CN101949645A - 一种降低煤气成本的多元流烧结点火控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低煤气成本的多元流烧结点火控制方法，本发明针对烧结点火过程中煤气成本高以及点火强度难以自动控制的问题，以点火强度为控制目标，首先建立基于点火温度修正的点火强度与煤气流量关系模型，在此基础上采用多元流烧结点火控制技术，即采用高炉和焦炉混合煤气代替以往单一焦炉煤气作为点火燃气，在煤气满足点火强度设定值的基础上降低成本。本发明提出的控制技术降低了煤气成本、提高了烧结点火效率。

Description

一种降低煤气成本的多元流烧结点火控制方法 

技术领域

本发明涉及一种降低煤气成本的多元流烧结点火控制方法。 

技术背景

烧结是炼铁过程中的一道重要工序。现代抽风烧结过程是将铁矿粉、熔剂、燃料及返矿等按照一定比例组成混合料，配以适量水分，经混合及造球后，铺于带式烧结机的台车上并在一定的负压下点火燃烧。烧结过程中，点火燃烧是影响烧结矿产质量的重要因素，点火强度不够或点火温度偏低会导致料层不能够充分燃烧，形成的烧结矿强度低。点火强度太大或温度偏高时表层烧结饼过熔使料层透气性降低。因此，有效的控制点火炉的给入热量，对烧结生产过程是十分重要的。 

传统点火控制基本都是人工操作，因点火控制受料层厚度、水分、混合料成分、煤气热值和压力等诸多因素的影响，人工操作不能直接调整。为此，一些钢铁企业实现了烧结点火自动控制。 

目前，国内外烧结点火自动控制都是采用热值较高的焦炉煤气作为燃烧气体。然而现代钢铁生产中存在热值较高的焦炉煤气成本高、产量低、需求大而热值较低的高炉煤气成本低、产量高、需求小的问题，从而导致焦炉煤气严重短缺而高炉煤气严重过剩。因此传统烧结点火控制不仅成本高而且增加了已经短缺的焦炉煤气消耗量。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种降低煤气成本的多元流烧结点火控制方法，该降低煤气成本的多元流烧结点火控制方法有效的解决烧结点火焦炉煤气成本高以及点火强度难以自动控制的问题，在煤气满足点火强设定值的基础上降低成本。。 

本发明的技术解决方案如下： 

一种降低煤气成本的多元流烧结点火控制方法，包括以下步骤： 

步骤1：建立基于烧结点火机理的点火强度与煤气流量关系模型； 

基于烧结点火机理的点火强度与煤气流量关系模型如下： 

Q＝60*J*V_S*W_f*(1+α)，其中，Q为点火炉的焦炉煤气流量，J为点火强度，V_s为烧结机速度，W_f为烧结机宽度，α为修正因子； 

步骤2：具体控制方法： 

控制系统的输入为点火温度给定，输出为点火炉的点火温度值，控制系统的偏差即点火温度偏差为点火温度给定与点火温度值的差，基于点火温度偏差对修正因子进行模糊控制，再根据Q＝60*J*V_S*W_f*(1+α)得到焦炉煤气流量Q，由焦炉煤气流量Q与高焦比k1的乘积得到高炉煤气流量Q₁，即Q₁＝k1*Q，由焦炉煤气流量Q与空焦比k2的乘积以及高炉煤气流量Q₁与空高比k3的乘积之和得到空气流量值Q₂，即Q₂＝k2*Q+k3*Q₁；则控制量M为焦炉煤气流量Q、高炉煤气流量Q₁与空气流量值Q₂之和，即M＝Q+Q₁+Q₂，基于焦炉煤气流量Q、高炉煤气流量Q₁与空气流量值Q₂分别将焦炉煤气和高炉煤气以及空气同时送入点火炉。 

对于修正因子α的模糊控制策略为： 

模糊输入量为点火温度偏差E；点火温度偏差E的论域为(-6，+6)，点火温度偏差E的模糊语言值为[NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB]，其中，NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中、正大，并选用三角形隶属度函数； 

模糊输出量为修正因子α，修正因子α的论域为(-3，+3)，修正因子α的模糊语言值为[NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB]，其中，NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中、正大，并选用三角形隶属度函数。 

E

NL

NM

NS

NO

PS

PM

PL

α

PL

PM

PS

NO

NS

NM

NL

模糊推理规则如上表。 

采用3个内环控制焦炉煤气流量Q高炉煤气流量Q₁与空气流量值Q₂的值，所述的3个内环中的控制器均为PID控制器，在焦炉煤气流量调节阀、高炉煤气流量调节阀和空气流量调节阀的出口处均设有流量传感器用于检测气体的流量输出，该流量输出同时作为内环的反馈值。 

有益效果： 

本发明提出的多元流烧结点火控制技术不仅在控制上满足了烧结点火工艺要求，而且降 低了点火煤气成本。具体如下： 

(1)在以往仅用焦炉煤气作为燃气的基础引入廉价的高炉煤气，采用混合煤气进行点火控制； 

(2)引入高炉煤气，降低了焦炉煤气消耗量，缓解了钢铁企业焦炉煤气短缺的严峻形式，有效利用了高炉煤气，减少了高炉煤气以点天灯直接排放的量； 

(3)用廉价的高炉煤气代替一部分高昂的焦炉煤气，无疑降低了点火煤气的成本。 

综上所述，采用本发明技术，既有效利用了高炉煤气以降低生产成本，节约了能源，同时也减少了对环境的污染，符合国家建设节能型社会的要求，具有巨大的经济效益和社会效益 

附图说明

图1点火器结构示意图； 

图2烧结点火总体系统结构框图； 

图3多元流烧结点火控制结构框图； 

图4点火温度偏差E的隶属度函数； 

图5修正因子α的隶属度函数。 

标号说明：1-焦炉煤气，2-高炉煤气，3-空气，4-烧嘴，5-料面，6-台车，7-焦炉煤气流量，8-空气流量，9-高炉煤气流量，10-料面温度，11-焦炉煤气调节阀开度，12-空气调节阀开度，13-高炉煤气调节阀开度，14-烧结料，15-台车，16-控制模块。 

具体实施方式

下面结合附图以具体实施例对本发明的技术方案及工作过程作进一步的说明，但本发明的保护范围不限于此： 

实施例1 

如图1所示，点火器安装在烧结台车首部上方，焦炉煤气、高炉煤气以及空气混合后在点火器中充分燃烧并由点火器烧嘴喷出火焰进行点火。表层混合料经过点火器点火后在抽风机的作用下开始由上而下进行燃烧。如图2所示为多元流烧结点火控制结构图，当给定点火强度设定值以后，根据点火强度与燃气流量关系模型计算出所需焦炉煤气流量设定值，其中过分强调点火强度会使点火温度过低或过高，因此对模型进行点火温度修正；基于人工操作 经验设定高焦比，将焦炉煤气流量与高焦比乘积作为高炉煤气流量设定值；空气流量必须保证焦炉和高炉混合煤气能够充分燃烧，因此将空气流量按照焦炉和高炉煤气需求量分成两部分，分别基于人工经验设定空焦比和空高比，然后将焦炉煤气流量设定值与空焦比乘积作为空气流量设定值的一部分，将高炉煤气流量设定值与空高比乘积作为空气流量设定值的另外一部分，最后将两部分之和作为空气流量的设定值。 

1基于烧结点火机理的点火强度与燃气流量关系模型如下： 

Q＝60*J*V_S*W_f    (1) 

Q为点火炉的焦炉煤气流量(m³/h) 

J为点火强度(m³燃气/m²料面) 

V_s为烧结机速度(m/min) 

W_f为烧结机宽度(m) 

公式(1)中焦炉煤气流量Q取700-1100m³/h；点火强度设定值基于烧结机有效烧结面积进行设定，设定在1.0-2.0之间；烧结机速度是影响烧结终点位置的重要参数，设定值在2.5-4.0m/min之间。烧结机宽度为固定值，本控制系统运行于宽度为4m的烧结机上。 

公式(1)给出了点火强度与点火焦炉煤气流量关系模型，为了保证点火质量，点火温度必须保持在一个允许的范围内。强调点火强度而点火温度过高时会使烧结料表面过熔进而降低烧结料的透气性；强调点火强度而点火温度过低时会使烧结料表面温度不够从而难以形成烧结矿。因此，引入点火温度对点火强度和燃气流量关系模型的修正。 

2、点火温度对点火强度与燃气流量关系模型的修正 

如图3所示，将点火温度设定值与反馈值的偏差作为点火强度与燃气流量模型的输入，当偏差为正时说明当前点火温度偏低，需要增加煤气流量；当偏差为负时说明当前点火温度偏高，需要降低煤气流量。因此，对公式(1)引入修正因子α，如公式(2)所示：对于修正因子α，采用模糊推理方法。具体步骤如下所示： 

Q＝60*J*V_S*W_f*(1+α)    (2) 

(1)论域的确定 

温度偏差实际范围为(-50，50)，温度设定值与实际值偏差e的论域为(-6，+6)，e到其论域E的映射式为 

$E=6\×\frac{e-(e_L+e_H)/2}{(e_H-e_L)/2}---\left(3\right)$

式中，e_L为炉温偏差e的下限值-50，e_H为炉温偏差e的上限值50。模糊语言值为[NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB]，NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB取1的值分别对应-6、-4、-2、0、2、4和6.

(2)定义隶属度函数 

常用的隶属函数有高斯函数、三角函数、S形函数、Z形函数等，在此选用三角形隶属度函数。点火温度偏差E的隶属度函数如图4所示。点火温度偏差E的NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB取1的值分别对应-6、-4、-2、0、2、4和6. 

(3)模糊规则的确定 

模糊表如表1所示。模糊推理步骤如下： 

①点火温度偏差在正常范围之内，则α为NO； 

②点火温度偏差为正大(PL)，则α为负小(NL)； 

③点火温度偏差为正中(PM)，则α为负中(NM)； 

④点火温度偏差为正小(PS)，则α为负小(NS)； 

⑤点火温度偏差为负小(NS)，则α为正小(PS)； 

⑥点火温度偏差为负中(NM)，则α为正中(PM)； 

⑦点火温度偏差为负大(NL)，则α为正大(PL)；设定修正因子α的论域为(-3，+3)，α的隶属度函数如图5所示。修正因子α的NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB取1的值分别对应-3、-2、-1、0、1、2和3.

3、多元流烧结点火控制技术 

随着钢铁企业的快速发展，高热值的煤气需求量越来越大。因此现代企业面临热值较高的焦炉煤气严重短缺而热值较低的高炉煤气严重过剩。由于焦炉煤气成本高，过多的工业应用无疑增加了企业的成本。而大多数企业由于高炉煤气热值较低不能充分利用，从而将大量的高炉煤气通过点天灯的方式排放掉，这无疑是一种能源浪费。采用多元流烧结点火控制，在传统烧结点火控制基础上增加廉价的高炉煤气作为燃料不仅降低了煤气成本，而且缓解了焦炉煤气短缺的局势、减少了高炉煤气的天灯排放、充分提高了企业能源利用率。 

(1)检测单元 

图2所示为烧结点火总体系统结构框图，在焦炉煤气管道、高炉煤气管道以及空气管道上分别安装流量检测仪、电动调节阀。控制系统的内环为流量控制环，煤气和空气流量值分别作为其流量控制器的反馈输入至流量控制器，通过流量调节阀调节煤气和空气流量。在混合料料面安装温度检测仪进行料面温度的检测，将检测值作为外环的温度反馈。 

(2)控制结构 

图3所示为多元流烧结点控制结构图，点火强度是指点火炉在单位时间内供给单位混合料面的热量，点火强度设定是否合理在很大程度上决定了烧结点火的控制效果，该控制方法采用人工经验设定相应的点火强度。但是，保证点火强度的同时必须兼顾点火温度，使点火温度必须保持在一个允许的范围内。因此，在点火强度与煤气流量关系模型中引入了点火温度对模型的修正。模型采用α修正因子，其值采用模糊推理法求解，模糊推理查询表如表1所示。 

针对现有的单一焦炉煤气进行烧结点火控制，本发明提出的多元流烧结点火控制将热值较高的焦炉煤气和热值较低的高炉煤气作为混合燃气进行点火控制。由现场操作人员根据生产经验设定一定的高炉煤气流量与焦炉煤气流量比例，简称高焦比。当煤气量一定时，空气量必须与煤气量保持一定的比例，空气量过多或过低将会导致煤气不能完全充分燃烧，从而放出较低的热量。因此，恰当的煤气与空气流量比例显得尤为重要。本发明提出一种基于人工经验设定的空气流量与焦炉煤气流量比例以及空气流量与高炉煤气流量比例的方法。即由现场操作人员根据实际经验设定空焦比、空高比。由于现场生产环境的复杂以及焦炉和高炉煤气本身的不稳定性，煤气热值经常波动，因此采用固定的高焦比、空高比以及空焦比很难保证烧结点火质量。本发明采用基于人工经验设定相应的比值，由现场操作人员根据当前煤气热值以及当前的点火质量手动设定三种比值，从而保证煤气和空气流量合理取值。按照实际运行效果提供一组空焦比、空高比以及高焦比分别为：5、4.5、0.75。 

该三元流烧结点火控制技术采用双闭环控制方法。系统外环采用基于温度修正的点火强度控制方法，将焦炉煤气、高炉煤气和空气的混合值作为燃料进行燃烧。在点火炉下面的烧结料面安装有两个温度传感器，将两个传感器的平均值作为温度反馈值，点火温度的偏差经过模糊查表后作为修正因子输入到点火强度与煤气流量关系模型，模型输出为焦炉煤气流量，作为焦炉煤气流量设定值输入至焦炉煤气控制器。高炉煤气设定值为人工经验设定的高焦比和焦炉煤气流量的乘积。空气流量设定值为空焦比与焦炉煤气流量乘积以及空高比与高炉煤气流量乘积之和。系统外环采用基于温度修正的点火强度控制方法，一般温度设定在1100℃ 至1300℃之间，正常设定值为1200℃，当烧结料面出现过熔时可将温度设定值降至1100℃，当出现烧结料面温度不够时可将温度设定值提高至1250℃。 

控制系统内环为流量环，在焦炉煤气管道、高炉煤气管道、空气管道上分别安装流量检测仪进行流量检测。焦炉煤气的检测值作为焦炉煤气流量控制器的反馈输入，控制器输出至焦炉煤气调节阀。高炉煤气的检测值作为高炉煤气流量控制器的反馈输入，控制器输出至高炉煤气调节阀。空气的检测值作为空气流量控制器的反馈输入，控制器输出至空气调节阀。控制系统内环流量控制器采用经典的PID控制，包含焦炉煤气流量控制器、高炉煤气流量控制器以及空气流量控制器。其中焦炉煤气流量控制器控制参数为：增益P＝0.025、积分环节I＝0.005、微分环境D＝0；高炉煤气流量控制器控制参数为：增益P＝0.025、积分环节I＝0.002、微分环境D＝0；空气流量控制器参数为：增益P＝0.02、积分环节I＝0.004、微分环境D＝0。 

(3)控制效果 

本发明提出的降低煤气成本的多元流烧结点火控制技术已经在国内某钢铁厂360m²烧结机上实现了工业应用。从系统投运至今，系统运行效果良好，不仅达到了顺产稳产的要求，而且充分利用了高炉煤气、降低了焦炉煤气需求量，从而降低了煤气成本。因为以往的烧结点火控制都是采用单一的焦炉煤气作为燃气，而本发明采用焦炉和高炉混合煤气作为燃气，不但缓解了焦炉煤气短缺的形式、充分利用了高炉煤气而且很大程度上降低了煤气成本。 

采用多元流点火控制技术后在每小时生产425t烧结矿的基础上焦炉煤气消耗平均降低1100m³/h，增加高炉煤气消耗3000m³/h。焦炉煤气价格以0.25元/m³计算、高炉煤气价格0.06元/m³计算，则每年可节约煤气成本(0.25×1100-0.06×3000)×24×365＝83万，即在该烧结机年产值约为366万吨基础上降低煤气成本83万元，降低煤气成本22.7元/吨，这样对于高成本、高能耗的钢铁企业来说无疑降低了成本负担。按照煤气市场价格将采用多元流烧结点火控制技术之前和之后的煤气成本进行比较，可以得出该控制技术在很大程度上降低了煤气成本。将采用多元流烧结点火控制技术之前和之后的烧结矿质量进行比较，得出烧结矿质量较之前有了提高。因此，本发明降低了煤气成本、提高了点火效率。 

Claims (3)

1.一种降低煤气成本的多元流烧结点火控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：建立基于烧结点火机理的点火强度与煤气流量关系模型；

基于烧结点火机理的点火强度与煤气流量关系模型如下：

Q＝60*J*V_S*W_f*(1+α)，其中，Q为点火炉的焦炉煤气流量，J为点火强度，V_s为烧结机速度，W_f为烧结机宽度，α为修正因子；

步骤2：具体控制方法：

控制系统的输入为点火温度给定，输出为点火炉的点火温度值，控制系统的偏差即点火温度偏差为点火温度给定与点火温度值的差，基于点火温度偏差对修正因子进行模糊控制，再根据Q＝60*J*V_S*W_f*(1+α)得到焦炉煤气流量Q，由焦炉煤气流量Q与高焦比k1的乘积得到高炉煤气流量Q₁，即Q₁＝k1*Q，由焦炉煤气流量Q与空焦比k2的乘积以及高炉煤气流量Q₁与空高比k3的乘积之和得到空气流量值Q₂，即Q₂＝k2*Q+k3*Q₁；则控制量M为焦炉煤气流量Q、高炉煤气流量Q₁与空气流量值Q₂之和，即M＝Q+Q₁+Q₂，基于焦炉煤气流量Q、高炉煤气流量Q₁与空气流量值Q₂分别将焦炉煤气和高炉煤气以及空气同时送入点火炉。

2.根据权利要求1所述的降低煤气成本的多元流烧结点火控制方法，其特征在于，对于修正因子α的模糊控制策略为：

模糊输入量为点火温度偏差E；点火温度偏差E的论域为(-6，+6)，点火温度偏差E的模糊语言值为[NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB]，其中，NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中、正大，并选用三角形隶属度函数；

模糊输出量为修正因子α，修正因子α的论域为(-3，+3)，修正因子α的模糊语言值为[NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB]，其中，NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中、正大，并选用三角形隶属度函数。

  E   NL   NM   NS   NO   PS   PM   PL   α   PL   PM   PS   NO   NS   NM   NL

模糊推理规则如上表。

3.根据权利要求1或2所述的降低煤气成本的多元流烧结点火控制方法，其特征在于，采用3个内环控制焦炉煤气流量Q高炉煤气流量Q₁与空气流量值Q₂的值，所述的3个内环中的控制器均为PID控制器，在焦炉煤气流量调节阀、高炉煤气流量调节阀和空气流量调节阀的出口处均设有流量传感器用于检测气体的流量输出，该流量输出同时作为内环的反馈值。

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