CN101684944B

CN101684944B - 高炉热风炉自寻优燃烧控制方法

Info

Publication number: CN101684944B
Application number: CN2008102007315A
Authority: CN
Inventors: 储滨; 赵健; 顾继雄; 唐培华; 张惠福; 黄樑
Original assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Current assignee: Baoshan Iron and Steel Co Ltd
Priority date: 2008-09-28
Filing date: 2008-09-28
Publication date: 2011-07-20
Anticipated expiration: 2028-09-28
Also published as: CN101684944A

Abstract

本发明涉及高炉热风炉燃烧自动控制技术。一种高炉热风炉自寻优燃烧控制方法，是通过用空燃比K代替煤气热值，用当前废气温度减于前几分钟的废气温度除于当前拱顶温度减于前几分钟的拱顶温度的值代替空气过剩系数，并依据当前的煤气压力计算出煤气热值对拱顶温度影响系数、烧炉时间对拱顶温度影响系数和煤气流量对拱顶温度影响系数，将计算出的系数排成一序列；从拱顶温度高于1100℃开始，每当拱顶温度上升1℃时将这一拱顶温度内的系数取均值，形成每变化1℃产生一组系数的数组；每当拱顶温度变化1℃时，计算得到系数数组与上一轮烧炉所产生的序列组中拱顶温度对应的数组进行比较，从而计算出新空燃比。本发明实现简单，反应速度快。

Description

高炉热风炉自寻优燃烧控制方法

技术领域

本发明涉及高炉热风炉燃烧自动控制技术。

背景技术

现有大中型高炉的热风炉一般为四座热风炉，采用两烧两送方式工作，烧炉采用DCS(即Distributed control system，直译为分散控制系统)进行控制的，对煤气和空气采取双闭环比值控制的方式进行配比燃烧，由操作工根据拱顶温度的变化情况及废气残氧量不定时地修改空燃比。为了满足高炉对高风温的需要。一般采用尽量提供足够的焦炉煤气或热值较高的转炉煤气，采用废气含氧量加双闭环比值控制和过量氧气系数的办法来满足自动控制和高风温的需要。

在热风炉作业中要保护设备而须管理格子砖温度分布，此外还因使能耗最小而需在燃烧时对煤气流量作最优设定。前者除了保护拱顶使不超上限温度外，由于硅变形点为1350℃以下，为防止达到此温度时硅砖膨胀而破裂，还须在送风末期管理这一温度。现有技术的热风炉煤气等流量自动设定主要是按热平衡和检测数据来计算送风终了时的蓄热量，但没有足够精确度的残热推断和温度分布的数学模型，为此还需手动设定。

热风炉的自动燃烧控制技术可归纳成以下方法：

1、燃烧煤气的热值可调：根据在线热值仪提供的高炉煤气、CO含量大小决定加入焦炉或转炉煤气的大小，可用定值法调节；或者根据热风炉拱顶温度决定焦炉或转炉煤气量的大小，可用随动法调节。

2、废气烟道中装有残氧量测量仪：根据残氧量大小调节助燃空气含量，使其空气过剩系数保持在0.8％左右，用定值法加比值法调节。

在具备上述(1)、(2)两点的条件下，可根据高炉所需风温，计算出助燃空气总量，再根据热风炉燃烧特性，计算出强化燃烧期、蓄热期、保温期各阶段的助燃空气量及燃烧时间的大小，根据上述基本原理组成热风炉较完善的自动燃烧系统。

但上述方法不足在于：

使用方法(1)无法用最经济简单方法提供尽可能高温度的热风。而最经济科学的方法是，尽可能多的使用高炉煤气，并且在保证高风温情况下尽可能减少焦炉或转炉煤气的使用量。

使用方法(2)由于其使用废气烟道中装有的残氧量测量仪对残氧量进行闭环跟踪调节，由于其控制输入参数为已发生，因此调节反映较慢，不利于节约能源，同时此也不能满足最佳空燃比所要求的精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高炉热风炉自寻优燃烧控制方法，该控制方法在不提高焦炉煤气和转炉煤气用量的前提下，使用常规测量检测方法就能找出实时最佳空燃比，从而提高风温，降低能耗，延长热风炉的使用寿命。

本发明是这样实现的：一种高炉热风炉自寻优燃烧控制方法，包括以下步骤：

步骤1、给定一个烧炉时间和初始空燃比，从高炉热风炉现场仪表中获取热风炉的参数，包括拱顶温度、废气温度、煤气流量、转炉煤气流量、空气流量；

步骤2、时间过几秒后将空燃比、拱顶温度、废气温度、煤气流量、转炉煤气流量、空气流量存入下一格一维内存；

步骤3、用空燃比K代替煤气热值QQ，即QQ＝K，用当前废气温度减于前几分钟的废气温度的差值与当前拱顶温度减于前几分钟的拱顶温度的差值的比值代替空气过剩系数M，依据当前的煤气压力求出煤气热值对拱顶温度影响系数K1、K2或K3；

步骤4、依据当前的煤气压力计算烧炉时间对拱顶温度影响系数K4或K5；

步骤5、计算煤气流量对拱顶温度影响系数K6；

步骤6、将步骤3、4、5中计算出的K1、K2、K3、K4、K5、K6排成一序列，从拱顶温度高于1100℃开始，每当拱顶温度上升1℃时将这一拱顶温度内的K1、K2、K3、K4、K5、K6取均值，形成每变化1℃产生一组K1、K2、K3、K4、K5、K6数组，这样每一拱顶温度就有对应一组数组，形成拱顶温度1100℃—1399℃产生300组K1、K2、K3、K4、K5、K6序列；

步骤7、每当拱顶温度变化1℃时，计算得到K1、K2、K3、K4、K5、K6数组与上一轮烧炉所产生的序列组中拱顶温度对应的K1、K2、K3、K4、K5、K6进行比较，从可产生新空燃比；

步骤8、用新空燃比最终值投入自动调节系统，自动调节系统输出改变空气流量或煤气流量；这时监测拱顶温度一分钟的时间，如果拱顶温度下降，原空燃比不变；如果拱顶温度上升，则采用新空燃比执行调节；把该拱顶温度点对应的最新一组的K1、K2、K3、K4、K5、K6与该拱顶温度点对应的序列表中的K1、K2、K3、K4、K5、K6取均值后替代原序列中的K1、K2、K3、K4、K5、K6；

步骤9、不断重复步骤1至8，从而不断获得合适的空燃比，使热风炉具有较佳的拱顶温度，提高了风温。

本发明是在不提高焦炉煤气和转炉煤气用量的前提下，使用常规测量检测方法就能找出实时最佳空燃比。而该空燃比精度比双闭环比值控制的方式算出的精度都高，从而达到了提高风温，降低能耗，保护环境，延长热风炉寿命的目的。本发明的控制方法与现有技术相比，本发明实现简单，反应速度快。

附图说明

图1为热风炉平均风温与拱顶温度关系图；

图2为本发明的热风炉燃烧流程图；

图3为本发明高炉热风炉自寻优燃烧控制方法流程图；

图4为应用于本发明的寻优燃烧控制方法和原有手工控制方法的废气含氧记录曲线图。

图1中：1线为自寻优燃烧时煤气与空气空燃比随时处于最佳状态，1线与下方的直线所围成的面积与平均风温成正比(用自左上向右下的斜线集表示)；2线为手动烧炉时煤气与空气空燃比偏离最佳状态，在最佳状态附近波动，2线与下方的直线所围成的面积与平均风温成正比(用自右上向左下的斜线集表示)。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

参见图1、图2，一种高炉热风炉自寻优燃烧控制系统，是从高炉热风炉现场仪表中获取各热风炉的参数，包括拱顶温度、废气温度、煤气流量、煤气压力、空气流量、阀位反馈值、转炉煤气流量(或富氧流量)等参数，经过双路隔离器隔离后，一路送回现有控制系统的I/O模块并将信号返回原计算机直接控制系统，作为后备用；另一路送到热风炉自动燃烧多功能控制处理器中，在多功能控制处理器中，采用高炉热风炉自寻优燃烧控制方法，经过多功能控制处理器运算处理后，不断地将运算结果分别送给四座热风炉的煤气和空气控制阀，使得在热风炉整个烧炉期间，热风炉的燃烧配比值随时处于最佳状态，使热风炉具有最佳的拱顶温度。

参见图3，一种高炉热风炉自寻优燃烧控制方法，其步骤是：

步骤1、给定一个烧炉时间和初始空燃比，从高炉热风炉现场仪表中获取各热风炉的参数，包括拱顶温度、废气温度、煤气流量、转炉煤气流量、空气流量；

步骤2、时间过1秒后将空燃比、拱顶温度、废气温度、煤气流量、转炉煤气流量、空气流量存入下一格一维内存；

步骤3、用空燃比K代替煤气热值QQ，即QQ＝K，用当前废气温度减于前1分钟的废气温度的差值与当前拱顶温度减于前1分钟的拱顶温度的差值的比值代替空气过剩系数M，依据当前的煤气压力代入公式(1)、(2)或(3)，求出煤气热值对拱顶温度影响系数K1、K2或K3，其中：

W = \frac{K 1 * QQ * M * P}{P_{n}} + Wn,

5KPa＜P_n＜10KPa 公式(1)

W = \frac{K 2 * QQ * M^{3} * P}{20 * \sqrt{P_{n}}} + Wn,

2KPa＜P_n＜5KPa 公式(2)

W = \frac{K 3 * QQ * M^{2} * P}{10 * \sqrt{P_{n}}} + Wn,

10KPa<P_n 公式(3)

步骤4、依据当前的煤气压力代入公式(4)或(5)计算烧炉时间对拱顶温度影响系数K4或K5，其中：

W = \frac{Q * K 4 * \sqrt{(T + T_{0})} * QQ * 10}{QB} + Wn,

6KPa<P_n 公式(4)

W = \frac{Q * K 5 * \sqrt{(T + T_{0}) * QQ} * 6.67}{QB} + Wn,

6KPa>P_n 公式(5)

步骤5、计算煤气流量对拱顶温度影响系数K6，其中：

W = \frac{1000 * K 6 * \sqrt{QA}}{M} + Wn

公式(6)

上式中：W--拱顶温度；

QQ--煤气热值；

M--空气过剩系数；

P--煤气压力上限值；

P_n--煤气压力；

Wn--开始改变空燃比的拱顶温度起始点；

Q--空气流量上限值；

T--烧炉时间；

T₀--烧完整一次热风炉所需时间；

QB--空气流量；

QA--前5分钟瞬时煤气流量平均值；

K1、K2、K3--煤气热值对拱顶温度影响系数；

K4、K5--烧炉时间对拱顶温度影响系数；

K6--煤气流量对拱顶温度影响系数K6；

步骤6、将步骤3、4、5中计算出的K1、K2、K3、K4、K5、K6排成一序列，缺少项为空格；从拱顶温度高于1100℃开始，每当拱顶温度上升1℃时将这一拱顶温度内每一秒产生一组的K1、K2、K3、K4、K5、K6取均值，形成每变化1℃产生一组K1、K2、K3、K4、K5、K6数组，这样每一拱顶温度就有对应一组数组，形成拱顶温度1100℃—1399℃产生300组K1、K2、K3、K4、K5、K6序列；(热风炉正常使用在1100℃—1350℃之间)；

步骤7、每当拱顶温度变化1℃时，计算得到K1、K2、K3、K4、K5、K6数组与上一轮烧炉产生的序列组中拱顶温度对应的K1、K2、K3、K4、K5、K6进行比较，根据下列1)、2)、3)计算法即可产生新空燃比，其中：

1)、新空燃比初始值K(n+1)＝K(n)+(Ki(n+1)-Ki(n))*0.083其中：K(n)为正在参与控制的空燃比；

K(n+1)为新空燃比初始值；

K1、K2或K3看当前的煤气压力而定；

Ki(n+1)为最新Ki，Ki(n)为序列组中的Ki，i＝1、2或3；

2)、当K4或K5比序列组中的K4或K5大时，新空燃比中间值K(m+1)＝K(n+1)+0.02，当K4或K5比序列组中的K4或K5小时，新空燃比中间值K(m+1)＝K(n+1)-0.015；

3)、当K6比序列组中的K6大时，新空燃比最终值K(t+1)＝K(m+1)+0.03，当K6比序列组中的K6小时，新空燃比最终值K(t+1)＝K(m+1)-0.02；

步骤8、用最终新空燃比投入自动调节系统，自动调节系统输出改变空气流量或煤气流量；这时监测拱顶温度一分钟的时间，如果拱顶温度下降，原空燃比不变；如果拱顶温度上升，则采用新空燃比执行调节；把该拱顶温度点对应的最新一组的K1、K2、K3、K4、K5、K6与该拱顶温度点对应的序列表中的K1、K2、K3、K4、K5、K6取均值后替代原序列中的K1、K2、K3、K4、K5、K6；

步骤9、不断重复步骤1至8，从而不断获得合适的空燃比，新空燃比接近最佳空燃比，使热风炉具有较佳的拱顶温度，比人工烧炉提高了风温。

实施例

当热风炉已烧炉时间(T)1800S，烧完整一次热风炉所需时间(T₀)5400S，当前拱顶温度(W)为1210℃，前1分钟的拱顶温度为1209℃，拱顶温度起始点(Wn)为1100℃，煤气压力(P_n)8.18KPa，煤气压力上限值(P)10KPa，当前废气温度213.6℃，前1分钟的废气温度210.1℃，前5分钟瞬时煤气流量平均值(QA)1830m³/min，空气流量(QB)800m³/min，空气流量上限值(Q)1800m³/min，正在参加控制的空燃比K为0.513时(此值不断被按以下方法计算产生出的新空燃比所取代)，计算K1、K4、K6的一组数据。上一轮产生的K1.K4.K6序列表如表1所示：

表1

拱顶温度	K1	K4	K6
				1210	48.211	0.1317	0.011321

1、计算煤气热值对拱顶温度影响系数K1

根据煤气压力(P_n)8.18KPa，选用公式(1)，即：

\begin{matrix} W = \frac{K 1 * QQ * M * P}{P_{n}} + Wn & 5 KPa < P_{n} < 10 KPa \end{matrix}

其中：拱顶温度W＝1210℃，拱顶温度起始点Wn＝1100℃，空燃比K等于煤气热值QQ，QQ＝K＝0.513，煤气压力上限值P＝10Kpa，煤气压力P_n＝8.18Kpa，空气过剩系数M＝(213.6℃-210.1℃)/(1210℃-1209℃)＝3.5，则K1＝(1210-1100)*8.18/(0.513*3.5*10)＝50.114。

煤气热值对拱顶温度影响系数K1或K2、K3的物理意义为：在现时刻现工况下每当空燃比改变1时，拱顶温度会改变50.114℃。(空燃比正常范围0.40～0.90，一般改变量大小为0.02一次，大约会改变拱顶温度1℃)

2、计算烧炉时间对拱顶温度影响系数K5

根据煤气压力(P_n)8.18KPa，选用公式(4)，即：

\begin{matrix} W = \frac{Q * K 4 * \sqrt{(T + T_{0})} * QQ * 10}{QB} + Wn & 6 KPa < P_{n} \end{matrix}

其中：拱顶温度W＝1210℃，拱顶温度起始点Wn＝1100℃，空燃比K等于煤气热值QQ，QQ＝K＝0.513，热风炉已烧炉时间T＝1800S，空气流量QB＝800m³/min，煤气压力P_n＝8.18Kpa，烧完整一次热风炉所需时间T₀＝5400S，空气流量上限值Q＝1800m³/min，则：

K4＝(1210-1100)*800/(1800*(1800+5400)^1/2*0.513*10)＝0.1123

K4或K5的物理意义为：现时刻现工况下每当烧炉时间改变一秒时，拱顶温度会改变0.1123℃。

3、计算煤气流量对拱顶温度影响系数K6

根据公式(4)，即：

W = \frac{1000 * K 6 * \sqrt{QA}}{M} + Wn

其中：拱顶温度W＝1210℃，拱顶温度起始点Wn＝1100℃，前5分钟瞬时煤气流量平均值QA＝1830m³/min，空气过剩系数M＝(213.6℃-210.1℃)/(1210℃-1209℃)＝3.5，则：

K6＝(1210—1100)*3.5/(42.77*1000)＝0.0090016

K6其物理意义为：现时刻现工况下每当煤气流量变化1m³/min时。拱顶温度会改变0.0090016℃。

将K1、K4、K6值归纳为表2，

表2

拱顶温度	K1	K4	K6
				1210	50.114	0.1123	0.009016

4、根据下列计算法产生新空燃比

计算K1对新空燃比K的影响

新空燃比初始值

K＝0.513+(50.114-48.211)*0.083＝0.513+0.1579＝0.6709

计算K4对新空燃比K的影响

新空燃比中间值K＝0.6709-0.015＝0.6559

计算K6对新空燃比K的影响

新空燃比最终值K＝0.6559-0.02＝0.6359

5、用算出的新空燃比0.6359替代原空燃比0.513投入控制系统。

若时间过1分钟，当拱顶温度上升时，保持新空燃比0.6359不变，更新序列表，新的序列表如表3所示，该序列表是表1和表2中的K1、K4、K6取均值；

表3

拱顶温度	K1	K4	K6
				1210	49.1625	0.122	0.010168

若时间过1分钟，当拱顶温度下降时，改回原空燃比0.513，序列表也不更新，维持原序列表1。

参见图4，图4为应用于本发明的寻优燃烧控制方法和原有手工控制方法的废气含氧记录曲线图，在不提高煤气发热值的前提下，采用本发明的控制方法后废气含氧量的相对误差明显减小；参见图1的线1和线2，采用本发明的控制方法后拱顶温度得到有效提高。

本发明的控制方法与现有技术相比，本发明实现简单，反应速度快。本发明的控制方法提高了风温，降低能耗，保护环境，延长了热风炉的使用寿命。

Claims

1.一种高炉热风炉自寻优燃烧控制方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤3、用空燃比K代替煤气热值QQ，即QQ＝K，用当前废气温度减于前几分钟的废气温度的差值与当前拱顶温度减于前几分钟的拱顶温度的差值的比值代替空气过剩系数M，依据当前的煤气压力代入公式(1)、(2)或(3)，求出煤气热值对拱顶温度影响系数K1、K2或K3，其中：

W = \frac{K 1 * QQ * M * P}{P_{n}} + Wn,

5KPa＜P_n＜10KPa 公式(1)

W = \frac{K 2 * QQ * M^{3} * P}{20 * \sqrt{P_{n}}} + Wn,

2KPa＜P_n＜5KPa 公式(2)

W = \frac{K 3 * QQ * M^{2} * P}{10 * \sqrt{P_{n}}} + Wn,

10KPa＜P_n 公式(3)

W = \frac{Q * K 4 * \sqrt{(T + T_{0})} * QQ * 10}{QB} + Wn,

6KPa＜P_n 公式(4)

W = \frac{Q * K 5 * \sqrt{(T + T_{0}) * QQ} * 6.67}{QB} + Wn,

6KPa＞P_n 公式(5)

步骤5、计算煤气流量对拱顶温度影响系数K6，其中：

W = \frac{1000 * K 6 * \sqrt{QA}}{M} + Wn

公式(6)

上式中：W--拱顶温度；

QQ--煤气热值；

M--空气过剩系数；

P--煤气压力上限值；

P_n--煤气压力；

Wn--开始改变空燃比的拱顶温度起始点；

Q--空气流量上限值；

T--烧炉时间；

T₀--烧完整一次热风炉所需时间；

QB--空气流量；

QA--前5分钟瞬时煤气流量平均值；

K1、K2、K3--煤气热值对拱顶温度影响系数；

K4、K5--烧炉时间对拱顶温度影响系数；

K6--煤气流量对拱顶温度影响系数K6；

步骤6、将步骤3、4、5中计算出的K1、K2、K3、K4、K5、K6排成一序列，缺少项为空格；从拱顶温度高于1100℃开始，每当拱顶温度上升1℃时将这一拱顶温度内的K1、K2、K3、K4、K5、K6取均值，形成每变化1℃产生一组K1、K2、K3、K4、K5、K6序列，这样每一拱顶温度就有对应一组序列，形成拱顶温度1100℃-1399℃产生300组K1、K2、K3、K4、K5、K6序列组；

步骤7、每当拱顶温度变化1℃时，计算得到K1、K2、K3、K4、K5、K6序列与上一轮烧炉所产生的序列组中拱顶温度对应的K1、K2、K3、K4、K5、K6进行比较，根据下列1)、2)和3)计算法即可产生新空燃比，其中：

1)、新空燃比初始值K(n+1)＝K(n)+(Ki(n+1)-Ki(n))*0.083

其中：K(n)为正在参与控制的空燃比；

K(n+1)为新空燃比初始值；

Ki(n+1)为最新Ki，Ki(n)为序列组中的Ki，i＝1、2或3；

K1、K2或K3看当前的煤气压力而定；

步骤8、用新空燃比最终值投入自动调节系统，自动调节系统输出改变空气流量或煤气流量；这时监测拱顶温度一分钟的时间，如果拱顶温度下降，原空燃比不变；如果拱顶温度上升，则采用新空燃比执行调节，把该拱顶温度点对应的最新一组的K1、K2、K3、K4、K5、K6与该拱顶温度点对应的序列表中的K1、K2、K3、K4、K5、K6取均值后替代原序列中的K1、K2、K3、K4、K5、K6；

2.根据权利要求1所述的高炉热风炉自寻优燃烧控制方法，其特征是：在步骤3中所述的前几分钟时间为前1分钟时间。