CN104061586A - 助燃空气流量控制方法及控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种助燃空气流量控制方法，包括以下步骤：步骤一，采集产量值TPD、热耗值HC、燃气热值PCI；步骤二，根据产量值TPD、热耗值HC、燃气热值PCI计算燃气总流量值GF；步骤三，根据该燃气总流量值GF分配上层燃气流量F_上和下层燃气流量F_下；步骤四，根据上层燃气流量F_上和下层燃气流量F_下计算上层助燃空气控制模型7_SP和下层助燃空气控制模型8_SP；步骤五，利用PID控制上层燃气和下层燃气的流量。采用了本发明的技术方案，能根据每日生产产量，确保燃烧室助燃空气流量过程值与设定值相接近，从而稳定了窑内的热工制度，进而稳定了生产石灰的质量指标。

Description

助燃空气流量控制方法及控制装置

技术领域

本发明涉及一种仪电控制方法及装置，更具体地说，涉及一种助燃空气流量控制方法及控制装置

背景技术

炉窑主要是用于生产石灰，满足炼钢需要。炉窑工作原理是石灰石通过单斗提升机将石灰石运至窑顶，经料斗、密封闸门及旋转布料器进入环形套筒内。炉窑内有上、下两层烧嘴并均匀错开布置，将套筒竖窑分成两个煅烧带，上煅烧带为逆流，下煅烧带为并流。并流带下部为冷却带，石灰在冷却带的底部通过出料装置排出。冷却空气预热后汇集到冷却空气环管中，作为助燃空气送到各个烧嘴。预热的驱动空气从换热器出来后进入驱动空气环管，并被送到喷射器，作为喷射器的动力气体。上层燃烧室中为不完全燃烧，不完全燃烧的气体进入下料层时与来自下方的含过剩空气的气流相遇，使不完全燃烧的气体得到完全燃烧。下层燃烧室中为完全燃烧。窑内所有的废气都经废气风机引出，然后经冷风阀混入冷风进入除尘器除尘后排入大气。

如图1所示，现有上烧嘴的环管入口处的助燃空气流量主要通过上调节阀手动开度控制；同样下烧嘴的环管入口处的助燃空气流量也通过下调节阀手动开度来控制。由于传统助燃空气流量开度控制方法处于手动控制，具体是调节上下二层二个助燃空气流量调节阀，遇到炉窑煅烧为欠烧状况则需增加调节阀开度，加大助燃空气流量；如遇到炉窑煅烧为过烧状况则需减少调节阀开度，降低流量，由于手动作业，经验性太强，不同的人对参数的调整幅度及对参数的预判值不同，导致调节控制助燃空气流量系统稳定性差，调节次数较多，调节过于频繁，不利于生产。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种助燃空气流量控制方法及控制装置，来将助燃空气分层并进行自动控制。

根据本发明，提供一种助燃空气流量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，采集产量值TPD、热耗值HC、燃气热值PCI；步骤二，根据产量值TPD、热耗值HC、燃气热值PCI计算燃气总流量值GF；步骤三，根据该燃气总流量值GF分配上层燃气流量F_上和下层燃气流量F_下；步骤四，根据上层燃气流量F_上和下层燃气流量F_下计算上层助燃空气控制模型7_SP和下层助燃空气控制模型8_SP；步骤五，利用PID控制上层燃气和下层燃气的流量。

根据本发明的一实施例，设定该燃气总流量值GF的控制模型为GF=TPD*1000*HC/（24*PCI）。

根据本发明的一实施例，上层助燃空气控制模型7_SP=F_上*TA*K，下层助燃空气控制模型8_SP=F_下*TA*K，其中TA为空燃比系数，K为修正系数。

根据本发明的一实施例，F_上=GF*30%；F_下=GF*70%。

根据本发明的一实施例，上层燃气流量和下层燃气流量的传递函数为 $\mathrm{Gc}\left(S\right)=0.01(1+\frac{1}{10S}).$

根据本发明的另一方面，提供一种助燃空气流量控制装置，包括上层助燃空气流量控制器和下层助燃空气流量控制器，其特征在于，该助燃空气流量控制装置采集产量值TPD、热耗值HC、燃气热值PCI以计算燃气总流量值GF，根据燃气总流量值GF分配上层燃气流量F_上和下层燃气流量F_下；该上层助燃空气流量控制器和下层助燃空气流量控制器分别以上层燃气流量F_上和下层燃气流量F_下为参数，利用PID模块控制上层助燃空气和下层助燃空气。

根据本发明的一实施例，设定空燃比系数TA为1.87，设定修正系数K为0.35。

根据本发明的一实施例，上层助燃空气流量控制器和下层助燃空气流量控制器分别包括设定值SP、过程值PV和输出值OP，其中PV值为SP的监控值，跟随SP的设定而变化。

根据本发明的一实施例，过程值PV与设定值SP存在差值时，上层助燃空气流量控制器或下层助燃空气流量控制器调整该输出值OP。

根据本发明的一实施例，该PID模块包括流量检测单元和控制单元，其中该流量检测单元包括测量变送器，将该PV值反馈至该上层助燃空气流量控制器或下层助燃空气流量控制器；该流量检测单元包括依次串联设置的PID控制器、变送器、调节阀。

采用了本发明的技术方案，能根据每日生产产量，自动算出所需燃气热耗流量，根据炉窑状况自动算出窑内燃烧室上下两层燃气热耗流量分布，再根据上下两层燃烧室不同空煤比自动算出上下两层燃烧室不同助燃空气流量，此值作为设定值。在生产中采用比例积分微分控制（PID），当燃烧室上下两层助燃空气流量变化时，能及时调整调节阀开度，确保燃烧室助燃空气流量过程值与设定值相接近，从而稳定了窑内的热工制度，进而稳定了生产石灰的质量指标。

附图说明

在本发明中，相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1是原助燃空气线路图；

图2是利用本发明的助燃空气流量控制装置的生产工艺流程图；

图3是本发明的助燃空气线路图；

图4是本发明的系统结构框图；

图5是PID模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

如图2所示，本发明的助燃空气流量控制装置及控制方法的核心技术是一套完整热工制度计算，现根据以下三要素：

a.每日所需生产产量TPD值

b.石灰石转换石灰具体热耗HC值

c.燃气热值PCI值

图2和图3中的符号说明：

1：1号冷却风机

2：1号冷却风机调节阀

3：2号冷却风机

4：2号冷却风机调节阀

5：上层助燃空气流量调节阀

6：下层助燃空气流量调节阀

7：上层助燃空气流量控制器

8：下层助燃空气流量控制器

F_上：上层燃烧室燃气流量设定

F_下：下层燃烧室燃气流量设定

7_SP：上层燃烧室助燃空气流量设定

8_SP：下层燃烧室助燃空气流量设定

P1～P6：上层燃烧室6个烧嘴

P7～P12：下层燃烧室6个烧嘴

利用模型算出所需燃气总流量值GF。在生产中根据燃烧室上下两层燃气分布自动算出燃气流量值，再根据上下二层燃烧室不同空燃比系数和修正系数算出上下二层助燃空气流量设定值。助燃空气流量控制采用PID控制，确保燃烧室助燃空气流量稳定受控如图3和图4所示，从而稳定了窑内的热工制度，进而稳定了生石灰的质量指标。

参照图4，助燃空气流量控制装置的热能算法模型如下：

计算机将根据窑的产量、具体热耗和燃气的最低热值，利用下列公式来算总的燃气流量：

GF=TPD*1000*HC/（24*PCI）

式中：

GF——每小时煤气消耗量，单位：Nm³/h。

TPD——每日石灰产量，单位：吨/天；

HC——每公斤石灰消耗热量，单位：kcal/kg；

PCI——煤气热值，单位：kcal/Nm³。

PCI燃气热值由分析仪提供，最低热值一般为1500Kvcal/Nm³-2000Kvcal/Nm³对应标准信号4-20MA，模拟量经隔离器入计算机处理。

燃气每小时消耗量GF计算出来之后，根据设定上下层烧嘴燃气的比计算出上下二层燃烧室燃气流量设定：

上层燃烧室燃气流量设定：F_上=GF*30%

下层燃烧室燃气流量设定：F_下=GF*70%

上下二层燃烧室燃气流量计算出来之后，根据空燃比和修正系数计算出上下二层燃烧室助燃空气流量设定值

上层燃烧室助燃空气流量设定：7_SP=F_上*TA*K

下层燃烧室助燃空气流量设定：8_SP=F_下*TA*K

上面两个式子中，TA为空燃比系数，K为修正系数。

参照图3，上层燃烧器助燃空气流量控制器控制的设计如下所示：

上层燃烧器助燃空气流量控制器7通过控制上层助燃空气流量调节阀5的开度对上层燃烧器助燃气体的流量进行调节，其上层燃烧器助燃空气流量控制器7传递函数如下：

$\mathrm{Gc}\left(S\right)=0.005(1+\frac{1}{10S})$

式中：

0.005——PID调节器的增益系数；

10——PID调节器的积分时间常数，单位：秒。

其中，上层燃烧器助燃空气流量控制器7设定值：

7_SP=F_上*TA*K

式中：

TA——空气与煤气的配比，即空煤比，取值范围由工艺给出，现取1.87。

K——上层燃烧器的空煤比修正系数，取值范围由工艺给出，现取0.35。

参照图3，下层燃烧器助燃空气流量控制器控制的设计如下所示：

下层燃烧器助燃空气流量控制器8通过控制下层助燃空气流量调节阀6的开度对下层燃烧器助燃气体的流量进行调节，其下层燃烧器助燃空气流量控制器8传递函数如下：

$\mathrm{Gc}\left(S\right)=0.01(1+\frac{1}{10S})$

式中：

0.01——PID调节器的增益系数；

10——PID调节器的积分时间常数，单位：秒。

其中，下层燃烧器助燃空气流量控制器8设定值：

8_SP=F_下*TA*_K

TA——空气与煤气的配比，即空煤比，取值范围由工艺给出，现取1.65。

K——下燃烧器的空煤比修正系数，取值范围由工艺给出，现取0.22。

上下二层助燃空气流量控制的共同设计如下所示：

控制分为自动控制和手动控制两种方式。手动控制即在上位机上给定一个OP输出值通过PLC对控制对象进行控制(输出4MA-20MA)20MA调节阀开度为100%，4MA调节阀开度为0%，，手动方式时设定值SP不与测量值PV比较。

在正常情况下都是自动方式下运行，自动控制即由计算机进行全自动控制，不需要进行人工干预；程序在执行中将调节器的比例系数GAIN、积分时间常数TI、微分时间常数TD的值送入PLC的数据寄存器中，这些参数随控制对象的不同而有所区别。

并且每个FIC控制器（PID）控制回路的设定值(SP)、过程值(PV)、输出值（OUTPUT）都可以在计算机上用数字显示，同时在计算机上可以修改每个控制回路的PID参数，如SP值、GAIN值、TI值、TD值。“自动”模式下，只要输入SP值，系统锁定该值，PV跟随SP值，进行定量控制。

如图5所示，本发明的PID流程控制主要有二个单元，一是流量检测单元，由测量变送器输出过程值见PV，二是控制单元。控制单元主要是根据流量来控制燃气流量调节阀自动打开和关闭，并且使燃气流量调节阀开度处于合适位置。也就是当测量变送器过程值PV值低于流量设定值SP时，控制单元PID控制器控制燃气流量调节阀门自动加大开度，掺入过多燃气流量，直到PV值接近SP值，调节阀停止动作。当测量变送器过程值PV值高于流量设定值SP时，控制单元PID控制器控制燃气流量调节阀门自动减少开度，减少燃气流量，直到PV值接近SP值，调节阀停止动作。整个PID控制回路，通过PLC软件实现，该PID功能块采样周期为l00ms。PID控制分为自动控制和手动控制两种方式。自动控制即由PLC进行全自动控制，设定值(SP)设定好后，输出值（OP）会自动调整输出值，不需要进行人工干预，最终过程值(PV)与设定值(SP)值一致。手动控制即在上位机上给定一个输出值，通过输出值（OP）直接输出控制阀门开度，pv值与sp值不比较。在正常情况下都是自动方式下运行。

实施后的效果

采用本发明的助燃空气流量控制装置后，空煤气系统中的流量、压力、温度均可根据窑内煅烧状况自动调节，确保工艺生产稳定。生产的石灰，石灰活性度大于350ml，石灰中残余CO₂含量小于2%，设备平均作业率达到98%。

下面通过一个实施例来说明上述本发明的方案

以一个日常的生产环境为例，各个参数的选取和模型的计算公式如上表所示，下面通过7个步骤来说明本发明的方法及装置。

步骤一，窑内助燃空气流量计算模型

以窑日产量350吨计算，石灰石分解至石灰具体热耗HC取1000Kvcal/每千克石灰，燃气最低热值PCI有分析仪提供为1800Kvcal/Nm³，只要在计算机中输入以上三个数据，计算机将根据窑的产量、具体热耗和燃气的最低热值，利用下列模型来算每小时煤气消耗量：

GF=TPD*1000*HC/（24*PCI）

式中：

GF——每小时煤气消耗量，单位：Nm³/h。

TPD——每日石灰产量，单位：吨/天；

HC——每公斤石灰消耗热量，单位：kcal/kg；

PCI——煤气热值，单位：kcal/Nm³。

GF=350*1000*1000/(24*1800)

GF=8100Nm³/h

步骤二，上层燃烧室燃气流量设定

根据公式：

F_上=GF*30%

F_上=8100*30%

F_上=2430Nm³/h

上层燃烧室燃气流量设定F_上为2430Nm³/h

步骤三，上层燃烧室助燃空气流量设定7_SP

7_SP=F_上*TA*K

7_SP=2430*1.87*0.35

7_SP=1590Nm³/h

步骤四，下层燃烧室燃气流量设定F _下

F_下=GF*70%

F_下=8100*70%

F_下=5670Nm³/h

下层燃烧室燃气流量设定F_下为5670Nm³/h

步骤五，下层燃烧室助燃空气流量设定8_SP

8_SP=F_下*TA*K

8_SP=5670*1.65*0.22

8_SP=2058Nm³/h

步骤六，上层助燃空气流量控制器控制

控制分为自动控制和手动控制两种方式。手动控制即在上位机上给定一个输出值OP，如画面显示OP值25%，说明上层助燃空气流量调节阀5开度为25%（开度范围0%-100%），此时查看上层支管流量过程值pv值，是否接近sp值，如pv值小于sp值，则要增加op值假设开至30%；如pv值大于sp值，则要减少op值假设开至20%；最终pv值接近sp值。

在正常情况下都是自动方式下运行，自动控制即由计算机进行全自动控制，不需要进行人工干预；程序在执行中将上层助燃空气流量控制器（7）调节器的比例系数0.005、积分时间常数10、微分时间常数0的值送入PLC的数据寄存器中，现输入上层燃烧室助燃空气流量设定7_SP为1590Nm³/h，系统锁定该值，此时阀门开度op值会自动调整，对应过程值PV自动跟随目标SP值上下移动，最终pv值接近sp值也就是pv值1590Nm³/h进行定量控制。

步骤七，下层燃烧室助燃空气流量控制

同样控制分为自动控制和手动控制两种方式。手动控制即在上位机上给定一个输出值OP，如画面显示OP值50%，说明下层助燃空气流量调节阀6开度为50%（开度范围0%-100%），此时查看下层支管流量过程值pv值，是否接近sp值，如pv值小于sp值，则要增加op值假设开至60%；如pv值大于sp值，则要减少op值假设开至40%；最终pv值接近sp值。

在正常情况下都是自动方式下运行，自动控制即由计算机进行全自动控制，不需要进行人工干预；程序在执行中将下层助燃空气流量控制器8调节器的比例系数0.01、积分时间常数10、微分时间常数0送入PID的数据寄存器中，只要输入下层燃烧室助燃空气流量设定8_SP为2058Nm³/h，此时系统锁定该值，阀门开度op值会自动调整，对应过程值PV自动跟随目标SP值上下移动，最终pv值接近sp值也就是pv值2058Nm³/h进行定量控制。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的说明书仅是本发明众多实施例中的一种或几种实施方式，而并非用对本发明的限定。任何对于以上所述实施例的均等变化、变型以及等同替代等技术方案，只要符合本发明的实质精神范围，都将落在本发明的权利要求书所保护的范围内。

Claims (14)

1.一种助燃空气流量控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，采集产量值TPD、热耗值HC、燃气热值PCI；

步骤二，根据产量值TPD、热耗值HC、燃气热值PCI计算燃气总流量值GF；

步骤三，根据该燃气总流量值GF分配上层燃气流量F_上和下层燃气流量F_下；

步骤四，根据上层燃气流量F_上和下层燃气流量F_下计算上层助燃空气控制模型7_SP和下层助燃空气控制模型8_SP；

步骤五，利用PID控制上层燃气和下层燃气的流量。

2.如权利要求1所述的助燃空气流量控制方法，其特征在于，设定该燃气总流量值GF的控制模型为GF=TPD*1000*HC/（24*PCI）。

3.如权利要求1所述的助燃空气流量控制方法，其特征在于，上层助燃空气控制模型7_SP=F_上*TA*K，下层助燃空气控制模型8_SP=F_下*TA*K，其中TA为空燃比系数，K为修正系数。

4.如权利要求1所述的助燃空气流量控制方法，其特征在于，F_上=GF*30%；F_下=GF*70%。

5.如权利要求1所述的助燃空气流量控制方法，其特征在于，上层燃气流量和下层燃气流量的传递函数为

6.一种助燃空气流量控制装置，包括上层助燃空气流量控制器和下层助燃空气流量控制器，其特征在于，该助燃空气流量控制装置采集产量值TPD、热耗值HC、燃气热值PCI以计算燃气总流量值GF，根据燃气总流量值GF分配上层燃气流量F_上和下层燃气流量F_下；

该上层助燃空气流量控制器和下层助燃空气流量控制器分别以上层燃气流量F_上和下层燃气流量F_下为参数，利用PID模块控制上层助燃空气和下层助燃空气。

7.如权利要求6所述的助燃空气流量控制装置，其特征在于，该助燃空气流量控制装置设定该燃气总流量值GF的控制模型为GF=TPD*1000*HC/（24*PCI）。

8.如权利要求6所述的助燃空气流量控制装置，其特征在于，上层助燃空气流量控制器的控制模型为7_SP=F_上*TA*K，下层助燃空气流量控制器的控制模型8_SP=F_下*TA*K，其中TA为空燃比系数，K为修正系数。

9.如权利要求6所述的助燃空气流量控制装置，其特征在于，F_上=GF*30%；F_下=GF*70%。

10.如权利要求6所述的助燃空气流量控制装置，其特征在于，上层助燃空气流量控制器和下层助燃空气流量控制器的传递函数为 $\mathrm{Gc}\left(S\right)$ $=0.01(1+\frac{1}{10S}).$

11.如权利要求8所述的助燃空气流量控制装置，其特征在于，设定空燃比系数TA为1.87，设定修正系数K为0.35。

12.如权利要求6所述的助燃空气流量控制装置，其特征在于，上层助燃空气流量控制器和下层助燃空气流量控制器分别包括设定值SP、过程值PV和输出值OP，其中PV值为SP的监控值，跟随SP的设定而变化。

13.如权利要求12所述的助燃空气流量控制装置，其特征在于，过程值PV与设定值SP存在差值时，上层助燃空气流量控制器或下层助燃空气流量控制器调整该输出值OP。

14.如权利要求13所述的助燃空气流量控制装置，其特征在于，该PID模块包括流量检测单元和控制单元，其中该流量检测单元包括测量变送器，将该PV值反馈至该上层助燃空气流量控制器或下层助燃空气流量控制器；该流量检测单元包括依次串联设置的PID控制器、变送器、调节阀。