CN104630403A - 一种顶燃式热风炉的烧炉控制方法及烧炉控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种顶燃式热风炉的烧炉控制方法及烧炉控制系统，涉及热风炉烧炉控制技术领域。本发明根据热风炉的特点，采用安全吹扫消除安全隐患，采用快速燃烧节约燃烧时间，采用改变空气过剩系数以节能并快速蓄热，最终达到安全、节能和环保的目的，在最短时间内为高炉操作提供合格的热源。
Description
技术领域
本发明涉及热风炉技术领域，具体涉及一种顶燃式热风炉的烧炉控制方法及烧炉控制系统。
背景技术
热风炉主要为高炉炼铁提供高温高压的热风，作为炼铁的还原剂。为保证高炉生产连续性，一般一座高炉配三或四座热风炉，采用“二烧一送”或“二烧二送”制，每座热风炉为燃烧-焖炉-送风-焖炉-燃烧的循环工作方式，各座热风炉交叉工作，保证整体上能连续不断地提供合格的热风。热风炉的烟气经过换热利用后一路经烟囱排入大气，一路至喷煤设施的磨煤机(根据煤质而定，其氧含量具有不同的要求，防止爆炸)。焖炉和送风过程仅关联数字量其控制比较简单，而燃烧(下文称作烧炉)过程的控制，关联到众多模拟量、控制算法且还牵涉到安全、节能、环保等问题，是热风炉控制的难点所在。
热风炉按燃烧方式一般包括内燃式、外燃式和顶燃式等形式，由于顶燃式热风炉具有节能、投资低、高风温等特点，在各钢铁企业的应用越来越多。顶燃式热风炉结构特点为顶部燃烧、中部出热风、中下部蓄热以及下部进冷风排烟气。与普通热风炉相比，在燃烧室增加了氮气(N2)吹扫保护。
热风炉需要能够安全、高效地向高炉提供热风，因此，亟需一种烧炉控制方法，能够实现热风炉的安全高效的工作。
发明内容
本发明实施例要解决的技术问题是提供一种顶燃式热风炉的烧炉控制方法及烧炉控制系统，用以实现热风炉的安全高效的工作。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供的一种顶燃式热风炉的烧炉控制方法，所述热风炉从上到下设置有燃烧室、拱顶部和蓄热室；
所述蓄热室中布设有蓄热体，所述蓄热室下方的炉体内壁上设置有烟道口，所述烟道口通过烟道连通至热风炉外部，所述烟道上设置有烟气阀；
所述燃烧室内壁上设置有与燃烧室连通的燃气腔和空气腔；
所述空气腔通过空气管道连接至一空气输入口，所述空气管道上设置有空气调节阀和空气切断阀；方向
所述燃气腔通过燃气管道连接至一燃气输入口，所述燃气管道在从燃气输入口到燃气腔的方向上，依次设置有燃气调节阀、第一燃气阀和第二燃气阀，所述燃气管道在第一燃气阀和第二燃气阀之间还连接有一燃气放散阀；
第一燃气阀和第二燃气阀之间的燃气管道，还通过一吹扫气体管道连通至一吹扫气体输入口，所述吹扫气体管道上设置有吹扫气体切断阀、吹扫气体流量计和吹扫气体压力计；
所述烧炉控制方法包括：
在接收到热风炉烧炉指令后，关闭所述第一燃气阀，开启所述烟气阀和所述第二燃气阀同时联动关闭所述燃气放散阀，开启所述吹扫气体切断阀以输入吹扫气体进行吹扫，并利用所述吹扫气体流量计和吹扫气体压力计，检测所述吹扫气体管道在吹扫过程中的吹扫气体流量和吹扫气体压力，并在检测到的吹扫气体流量大于第二燃气阀至燃气腔之间燃气管道的容积、且吹扫气体压力大于预设压力时，关闭吹扫气体切断阀和燃气放散阀，并将所述吹扫气体流量计的计数清零；
控制燃气管道输入的煤气与空气管道输入的空气发生燃烧，利用燃烧过程中产生的热量对所述蓄热体进行蓄热；以及
在蓄热体的蓄热过程结束后，关闭所述第一燃气阀和空气切断阀，开启所述吹扫气体切断阀以输入吹扫气体进行吹扫，并利用所述吹扫气体流量计和吹扫气体压力计，检测所述吹扫气体管道在吹扫过程中的吹扫气体流量和吹扫气体压力，并在检测到的吹扫气体流量大于第二燃气阀至燃气腔之间燃气管道的容积、且吹扫气体压力大于预设压力时，关闭吹扫气体切断阀、第二燃气阀和烟气阀，开启所述燃气放散阀，以及将所述吹扫气体流量计的计数清零。
优选的，上述方法中，所述控制燃气管道输入的煤气与空气管道输入的空气发生燃烧，利用燃烧过程中产生的热量对所述蓄热体进行蓄热，包括：
开启所述空气切断阀和第一燃气阀，控制所述燃气调节阀和空气调节阀开启程度均不超出满量程的预定比例，所述预定比例小于20％；
通过火焰检测仪检测所述燃气管道输入的煤气与空气管道输入的空气是否产生火焰，并在检测到火焰且所述火焰持续时间超出预定时长时，控制所述燃气调节阀和空气调节阀的开启程度达到最大配比值，以进行快速燃烧过程，直至所述拱顶部处的拱位温度达到第一设定温度，其中，所述最大配比值是在不影响本热风炉所在高炉系统中其他热风炉工作的情况下，在烟气氧含量满足预设第一指标且不产生黑烟情况时的最大配比；
在所述拱位温度达到所述设定温度后，增大所述空气管道的空气流量，以进行蓄热燃烧过程，直至所述烟气的温度达到第二设定温度，其中，在所述蓄热燃烧过程中，若所述拱位温度下降至一预设下限时，增大所述燃气管道的燃气流量或减小所述空气管道的空气流量。
本发明实施例还提供了一种顶燃式热风炉的烧炉控制系统，所述热风炉从上到下设置有燃烧室、拱顶部和蓄热室；其中，
所述蓄热室中布设有蓄热体，所述蓄热室下方的炉体内壁上设置有烟道口，所述烟道口通过烟道连通至热风炉外部；
所述燃烧室内壁上设置有与燃烧室连通的燃气腔和空气腔；
所述空气腔通过空气管道连接至一空气输入口；
所述燃气腔通过燃气管道连接至一燃气输入口；
所述燃气管道还通过一吹扫气体管道连通至一吹扫气体输入口；
所述烧炉控制系统包括：
设置在所述烟道上的烟气阀；
设置在所述空气管道上的空气调节阀和空气切断阀；
在所述燃气管道上从燃气输入口到燃气腔的方向上，依次设置的燃气调节阀、第一燃气阀和第二燃气阀，且所述第一燃气阀和第二燃气阀分别设置在吹扫气体管道与燃气管道连接处的两侧；
与所述第一燃气阀和第二燃气阀之间的燃气管道连接的燃气放散阀；
设置在所述吹扫气体管道上的吹扫气体切断阀、吹扫气体流量计和吹扫气体压力计；
所述烧炉控制系统还包括：
第一吹扫控制单元，用于在接收到热风炉烧炉指令后，关闭所述第一燃气阀，开启所述烟气阀和所述第二燃气阀同时联动关闭所述燃气放散阀，开启所述吹扫气体切断阀以输入吹扫气体进行吹扫，并利用所述吹扫气体流量计和吹扫气体压力计，检测所述吹扫气体管道在吹扫过程中的吹扫气体流量和吹扫气体压力，并在检测到的吹扫气体流量大于第二燃气阀至燃气腔之间燃气管道的容积、且吹扫气体压力大于预设压力时，关闭吹扫气体切断阀和燃气放散阀，并将所述吹扫气体流量计的计数清零；
燃烧蓄热单元，用于控制燃气管道输入的煤气与空气管道输入的空气发生燃烧，利用燃烧过程中产生的热量对所述蓄热体进行蓄热；以及
第二吹扫控制单元，用于在蓄热体的蓄热过程结束后，关闭所述第一燃气阀和空气切断阀，开启所述吹扫气体切断阀以输入吹扫气体进行吹扫，并利用所述吹扫气体流量计和吹扫气体压力计，检测所述吹扫气体管道在吹扫过程中的吹扫气体流量和吹扫气体压力，并在检测到的吹扫气体流量大于第二燃气阀至燃气腔之间燃气管道的容积、且吹扫气体压力大于预设压力时，关闭吹扫气体切断阀、第二燃气阀和烟气阀，开启所述燃气放散阀，以及将所述吹扫气体流量计的计数清零。
优选的，上述烧炉控制系统还包括：
设置在所述燃烧室内壁上的火焰检测仪；
所述燃烧蓄热单元包括：
快速燃烧控制单元，用于开启所述空气切断阀和第一燃气阀，控制所述燃气调节阀和空气调节阀开启程度均不超出满量程的预定比例，所述预定比例小于20％；以及，通过所述火焰检测仪检测所述燃气管道输入的煤气与空气管道输入的空气是否产生火焰，并在检测到火焰且所述火焰持续时间超出预定时长时，控制所述燃气调节阀和空气调节阀的开启程度达到最大配比值，以进行快速燃烧过程，直至所述拱顶部处的拱位温度达到第一设定温度，其中，所述最大配比值是在不影响本热风炉所在高炉系统中其他热风炉工作的情况下，在烟气氧含量满足预设第一指标且不产生黑烟情况时的最大配比；
蓄热燃烧控制单元，用于在所述拱位温度达到所述设定温度后，增大所述空气管道的空气流量，以进行蓄热燃烧过程，直至所述烟气的温度达到第二设定温度，其中，在所述蓄热燃烧过程中，若所述拱位温度下降至一预设下限时，增大所述燃气管道的燃气流量或减小所述空气管道的空气流量。
优选的，上述烧炉控制系统还包括：
设置于拱位处的拱位测温仪表；和
设置有烟道上的烟气测温仪表和烟气氧含量检测仪21。
优选的，上述烧炉控制系统还包括：
分别设置在所述空气管道和所述燃气管道上的T型巴类流量计。
优选的，上述烧炉控制系统中，所述吹扫气体流量计为抗震型涡街流量计。
优选的，上述烧炉控制系统中，所述火焰检测仪为带有取源装置的火焰检测装置。
优选的，上述烧炉控制系统还包括：
作为主设备的可编程逻辑控制器PLC单元，和作为从设备的分布式控制系统DCS单元；所述第一吹扫控制单元、燃烧蓄热单元和第二吹扫控制单元位于所述DCS单元上；
所述PLC单元与本热风炉所在高炉系统中其他热风炉的PLC单元连接；
所述PLC单元还通过一网关与各个DCS单元连接；
所述DCS单元分别与本热风炉的各个流量计、各个阀门和各个测温仪表连接，用于采集对应流量计、阀门或测温仪表的数据。
与现有技术相比，本发明实施例提供的一种顶燃式热风炉的烧炉控制方法及烧炉控制系统，有益效果如下：本发明实施例实现了热风炉对外通讯的同时，还解决了热风炉工作的灵活控制的问题，还克服了各炼铁企业吹扫气体(如氮气)现实条件的限制，不因氮气条件不满足而不能实行自动吹扫，提高了安全等级，避免存在的安全隐患。本发明实施例还采用快速燃烧，快速为热风炉蓄热提供条件，能够减少热风炉燃烧时间，其控制简便且安全节能，能够减少污染气体排放，实现安全、节能和环保的良好效果。
附图说明
图1是本发明实施例的顶燃式热风炉烧炉控制系统的设备组合原理的示意框图；
图2是顶燃式热风炉烧炉控制系统的细节示意图。
其中，1热风炉、2吹扫氮气管道、3助燃空气管道、4燃气管道、5吹扫氮气压力计、6吹扫氮流量计、7氮气切断阀、8燃气放散阀、9助燃空气调节阀、10助燃空气切断阀、11燃气调节阀、12第一燃气阀(源阀)、13第二燃气阀、14热风炉蓄热体、15烟气阀、16燃烧室燃气腔、17、火焰检测仪、18燃烧室空气腔、19拱位测温仪表、20烟气测温仪表、21烟气氧含量检测仪、22燃气流量计设置点、23空气流量计设置点、24燃烧室、25拱顶部、26蓄热室、27烟道。
具体实施方式
发明人曾研究过的一种顶燃式热风炉烧炉的烧炉控制方案为：吹扫控制和燃烧控制，采用单一系统控制，如采用可编程逻辑控制器(PLC)或分布式控制系统(DCS)控制。吹扫控制具体为：接到烧炉指令后，开启烟气阀、第二燃气阀同时联锁关闭放散阀、开启氮气阀(连接至制氧厂的中压N2，压力一般为0.6MPa)，进行吹扫，吹扫条件为：吹10～30秒、压力不低于0.3MPa、流量不低于1000Nm3/h，时间-压力-流量控制逻辑)，然后开空气阀和第一燃气阀(源阀)，进行点火燃烧。燃烧控制为：空气燃气比按基本PID(比例、积分、微分)调节，进行燃烧，直至符合设定温度要求后停止燃烧。控制系统一般采用PLC控制，便于与高炉系统的其他控制系统通讯。
上述方案的弊端在于：
1)采用纯PLC及仪表结构，PLC系统软件对复杂PID开发难度大、控制不灵活。
2)燃烧期间采用基本PID控制，其烧炉、蓄热速度慢，相对浪费能源，可能对高炉的高效生产带来负影响。
3)在热风炉燃烧前期，炉内压力几乎很小，当打开氮气阀门吹扫时，N2几乎是在超音速的状态下流动，但在末期压力近50KPa、流速几乎为零，因此采用时间-压力-流量控制方法，在实际生产中几乎失灵，特别是N2用户很多的企业，N2压力不能满足要求。实际操作中，只能改手动操作来进行控制，通常整个吹扫时间约需2分钟，吹扫时间长、浪费N2、也增加了NOx的排放不利于节能减排，并存在爆炸的隐患。
4)燃气、空气压力一般为6～10KPa，其流量检测用满管截流式(如孔板等)，由于管径较粗，其价格很高，且其压损很大对燃烧不利，一般采用巴类流量计(如威力巴、毕托巴等)，其弊端是产生的压差太小，一般不大于200Pa，而在点火燃烧期间，其流量较小，通常仅为满量程的1/10左右，则此时的压差仅为2Pa，因此使用差压变送器将难以检测流量，导致只能通过人工经验来控制，或者加大气体流量，这些都增加了爆炸隐患，并且由于无法精确控制也容易导致能源浪费。
为克服上述方案的缺陷，本发明实施例提供了一种顶燃式热风炉烧炉的新控制方法，并提供了一种顶燃式热风炉烧炉控制系统的设备组合，对现有工艺操作流程进行优化，在基本不增加设备投资的前提下，解决设备组合问题，解决因吹扫N2压力过低而无法吹扫，以及，因吹扫N2流速过大的检测难度大的问题，从而保证安全吹扫。并且，本发明实施例既能够使得燃气充分快速燃烧，加快蓄热过程，又可以尽量节省能源。为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明中，吹扫气体采用与跟燃气(如煤气)不发生化学反应的气体，通常多采用氮气。以下实施例中以氮气(N2)作为吹扫气体进行说明。
请参照图1～2，其中，图1是本发明实施例的顶燃式热风炉烧炉控制系统的设备组合原理的示意性框图，图2则进一步给出了该炉烧炉控制系统的细节示意图。可以看出，本发明实施例的顶燃式热风炉1，在炉体内部从上到下依次设置有燃烧室24、拱顶部25和蓄热室26，其中，燃烧室24为在拱顶部25上突出的一空间。所述蓄热室26中布设有蓄热体14，所述蓄热室26下方的热风炉内壁上设置有烟道口，所述烟道口通过烟道27连通至热风炉外部；
所述燃烧室24内壁上设置有与燃烧室24连通的燃气腔16和空气腔18；
所述空气腔18通过空气管道3连接至一空气输入口(图中未示出)；
所述燃气腔16通过燃气管道4连接至一燃气输入口(图中未示出)；
所述燃气管道4还通过一氮气管道2连通至一氮气输入口(图中未示出)。
本发明实施例提供的顶燃式热风炉烧炉控制系统，具体包括：
设置在所述烟道27上的多个烟气阀15；
设置在所述空气管道3上的空气调节阀9和空气切断阀10；
在所述燃气管道4上从燃气输入口到燃气腔的方向上，依次设置的燃气调节阀11、第一燃气阀12和第二燃气阀13，且所述第一燃气阀12和第二燃气阀13分别设置在氮气管道与燃气管道连接处的两侧；
与所述第一燃气阀12和第二燃气阀13之间的燃气管道连接的燃气放散阀8；
设置在所述氮气管道2上的氮气切断阀7、吹扫氮气流量计6和吹扫氮气压力计5，为实现可靠测量，所述吹扫氮气流量计5优选地采用抗震型涡街流量计。
设置于拱位处的拱位测温仪表19；
设置有烟道27上的烟气测温仪表20和烟气氧含量检测仪21。
分别设置在所述空气管道3和所述燃气管道4上的T型巴类流量计(图中未示出该流量计)，该流量计具体可以设置在空气流量计设置点23和燃气流量计设置点22处；
设置在所述燃烧室24内壁上的火焰检测仪17，优选的，所述火焰检测仪为带有取源装置的火焰检测装置。
为实现烧炉控制处理，本发明实施例的烧炉控制系统采集各个阀门、流量计、压力计、检测仪以及温度计的数据，据此进行相关的控制处理。为实现上述控制处理，本实施例的所述烧炉控制系统还包括以下单元(图中未示出)：
第一吹扫控制单元，用于在接收到热风炉烧炉指令后，关闭所述第一燃气阀12，开启所述烟气阀15和所述第二燃气阀13同时联动关闭所述燃气放散阀8，开启所述氮气切断阀7以输入氮气进行吹扫，并利用所述吹扫氮气流量计6和吹扫氮气压力5计，检测所述氮气管道2在吹扫过程中的氮气流量和氮气压力，并在检测到的氮气流量大于第二燃气阀13至燃气腔16之间燃气管道4的容积、且氮气压力大于预设压力时，关闭氮气切断阀7和燃气放散阀8，并将所述吹扫氮气流量计6的计数清零；
燃烧蓄热单元，用于控制燃气管道4输入的煤气与空气管道3输入的空气发生燃烧，利用燃烧过程中产生的热量对所述蓄热体14进行蓄热；以及
第二吹扫控制单元，用于在蓄热体14的蓄热过程结束后，关闭所述第一燃气阀12和空气切断阀10，开启所述氮气切断阀7以输入氮气进行吹扫，并利用所述吹扫氮气流量计6和吹扫氮气压力计5，检测所述氮气管道2在吹扫过程中的氮气流量和氮气压力，并在检测到的氮气流量大于第二燃气阀13至燃气腔16之间燃气管道4的容积、且氮气压力大于预设压力时，关闭氮气切断阀7、第二燃气阀13和烟气阀15，开启所述燃气放散阀8，以及将所述吹扫氮气流量计6的计数清零。
进一步的，上述燃烧蓄热单元可以实现快速燃烧处理和蓄热燃烧处理，此时该燃烧蓄热单元又具体可以包括：
快速燃烧控制单元，用于开启所述空气切断阀10和第一燃气阀12，控制所述燃气调节阀11和空气调节阀9开启程度均不超出满量程的预定比例，所述预定比例小于20％；以及，通过所述火焰检测仪17检测所述燃气管道4输入的煤气与空气管道3输入的空气是否产生火焰，并在检测到火焰且所述火焰持续时间超出预定时长时，控制所述燃气调节阀11和空气调节阀9的开启程度达到最大配比值，以进行快速燃烧过程，直至所述拱顶部处的拱位温度达到第一设定温度，其中，所述最大配比值是在不影响本热风炉所在高炉系统中其他热风炉工作的情况下，在烟气氧含量满足预设第一指标且不产生黑烟情况时的最大配比，该最大配比可以根据燃气充分燃烧时所需要的氧气比例来设置，也可以根据实际烧炉过程中的经验进行设置；
蓄热燃烧控制单元，用于在所述拱位温度达到所述设定温度后，增大所述空气管道3的空气流量，以进行蓄热燃烧过程，直至所述烟气的温度达到第二设定温度，其中，在所述蓄热燃烧过程中，若所述拱位温度下降至一预设下限时，增大所述燃气管道4的燃气流量或减小所述空气管道3的空气流量。
从以上结构可以看出，第一、第二吹扫控制单元在吹扫过程中，以氮气阀7开启为使动、以氮气流量计6的累积量Q大于第二燃气阀13至燃气腔16之间燃气管道的容积V，且压力计大于预定值(如50KPa)，构成安全吹扫控制过程。若满足此条件，即吹扫过程结束。
第一吹扫控制单元在燃烧初期进行吹扫，其目的是吹扫送风期而存在于燃气管道内的高温空气，防止爆炸，具体为：关闭氮气切断阀7、燃气放散阀8，同时将氮气流量计6的累积量清零；开启空气切断阀10、第一燃气阀12，指令燃气调节阀11、空气调节阀9开启至预设的点火开度；当设置在空气腔18的火焰检测仪17检测到火焰(若未检测到火焰，则切断第一燃气阀12，并重新执行吹扫过程)，则获取高炉系统中其他热风炉状态，在不影响其他热风炉工作的前提下，调整燃气调节阀11和空气调节阀9开启到尽可能的最大状态，同时以拱位温度为设定值、烟气氧含量为指标，以不冒黑烟的空气燃气配比值进行燃烧，通过采用空气燃气比的限幅PI调节，进行快速燃烧，即由点火燃烧和限幅PI调节，构成快速燃烧控制法；当拱位测温仪表19检测到温度达到设定值时，则结束快速燃烧过程。
再以烟气温度为设定值、设置新的烟气氧含量指标、以拱位温度为前馈，组成串级并联交叉限幅PID调节。为减少蓄热燃烧时间，改变空气过剩系数，适当增加空气流量，即增大了烟气流量(流速)，使蓄热体14与烟气充分接触，加强其热交换效率以节能。在此期间如果拱位测温仪表19检测到温度下降过多，则系统进行自动减小空气调节阀9的开启程度或增大燃气调节阀11的开启程度，保证拱位温度19即热源稳定在某一范围内，由此构成节能蓄热控制法。当烟气测温仪表20达到设定值且稳定后，则结束快速蓄热过程，关闭第一燃气阀12和空气切断阀10,开启氮气切断阀7再次进行安全吹扫。系统自动按照安全吹扫控制过程进行吹扫(吹扫出燃气管道内的燃料)，确保安全。吹扫结束，关闭第二燃气阀13同时开启燃气放散阀8，以及关闭烟气阀15，从而结束燃烧期，完成整个热风炉的烧炉过程。
本发明实施例中，上述烧炉控制系统还包括有作为主设备的PLC单元和作为从设备的DCS单元，其中，上述第一吹扫控制单元、燃烧蓄热单元和第二吹扫控制单元位于所述DCS单元上。所述PLC单元与本热风炉所在高炉系统中其他热风炉的PLC单元连接。所述PLC单元还通过一网关与各个DCS单元连接。所述DCS单元分别与本热风炉的各个流量计、各个阀门和各个测温仪表连接，用于采集对应流量计、阀门或测温仪表的数据，并通过所述网关发送给所述DCS单元，从而DCS单元中的第一吹扫控制单元、燃烧蓄热单元和第二吹扫控制单元。
从以上所述可以看出，本发明实施例的烧炉控制系统，首先解决了硬件的设备组合(即仪表和控制逻辑系统)，其中控制逻辑系统采用PLC、DCS双系统，仪表包含吹扫流量计、吹扫气切断阀、压力计、炉体测温仪表、燃烧用的空气和燃料流量计及其调节阀、分析仪表，这些仪表与PLC系统相连接，保证它们之间的通讯畅通。然后，再解决其控制方法，即安全吹扫控制法(由第一、第二吹扫控制单元实现)、快速燃烧控制法(由快速燃烧控制单元实现)和节能蓄热控制法(由蓄热燃烧控制单元实现)。
上述控制逻辑系统包含PLC单元、DCS单元，它们的CPU的通讯是开放的。PLC单元主要应用于逻辑控制和对外通讯、DCS单元主要针对模拟量的检测与调节。PLC单元对复杂的PID控制算法开发难度极大，不易实现，但通讯快；而DCS单元则容易，控制算法组合灵活。在现有技术中，通常是在DCS单元下挂接PLC单元，二者上下通讯容易实现，反过来则不易。本发明的发明人通过多次试验，创造性的更改了系统内部通讯结构，则实现了PLC下挂DCS的通讯方式，实现了二者的联网通讯，从而保证主系统采用PLC单元，对上便于与高炉系统中其他热风炉控制系统的PLC通讯，采集和控制数字量；对关联PID的控制的模拟量采集和调节采用DCS单元，完成热风炉烧炉过程生产数据的检测与调节。
具体的，在PLC、DCS之间采用PROFIBUS主从通讯方式，对PLC单元(主设备)的PTQ通讯模块进行具体设置(配置PLC为主站、DCS为从站、PLC与DCS之间的读写方式、Tag变量—开关量和模拟量)，同时对诊断工具PCB作相应的配置。DCS单元(从设备)提供一个GETWAY网关，即在主从设备间加一个网关。在网关的配置软件中配置DCS为从站、数据起始地址、数据类型和数据长度(数据数量)，开关量和模拟量则分开设置，两侧(主从侧)注意应对主从站的通讯地址。同时分别在主从设备的组态软件中，定义通讯数据首地址、数据类型、数据长度(数据数量)。配置DCS的.GSD文件，定义其第三生产商的版本、通讯协议、主从关系和通讯速率等，然后PLC单元将.GSD文件导入。通过以上处理，PLC、DCS单元可以各自编制各自的软件，从而实现硬件联网、软件相对独立、通讯畅通，PLC与DCS之间即独立又相互联系的结构。
以上所述的仪表，包含检测仪表和控制仪表。所述的检测仪表包含炉体上的温度、压力、流量、分析仪表(烟气氧含量检测仪表)，吹扫系统的压力、流量、分析仪表(火焰检测仪表)，它们与控制系统的输入端相连接。所述的控制仪表包含吹扫系统的切断阀、燃烧系统的调节阀(空气和燃料)，与控制系统的输出端连接。
通过以上的设置与连接，实现了设备间的组合，保证通讯畅通，为实现控制方法提供了基础。
本发明实施例还提供了一种顶燃式热风炉的烧炉控制方法，应用于上述的顶燃式热风炉，该烧炉控制方法包括以下步骤：
步骤a，在接收到热风炉烧炉指令后，关闭所述第一燃气阀，开启所述烟气阀和所述第二燃气阀同时联动关闭所述燃气放散阀，开启所述吹扫气体切断阀以输入吹扫气体进行吹扫，并利用所述吹扫气体流量计和吹扫气体压力计，检测所述吹扫气体管道在吹扫过程中的吹扫气体流量和吹扫气体压力，并在检测到的吹扫气体流量大于第二燃气阀至燃气腔之间燃气管道的容积、且吹扫气体压力大于预设压力时，关闭吹扫气体切断阀和燃气放散阀，并将所述吹扫气体流量计的计数清零；
步骤b，控制燃气管道输入的煤气与空气管道输入的空气发生燃烧，利用燃烧过程中产生的热量对所述蓄热体进行蓄热；以及
步骤c，在蓄热体的蓄热过程结束后，关闭所述第一燃气阀和空气切断阀，开启所述吹扫气体切断阀以输入吹扫气体进行吹扫，并利用所述吹扫气体流量计和吹扫气体压力计，检测所述吹扫气体管道在吹扫过程中的吹扫气体流量和吹扫气体压力，并在检测到的吹扫气体流量大于第二燃气阀至燃气腔之间燃气管道的容积、且吹扫气体压力大于预设压力时，关闭吹扫气体切断阀、第二燃气阀和烟气阀，开启所述燃气放散阀，以及将所述吹扫气体流量计的计数清零。
其中，上述步骤b具体可以包括：
步骤b1，开启所述空气切断阀和第一燃气阀，控制所述燃气调节阀和空气调节阀开启程度均不超出满量程的预定比例，所述预定比例小于20％；
步骤b2，通过火焰检测仪检测所述燃气管道输入的煤气与空气管道输入的空气是否产生火焰，并在检测到火焰且所述火焰持续时间超出预定时长时，控制所述燃气调节阀和空气调节阀的开启程度达到最大配比值，以进行快速燃烧过程，直至所述拱顶部处的拱位温度达到第一设定温度，其中，所述最大配比值是在不影响本热风炉所在高炉系统中其他热风炉工作的情况下，在烟气氧含量满足预设第一指标且不产生黑烟情况时的最大配比；
步骤b3，在所述拱位温度达到所述设定温度后，增大所述空气管道的空气流量，以进行蓄热燃烧过程，直至所述烟气的温度达到第二设定温度，其中，在所述蓄热燃烧过程中，若所述拱位温度下降至一预设下限时，增大所述燃气管道的燃气流量或减小所述空气管道的空气流量。
以上的步骤a和步骤c中实现的是安全吹扫控制过程，其通过检测吹扫气体(如N2)的压力和流量等参数，控制N2切断阀。由于在现实生产条件下通常无法满足或保证吹扫N2的压力及流量条件，本发明实施例对目前的吹扫流程进行改变，以适应实际的吹扫实条件，保证生产。具体的，将目前的时间-压力-流量控制方法改为容积-压力法，其原理为：对应热风炉的吹扫N2阀打开，开始计量吹扫N2的流量，只要累计流量大于第二燃气阀至热风炉煤气腔之间的燃气管道的容积和吹扫N2管道的容积之和，且压力不小于一预定值(通常只需要保证正压即可，例如50KPa)，即完成吹扫控制，解决了目前对N2切断阀的开/关时间的苛刻要求(小于3秒)，克服了N2压力(不低于0.3MPa)、流速(不低于1000Nm3/h)高要求，上述吹扫控制过程只要有压力，吹扫气体不倒流即可。在每个烧炉期的开始期、结束期均采用上述吹扫控制过程进行控制吹扫，吹掉燃气管道内的热空气(烧炉开始期)和燃气(烧炉结束期)，防止高温空气与燃气在燃气管道内突燃相遇而爆炸，提高了设备的安全性。该吹扫控制过程特别是在吹扫中压N2压力不稳定或N2用户多的企业时，能够简化控制过程，并提高安全性。
另外，在吹扫阀门刚打开时，吹扫气体的流速很高(可接近超音速)，一般流量计无法满足上述场景的流量计量要求，本发明实施例优选采用流量比特宽的耐振型及能抑制干扰的流量计，如ZL201110211626.3的中国专利“一种外置型应力式涡街传感器”的抗振型涡街流量计，或ZL200610040970.X中国专利“一种涡街流量计振动干扰抑制方法”中的流量计，以保证其检测准确。
以上步骤b1-b2中实现的是满流量燃烧控制过程，通过检测燃料和空气的压力、流量、调节阀的开度、热风炉拱位温度、火焰信号、烟气氧量信号，控制燃料、空气的调节阀开度，包含安全点火燃烧和空气燃气比限幅PI调节。其原理为：当吹扫完毕，将空气调节阀和燃气调节阀开到点火角度(例如最大流量的10％)，向热风炉内送入少量的空气和燃气，检测到火焰并延时10秒(以保证具有稳定火焰)，然后即将燃气和空气的调节阀达到最大的配比值上，实现快速燃烧。同时，还可以兼顾考虑高炉系统中的其他热风炉工作状态，避免中断或干扰其他在燃烧的热风炉。在上述快速燃烧过程中，以烟气氧含量为指标进行满流量合理燃烧(即快速燃烧)，采用拱位温度设定，空气燃气配比的限幅PI控制。只要烟气中不产生黑烟、不影响其他热风炉的工作，就可以尽量多的投入燃料，实现快速燃烧，减少燃烧时间，尽可能的提供高温蓄热的热源。
上述快速燃烧控制中，火焰检测作为前提控制条件，同时还需要检测拱位温度。优选的，本发明实施例中的拱位温度检测采用一体化的检测装置，如ZL201320451522.4的中国专利“特殊测温仪表装置”中的检测装置，以保证可靠检测温度和器件使用寿命。火焰检测优选的采用带有取源装置的火检装置，如ZL201220593822.1的中国专利“高温高压燃烧器一体化火焰检测仪表取源装置”中的检测装置，以保证可靠检测火焰，实现节能效果。
另外，空气和燃料流量(F)由于变化范围大且其管径较粗(一般公称通径DN>1000mm)，多用巴类流量计，优点是价低、缺点是产生的压差(△P)太小(约100～200Pa)，而F∝(△P)0.5，当流量仅为最大流量(满量程)的1/3时，压差仅为22Pa左右，几乎无合格的差压变送器能够检测之，本发明实施例中点火流量(1/10)时其压差约为2Pa，任何差压变送器也不能够检测之；为此，本发明实施例中采用能够差生大压差的T型巴类流量计，优选的可以采用申请号为201420496956.0的中国专利申请中的流量计，该流量计能产生约8KPa的压差，1/3满量程时其压差约为1KPa，点火流量(1/10)时其压差约为80Pa，其所有型号的差变均能满足要求，保证了流量检测的准确度，同时也提高了检测安全性。
以上步骤b3中实现的是所述的节能蓄热控制过程，检测燃料和空气的压力、流量、调节阀的开度、热风炉拱位温度、烟气温度和氧量信号，来控制燃料和空气的调节阀开度。其原理为：当拱位温度达到设定值(如1500℃)时，快速燃烧期结束；然后，采用以烟气温度为被调量、拱位温度为超前量、增大空气过剩系数的新的烟气氧含量(不超过喷煤环节的氧含量要求)为指标的特殊PID算法，控制空气和燃气流量。在增大空气量的同时，烟气量也得到增加，即增加了烟气通过蓄热体的流速，加快了蓄热过程，同时兼顾保持热源稳定，当热源(拱位温度)降低过快时，则增加燃料量或减小空气量，使热风炉蓄热体均匀蓄热，达到安全快速蓄热以及节能的目的。
以上三种控制过程均由DCS完成，工作中三种控制算法在系统中既可以独立工作，也相互结合。例如，如在快速燃烧期间如果火焰检测仪表没有检测到火焰信号，则马上切断燃料，转到安全吹扫控制过程，以保证生产安全。
综上，本发明实施例根据热风炉的特点，采用安全吹扫消除安全隐患，采用快速燃烧节约燃烧时间，采用改变空气过剩系数以节能并快速蓄热，最终达到安全、节能和环保的目的，在最短时间内为高炉操作提供合格的热源。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种顶燃式热风炉的烧炉控制方法，其特征在于，
所述热风炉从上到下设置有燃烧室、拱顶部和蓄热室；
所述蓄热室中布设有蓄热体，所述蓄热室下方的炉体内壁上设置有烟道口，所述烟道口通过烟道连通至热风炉外部，所述烟道上设置有烟气阀；
所述燃烧室内壁上设置有与燃烧室连通的燃气腔和空气腔；
所述空气腔通过空气管道连接至一空气输入口，所述空气管道上设置有空气调节阀和空气切断阀；
所述燃气腔通过燃气管道连接至一燃气输入口，所述燃气管道在从燃气输入口到燃气腔的方向上，依次设置有燃气调节阀、第一燃气阀和第二燃气阀，所述燃气管道在第一燃气阀和第二燃气阀之间还连接有一燃气放散阀；
第一燃气阀和第二燃气阀之间的燃气管道，还通过一吹扫气体管道连通至一吹扫气体输入口，所述吹扫气体管道上设置有吹扫气体切断阀、吹扫气体流量计和吹扫气体压力计；
所述烧炉控制方法包括：
在接收到热风炉烧炉指令后，关闭所述第一燃气阀，开启所述烟气阀和所述第二燃气阀同时联动关闭所述燃气放散阀，开启所述吹扫气体切断阀以输入吹扫气体进行吹扫，并利用所述吹扫气体流量计和吹扫气体压力计，检测所述吹扫气体管道在吹扫过程中的吹扫气体流量和吹扫气体压力，并在检测到的吹扫气体流量大于第二燃气阀至燃气腔之间燃气管道的容积、且吹扫气体压力大于预设压力时，关闭吹扫气体切断阀和燃气放散阀，并将所述吹扫气体流量计的计数清零；
控制燃气管道输入的煤气与空气管道输入的空气发生燃烧，利用燃烧过程中产生的热量对所述蓄热体进行蓄热；以及
在蓄热体的蓄热过程结束后，关闭所述第一燃气阀和空气切断阀，开启所述吹扫气体切断阀以输入吹扫气体进行吹扫，并利用所述吹扫气体流量计和吹扫气体压力计，检测所述吹扫气体管道在吹扫过程中的吹扫气体流量和吹扫气体压力，并在检测到的吹扫气体流量大于第二燃气阀至燃气腔之间燃气管道的容积、且吹扫气体压力大于预设压力时，关闭吹扫气体切断阀、第二燃气阀和烟气阀，开启所述燃气放散阀，以及将所述吹扫气体流量计的计数清零。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制燃气管道输入的煤气与空气管道输入的空气发生燃烧，利用燃烧过程中产生的热量对所述蓄热体进行蓄热，包括：
开启所述空气切断阀和第一燃气阀，控制所述燃气调节阀和空气调节阀开启程度均不超出满量程的预定比例，所述预定比例小于20％；
通过火焰检测仪检测所述燃气管道输入的煤气与空气管道输入的空气是否产生火焰，并在检测到火焰且所述火焰持续时间超出预定时长时，控制所述燃气调节阀和空气调节阀的开启程度达到最大配比值，以进行快速燃烧过程，直至所述拱顶部处的拱位温度达到第一设定温度，其中，所述最大配比值是在不影响本热风炉所在高炉系统中其他热风炉工作的情况下，在烟气氧含量满足预设第一指标且不产生黑烟情况时的最大配比；
在所述拱位温度达到所述设定温度后，增大所述空气管道的空气流量，以进行蓄热燃烧过程，直至所述烟气的温度达到第二设定温度，其中，在所述蓄热燃烧过程中，若所述拱位温度下降至一预设下限时，增大所述燃气管道的燃气流量或减小所述空气管道的空气流量。
3.一种顶燃式热风炉的烧炉控制系统，其特征在于，所述热风炉从上到下设置有燃烧室、拱顶部和蓄热室；其中，
所述蓄热室中布设有蓄热体，所述蓄热室下方的炉体内壁上设置有烟道口，所述烟道口通过烟道连通至热风炉外部；
所述燃烧室内壁上设置有与燃烧室连通的燃气腔和空气腔；
所述空气腔通过空气管道连接至一空气输入口；
所述燃气腔通过燃气管道连接至一燃气输入口；
所述燃气管道还通过一吹扫气体管道连通至一吹扫气体输入口；
所述烧炉控制系统包括：
设置在所述烟道上的烟气阀；
设置在所述空气管道上的空气调节阀和空气切断阀；
在所述燃气管道上从燃气输入口到燃气腔的方向上，依次设置的燃气调节阀、第一燃气阀和第二燃气阀，且所述第一燃气阀和第二燃气阀分别设置在吹扫气体管道与燃气管道连接处的两侧；
与所述第一燃气阀和第二燃气阀之间的燃气管道连接的燃气放散阀；
设置在所述吹扫气体管道上的吹扫气体切断阀、吹扫气体流量计和吹扫气体压力计；
所述烧炉控制系统还包括：
第一吹扫控制单元，用于在接收到热风炉烧炉指令后，关闭所述第一燃气阀，开启所述烟气阀和所述第二燃气阀同时联动关闭所述燃气放散阀，开启所述吹扫气体切断阀以输入吹扫气体进行吹扫，并利用所述吹扫气体流量计和吹扫气体压力计，检测所述吹扫气体管道在吹扫过程中的吹扫气体流量和吹扫气体压力，并在检测到的吹扫气体流量大于第二燃气阀至燃气腔之间燃气管道的容积、且吹扫气体压力大于预设压力时，关闭吹扫气体切断阀和燃气放散阀，并将所述吹扫气体流量计的计数清零；
燃烧蓄热单元，用于控制燃气管道输入的煤气与空气管道输入的空气发生燃烧，利用燃烧过程中产生的热量对所述蓄热体进行蓄热；以及
第二吹扫控制单元，用于在蓄热体的蓄热过程结束后，关闭所述第一燃气阀和空气切断阀，开启所述吹扫气体切断阀以输入吹扫气体进行吹扫，并利用所述吹扫气体流量计和吹扫气体压力计，检测所述吹扫气体管道在吹扫过程中的吹扫气体流量和吹扫气体压力，并在检测到的吹扫气体流量大于第二燃气阀至燃气腔之间燃气管道的容积、且吹扫气体压力大于预设压力时，关闭吹扫气体切断阀、第二燃气阀和烟气阀，开启所述燃气放散阀，以及将所述吹扫气体流量计的计数清零。
4.如权利要求3所述的烧炉控制系统，其特征在于，还包括：
设置在所述燃烧室内壁上的火焰检测仪；
所述燃烧蓄热单元包括：
快速燃烧控制单元，用于开启所述空气切断阀和第一燃气阀，控制所述燃气调节阀和空气调节阀开启程度均不超出满量程的预定比例，所述预定比例小于20％；以及，通过所述火焰检测仪检测所述燃气管道输入的煤气与空气管道输入的空气是否产生火焰，并在检测到火焰且所述火焰持续时间超出预定时长时，控制所述燃气调节阀和空气调节阀的开启程度达到最大配比值，以进行快速燃烧过程，直至所述拱顶部处的拱位温度达到第一设定温度，其中，所述最大配比值是在不影响本热风炉所在高炉系统中其他热风炉工作的情况下，在烟气氧含量满足预设第一指标且不产生黑烟情况时的最大配比；
蓄热燃烧控制单元，用于在所述拱位温度达到所述设定温度后，增大所述空气管道的空气流量，以进行蓄热燃烧过程，直至所述烟气的温度达到第二设定温度，其中，在所述蓄热燃烧过程中，若所述拱位温度下降至一预设下限时，增大所述燃气管道的燃气流量或减小所述空气管道的空气流量。
5.如权利要求3所述的烧炉控制系统，其特征在于，还包括：
设置于拱位处的拱位测温仪表；和
设置有烟道上的烟气测温仪表和烟气氧含量检测仪(21)。
6.如权利要求5所述的烧炉控制系统，其特征在于，还包括：
分别设置在所述空气管道和所述燃气管道上的T型巴类流量计。
7.如权利要求6所述的烧炉控制系统，其特征在于，所述吹扫气体流量计为抗震型涡街流量计。
8.如权利要求7所述的烧炉控制系统，其特征在于，所述火焰检测仪为带有取源装置的火焰检测装置。
9.如权利要求8所述的烧炉控制系统，其特征在于，还包括：
作为主设备的可编程逻辑控制器PLC单元，和作为从设备的分布式控制系统DCS单元；所述第一吹扫控制单元、燃烧蓄热单元和第二吹扫控制单元位于所述DCS单元上；
所述PLC单元与本热风炉所在高炉系统中其他热风炉的PLC单元连接；
所述PLC单元还通过一网关与各个DCS单元连接；
所述DCS单元分别与本热风炉的各个流量计、各个阀门和各个测温仪表连接，用于采集对应流量计、阀门或测温仪表的数据。
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| CN104630403B (zh) | 2016-08-31 |
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