CN102559964A - 高炉炉顶压力前馈控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及高炉炉顶压力前馈控制方法，具体是：通过对高炉工艺过程进行分析，认为炉顶布料和布料罐均压是高炉正常生产过程中影响炉顶压力稳定的主要扰动因素，通过分析其相关参数的内在联系，以此建立炉顶布料顶压前馈控制数学模型和料罐均压顶压前馈控制数学模型，通过模型计算出对应的静叶角度控制值，作为前馈量，采用PID＋前馈数学模型的方法控制顶压；顶压前馈控制在炉顶布料和料罐均压过程开始后，顶压发生变化之前，将前馈量提前作用于TRT静叶，以把顶压的扰动消灭于萌芽之中，减小因扰动而产生的顶压波动。本发明可以把顶压的扰动消灭于萌芽之中，有效提高炉顶压力的控制精度，有利于高炉的顺行和产量的提高。

Description

高炉炉顶压力前馈控制方法

技术领域

本发明涉及高炉炼铁的炉顶压力控制领域，特别是涉及高炉炉顶压力前馈控制方法。

背景技术

高炉炼铁的控制参数中，炉顶压力是非常重要的参数之一，炉顶压力的控制精度直接影响高炉的顺产和产量。目前国内外的顶压控制方式大都采用单独PID闭环控制技术，因为顶压的扰动因素较多，并且TRT顶压控制是一个大滞后控制系统，因此控制精度只能控制在4kPa甚至5kPa以上，对高炉的顺行及产量产生了较大影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种高炉炉顶压力前馈控制方法，以克服现有PID技术对大滞后控制对象精度不高的缺陷。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的高炉炉顶压力前馈控制方法，具体是：通过对高炉工艺过程进行分析，认为炉顶布料和布料罐均压是高炉正常生产过程中影响炉顶压力稳定的主要扰动因素，通过分析其相关参数的内在联系，以此建立炉顶布料顶压前馈控制数学模型和料罐均压顶压前馈控制数学模型，通过模型计算出对应的静叶角度控制值，作为前馈量，采用PID+前馈数学模型的方法控制顶压；顶压前馈控制在炉顶布料和料罐均压过程开始后，顶压发生变化之前，将前馈量提前作用于TRT静叶，以把顶压的扰动消灭于萌芽之中，减小因扰动而产生的顶压波动。

所述的炉顶布料顶压前馈控制数学模型为：

Δf_n＝K_d*Δf+(1-x)*Δf_(n-1)，

其中：K_d＝K_m*(F_m/F_ms)*(F_a/F_as)，

式中：Δf_n为n个单位时间布料引起的煤气减少量；Δf为单位时间布料引起的煤气减少量，不同的布料档位具有不同的设定值；Δf_(n-1)为(n-1)单位时间布料引起的煤气减少量；x为单位时间高炉料面煤气流量的恢复量，不同的布料档位具有不同的设定值；K_d为Δf的影响系数；K_m为炉料品种系数，不同炉料具有不同设定值；F_m为当前料流值；F_ms为料流量程；F_a为冷风流量；F_as为冷风流量量程。

所述的料罐均压顶压前馈控制数学模型为：

均压前期Pk≤0.5Pc时： $\mathrm{\ΔFk}=\mathrm{Kf}\sqrt{\left(0.5\mathrm{Pc}\right)},$

均压中后期Pk＞0.5Pc时： $\mathrm{\ΔFk}=\mathrm{Kf}\sqrt{(\mathrm{Pc}-\mathrm{Pk})},$

式中：ΔFk为料罐一次均压引起的煤气流量增量；Pc为用于料罐一次均压的主管高炉煤气压力；Pk为料罐压力；Kf为流量系数，根据不同的高炉情况进行现场调整。

本发明与现有技术相比具有以下的主要有益效果：

1.通过对高炉工艺过程进行分析，认为炉顶布料和布料罐均压是高炉正常生产过程中影响炉顶压力稳定的主要干扰因素，通过分析其相关参数的内在联系，从而建立了炉顶布料和均压过程的顶压前馈控制数学模型作为前馈量，采用PID+前馈数学模型的方法控制顶压。

2.因为前馈是当扰动产生后，顶压还未发生变化之前，计算扰动作用的大小并对TRT静叶进行控制，如果运用得当，可以把顶压的扰动消灭于萌芽之中，使顶压不会或减小因扰动而产生大的波动，有效提高炉顶压力的控制精度，克服了纯PID控制对大滞后对象响应速度慢，控制精度不高的缺点。

3.采用PID+前馈数学模型的方法可以有效提高高炉炉顶压力的控制精度，有利于高炉的顺行和产量的提高。通过在两座2500立方高炉的应用，炉顶压力可以控制在1.5～2.0kPa以内，大大优于采用纯PID控制的3.0～5.0kPa(甚至＞5kPa)的控制精度。

附图说明

图1为布料细分图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明。

本发明提供的高炉炉顶压力前馈控制方法，具体是：通过对高炉工艺过程进行分析，认为炉顶布料和布料罐均压是高炉正常生产过程中影响炉顶压力稳定的主要因素，通过分析其相关参数的内在联系，以此建立炉顶布料和均压过程的顶压前馈控制数学模型，计算出过程中对应的静叶角度控制值，作为前馈量，采用PID+前馈数学模型的方法控制顶压；顶压前馈控制可以在炉顶布料和均压过程开始后，顶压发生变化之前，将前馈量提前作用于TRT静叶，如果运用的得当，可以把顶压的扰动消灭于萌芽之中，减小因扰动而产生的顶压波动。顶压前馈数学模型分为炉顶布料和料罐均压两个顶压控制数学模型。

本发明提供的高炉炉顶压力前馈控制方法，其步骤包括：

1.炉顶布料顶压前馈控制数学模型：

高炉在正常冶炼时，矿石中的氧化铁不断被还原气体还原为铁水，炉内炉料不断的消耗，料面不断下降，需要通过炉顶料罐及时的向炉内布料保证一个合理的料面高度，才能保证高炉正常生产。目前的无料钟高炉布料是采用旋转溜槽按不同的布料角度(档位)把炉料分批次成环形布到料面不同的位置。炉顶布料会引起炉顶压力下降是因为炉料到料面后，使料面透气性变差，煤气流动阻力加大，到炉顶的煤气流量减小，造成流入到炉顶的煤气量有一个F的减小量，假设静叶角度不变，通过静叶流出的煤气量保持不变，造成流入量和流出量不平衡，炉顶压力一定会降低；如果能够在顶压还没有发生变化之前，即时的减小静叶的开度，消除F，使静叶的流量变化和因布料引起的流量减小量相平衡，就能保证顶压的稳定。所以如果计算出布料过程煤气在料面流量的变化量F，转化为静叶的开度值，就是开发炉顶布料顶压前馈控制数学模型的关键。

该炉顶布料顶压前馈控制数学模型还应该考虑减小量F的影响因素，如高炉的风量、布料种类、布料料流量等因素对F的影响。

基于上述情况，建立炉顶布料顶压前馈控制数学模型。

如图1，布料旋转溜槽按设定好的布料矩阵，调整溜槽角度(一般大型高炉按炉内料面面积划分为11个环形的布料区域，溜槽按角度分为11个布料档位和料面的11个区域相对应)将炉料按布料档位分别布到炉内料面相应的区域，每个档位对应的布料环都可以细分为象“a”一样任意大小面积的区域。

设炉料布到“a”区域，需要Δt的时间(计为单位时间)，流量下降了Δf；同时设定每经过一个单位时间，原来“a”区域的煤气流量恢复值为：上一个Δt时间流量减小量Δf的x倍(x为恢复系数，0＜x≤1)，那么第二个单位时间后煤气的减小量为：

Δf₂＝Δf+(1-x)*Δf₁，

式中：Δf₁为1倍单位时间后的煤气减少量(等于Δf)；

按单位时间连续迭代，n倍单位时间后煤气的减少量Δfn为：

Δf_n＝Δf+(1-x)*Δf_n-1      (1)

公式(1)中：Δf_n为n倍单位时间后煤气的减少量；Δf为单位时间布料引起的煤气减少量，不同的布料档位具有不同的设定值；x为单位时间流量的恢复量，不同的布料档位具有不同的设定值。

同时考虑风量、炉料品种、炉料流量等参数对Δf的影响，公式(1)可变化为：

Δf_n＝K_d*Δf+(1-x)*Δf_(n-1) (2)

K_d＝K_m*(F_m/F_ms)*(F_a/F_as)    (3)

公式(2)和(3)中：K_d为Δf的影响系数；K_m为炉料品种系数，不同炉料具有不同设定值；F_m为当前料流值；F_ms为料流量程；F_a为冷风流量；F_as为冷风流量量程。

考虑布料各档位的煤气单位时间减小量Δf和煤气恢复系数x各不相同，布料过程中，在n单位时间后，料面煤气流量总的减小量F_n为：

$F_n=\underset{c=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{f}_{\mathrm{nc}}---\left(4\right)$

公式(4)中：Δf_nc为不同布料档位通过式2计算出的该档位的煤气减少量。

2.料罐均压顶压前馈控制数学模型：

料罐在布料之前需要对料罐均压，使料罐压力和炉顶压力基本相等，才能打开下料阀进行布料过程；一次均压的高炉煤气引自炉顶以后的煤气主管上，因为主管煤气压力与料罐压力(均压前为大气压)存在差值ΔP，均压过程中主管高炉煤气的总流量会增加，而高炉产生的煤气量几乎没有变化，从而造成顶压迅速降低。本料罐均压顶压前馈控制数学模型就是根据两点的差压计算出流量值，去控制静叶动作，使TRT静叶流出的高炉煤气流量减小量和到料罐的增加量相平衡，达到顶压稳定的目的。

基于上述情况，建立料罐均压顶压前馈控制数学模型。

料罐均压利用炉顶后面的主管高炉煤气进行均压，该位置煤气压力设为Pc，料罐压力设为Pk，两点的压差就为Pc-Pk，假设消耗在均压管道上的压差为0，均压阀前的压力就为Pc，通过阀的流量随Pc-Pk的增大而增大，当(Pc-Pk)/Pc达到柱塞流的临界压差比时，流量不再随Pc-Pk的增大而变化，而是达到一个最大的极限值；通常认为产生柱塞流的临界压差比为：

ΔP/Pc≥0.5，

使(Pc-Pk)/Pc＝0.5，可得Pk＝0.5Pc，也就是说当Pk≤0.5Pc时，就进入柱塞流，流量不再发生变化。

如果Pk≥0.5Pc时，可通过流量和压差的关系：

得出因为料罐一次均压引起的煤气流量增量为：

$\mathrm{\ΔFk}=\mathrm{Kf}\sqrt{(\mathrm{Pc}-\mathrm{Pk})}---\left(5\right)$

公式(5)中：Kf为流量系数，根据不同的高炉情况进行现场调整。

根据公式(5)，如果Pk≤0.5Pc，进入柱塞流后的流量值为：

$\mathrm{\ΔFk}=\mathrm{Kf}\sqrt{\left(0.5\mathrm{Pc}\right)}---\left(6\right)$

根据上面的分析可知，均压前馈的值可以分成两段：

在Pk≤0.5Pc时，前馈值采用公式(6)计算，该段的前馈值为一定值；均压一段时间后，当Pk＞0.5Pc时，前馈值采用公式(5)计算。

3.布料和料罐过程均压前馈控制的实现：

上述炉顶布料顶压前馈控制数学模型和料罐均压顶压前馈控制数学模型都是建立在：因为煤气流量发生变化，引起顶压变化，采用前馈控制方法，在煤气流量刚要发生变化，顶压变化之前，计算出的流量变化量F_n+ΔFk，根据TRT静叶的流量特性曲线，计算出在该顶压情况下，减小F_n+ΔFk的流量，对应的静叶开度，并控制静叶开度，消除(或减小)因流量变化而引起的顶压波动。

需要说明的是，静叶的流量曲线可以近似分为几个差压区间，回归出相应压力下的流量曲线方程，从而求得流量变化量对应的静叶开度；如果静叶流量曲线无法准确获得，可以采用线性流量特性方式计算静叶开度(认为静叶开度和流量是线性关系)，但要采用差压补偿的方式计算开度即采用：

$\frac{F}{F_{\max }}=\sqrt{\frac{p}{p_{\max }}}$

F和F_max为前馈数学模型计算出的当前流量变化量和TRT前后最大差压p时流量的最大变化量；p和p_max为当前TRT前后差压和TRT前后的最大差压。

Claims (3)

1.高炉炉顶压力前馈控制方法，其特征是：通过对高炉工艺过程进行分析，认为炉顶布料和布料罐均压是高炉正常生产过程中影响炉顶压力稳定的主要扰动因素，通过分析其相关参数的内在联系，以此建立炉顶布料顶压前馈控制数学模型和料罐均压顶压前馈控制数学模型，通过模型计算出对应的静叶角度控制值，作为前馈量，采用PID+前馈数学模型的方法控制顶压；顶压前馈控制在炉顶布料和料罐均压过程开始后，顶压发生变化之前，将前馈量提前作用于TRT静叶，以把顶压的扰动消灭于萌芽之中，减小因扰动而产生的顶压波动。

2.根据权利要求1所述的高炉炉顶压力前馈控制方法，其特征是所述的炉顶布料顶压前馈控制数学模型为：

Δf_n＝K_d*Δf+(1-x)*Δf_(n-1)，

其中：K_d＝K_m*(F_m/F_ms)*(F_a/F_as)，

式中：Δf_n为n个单位时间布料引起的煤气减少量；Δf为单位时间布料引起的煤气减少量，不同的布料档位具有不同的设定值；Δf_(n-1)为(n-1)单位时间布料引起的煤气减少量；x为单位时间高炉料面煤气流量的恢复量，不同的布料档位具有不同的设定值；K_d为Δf的影响系数；K_m为炉料品种系数，不同炉料具有不同设定值；F_m为当前料流值；F_ms为料流量程；F_a为冷风流量；F_as为冷风流量量程。

3.根据权利要求1所述的高炉炉顶压力前馈控制方法，其特征是所述的料罐均压顶压前馈控制数学模型为：

均压前期Pk≤0.5Pc时： $\mathrm{\ΔFk}=\mathrm{Kf}\sqrt{\left(0.5\mathrm{Pc}\right)}$

均压中后期Pk＞0.5Pc时： $\mathrm{\ΔFk}=\mathrm{Kf}\sqrt{(\mathrm{Pc}-\mathrm{Pk})}$

式中：ΔFk为料罐一次均压引起的煤气流量增量；Pc为用于料罐一次均压的主管高炉煤气压力；Pk为料罐压力；Kf为流量系数，根据不同的高炉情况进行现场调整。

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