高炉热风炉全自动控制专家系统

　　高炉是钢铁工业生产生铁的机组，它需要鼓进热风来燃烧焦炭以把铁矿石还原成铁水，热风炉的作用是把鼓风加热到要求的温度，它是按“蓄热”原理工作的热交换器。在燃烧室里燃烧煤气，高温废气通过格子砖并使之蓄热，当格子砖充分加热后，热风炉就可改为送风，冷风经格子砖被加热并送出。高炉一般装有3 ~4座热风炉，在“单炉送风”时，一座在送风，其余在加热（又称燃烧或烧炉），轮流更换，在“并联送风”时，两座在加热。

　　由于刚送风的热风炉，输出的热风温度较高，然后逐渐下降，为保持输出的热风温度恒定，故利用旁通的热风温度调节阀，控制混入的冷风量以使热风温度恒定，对于热并联的“并联送风”，其热风温度恒定是借助于控制先行炉和后行炉的风量比例（控制其冷风调节阀开度）来达到的。

　　现代高炉都是大型化高炉，如宝钢，高炉容积超过4000m3，每昼夜生产生铁达10000t，要求热风炉稳定地提供规定风温和风量的热风，热风炉也是耗能大的设备，故其有效操作是至关重要的。

　　热风炉的操作主要包括两大部分，即燃烧控制和自动换炉。这两部分操作，国内外的大中型高炉的热风炉都己部分自动化了，但主要是基础自动化。20世纪70年代末，由于高炉大型化，需要高风温和较大风量，因此要求热风炉提供稳定的、满足高炉生产需要的、具有一定温度和流量的热风，而且要节省能源，故发达国家的热风炉都装有完善的自动化系统，即完善的基础自动化系统，带有数学模型并对基础自动化系统进行优化设定的过程自动化。

　　2工艺及自动化系统简述有关燃烧控制的工艺过程如所示。在热风炉燃烧初期是以较大的煤气量和合适的空燃比（*好还设有燃烧废气成分分析，按残氧量来修正空燃比）实行快速加热，使拱顶温度迅速达到规定值，然后逐步加空气量以保持拱顶温度为规定值，在废气温度管理期，即温度达到某一规定值时，需要减少煤气及空气量以维持废气温度为设定值。故其基础自动化系统对于燃烧混合煤气或燃烧预热的高炉煤气和预热空气的热风炉来说将包括：煤气流量控制、空气流量控制、空燃比控制、拱顶温度控制和废气温度控制，对于燃烧高炉煤气和焦炉煤气具有三眼燃烧器的热风炉来说，由于高炉煤气和焦炉煤气分别送入，而需分别设置高炉煤气和焦炉煤气流量控制，且高炉煤气和焦炉煤气流量比和空燃比要分别适应高炉煤气和焦炉煤气需要，而使系统回路更多和更复杂。

　　典型的高炉热风炉布置图如所示。

　　1一混风切断阀；2―热风温度调节阀；3 7―排风阀；8―废气阀；9一助燃空气燃烧阀；10―助燃空气调节阀；11一热风阀；12―煤气燃烧阀；13―煤气切断阀；14一煤气调节阀；15―煤气放散阀；16 19一烟气进烟道阀；20热风炉布置图热风炉换炉要按规定顺序进行。例如，由“燃烧”转为“送风”的顺序为关煤气、空气切断阀和燃烧阀，开煤气放散阀并延时若干秒后关闭，关烟道阀（闷炉状态“）※开冷风旁通阀灌入冷风-※延时若干秒后开热风阀―开冷风阀―关冷风旁通阀。而‘送风”转’燃烧“的顺序则为：关冷风阀―关热风阀开废气阀―延时若干秒波并均压后开烟道阀―关废气阀开煤气切断阀、燃烧阀（煤气调节阀微开，点火后全开）*开空气燃烧阀。各阀顺序动作，并有联锁，特别要防止各燃烧阀未全关时开启与送风有关各阀或其相反动作。现代大中型高炉的热风炉都是自动进行的，是基础自动化的一部分，一般是使用可编程序逻辑控制器（PLC）来定时自动驱动各阀门的电动机来执行。

　　上述基础自动化，其烧炉控制的煤气流量是根据高炉所需风量风温及炉子热状态而需人工设定和变化的，换炉时间也是由人工设定，并按热风炉蓄热情况及高炉炉况和需要来修正换炉时间，这样，不仅耗费人力，且难以在热风炉整个燃烧时期各个阶段及时设定煤气和助燃空气流量并在热风炉蓄热量尚有富裕时，一一及时修正热风炉加热的煤气和空气量，因而达不到节能和优化热风炉操作以及节省煤气和更好的满足高炉生产的需型进行优化。

　　热风炉流量设定数学模型的基本原理是使燃烧时热风炉格子砖的蓄热量适合于加热鼓风到生产所需的热风温度和流量而需要的热量来设定烧炉所需的煤气流量，自动换炉一般是定时进行的，其时间的设定是根据热风炉蓄热情况，即热风炉输出风温不足以维持到高炉生产所需的热风温度就需要换另一烧好的炉子来送风。目前，大多数的数学模型如日本热风炉的数学模型都是主要考虑热风炉流量设定并以换炉时间固定为基础而制定的。德国西门子公司的数学模型考虑的比较完善，它包括了换炉时间和烧炉煤气流量的优化。

　　它首先把热风炉的全部热损失，包括表面、换炉和废气的损失计算出来，再列出热风炉工作循环，*后求得每个循环的效率n如下：数，考虑煤气发热值，空气和废气比热；A为平均表面常数；N为热风炉个数；Qh为热气体流量；要。此，205世纪8年代中期使用数学lblisVv换炉损扁常数*vs为换户时间//H为燃咣副时间。

　　由上式可得出的Qhh与n关系曲线，由该图可看出有一个（QHtH）*佳点，此时效率*高，该点可依下式求出：每个热风炉，不论其燃烧负荷是什么，如果总是用*佳数量的煤气，那么就可以得出*佳经济条件。

　　此外，燃烧的瞬时煤气流量要同正在送风的炉子的瞬时负载（TbClQk）成比例，和煤气发热值H及效率成反比（Qk为冷风流量；Cl为空气比热；Tb为混风温度）。这就是说，瞬时输入必须以能量为基础，并考虑到全部热损失（但tv忽略不计），即：从上面公式就可求出在高炉送风流量和温度下获得*佳经济条件所需的燃烧煤气流量和燃烧时间。

　　根据实践结果，使用这种模型可使热风炉效率加1 2%热风温度平均可提高5~8上述模型的叙述只是原理上的，实际公式和运算较复杂，特别涉及热值测量，这就需要使用实时分析煤气各种成分的分析仪表，因而近年来国外开始研究使用模糊控制来取代数学模型，曰本川崎钢铁公司就是其中一例。

　　3问题的提出如上所述，国际上通用的热风炉全自动化系统是以完善的基础自动化加上数学模型或智能控制组成的，但基础自动化所设置的仪表和控制回路较多，特别是要在4个（或3个）热风炉中设置，故投资相当大。此外，目前由于耐火材料的进步，耐温高，热风炉拱顶不会烧坏，故拱顶没有限温多工厂，包括鞍钢大型高炉大都使用较简单的系统，即只有煤气总管压力控制和煤气及空气调节阀位或流量自动控制，然后人工控制阀位或流量的设定值或开度。至于设定的数学模型，除了相当复杂外，更需设置自动分析加热煤气各种成分的分析器，这种仪器除了昂贵以外，还需良好的维护，很多工厂难以实现。要使数学模型有效，还要求良好的完善基础自动化。因此，这数学模型虽然有效但在国内除宝钢以外，很少有工厂设置并得到应用的。

　　当然，人工控制，不但需要专人操作，且难以在热风炉整个燃烧时期各个阶段及时设定煤气和助燃空气流量（鞍钢10号大型高炉的热风炉在整个燃烧时期煤气和助燃空气流量均不变），也难以在预热煤气和空气温度变化时、高炉所需鼓风温度和流量变化时、助燃空气压力变化时、热风炉蓄热量尚有富裕时，一一及时修正热风炉加热的煤气和空气量，因而达不到节能和优化热风炉操作的目的。故要面对我国的操作和自动化以及维护水平的实况，而需要开发适合于我国的实际情况的、且需低成本和便于推广的热风炉全自动化专家系统。

　　4热风炉全自动化专家系统依据与功能本系统的依据主要是：根据工艺要求。②根据工厂的实践。③高炉热风炉操作方法及操作规程规范。④全面考虑热风炉自动化，即不仅包括自动换炉，还须考虑自动燃烧及两者的关系。⑤从剩余蓄热量出发，考虑优化与降低能耗。⑥国外热风炉设定数学模型的出发点。⑦考虑热风炉的加热和送风的热传导、热交换等工艺理论。⑧为节能和提高风温创造条件而需考虑各种影响因素。⑨考虑减轻劳动强度而需全自动化控制。

　　据此，系统是按下列原理与功能组成的。

　　由有经验的操作员或专家设定换炉周期，包括热风炉的燃烧时间和送风时间。

　　热风炉的燃烧时间和送风时间是成组的，即不同的风温和风量（或冶炼不同的铁种）而有不同的换炉周期，组数不多，以利于选用。

　　按照快速烧炉的原则，组成如所示的基本煤气、空气流量设定图。它是在快速加热期的必要心馆种基础自厉系统大局，阻及拱页温温度度管按5段时心定所需的不同的煤气流量和空气流量。到达烟气温度管理期，分3段（T1~T3）设定所需的不同的煤气流量和空气流量，这3段除设定外还根据下节所述的计算燃烧剩余时间来决定是否减少或加所设定的煤气流量和空气流量。

　　废气温度太高将表征热效率下降和使格子砖支承的金属被烧损，因此废气温度达到上限就应停止加热。利用废气管理如所示，如果按曲线1上升，则未到换炉时间tr就己达到上限，因此在校核点开始运算计算是否如点线所示到达燃烧终点尚有剩余时间，如果有剩余时间则需减少煤气及空气流量，以改变烟气温度上升速度，使燃烧终点与规定的燃烧时间重合。剩余时间ts的计算公式为：*（350*T1）/烟气升温速度变化废气量以控制废气温度为使剩余时间为零，应减少煤气及空气流量，其应减少煤气流量Qn的计算公式为：应减少空气流量Vn计算公式为：由于输入热风炉的能量，即所需的蓄热量，除了与输入煤气流量有关外，还与高炉所需的鼓风流量Q热风和温度T热风及使用的燃烧时间t燃烧有关。煤气燃烧所带入的热量还与煤气热值K热值、预热后煤气温度T煤气和预热后空气温度T空气有关，故所需煤气量可用下式表示。

　　Q实际需要量=/（Q煤，Q空，T煤气，T空气，K热值，K空燃比，Q热风，t燃烧，T热风…）故在各个时间内设定的煤气量还需按上式一一补正为实际需要的煤气量，才能有效节能。当然实际需要的空气量也要补正。

　　设有过程信息的判断。为了有效利用热风炉的蓄热量，应该使送风时从热风炉带走的热量正好等于烧炉时的蓄热量。按送风终了时炉热水准现在值（残余量）、过去几个周期到现在的变化、送风的热风炉出口的风温等进行判断。由于炉热无法直接测定，而以混风阀（即中的热风温度调节阀2）开度进行评价。炉热不足时将在送风结束前，阀门即己开到下限值而无法再控制温度。故在送风终了前达到下限值的程度就可表示炉热水准，并用过去3个周期的阀2开度来评价炉热水准的减趋势。把上述信息按人工判定测的炉子，可测量热风炉送风末期、换炉之前的热风炉出口的风温与高炉所需的设定的风温进行比较，在单炉送风时，若热风炉出口的风温等于或低于高炉所需的设定的风温，自然无法控制温度，就需要换炉，故其差值可作为热水准判断。在热并联送风时，先行炉出口风温将低于高炉所需的设定的风温，此时可用冷风调节阀位置或先行炉出口风温作为热水准判断。

　　经过两三个周期，热水准仍超过规定的剩余数值，就发出“变更”信号，经操作员认可后将改变基础自动化的设定值，它有两种选择，即改变热风炉燃烧控制系统的煤气流量设定或改变换炉时间。

　　验值或按一定公式运算。对于煤气流量设定，在热水准有富裕，可降低所设定的煤气量，反之，应加所设定的煤气量。由于熟练操作工人或专家设定的各个时期的煤气和助燃空气流量都是标准情况减少系数（其余如……所示MeJo腿alElectronicPublis下规定的预热煤气和助燃空：气等的数值。当偏。net离标准情况时应予以补偿，有关公式如下：Q补偿后=Q原始）己于2001年8月中旬在鞍钢10号（容积为2500m3）高炉热风炉投入运行至今，效果良好，使热风炉能全自动烧炉，在线运行，能有效设定烧炉所需的煤气空气量，能在烟气温度到达管理期时自动计算剩余到达终点时间并自动修正煤气空气量，使燃烧终点与规定烧炉时间重合，在预热煤气空气温度变化时、热风温度和流量变化时自动修正煤气空气量，在预热空气压力变化时，自动补偿空气阀位开度，使空气量维持不变。此外还有其他基础自动化的功能等，有关节能等实际数字由于运行不久，尚在统计中。