魏敬忠
(江蘇金恒信息科技股份有限公司)
摘 要：近些年來，伴隨著我國經(jīng)濟發(fā)展速度的不斷提高以及科學(xué)技術(shù)水平的顯著進(jìn)步，我國各個領(lǐng)域上都有了不同程度的進(jìn)步。其中，作為我國煉鐵廠高爐的主要配套設(shè)備之一，目前最先進(jìn)的高爐熱風(fēng)爐風(fēng)溫可達(dá)1300攝氏度。本文中，筆者從高爐熱風(fēng)爐自動優(yōu)化爐的角度出發(fā)，結(jié)合高爐熱風(fēng)爐自動優(yōu)化燒爐專家系統(tǒng)這一設(shè)計方案進(jìn)行分析。在介紹了基本的研究背景之后，筆者將針對高爐熱風(fēng)爐自動優(yōu)化爐專家系統(tǒng)的相關(guān)問題以及熱風(fēng)爐的改造方案進(jìn)行分析，力求讓本次研究發(fā)揮出預(yù)期的效果。
關(guān)鍵詞：高爐；熱風(fēng)爐；自動換爐；專家系統(tǒng)；自動優(yōu)化
本次高爐熱風(fēng)爐自動優(yōu)化燒爐專家系統(tǒng)方案，結(jié)合了生產(chǎn)現(xiàn)場當(dāng)中的基本數(shù)據(jù)資料、現(xiàn)場調(diào)研實情以及用戶的具體要求進(jìn)行設(shè)計。在本次改造方案當(dāng)中，從原有工藝與設(shè)備的角度出發(fā)，對其進(jìn)行了細(xì)致化的梳理，并針對原有系統(tǒng)的運行現(xiàn)狀等問題進(jìn)行了詳細(xì)分析與整理。本次設(shè)計描述了包括現(xiàn)有構(gòu)架、改造范圍、方法、設(shè)備配置以及具體施工內(nèi)容等多方面，通過本次論述，希望能夠在滿足用戶基本需求、為用戶的決策提供參考的基礎(chǔ)之上，為煉鐵廠后續(xù)項目的高效、高質(zhì)量執(zhí)行提供依據(jù)。
一、研究背景
現(xiàn)階段，在我國煉鐵廠當(dāng)中，高爐熱風(fēng)爐燒爐工作絕大部分采用的方式都是人工煤氣調(diào)節(jié)或者半自動煤氣調(diào)節(jié)、空氣閥門開度進(jìn)行配比燃燒等。因此為了進(jìn)一步降低生產(chǎn)過程中的能源消耗，進(jìn)行高爐熱風(fēng)爐自動優(yōu)化燒爐專家系統(tǒng)的改造勢在必行，同時也能夠促使全生產(chǎn)過程自動化的實現(xiàn)，大大的降低煤氣消耗量，提高風(fēng)溫，以及對全廠煤氣管網(wǎng)的壓力起到穩(wěn)定作用，從根本上改善高爐經(jīng)濟技術(shù)指標(biāo)。由此可見，本文中，針對高爐熱風(fēng)爐自動優(yōu)化燒爐專家系統(tǒng)的相關(guān)問題，提出具體的改造方案，是新時期科學(xué)技術(shù)水平發(fā)展對高爐煉鐵行業(yè)提出的全新要求。
二、高爐熱風(fēng)爐自動優(yōu)化爐專家系統(tǒng)相關(guān)問題
(一)換爐指令
通過換爐指令，既能夠確保高爐從熱風(fēng)爐獲取生產(chǎn)需要的溫度，也能夠獲取到生產(chǎn)需要風(fēng)量的熱風(fēng)，也就是說，一旦熱風(fēng)爐供給的熱風(fēng)量無法確保高爐生產(chǎn)需要的實際風(fēng)量溫度，就必須要及時更換能夠完成任務(wù)的熱風(fēng)爐。在實際生產(chǎn)過程中，我們能夠借助于下面幾種換爐指令來確定熱風(fēng)爐是否需要更換，即旁通混風(fēng)閥開度、格子磚溫度下降范圍、送風(fēng)時長以及熱風(fēng)爐拱頂溫度下降幅度。其中，在旁通混風(fēng)閥開度處于全閉合狀態(tài)下，此時熱風(fēng)爐輸送熱風(fēng)不再需要與冷風(fēng)混合，而是能夠直接滿足高爐生產(chǎn)需要溫度，一旦繼續(xù)送風(fēng)就會導(dǎo)致溫度變化較大，無法滿足生產(chǎn)需要，這時需要換爐。而格子磚與熱風(fēng)爐拱頂?shù)臏囟纫坏┫陆祻娏?，也說明需要換爐。在實際生產(chǎn)過程中，這兩種換爐指令的應(yīng)用還需要結(jié)合生產(chǎn)實際情況，所以不但不能夠?qū)訜崮Ｐ蛢?yōu)化的基本需求進(jìn)行滿足，同時也不能夠確定所需時間，因此不論對于熱風(fēng)爐來說還是對于高爐來說都十分不利，會直接導(dǎo)致?lián)Q爐頻繁，進(jìn)而加大損失。根據(jù)分析總結(jié)來說，為降低頻繁換爐帶來的經(jīng)濟損失，可以采取定時換爐的方式。
(二)換爐順序及關(guān)鍵問題
現(xiàn)階段，換爐系統(tǒng)大多采用手動或者半自動的工作方式，只有定時換爐這種方式為全自動的工作方式，不同閥門的工作順序會伴隨著操作方式的不同而變化。在換爐過程中，為了避免熱風(fēng)爐在剛剛投入使用之后瞬間溫度超高，可以借助于強制前饋的方法來將混風(fēng)閥提前進(jìn)行開大處理，從而實現(xiàn)擾動補償作用。在換爐過程中，還需要將定風(fēng)量控制轉(zhuǎn)變?yōu)槎L(fēng)壓控制。與此同時，為了確保換爐工作的安全性，避免高壓風(fēng)涌進(jìn)煤氣管道造成爆炸事件，需要確保送風(fēng)爐與燃燒相關(guān)的閥門嚴(yán)格關(guān)閉，同時各個燃燒爐與送風(fēng)相關(guān)的閥門堅決不能打開。但是目前的自動換爐工作絕大部分控制方式都是PLC，所以這種問題更加嚴(yán)重，這主要是由于軟件規(guī)定在燃燒過程中，與送風(fēng)相關(guān)的閥門必須關(guān)閉，但是用來控制送風(fēng)的不同閥門PLC輸出管道一旦被擊穿，就會導(dǎo)致磁力啟動器瞬間開啟，從而造成危險事故的發(fā)生。因此，除了軟件規(guī)定的連鎖之外，必須要有硬件規(guī)定的連鎖，具體就是將與送風(fēng)相關(guān)的閥門全部串聯(lián)，將同一繼電器當(dāng)中的控制閉合節(jié)點當(dāng)做燃燒各個閥門的供電節(jié)點，從而確保送風(fēng)與換爐安全。
(三)無波動換爐
在換爐過程中，不可避免會發(fā)生壓力波動與溫度波動。一般來說，溫度波動的幅度不會很大，因此主要的問題為壓力波動，這也是困擾相關(guān)工作人員的首要問題。最常見的換爐方式為：將燒好爐子與燃燒相關(guān)的各個閥門全部關(guān)閉，之后將冷風(fēng)均壓閥門打開，待均壓完成之后再將冷風(fēng)與熱風(fēng)閥門打開，將燒好的爐子變?yōu)樗惋L(fēng)爐，最終再將原本進(jìn)行送風(fēng)工作的熱風(fēng)爐變?yōu)槿紵?。在換爐工作開始之前，需要通過充風(fēng)的方式將風(fēng)量劃分為兩路，也就是說要將原本進(jìn)行送風(fēng)工作的熱風(fēng)爐送到充壓的風(fēng)或者高爐的風(fēng)，同時為了保障風(fēng)量不變，必須要使用定風(fēng)壓這種控制手段。通常情況下，實現(xiàn)無波動換爐可以采用俄羅斯方塊、日本新日鐵方式以及廢風(fēng)壓前饋或之后補償這三種方式。根據(jù)相關(guān)調(diào)查與經(jīng)驗來看，俄羅斯方塊這種方式程序比較復(fù)雜，使用難度較大；日本新鐵方式則比較簡單，能夠針對現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行改造。同時，應(yīng)用這種方式的過程中，需要額外注意電動式以及液壓式這兩種驅(qū)動方式，在電動式之下，因為電動機大多為恒速，因此機械運轉(zhuǎn)情況無異常，就說明不需要進(jìn)行系統(tǒng)改造，而在液壓驅(qū)動下，一般只有增加限位開關(guān)這一種方式。
(四)恒量風(fēng)換爐
在進(jìn)行熱風(fēng)流量測量與控制過程中，因為主要的測量方式為熱風(fēng)爐后進(jìn)高爐之前，所以在換爐工作中基本不會受到充風(fēng)的影響，換爐過程中也就不需要轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)壓控制。如果補償?shù)轿唬涂梢詫Q爐過程中的壓力與流量的波動降至最低。另外，由于熱風(fēng)爐在送風(fēng)過程中難免會出現(xiàn)漏風(fēng)的現(xiàn)象，冷風(fēng)流量在測量過程中一定會出現(xiàn)不同程度的誤差，因此應(yīng)當(dāng)針對熱風(fēng)流量進(jìn)行測量與控制，同時這也是煉鐵工作人員最喜愛的方式之一，既能夠讓整個系統(tǒng)得到簡化，同時也能夠使系統(tǒng)達(dá)到理想中的運行狀態(tài)。需要注意的是，不論采用流量控制，還是采用恒風(fēng)量自動換爐這種方式，都需要將熱風(fēng)流量在線測量這個首要問題進(jìn)行解決。在世界范圍內(nèi)，各國都一直在努力的研究相關(guān)裝置，其中文丘利管就是一個質(zhì)量極佳的耐火材料，但同時也有著尺寸過大、對直線段要求嚴(yán)格以及安裝困難等劣勢。反之，彎頭流量計這種方式則更為可靠，尤其是在熱風(fēng)管道的自然彎曲部位，能夠直接用作彎曲流量計的壓力提取點，而不需要對管道與設(shè)備進(jìn)行更改。通過這種方式的應(yīng)用，能夠有效提高換爐的效率。
(五)協(xié)調(diào)與集中控制
在絕大部分煉鐵企業(yè)當(dāng)中，高爐的數(shù)量都不止一座，而每一座高爐又可以包含三個或者四個熱風(fēng)爐，因此多個熱風(fēng)爐在同一時間進(jìn)行換爐，導(dǎo)致煤氣管網(wǎng)當(dāng)中壓力波動過大的情況時有發(fā)生，從而直接影響到用戶的煤氣使用安全以及煤氣利用率的提高。由此可見，在換爐過程中，協(xié)調(diào)控制的作用非同尋常。另外，當(dāng)前我國的高爐一般都具有獨立的控制室，而每一個控制室內(nèi)可以安置兩名值班人員，因此在多個高爐的條件下，值班工作人員也更多，控制室的占地面積也更大。與此同時，大部分煉鐵廠的熱風(fēng)爐都需要有專業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行管理，所以集中控制與協(xié)同控制同樣不可缺少。在協(xié)調(diào)控制與集中控制應(yīng)用過程中，需要考慮以下幾點問題：第一，管理體制類型；第二，如何選擇集中地點；第三，集中形式屬于相對還是完全；第四，集中過后的換爐順序以及集中之后的手動干預(yù)等主要協(xié)調(diào)問題。
三、熱風(fēng)爐改造方案分析
(一)控制系統(tǒng)架構(gòu)
其一，系統(tǒng)安裝連接。在不對原有設(shè)備進(jìn)行改變的基礎(chǔ)上，將生產(chǎn)現(xiàn)場所有的熱風(fēng)爐借助于通信的方式連接到熱風(fēng)爐專家系統(tǒng)當(dāng)中。其二，在原本的操作計算機上，為實現(xiàn)控制權(quán)限的切換，設(shè)置一個自動燒爐專家系統(tǒng)以及原有的PLC控制系統(tǒng)。其三，熱風(fēng)爐專家系統(tǒng)當(dāng)中的人機界面和主要的控制策略、自學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫等軟件系統(tǒng)，分別安裝在操作計算機內(nèi)和專用智能多功能控制器。其四，專家系統(tǒng)輸入輸出信號與原PLC系統(tǒng)的關(guān)系。專家系統(tǒng)所需要的過程參數(shù)和非過程變量信號，同原PLC控制系統(tǒng)在線并行；而經(jīng)專家系統(tǒng)的專用智能多功能控制器進(jìn)行信號處理及運算后的控制信號，通過通信方式經(jīng)原PLC系統(tǒng)送給煤、空氣控制閥。其五，熱風(fēng)爐專家系統(tǒng)連接流程。其六，系統(tǒng)安裝后日常操作與系統(tǒng)切換。系統(tǒng)正常運行后，日常燒爐過程的控制由熱風(fēng)爐自動優(yōu)化燒爐專家系統(tǒng)完成；當(dāng)專家系統(tǒng)故障或異常時，可通過控制權(quán)切換按鈕切換回原 PLC 系統(tǒng)；工況和其他設(shè)備異常而影響燒爐效果時，人工可或需及時切換回原PLC系統(tǒng)進(jìn)行操作。其七，熱風(fēng)爐自動優(yōu)化燒爐專家系統(tǒng)使用精確的燃燒過程數(shù)學(xué)模型，使得不論熱風(fēng)爐在強化燃燒期或蓄熱燃燒期都能保證90%以上時間都處于最佳配比燃燒狀態(tài)。(見圖1)。
(二)專家系統(tǒng)工作特點及技術(shù)分析
第一，采用拱頂溫度，廢氣溫度、煤氣流量、煤氣壓力、空氣流量等非易損量及煤氣閥位反饋信號和空氣閥位信號作為系統(tǒng)的輸入變量，具有更高的燃燒精度、更好的長期穩(wěn)定性和可靠性。第二，熱風(fēng)爐自動優(yōu)化燒爐專家系統(tǒng)軟件是在通用監(jiān)控組態(tài)軟件的基礎(chǔ)上，專門開發(fā)的專用軟件界面，其特點是界面友好直觀，操作簡單方便、安全可靠。是基于Windows的監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用的開發(fā)工具和運行平臺，它可以對網(wǎng)絡(luò)上的或單機的智能多功能控制器等進(jìn)行離線組態(tài)，其豐富的算法功能塊及可任意控制的數(shù)據(jù)流，能按照系統(tǒng)的要求，隨意地構(gòu)造控制方案，滿足用戶對最復(fù)雜控制方案的控制算法的要求。第三，自動優(yōu)化燒爐專家系統(tǒng)的控制策略及相關(guān)軟件程序，保存在智能多功能控制器內(nèi)，通過Modbus與人機操作計算機連接。智能多功能控制器集成了各種數(shù)字、模擬和開關(guān)量的信號處理系統(tǒng)，可很方便地組成熱風(fēng)爐自動優(yōu)化燒爐專家控制系統(tǒng)。第四，系統(tǒng)安裝后，由乙方根據(jù)甲方提供的工藝技術(shù)條件和操作要求，以及現(xiàn)場具體工藝和設(shè)備情況，進(jìn)行系統(tǒng)的程序編制及調(diào)試，并由智能多功能控制器實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采集處理，在控制運行過程中通過系統(tǒng)的自學(xué)習(xí)功能，不斷深化記憶各熱風(fēng)爐的特性，建立針對各熱風(fēng)爐的專家知識庫，通過判斷不同的參數(shù)變化和燒爐情況，利用專家系統(tǒng)技術(shù)，不斷計算出最佳空燃比，實現(xiàn)燒爐全過程最佳燃燒和自動控制。
四、結(jié)束語
綜上所述，本次設(shè)計內(nèi)容從根本上說就是為了強化煉鐵廠的生產(chǎn)效率與質(zhì)量。
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