)爐運(yùn)行過程中存在較為嚴(yán)重的資源浪費(fèi)現(xiàn)象，與我國可持續(xù)發(fā)展理念嚴(yán)重相悖。因此，在高爐熱風(fēng)爐的運(yùn)行過程中，必須綜合考慮能源消耗與環(huán)保要求這兩個重要因素[45]，密切關(guān)注污染物生產(chǎn)源頭，積極采取相應(yīng)措施來實現(xiàn)節(jié)能減排的目標(biāo)，保障球墨鑄鐵管生產(chǎn)產(chǎn)業(yè)與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。

2永通公司高爐熱風(fēng)爐場景描述

永通高爐熱風(fēng)爐采用煤氣燃燒，主要以高爐煤氣為主，拱頂溫度一般控制在 1310^c 、廢氣溫度控制在 350°C ，目前主要依賴操作人員頻繁地加以控制，從而引發(fā)了大量重復(fù)性勞動，其次，煤氣壓力波動會直接導(dǎo)致煤氣流量的改變，當(dāng)煤氣壓力升高，煤氣流量增大，單位時間內(nèi)進(jìn)入燃燒室的煤氣量增加，在燃燒空氣量不便的情況下使得燃燒反應(yīng)加劇，從而導(dǎo)致拱頂溫度升高。此外，煤氣壓力波動會影響煤氣和助燃空氣的混合比例失調(diào)，煤氣壓力陡然降低會導(dǎo)致煤氣不能充分燃燒，壓力恢復(fù)后，又會出現(xiàn)燃燒過度的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致拱頂溫度波動。拱頂溫度波動較大會導(dǎo)致熱風(fēng)爐使用壽命下降，并且浪費(fèi)煤氣。

為解決以上實際問題，永通公司以先進(jìn)的BCS系列優(yōu)化控制節(jié)能專利技術(shù)為依托，以高爐熱風(fēng)爐的基本測控儀表為基礎(chǔ)，運(yùn)用先進(jìn)的軟測量、多變量解耦、過程優(yōu)化控制、故障診斷與容錯控制技術(shù)以及先進(jìn)的軟件接口，實現(xiàn)高爐熱風(fēng)爐的自動優(yōu)化控制。熱風(fēng)爐節(jié)能優(yōu)化燃燒系統(tǒng)的功能在于，依據(jù)設(shè)定的燒爐時長，通過自學(xué)習(xí)、模糊控制等手段，自動對燒爐過程中的高爐煤氣流量、助燃空氣流量等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，讓拱頂溫度和廢氣溫度的變化符合工藝設(shè)定要求，以此提高熱風(fēng)爐燃燒效率、減少煤氣消耗，并降低對環(huán)境的影響。永通公司通過熱風(fēng)爐節(jié)能優(yōu)化燃燒系統(tǒng)的應(yīng)用，解決了人工燒爐過程中因人為因素導(dǎo)致的溫度、風(fēng)量等控制不準(zhǔn)確的問題。

3高爐熱風(fēng)爐技術(shù)方案

3.1熱風(fēng)爐改造原理

基于先進(jìn)的BCS系列優(yōu)化控制節(jié)能專利技術(shù)，將BCS優(yōu)化控制系統(tǒng)通過OPC協(xié)議與現(xiàn)有高爐熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)聯(lián)接，在系統(tǒng)退出時不影響原控制系統(tǒng)的正常操作。BCS系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)間的通訊，采用國際標(biāo)準(zhǔn)的OPC/MODBUS通訊協(xié)議，完成兩系統(tǒng)間的雙向數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)高爐熱風(fēng)爐的自動優(yōu)化控制，使得高爐熱風(fēng)爐的運(yùn)行更加經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定和安全。熱風(fēng)爐節(jié)能燃燒控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)如圖1所示。

3.2熱風(fēng)爐改造內(nèi)容

永通公司基于高爐熱風(fēng)爐現(xiàn)有控制系統(tǒng)現(xiàn)狀、現(xiàn)場儀表和自動裝置，新增或改造現(xiàn)場儀表和自動裝置，增加一套BCS優(yōu)化控制系統(tǒng)，通過OPC橋梁功能讓其與PLC系統(tǒng)無縫整合，在組態(tài)和下傳調(diào)試時確保PLC系統(tǒng)功能不受影響。

將控制模式從現(xiàn)有的手操器全部轉(zhuǎn)變?yōu)榭墒謩涌刂婆c遠(yuǎn)程PLC控制的自動控制模式，同時把反饋信號引入PLC。對3臺煤氣支管調(diào)節(jié)器、3臺空氣支管調(diào)節(jié)器、2臺空氣總管風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)整，更換3臺煤氣總管流量計、3臺煤氣支管流量計、3臺空氣支管流量計。

此外，把每臺熱風(fēng)爐燃燒閥、均壓閥、熱風(fēng)閥等閥門的控制與開關(guān)反饋信號接入PLC，PLC系統(tǒng)需相應(yīng)擴(kuò)展控制模塊；將每臺熱風(fēng)爐的煤氣支管調(diào)節(jié)閥、空氣支管調(diào)節(jié)閥、空氣總管調(diào)節(jié)閥的給定命令和反饋信號以及冷風(fēng)流量接入PLC系統(tǒng)，PLC也需擴(kuò)展相應(yīng)控制模塊，而且這些信號要在上位系統(tǒng)中顯示且可操控。

3.3熱風(fēng)爐數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測

主要采集熱風(fēng)爐數(shù)據(jù)參數(shù)如表1所示。

1）全面的數(shù)據(jù)采集：熱風(fēng)爐關(guān)鍵位置安裝各類高精度傳感器，如溫度傳感器（包括拱頂溫度、廢氣溫度、熱風(fēng)溫度等）、壓力傳感器（煤氣壓力、空氣壓力等），煤氣總管流量計、煤氣支管流量計、空氣支管流量計實時采集這些關(guān)鍵參數(shù)的數(shù)據(jù)，為后續(xù)的分析與控制提供基礎(chǔ)。

2）數(shù)據(jù)的實時傳輸與存儲：建立高效的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，確保傳感器采集到的數(shù)據(jù)能夠及時、準(zhǔn)確地傳輸?shù)紹CS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲中心，供客戶端查詢。

3.4熱風(fēng)爐通訊技術(shù)改造

BCS系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)間的通訊通過國際標(biāo)準(zhǔn)的OPC/MODBUS通訊協(xié)議實現(xiàn)，完成二者雙向數(shù)據(jù)交換，通訊結(jié)構(gòu)見圖2。BCS系統(tǒng)專門設(shè)計了通訊狀態(tài)診斷功能，當(dāng)OPC通訊異常時，BCS系統(tǒng)會自動無擾地將控制權(quán)切換至DCS系統(tǒng)，并發(fā)出語音報警。

4高爐熱風(fēng)爐BCS技術(shù)改造方案

4.1模型設(shè)計方案

模型主要包含拱頂溫度上升期和廢氣溫度管理期兩個階段。在拱頂溫度上升階段，模型會對歷史最優(yōu)空燃比進(jìn)行自學(xué)習(xí)，并將其設(shè)為本次燒爐的初始值，隨后保持高爐煤氣流量與助燃空氣量恒定來持續(xù)燒爐。當(dāng)拱頂溫度達(dá)到目標(biāo)值或者燃燒時長滿足拱頂溫度上升階段的設(shè)定值時，該階段結(jié)束。完成拱頂溫度上升期后便進(jìn)入廢氣溫度管理期，此階段在熱風(fēng)爐燃燒周期中占比較大。在此期間，需要在維持拱頂溫度穩(wěn)定的情況下，對廢氣溫升速度進(jìn)行自動調(diào)控，以保證在燒爐結(jié)束時廢氣溫度能精準(zhǔn)達(dá)到目標(biāo)值。

4.2熱風(fēng)爐主流程操作

圖3為熱風(fēng)爐主操作流程界面，此界面為熱風(fēng)爐全自動優(yōu)化燃燒操作帶來了極大便捷性。采用此界面，基本風(fēng)燃比（或初始風(fēng)燃比）設(shè)定輕松易行，只需給定一個經(jīng)驗數(shù)，并啟動優(yōu)化算法，此系統(tǒng)便會自動優(yōu)化。燃?xì)忾y和空氣閥的手／自動操作也十分方便，操作人員能迅速點出軟手操器進(jìn)行操作，而且當(dāng)執(zhí)行優(yōu)化操作時，兩個閥門會自動切換至“自動”位置，無需復(fù)雜步驟。

燃燒制度的修改也極為靈活，操作人員可根據(jù)實際情況隨時調(diào)整，即便處于全自動模式下也毫無障礙。對于有經(jīng)驗的操作人員而言，可在全自動狀態(tài)下便捷地對煤氣、空氣的控制點實施手動干預(yù)，輕松實現(xiàn)人工優(yōu)化的效果。此外，通過此界面，一鍵即可完成全自動燒爐、閉爐、送風(fēng)這些關(guān)鍵操作，同時還能實時觀察到熱風(fēng)爐運(yùn)行與操作的所有動態(tài)參數(shù)，并且可隨心所欲地切換至其他功能、畫面，真正實現(xiàn)了操作的高效與便捷。

4.3煤氣/空氣支管閥控制邏輯框圖

在熱風(fēng)爐煤氣/空氣支管閥控制邏輯框圖中，各種燃燒制度下的煤氣量控制點發(fā)出指令，這些指令傳遞到PID控制器進(jìn)行處理和調(diào)整。經(jīng)過PID控制器的運(yùn)算，輸出信號被安全限幅進(jìn)行限制，以確保在安全范圍內(nèi)。隨后，信號傳遞到智能軟伺服，智能軟伺服精準(zhǔn)地將信號轉(zhuǎn)化并傳遞到煤氣閥。煤氣閥根據(jù)接收到的信號，精確地調(diào)整開度，從而實現(xiàn)對煤氣流量的有效控制，以適應(yīng)不同燃燒制度的需求，保障熱風(fēng)爐的穩(wěn)定運(yùn)行。通過BCS技術(shù)來達(dá)成風(fēng)煤配比自尋優(yōu)與滾動尋優(yōu)功能，確保在燒爐過程中熱風(fēng)爐的風(fēng)煤配比處于最優(yōu)狀態(tài)。這樣做的好處是，既能提升拱頂溫度，又能減少煤氣消耗。在調(diào)節(jié)閥的控制中，均運(yùn)用“智能軟伺服”功能模塊。該模塊在對被控變量進(jìn)行有效管控時，能最大程度降低調(diào)節(jié)閥的動作頻率與幅度。相較于常規(guī)自動控制，這種方式可使調(diào)節(jié)閥的使用壽命延長十倍有余。

5 應(yīng)用成效

5.1節(jié)約煤氣量，降低設(shè)備故障率

BCS系統(tǒng)應(yīng)用通過三個方面節(jié)約煤氣量：首先，在燃燒期間拱頂溫度保持在目標(biāo)值，防止較大波動；其次，通過規(guī)劃廢氣溫升曲線防止熱風(fēng)爐提前悶爐而造成不必要的熱量損失；第三，通過多段式燒爐，讓單位煤氣的熱值達(dá)到最大燃燒效率的同時提高格子磚溫度達(dá)到提高風(fēng)溫的目的，得到最優(yōu)的煤氣流量控制策略。此外，該系統(tǒng)還能夠?qū)崟r監(jiān)測和調(diào)整煤氣流量，確保在不同工況下都能保持最佳的燃燒狀態(tài)。通過對煤氣量的精確控制，不僅有效降低了生產(chǎn)成本，還減少了對環(huán)境的負(fù)面影響。同時，熱風(fēng)爐BCS系統(tǒng)的應(yīng)用還提高了整個高爐系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，減少了因煤氣供應(yīng)不穩(wěn)定而導(dǎo)致的生產(chǎn)波動和設(shè)備故障。這進(jìn)一步提升了公司的生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益，為公司的可持續(xù)發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。

5.2穩(wěn)定拱頂溫度，廢氣溫度準(zhǔn)時達(dá)標(biāo)

受到外界多種因素影響，在廢氣溫度管理期拱頂溫度會產(chǎn)生比較大的波動，廢氣溫度也很難按照預(yù)先的設(shè)定的時間到達(dá)目標(biāo)溫度，本模型通過多種方式對煤氣流量和空氣流量進(jìn)行實時調(diào)節(jié)，達(dá)到理想的效果。

5.3實現(xiàn)燒爐過程的安全與環(huán)保

熱風(fēng)爐通常是以高爐煤氣為燃燒介質(zhì)，這一過程排放的主要污染物是 SO₂ 、 NO₂ 、顆粒物以及CO等廢氣。熱風(fēng)爐產(chǎn)生的廢氣應(yīng)執(zhí)行《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》。通過在熱風(fēng)爐煙道上安裝一套在線分析系統(tǒng)來連續(xù)檢測煙氣中的CO和 0₂ 濃度，從而達(dá)到監(jiān)控?zé)犸L(fēng)爐燃燒工況和優(yōu)化燃燒效率，隨時校正空燃比提供依據(jù)，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。能夠提高熱風(fēng)爐燃燒效率，降低煙氣中污染物的排放。

6能效分析

公司通過引進(jìn)先進(jìn)的智能化技術(shù)及設(shè)備，自動化程度顯著提升。由表2數(shù)據(jù)可知，手動單位風(fēng)溫風(fēng)量煤氣消耗平均值0.00586，自動單位風(fēng)溫風(fēng)量煤氣消耗平均值0.00564，節(jié)能率達(dá)到 3.86% ，自控率平均值達(dá)到 99.79% 。自動控制狀態(tài)下熱風(fēng)爐風(fēng)溫風(fēng)量煤氣消耗平均值偏低，生產(chǎn)過程中消耗的能源（煤氣）更少，能源利用效率取得了顯著提升。

7結(jié)論

在鑄管企業(yè)中，熱風(fēng)爐作為關(guān)鍵設(shè)備，其能源消耗在企業(yè)總能耗中占據(jù)較大比重。BCS系列節(jié)能優(yōu)化燃燒技術(shù)的應(yīng)用，為鑄管企業(yè)帶來諸多顯著優(yōu)勢與潛在效益。節(jié)能燃燒控制系統(tǒng)在高爐熱風(fēng)爐中的成功應(yīng)用成效斐然。借助先進(jìn)技術(shù)手段，實現(xiàn)了對燃燒過程的精準(zhǔn)把控，極大地提高了能源利用效率，有效降低了能源消耗與生產(chǎn)成本。與此同時，該系統(tǒng)顯著減少了污染物排放，契合環(huán)保要求，為鋼鐵企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了堅實保障。此外，其應(yīng)用還大幅提升了高爐熱風(fēng)爐的運(yùn)行穩(wěn)定性與可靠性，進(jìn)一步強(qiáng)化了企業(yè)的市場競爭力。節(jié)能燃燒控制系統(tǒng)在高爐熱風(fēng)爐中的應(yīng)用是技術(shù)發(fā)展上的重大突破，具有重要的現(xiàn)實意義與廣闊的應(yīng)用前景。

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