馮康康¹，牛洪海¹，孫謀成²，管曉晨¹，耿 欣¹

（ 1 南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102 ； 2 國網(wǎng)本溪供電公司，遼寧 本溪 117000 ）

摘要：針對鋼鐵廠熱風(fēng)爐燃燒導(dǎo)致煤氣壓力波動的情況，詳細(xì)設(shè)計了一種高爐間熱風(fēng)爐協(xié)調(diào)換爐的方法。 通過對熱風(fēng)爐工藝狀態(tài)計算，制定合理的錯峰換爐制度與評價指標(biāo)，有效預(yù)測熱風(fēng)爐運行狀態(tài)，并通過設(shè)計的控制策略和安全策略對熱風(fēng)爐進(jìn)行自動燃燒優(yōu)化控制。 該方法有效實現(xiàn)了熱風(fēng)爐錯峰換爐，保證了熱風(fēng)爐蓄熱和送風(fēng)風(fēng)溫，降低了煤氣管網(wǎng)壓力波動，減小了操作人員工作強度。

關(guān)鍵詞：熱風(fēng)爐，協(xié)調(diào)換爐，煤氣壓力波動，自動燃燒控制

熱風(fēng)爐作為高爐的重要輔助生產(chǎn)設(shè)備， 是高爐煤氣消耗的主要單元。 以山東永鋒鋼鐵為例， 3＃ 、 4＃ 、 5＃ 三座高爐煤氣產(chǎn)量約在 90 萬 m³ ／h ， 熱風(fēng)爐煤氣消耗量約在 30 萬 m³ ／h 左右，占高爐產(chǎn)氣量的三分之一左右。 當(dāng)高爐熱風(fēng)爐出現(xiàn)兩個或多個同時換爐時， 極易導(dǎo)致煤氣管網(wǎng)壓力劇烈波動， 從而出現(xiàn)煤氣放散。 因此，本文結(jié)合永鋒鋼鐵實際生產(chǎn)情況，設(shè)計了一種高爐熱風(fēng)爐的協(xié)調(diào)換爐方法，并進(jìn)行了實際應(yīng)用。

1 問題描述

煉鐵高爐一般配套 3～4 座熱風(fēng)爐，采取兩燒一送或者兩燒兩送的送風(fēng)制度。 通過對不同鋼鐵廠現(xiàn)場調(diào)研，發(fā)現(xiàn)許多鋼鐵廠高爐熱風(fēng)爐燒爐過程自動化程度較低，存在如下問題： ① 各高爐間燃燒節(jié)奏不同，存在嚴(yán)重的重疊換爐情況，導(dǎo)致熱風(fēng)爐總煤氣用量波動大； ② 各熱風(fēng)爐采用人工手動燒爐，勞動強度大，調(diào)節(jié)不及時，煤氣和空氣用量依據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行調(diào)節(jié)； ③ 各高爐間信息相互獨立，以各自高爐熱風(fēng)需求為唯一燒爐控制目標(biāo)。

2 功能設(shè)計

針對上述問題，并結(jié)合永鋒鋼鐵的實際生產(chǎn)運行情況，設(shè)計了高爐熱風(fēng)爐的協(xié)調(diào)換爐方法， 以減小熱風(fēng)爐煤氣消耗引起的管網(wǎng)壓力波動，減小操作人員工作強度。 功能具體如下：

1 ）熱風(fēng)爐協(xié)調(diào)換爐功能。結(jié)合實際情況，嚴(yán)格控制各高爐的燒爐、換爐、送風(fēng)時間和節(jié)奏，避免多座熱風(fēng)爐同時換爐，減少因熱風(fēng)爐燃燒數(shù)不同而引起的煤氣消耗量變化。

2 ）熱風(fēng)爐自動燃燒優(yōu)化控制。 對熱風(fēng)爐燒爐過程實現(xiàn)自動化操作，使熱風(fēng)爐在保證拱頂溫度的情況下，在規(guī)定的時間內(nèi)燃燒至所需煙道溫度，保證爐體蓄熱量，以滿足高爐送風(fēng)溫度，同時降低煤氣消耗。

2．1 整體架構(gòu)

永鋒各高爐間已建設(shè)設(shè)備網(wǎng)， 各熱風(fēng)爐均為 SIEMENSPLC 控制系統(tǒng)，并已接入設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。 整體架構(gòu)如設(shè)計圖 1 所示。在原有熱風(fēng)爐操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上， 各熱風(fēng)爐操作系統(tǒng)增加一套協(xié)調(diào)優(yōu)化燃燒控制器，通過 OPC 通訊協(xié)議與各自原控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊。 協(xié)調(diào)優(yōu)化燃燒控制器主要實現(xiàn)三個功能，一是熱風(fēng)爐燃燒過程的自動控制；二是不同爐間的協(xié)調(diào)換爐控制；三是不同高爐間熱風(fēng)爐運行信息的互通共享。

2．2 熱風(fēng)爐協(xié)調(diào)換爐功能

2．2．1 熱風(fēng)爐工藝狀態(tài)計算

實時采集熱風(fēng)閥開關(guān)狀態(tài)、冷風(fēng)閥開關(guān)狀態(tài)、煤氣與助燃空氣閥開關(guān)狀態(tài)、拱頂溫度、廢氣溫度、廢氣差壓和冷風(fēng)差壓等數(shù)據(jù)，結(jié)合熱風(fēng)爐工藝，準(zhǔn)確識別熱風(fēng)爐燃燒、燃燒轉(zhuǎn)燜爐、燜爐、燜爐轉(zhuǎn)送風(fēng)、送風(fēng)、送風(fēng)轉(zhuǎn)燜爐、燜爐轉(zhuǎn)燃燒、休風(fēng)、涼爐等運行狀態(tài)。

2．2．2 熱風(fēng)爐錯峰換爐制度

錯峰換爐的核心原則是保證熱風(fēng)爐總煤氣用量穩(wěn)定， 減少煤氣用量的波動，在此基礎(chǔ)上結(jié)合現(xiàn)場實際運行情況，設(shè)計錯峰換爐制度。永鋒鋼鐵 3＃ 、 4＃ 、 5＃ 高爐均為 1 080 m³ 高爐，三座高爐的9 座熱風(fēng)爐煤氣用量相差不大，且均為兩燒一送，因此在設(shè)計時主要考慮使 9 座熱風(fēng)爐間不產(chǎn)生重疊換爐。 對于存在兩燒兩送以及單個熱風(fēng)爐用氣量不同的情況， 則在錯峰換爐的時需考慮不同熱風(fēng)爐用氣量的大小，以及各熱風(fēng)爐燒爐時間的長短，進(jìn)行合理規(guī)劃燒爐節(jié)奏，以保證煤氣總用氣量不變。

具體永鋒熱風(fēng)爐協(xié)調(diào)換爐制度設(shè)計如圖 2 所示。

1 ）高爐內(nèi)：每座熱風(fēng)爐燃燒 － 換爐 － 送風(fēng) － 換爐 － 燃燒循環(huán)設(shè)計為 3 小時一個周期，保證每小時內(nèi)存在一座熱風(fēng)爐進(jìn)行換爐。

2 ）高爐間：每座高爐在單個小時內(nèi)均存在需換爐的熱風(fēng)爐，因此在考慮熱風(fēng)爐能力的情況下，將每座高爐的換爐時間錯開，在單個小時時間段內(nèi)，不存在兩座高爐換爐的情況。每小時中， 5高在 0～20 min 期間進(jìn)行換爐； 4 高在 20～40 min 期間進(jìn)行換爐； 3 高在 40～60 min 期間進(jìn)行換爐。

3 ）通過上面兩條的設(shè)計，除休風(fēng)等特殊工況外，每座熱風(fēng)爐的運行時間非常規(guī)律，時間固化。 因此，需同時強調(diào)： ① 每座高爐的換爐時間嚴(yán)格控制在 20 min ， 開始換爐的時間不能提前，開始燒爐的時間不能延后； ② 在 0 、 20 、 40 這幾個時間跨界點時，各崗位間相互溝通確認(rèn)，實行高爐間換爐和燒爐同時進(jìn)行操作；③ 如存在高爐休風(fēng)等特殊情況，待情況處理完成后，熱風(fēng)爐仍調(diào)整至原設(shè)計制度進(jìn)行運行。

2．2．3 熱風(fēng)爐運行狀態(tài)預(yù)測

實時預(yù)測各熱風(fēng)爐運行狀態(tài)： ① 各熱風(fēng)爐送風(fēng)結(jié)束時間、燃燒結(jié)束時間； ② 對所有處于燃燒狀態(tài)的熱風(fēng)爐按照最先開始燜爐的時間排序； ③ 計算目前出現(xiàn)同時換爐的可能性； ④ 評價各熱風(fēng)爐節(jié)奏是否準(zhǔn)確； ⑤ 計算各熱風(fēng)爐需提前或延后燜爐時間； ⑥考慮高爐休風(fēng)時可能造成的換爐效應(yīng)疊加， 對未休風(fēng)的熱風(fēng)爐錯開換爐。

2．2．4 協(xié)調(diào)換爐指標(biāo)

設(shè)計兩個統(tǒng)計分析指標(biāo)， 用于分析指導(dǎo)實際協(xié)調(diào)換爐運行情況。

1 ）協(xié)調(diào)換爐重疊率。 從圖 2 可以看出，任意時刻， 9 個熱風(fēng)爐 1 個處于換爐狀態(tài)， 3 個處于送風(fēng)， 5 個處于燒爐狀態(tài)。當(dāng)某個高爐處于換爐，中間會出現(xiàn)短暫的兩個熱風(fēng)爐送風(fēng)狀態(tài)，但不影響熱風(fēng)爐燃燒個數(shù)。 因此以熱風(fēng)爐燃燒數(shù)判斷熱風(fēng)爐換爐重疊情況。 重疊換爐統(tǒng)計方法：當(dāng)燃燒數(shù)為 5 時，說明不存在換爐重疊情況；燃燒數(shù)不為 5 時，則存在重疊換爐。

2 ）協(xié)調(diào)換爐誤差時間。 設(shè)計換爐誤差時間用于評價換爐準(zhǔn)點情況，誤差時間越小，則重疊越少，對壓力波動影響越小。 換爐誤差時間定義（以永鋒 5 高為例）：當(dāng)時間處于 0～20 min 時，應(yīng)為一個爐燃燒，當(dāng)出現(xiàn) 2 個爐燒爐時，則統(tǒng)計此誤差時間；當(dāng)時間處于 20～60 min 時，應(yīng)為 2 個爐燒爐，若出現(xiàn) 1 個爐燒爐，則統(tǒng)計此誤差時間。 換爐誤差時間應(yīng)控制在一定范圍之內(nèi)。

2．3 熱風(fēng)爐自動燃燒優(yōu)化控制

熱風(fēng)爐自動燃燒優(yōu)化控制為實施協(xié)調(diào)換爐的基礎(chǔ)， 作用是使熱風(fēng)爐在保證拱頂溫度的情況下， 在規(guī)定的時間內(nèi)燃燒至所需的煙道溫度，保障熱風(fēng)爐蓄熱量。 同時可實現(xiàn)減小操作人員工作強度和降低煤氣消耗。

2．3．1 自動燃燒指標(biāo)

1 ）通過自動控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)熱風(fēng)爐準(zhǔn)確的在協(xié)調(diào)換爐制度規(guī)定的時間節(jié)點，完成對熱風(fēng)爐拱頂溫度、廢氣溫度、助燃風(fēng)總管壓力的自動控制。

2 ）實現(xiàn)熱風(fēng)爐燒爐自動化運行，長期自動率大于 95％ 。

3 ）優(yōu)化空燃比，實現(xiàn)煤氣流量和助燃風(fēng)流量的合理調(diào)節(jié)，在滿足送風(fēng)溫度的條件下，提高煙道溫度，減少煤氣消耗。

2．3．2 控制策略

永鋒熱風(fēng)爐自動控制策略如圖 3 所示，圖中虛線框部分為廢氣溫度管理期單獨考慮的策略。 在整個自動燒爐過程中通過自適應(yīng)技術(shù)，不斷深化記憶各熱風(fēng)爐的特性，建立針對各熱風(fēng)爐特點不斷優(yōu)化的知識庫，同時判斷不同的參數(shù)變化和燒爐情況，利用模糊控制、自學(xué)習(xí)等控制技術(shù)，實現(xiàn)燒爐全過程自動優(yōu)化控制。

2．3．3 安全策略

實際運行過程中，除考慮拱頂安全溫度、廢氣安全溫度、助燃風(fēng)壓力范圍、閥開范圍外，還需考慮自動優(yōu)化控制與原系統(tǒng)無擾切換等安全情況。永鋒熱風(fēng)爐自動安全策略如圖 4 所示，熱風(fēng)爐自動燃燒優(yōu)化控制器與熱風(fēng)爐原 PLC 系統(tǒng)相互獨立， PLC 原系統(tǒng)保持原有控制邏輯不變，優(yōu)化控制器負(fù)責(zé)優(yōu)化燃燒狀態(tài)下煤氣、空氣流量的調(diào)節(jié)，并通過原 PLC 系統(tǒng)進(jìn)行執(zhí)行控制。 兩者通過控制開關(guān)進(jìn)行切換控制操作，在發(fā)生特殊情況時，進(jìn)行無擾切換。

3 應(yīng)用效果

結(jié)合永鋒鋼鐵生產(chǎn)過程中遇到的實際問題， 對上述提到的方法策略進(jìn)行了實際的應(yīng)用和驗證，具體效果如下。

3．1 煙道溫度控制

煙道溫度控制效果如圖 5 所示，圖中分別為 4 高的 1＃ 、 2＃ 、3＃ 熱風(fēng)爐煙道溫度。 從圖中可以看出： ① 不同熱風(fēng)爐的煙道溫度均嚴(yán)格控制在燒爐需求的 390℃ ，偏差在 ±1℃ 左右，不但滿足熱風(fēng)爐蓄熱目標(biāo)，而且無波動，明顯優(yōu)于操作員控制； ② 各熱風(fēng)爐均嚴(yán)格按照協(xié)調(diào)換爐制度規(guī)定的時間節(jié)點（ 40 min 時刻），燒到目標(biāo)溫度，較為精確，較好地保證了熱風(fēng)爐錯峰換爐的運行。

3．2 拱頂溫度控制

拱頂溫度控制效果如圖 6 所示。從圖中可以看出，拱頂溫度保持 1 340℃ 左右，穩(wěn)定在較高的水平，較為平穩(wěn)，很好滿足了熱風(fēng)爐的蓄熱需求。

3．3 煤氣管網(wǎng)壓力

煤氣管網(wǎng)壓力波動情況如圖 7 所示，圖示為 2018 年 04 月01 日 00:00～23:59 時段的數(shù)據(jù)。 系統(tǒng)整體投用前，永鋒煤氣管網(wǎng)壓力波動在 6～15 kPa 波動；系統(tǒng)投用后，煤氣管網(wǎng)壓力主要在 9～14 kPa 波動，煤氣管網(wǎng)壓力波動較投用前明顯減小，且較為平穩(wěn)。

4 結(jié)束語

通過實際應(yīng)用檢驗， 嚴(yán)格保證了熱風(fēng)爐拱頂溫度和煙道溫度，實現(xiàn)了燒爐時間的精準(zhǔn)控制，達(dá)到了熱風(fēng)爐完全錯峰換爐的目標(biāo)，有效降低了煤氣管網(wǎng)壓力波動的情況，同時降低了操作人員勞動強度，對現(xiàn)場實際生產(chǎn)具有重要的作用。

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