CN102912055A - 一种高炉热风炉智能优化控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高炉热风炉智能优化控制系统，涉及高炉炼铁优化控制技术领域，在保证满足高炉所需热风温度及流量的前提下，降低煤气消耗，并保证设备安全并延长其使用寿命。其技术特征在于：基于热量平衡实现对蓄热速率的在线计算，根据高炉需要的送风总热量及烧炉时间与热风炉蓄热速率特性，设定一个合理的蓄热速率设定曲线，根据蓄热速率实时控制烧炉阶段的燃料量，并根据拱顶温度、废气温度工艺允许上限对所计算出的燃料量进行限制，该系统既充分满足了高炉对热风的需要，又能降低了废气带走的热量损失，同时又能保证设备的安全性；此外，以蓄热速率作为优化目标值，采用进退法自寻优算法优化空燃比，使得燃料利用率最大，从多个层次保证了装置的节能。

Description

一种高炉热风炉智能优化控制系统

技术领域

本发明涉及高炉炼铁优化控制技术领域，尤其涉及一种高炉热风炉智能优化控制系统。_。

背景技术

高炉热风炉是为高炉炼铁提供一定温度助燃空气的装置，通过对热风炉的格子砖进行蓄热，再利用热风炉格子砖的蓄热对供给高炉的助燃空气进行热交换。高炉炼铁对助燃空气的温度与流量有要求，视高炉负荷的变化而变化，总体来说，输送给高炉的热空气温度越高，高炉炼铁能耗就越低；热风炉蓄热过程热效率越高，焖炉时间越短或避免焖炉，向高炉输送的热空气能耗就越低；同时，热风炉的过程控制还要考虑拱顶温度和废气温度不能超上限，以免造成设备的损坏。 

现有高炉热风炉的优化控制技术有多种。其中，中冶南方工程技术有限公司公开了一项发明专利“热风炉自动寻优燃烧智能控制方法（申请号：200910273421.0）”，是根据总供热量需求量和总蓄热时间，按平均法计算单位时间供热量作为助燃空气流量设定值，根据空燃比计算煤气流量设定值，并根据拱顶温度和废气温度对其进行修正，实现对煤气、空气流量的实时控制，同时采用模糊自寻优控制算法，以拱顶温度为优化目标修正空燃比；冶金自动化设计院公开了“一种混合式高炉热风炉优化控制方法（申请号200410000677.1）”，包括数学模型、混合模型即物理模型+智能模型及智能模型三种优化控制方式，其中，数学模型是根据应存储的热量和煤气的发热值计算出烧炉的煤气流量，再根据所设定的空燃比和计算出烧炉的助燃空气流量；并根据废气温度控制模型修正煤气量；智能模型是基于经验，按照规则给出各个时段的燃料量和助燃空气量，并预测烧炉结束时的废气温度对烧炉后期的燃料量和空气量进行修正。 

现有主流技术主要包括基于数学模型和智能模型的优化与控制。基于数学模型的优化控制技术其主要特征是依据总热量需求，在烧炉时间段上按平均法求取燃料瞬时流量设定值，并在拱顶温度和废气温度超限时对燃料量进行调整，由于没有充分考虑在烧炉不同时段上热风炉蓄热能力的不同，以及随着格子砖使用时间变长，热风炉蓄热速率和效率随之会发生变化等因素，会造成燃烧放热速率与蓄热速率的不匹配，导致废气带走的热量过多，能源利用率下降或热风炉蓄热量满足不了高炉生产的要求。  

现有基于智能模型的方法缺陷在于，当高炉负荷变化、热风炉格子砖蓄热能力特性随使用时间变化时，参数整定起来很不方便，可操作性和使用性差。

此外，现有技术中空燃比优化主要采用自寻优策略，是从另一个层面提高煤气的利用率，达到降低能耗的作用。空燃比优化技术中目标函数或目标值往往采用的是拱顶温度，而以此变量作为优化目标不能完整体现空燃比的合理性，从机理上来讲，在某一热工操作制度下，合适的空燃比应是采用等量的燃料使得热风炉蓄热量最大或定值蓄热时需要的燃料量最小。 

综上所述，现有的技术仍旧存在一定的局限性和缺陷，因此开发本系统。 

发明内容

本发明所要解决的问题是：发明一种高炉热风炉智能优化控制系统，在保证满足高炉不同负荷下所需的热风温度及流量前提下，降低煤气消耗，并保证热风炉设备安全并延长其使用寿命。 

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：本发明设有高炉热风炉蓄热速率计算器、蓄热速率设定器、蓄热速率调节器、燃气流量调节器、空燃比优化控制器、空气流量设定值计算器、空气流量调节器、拱顶温度调节器、废气温度调节器、选择器A、选择器B、选择器C、燃料和空气调节阀及相关的过程参数测量仪表； 

本发明工作过程下：基于高炉热风炉热量平衡机理模型建立烧炉阶段蓄热速率模型，并以送风阶段实际带走的蓄热量校正烧炉阶段蓄热速率模型，实现对蓄热速率的在线计算；根据高炉对送风总热量的要求、烧炉时间和热风炉在烧炉阶段的蓄热速率过程特性，自动计算与此相匹配的蓄热速率设定值，以此构造蓄热速率调节器，蓄热速率调节器采用PID或其它控制算法；

蓄热速率调节器、拱顶温度调节器与废气温度调节器三者输出之中最小值作为燃料流量调节器的设定值，燃料流量作为测量值，以此构造燃料流量调节器，实时控制燃料流量，其中拱顶温度调节器与废气温度调节器的设定值为工艺允许的上限值，调节器采用PID或其它控制算法；

空燃比优化控制器以实时蓄热速率作为优化目标值，采用进退法自寻优算法优化空燃比；根据实际燃料流量、煤气热值、空燃比，计算空气流量设定值，空气瞬时流量作为测量值，以此构造空气流量调节器，实时控制空气流量，调节器采用PID或其它控制算法。

1.高炉热风炉蓄热速率计算器 

1）依据蓄热速率机理模型计算热风炉实时蓄热速率

在烧炉阶段，单位时间内燃料带入炉内的物理热、空气物理热与二者反应产生的反应热之和减去废气带走的热量，再减去热风炉散热损失即为热风炉蓄热速率；

2）实时蓄热速率自校正

依据1）段得到的实时蓄热速率计算得到的热风炉蓄热量与热风炉实际的蓄热量的偏差，对机理蓄热速率模型进行修正，热风炉实际的蓄热量可以通过计算送风阶段冷风带走的热量来得到；

2．蓄热速率设定器

1）依据高炉负荷工况所提出对热风炉送风的风温和流量以及烧炉时间的明确要求，并根据冷风温度，计算烧炉阶段总蓄热量；

2）根据热风炉蓄热能力前快后慢的特性，选择蓄热速率特性曲线，可选择线性或非线性函数来表征在烧炉阶段热风炉蓄热速率特性；

3）根据总蓄热量和所选择的蓄热速率函数类型，得到蓄热速率设定曲线函数； 

4）蓄热速率设定值修改计算

在烧炉阶段进行中，当高炉工况变化时需要及时对烧炉蓄热速率进行调整，根据高炉所需空气总热量的变化及送风是否提前或拖延等信息重新计算蓄热速率设定曲线；

3. 空燃比优化控制器

选定蓄热速率作为优化目标值，并采用一维进退法优化算法实现对空燃比的优化；

在恒定煤气发热总量条件下，通过增加或减少空气量，待系统响应后，比较前后工况下的蓄热速率变化，如果是蓄热速率变化量增加且显著，说明这种调整是有益的，继续按原有的方向调整风量；如果蓄热速率变化量是减少且显著，按原有风量调整方向的反方向调整风量；当蓄热速率变化不明显时，则停止调整风量，表明当前实际的空燃比即为最佳空燃比。

本发明提出的一种高炉热风炉智能优化控制系统，关键点之一在于根据高炉需要的送风总热量及烧炉时间，基于对热风炉蓄热速率特性的匹配，设定一个合理的蓄热速率设定曲线，并基于热平衡对蓄热速率进行在线测量和校正，根据蓄热速率的要求实现对烧炉阶段燃料量的合理控制，并根据拱顶温度、废气温度上限对所计算出的燃料量进行限制，既充分满足了高炉对热风的需要，又能降低了废气带走的热量损失，同时又能保证设备的安全性。 

关键点之二在于在同等燃料量下，以蓄热速率作为优化目标值，采用进退法自寻优算法优化空燃比，使得燃料利用率最大，从多个层次保证了装置的节能。 

（4）附图说明 

附图为高炉热风炉智能优化控制系统总体框图。

（5）实施方式 

实施例：

如附图所示，蓄热速率设定器接受冷风温度信号、来自高炉岗位的负荷信号，包括热风温度、热风流量及换炉时间等信息，计算热风炉实时蓄热速率设定值，其输出连接到蓄热速率调节器的设定值端；实时蓄热速率计算器接受来自热风炉的拱顶温度、格子砖温度、废气温度及环境温度、冷风流量、冷风温度及热风温度、煤气成分测量信号，计算热风炉实时蓄热速率，其输出连接到蓄热速率调节器的测量值端，蓄热速率调节器输出的物理含义是燃气流量设定值，该调节器采用PID控制方式，P取值范围80~120，TI取值范围200~300，TD取值20~50。

拱顶温度调节器测量值端接受拱顶温度信号，废气温度调节器测量值端接受废气温度信号，二个调节器设定值端分别为拱顶温度、废气温度的工艺允许上限值，并都采用PID控制模式，P取值范围20~50，TI取值范围500~600，TD取值100~150；蓄热速率调节器、拱顶温度调节器、废气温度调节器三个调节器的输出连接到选择器A的输入端，选择器A设置为低选器，即三个输入端最小值作为选择器A的输出并连接到选择器B的输入端1。 

实时蓄热速率计算器的输出同时连接到空燃比优化控制器的输入端，该控制器采用进退法优化算法，以实时蓄热速率作为优化目标值，优化空燃比，空燃比优化控制器输出端2为优化的空燃比变量，连接到空气流量设定器输入端2，实时蓄热速率计算器输出端1为在优化时固定的燃气流量值，该端连接到选择器B的输入端2。 

当空燃比优化控制器运行标志为ON时，选择器B的输出为选择器B的输入端2信号，否则选择器B的输出为选择器B的输入端1信号，选择器B的输出端连接到煤气流量调节器的设定值端，煤气流量实测值连接到煤气流量调节器的测量端，煤气流量调节器采用PID控制模式，其输出连接到煤气流量调节阀，, 煤气流量调节器P取值范围80~120，TI取值范围20~30，TD取值0。 

煤气流量测量值、空燃比优化控制器输出端2、煤气热值测量信号分别连接到空气流量设定器的输入端1、2、3端，该设定器的1、2、3端变量相乘后作为空气流量设定器输出，连接到选择器C的输入端1，空燃比优化控制器输出端3为优化时选定的风量设定值，该端连接到选择器C的输入端2，当空燃比优化控制器运行标志为ON时，选择器C的输出为选择器C的输入端2信号，否则选择器C的输出为选择器C的输入端1信号，选择器C的输出端连接到空气流量调节器的设定值端，空气流量实测值连接到空气流量调节器的测量值端，空气流量调节器采用PID控制模式，其输出连接到空气流量调节阀，空气流量调节器P取值范围80~120，TI取值范围20~30，TD取值0。 

1.高炉热风炉实时蓄热速率计算器 

1）热风炉蓄热室平均温度 

其中，分别为拱顶温度，格子砖中段上部温度，格子砖中段下部温度及废气温度；

2).高炉热风炉实时蓄热速率机理模型

其中：

 

为单位时间内反应物带入的物理热；

 为单位时间内反应放热，依据燃料流量、燃料组分、空气流量及相关化学方程式计算；

 为单位时间废气带走的热量，依据燃料流量、燃料组分、空气流量及相关化学方程式计算废气流量及平均比热；

 为单位时间热风炉散热损失，

为传热系数、

为热风炉与大气有热传导的总面积、

 为环境温度；

3).高炉热风炉实时蓄热速率自校正模型

设定 

 为在本次送风阶段进行到

时刻热风炉蓄热室平均温度，此时已送出的热风总热量为：

其中，  

   热风炉送往高炉的瞬时风量， 

  分别为送风的热风，冷风的温度， 

分别为在对应温度下的热风,冷风比热；

设定 

为热风炉本次烧炉阶段蓄热室平均温度达到

的那一时刻，则热风炉从 

时刻到烧炉结束的蓄热量为：

$Q_s^k={\∫}_{t_2}^{t_e}P\left(t\right)\mathrm{dt}$

下次烧炉时自校正后的高炉热风炉实时蓄热速率模型则为：

其中，

  为初始迭代模型

P¹   为第一次烧炉时蓄热实时速率模型，采用的是机理模型

  为烧炉结束时间。

2．蓄热速率设定器 

1）高炉所需热空气总热量计算 

Q_n=F_sa*(T_h*C_h-T_c*C_c) 

其中，F_sa为热风炉送往高炉的总风量设定值，T_h,T_c分别为热风温度设定值、冷风的实测温度值，C_h,C_c分别为在对应温度下的热风、冷风比热； 

2)蓄热速率设定值计算 

      

其中，  为高炉所需空气总热量，

 为蓄热速率设定值函数，可选择线性函数、非线性函数，  

  为烧炉时间；

根据工艺运行经验，选择 

 初始值为 

 ，选定蓄热速率设定曲线为烧炉时间t的线性函数，即  

 ，则有：

 

3)蓄热速率设定值修改计算

在烧炉阶段，包括根据高炉所需空气总量、送风温度及烧炉时间  

 是否提前或拖延，调整高炉工况变化需要及时对烧炉燃料量，设定在烧炉阶段     时刻高炉给出负荷变化要求，根据1）步计算重新得到  ，修改后的烧炉结束时间为 

 ；

则有已蓄热量为：

待蓄热量为：

令当前蓄热速率为初始值，即 

 , 烧炉时间为 

 ，按2）步方法求取蓄热速率设定曲线 

 。

 3. 空燃比优化控制器 

1).恒定煤气流量与热值的乘积为定值，并将煤气流量计算值输出到输出端1，将当前风流量作为风量设定值输出到输出端3，优化控制器运行标志设置为ON，2~3分钟后记录一个蓄热速率；

2).选择增加风量，风量设定值增量取上一时刻风量实测值的1%，输出风流量设定值至输出端3；置变量A=1转向4）步；

3).选择减少风量，风量增量取上一时刻风量值的1%，输出风流量设定值至输出端3，置变量A=-1；

4).目标函数值计算

根据动态响应后的稳态实时过程测量值，按蓄热速率模型计算热风炉蓄热速率。即优化输出作用到装置后的一段时间后开始计算，时间取决于过程的动态响应时间，对热风炉来说一般取3~6分钟；

5).比较风量改变后的蓄热速率 

 与风量改变前的蓄热速率 

，如果 

 为蓄热速率变化量阈值，为正数，取 

 的0.5%，若A=1转向2）步，若A=-1转向3）步；如果 

 则寻优结束，转向6）步；如果

 若A=1转向3）步，若A=-1转向2）步； 

6).根据实测的煤气流量、煤气热值及空气流量，重新计算新的空燃比，并输出到输出端2，优化控制器运行标志置为OFF。

  

Claims (4)

1.一种高炉热风炉智能优化控制系统，其特征在于本发明设有高炉热风炉蓄热速率计算器、蓄热速率设定器、蓄热速率调节器、燃气流量调节器、空燃比优化控制器、空气流量设定值计算器、空气流量调节器、拱顶温度调节器、废气温度调节器、选择器A、选择器B、选择器C、燃料和空气调节阀及相关的过程参数测量仪表；

基于高炉热风炉热量平衡机理模型建立烧炉阶段蓄热速率模型，并以送风阶段实际带走的蓄热量校正烧炉阶段蓄热速率模型，实现对蓄热速率的在线计算；根据高炉对送风总热量的要求、烧炉时间和热风炉在烧炉阶段的蓄热速率过程特性，自动计算与此相匹配的蓄热速率设定值，以此构造蓄热速率调节器；

蓄热速率调节器、拱顶温度调节器与废气温度调节器三者输出之中最小值作为燃料流量调节器的设定值，燃料流量作为测量值，以此构造燃料流量调节器，实时控制燃料流量，其中拱顶温度调节器与废气温度调节器的设定值为工艺允许的上限值；

以实时蓄热速率作为优化目标值，采用进退法自寻优算法优化空燃比；根据实际燃料流量、燃料热值、空燃比，计算空气流量设定值，空气流量作为测量值，以此构造空气流量调节器，实时控制空气流量。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，高炉热风炉蓄热速率计算器工作如下：

1）依据蓄热速率机理模型计算热风炉实时蓄热速率

在烧炉阶段，单位时间内燃料带入炉内的物理热、空气物理热与二者反应产生的反应热之和减去废气带走的热量，再减去热风炉散热损失即为热风炉蓄热速率；

2）实时蓄热速率自校正

依据1）段得到的实时蓄热速率计算得到的热风炉蓄热量与热风炉实际的蓄热量的偏差，对机理蓄热速率模型进行修正，热风炉实际的蓄热量可以通过依据送风阶段冷风带走的热量来计算。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，蓄热速率设定器计算工作如下：

1）依据高炉负荷工况所提出对热风炉送风的风温和流量以及烧炉时间的明确要求，并根据冷风温度，计算烧炉阶段总蓄热量；

2）根据热风炉蓄热能力前快后慢的特性，选择蓄热速率特性曲线，可选择线性或非线性函数来表征热风炉蓄热速率特性；

3）根据总蓄热量和蓄热速率函数类型，得到蓄热速率设定曲线函数；

 4）蓄热速率设定值修改计算

在烧炉阶段，当高炉工况变化时需要及时对烧炉蓄热速率进行调整，根据高炉所需空气总热量的变化及送风是否提前或拖延等信息重新计算蓄热速率设定曲线。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，空燃比优化控制器工作如下：

选定蓄热速率作为优化目标值，并采用一维进退法优化算法实现对空燃比的优化；在恒定煤气发热总量条件下，通过增加或减少空气量，待系统响应后，比较前后工况下的蓄热速率变化，如果是蓄热速率变化量增加且显著，说明这种调整是有益的，继续按原有的方向调整风量；如果蓄热速率变化量是减少且显著，按原有风量调整方向的反方向调整风量；当蓄热速率变化不明显时，则停止调整风量，表明当前的空燃比即为最佳空燃比。

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