CN105783024A - 一种热风炉空燃比自动控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热风炉空燃比自动控制方法，包括以下步骤：S1、点火阶段：热风炉控制系统在收到燃烧信号后，按照最佳空燃比向热风炉中输入空气和燃气；S2、收到热风炉点火完成信号后，启动空燃比双PID控制器，包括残氧量PID和拱顶温度PID，并输出两个PID控制结果的最大值；S3、收到热风炉焖炉信号后，热风炉控制系统停止工作。本发明能够始终输出最佳空燃比，保证煤气高效、充分地燃烧；控制拱顶温度稳定在目标拱顶温度，保证燃烧过程安全稳定；且能够实现各个阶段对空燃比不同要求的自动、平稳地切换。

Description

一种热风炉空燃比自动控制方法

技术领域

本发明涉及热风炉自动化控制领域，尤其涉及一种热风炉空燃比自动控制方法。

背景技术

热风炉是炼铁工序中的一个重要环节，经过其加热的热风为高炉中焦炭和喷煤提供了燃烧的温度和氧气，提高风温可以有效降低焦比，减少喷煤量，并提高生铁产量。据生产统计，每提高100℃的风温，可以降低焦比2.5％～3.5％，产量提高2.5～3.5％。同时热风炉又是炼铁工序甚至整个钢铁流程中最主要的煤气消耗环节，在保证高风温的前提下，尽可能减小热风炉煤气的消耗，是钢铁产业节能降耗的重要一环。

空燃比，即通入热风炉内燃烧的空气与燃气(主要成分为高炉煤气)的体积比值。当空燃比偏小，空气中的氧气量小于燃气完全燃烧所需氧气时，煤气不完全燃烧，燃烧效率低且不环保；逐步增大空燃比，使空气中的氧气量刚好等于燃气完全燃烧所需氧气时，煤气完全燃烧，此时煤气利用率和燃烧效率最大，能够迅速提升热风炉拱顶温度，该空燃比为最佳空燃比；继续增大空燃比，使空气中的氧气量大于燃气完全燃烧所需氧气量，煤气虽完全燃烧，但由于空气偏多，燃烧升温效果较差，热风炉拱顶温度上升速度减慢甚至导致拱顶温度下降。在空燃比较大且燃气量不变的情况下，由于通入气体的总体积增大，能够将热风炉拱顶热量迅速带到炉底格子砖，增强炉底格子砖蓄热量，提高废气温度。所以在热风炉燃烧加热的各个阶段，需要对空燃比进行相应的精准控制，以确保热风炉向高炉正常供热输氧，保障高炉高效节能生产。

热风炉燃烧过程分为两个阶段，第一阶段为拱顶温度管理阶段，该阶段迅速将拱顶温度烧到目标拱顶温度，此时空燃比要求是最佳空燃比；第二阶段为废气温度管理阶段，在保持拱顶温度为目标温度的前提下，将废气温度提升至目标废气温度，此时空燃比偏大，大于最佳空燃比。

在拱顶温度管理阶段，烧炉空燃比必须以最佳空燃比燃烧条件下，才能提供最高的燃烧温度。因为受到高炉生产原料、原料配方、炉况等因素影响，高炉煤气热值是经常波动的，最佳空燃比也需要相应调整，而如何有效实时获取最佳空燃比，大致可以分为以下几种：

(1)根据热值仪测得的煤气热值，来确定空燃比。很多高炉都配置有热值仪，但因为滞后、维护、误差等因素影响，实际应用都不太理想，只能作为一个大概的参考。

(2)改变当前烧炉空气量，利用拱顶温度的变化速率，间接确定空燃比。在一定的煤气量下，处于最佳空燃比的火焰温度最高，相应拱顶温度上升的也最快(或拱顶达到的温度最高)，该方法最为简易，无需其他设备辅助，但也因为温度上升和空燃比存在滞后现象、温度测量存在误差等因素影响，实际应用也不太理想。

在废气温度管理阶段，拱顶温度必须稳定在目标拱顶温度附近，且不能超过拱顶温度安全上限。在该阶段中，空燃比跟踪拱顶温度，但又要保证煤气充分燃烧，直至烧炉结束。

一般的热风炉燃烧空燃比控制程序难以同时实现烧炉过程中的点火阶段、拱顶温度管理阶段和废气温度管理阶段这三个阶段不同的要求，并保证煤气燃烧的高效节能。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中难以准确控制热风炉内多个阶段的空燃比的缺陷，提供一种保证煤气高效燃烧，且能分三个阶段精确控制空燃比的热风炉空燃比自动控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种热风炉空燃比自动控制方法，包括以下步骤：

S1、点火阶段：热风炉控制系统在收到燃烧信号后，按照最佳空燃比向热风炉中输入空气和燃气；

S2、收到热风炉点火完成信号后，启动空燃比双PID控制器，包括残氧量PID和拱顶温度PID，并输出两个PID控制结果的最大值；

S3、收到热风炉焖炉信号后，热风炉控制系统停止工作。

进一步地，本发明的步骤S2中空燃比双PID控制器的控制方法具体为：

残氧量PID根据采集到的废气残氧量，控制输出最佳空燃比A1；

拱顶温度PID根据采集到的拱顶温度，调控拱顶温度并稳定在设定温度下，输出稳温空燃比A2；

比较残氧量PID输出的最佳空燃比A1和拱顶温度PID的稳温空燃比A2，将两者的最大值作为双PID控制器的输出。

进一步地，本发明的该方法还包括：

将每次烧炉过程中残氧量PID输出的空燃比记录到集合中，综合计算得出新的最佳空燃比，用于下次热风炉点火阶段作为最佳空燃比的输入值。

进一步地，本发明的步骤S2中拱顶温度PID通过热风炉拱顶的温度热电偶检测拱顶温度。

进一步地，本发明的步骤S1中最佳空燃比初次设定的时候由人工进行设定。

本发明产生的有益效果是：本发明的热风炉空燃比自动控制方法，具有以下优点：1、通过空燃比双PID控制器中的残氧量PID，在高炉炉况不稳定、煤气热值波动较大时，也能通过跟踪残氧量，始终输出最佳空燃比，保证煤气高效、充分地燃烧；2、空燃比双PID控制器中的拱顶温度PID控制拱顶温度稳定在目标拱顶温度，保证燃烧过程安全稳定；3、空燃比双PID控制器通过实时获取残氧量PID和拱顶温度PID输出的最大值，实现各个阶段对空燃比不同要求的自动、平稳地切换。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的热风炉空燃比自动控制方法的流程图；

图2是本发明实施例的热风炉空燃比自动控制方法的具体步骤流程图；

图3是本发明实施例的热风炉空燃比自动控制方法的空燃比双PID控制器结构示意图；

图4是是本发明实施例的热风炉空燃比自动控制方法的系统输出空燃比曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明实施例的热风炉空燃比自动控制方法，包括以下步骤：

S1、点火阶段：热风炉控制系统在收到燃烧信号后，按照最佳空燃比向热风炉中输入空气和燃气；

其中，控制系统在收到燃烧信号后到收到点火完成信号前的这段点火阶段中，空燃比输出为最佳空燃比，该值的初始值需要人工设定为以往实际运行中的经验值，仅在开机的第一次点火阶段(时长一般只有1分钟)使用，在控制系统运行后，最佳空燃比将在烧炉结束后由控制系统综合计算得到。

S2、收到热风炉点火完成信号后，启动空燃比双PID控制器，包括残氧量PID和拱顶温度PID，并输出两个PID控制结果的最大值；空燃比双PID控制器的控制方法具体为：

如图4所示，残氧量PID根据采集到的废气残氧量，控制输出最佳空燃比A1，如图4中密虚线曲线，当废气残氧量超过设定残氧量时，A1下降，废气残氧量低于设定残氧量时，A1上升；

残氧量PID的输入为烟气残氧量，通过氧化锆残氧检测仪表检测废气中的残氧，来确定空气是否足量或者过量，从而进一步调节空燃比。即残氧量PID在运行期间一直输出最佳空燃比。通过现场实际应用，一般废气中的氧含量保持在0.6％左右为最佳燃烧空燃比。氧化锆仪表本身滞后较小，3～5秒可以测出80％的氧量变化。

拱顶温度PID根据采集到的拱顶温度进行调节，控制输出稳温空燃比A2，如图4中点横线曲线，拱顶温度超过设定温度时，A2上升，拱顶温度低于设定温度时，A2下降；

拱顶温度PID的输入为拱顶温度，拱顶温度通过热风炉拱顶的温度热电偶检测，控制拱顶温度稳定在目标拱顶温度上。

比较残氧量PID输出的最佳空燃比A1和拱顶温度PID的稳温空燃比A2，将两者的最大值作为双PID控制器的输出。

当热风炉处于拱顶温度管理阶段时，残氧量PID按照最佳残氧量进行调节，输出煤气燃烧效率最高的最佳空燃比；而由于拱顶温度远远没有到达目标拱顶温度，拱顶温度PID输出在0％附近，此时空燃比双PID控制器输出两者的最大值，即残氧量PID输出的最佳空燃比，保证该阶段煤气燃烧效率以最高效、最快速度烧到目标拱顶温度。

当热风炉处于废气温度管理阶段时，拱顶温度PID根据拱顶温度进行调节，特别当拱顶温度超过目标拱顶温度时，空燃比输出大于残氧量PID输出的最佳空燃比，此时空燃比双PID控制器输出拱顶温度PID结果，提高空燃比，使拱顶温度降至目标拱顶温度，确保燃烧过程的安全稳定。

S3、收到热风炉焖炉信号后，热风炉控制系统停止工作；然后将每次烧炉过程中残氧量PID输出的空燃比记录到集合中，综合计算得出新的最佳空燃比，用于下次热风炉点火阶段作为最佳空燃比的输入值。

如图2所示，本发明实施例的热风炉空燃比自动控制方法的具体控制步骤为：

步骤(1)、在热风炉燃烧信号到来后，本系统启动，首先判断点火是否结束，如果点火未结束，进入步骤(2)；如果点火完成，进入步骤步骤(3)；

步骤(2)、点火期间，空燃比输出保持为最佳空燃比(定值)，该值在系统初次运行时由人工设定为经验值，在系统运行后，通过步骤(10)由系统综合计算得到；

步骤(3)、点火完成后，启动空燃比双PID控制器；

步骤(4)、残氧量PID根据残氧仪采集的废气残氧量，控制输出最佳空燃比A1；

步骤(5)、拱顶温度PID根据拱顶温度控制输出空燃比A2；

步骤(6)、判断是否A1>A2，若判断为是，进入步骤(7)，即空燃比双PID控制器的残氧量PID结果生效；若判断为否，进入步骤(8)，即拱顶温度PID结果生效；

步骤(7)、空燃比双PID控制器输出残氧量PID结果A1；

步骤(8)、空燃比双PID控制器输出拱顶温度PID结果A2；

步骤(9)、根据焖炉信号是否到来，判断烧炉是否结束，如果烧炉结束，进入步骤(10)；如果烧炉未结束，回到步骤(3)；

步骤(10)、根据系统所记录的本次烧炉过程中残氧量PID输出的空燃比集合，剔除一个最大值和最小值后进行算术平均，计算出新的最佳空燃比，用于下次该热风炉点火时输出的最佳空燃比。

如图3所示，表示详细的空燃比双PID控制器结构，主要由两个PID组成，输入包括采集残氧量、目标残氧量、拱顶温度、目标拱顶温度和重置信号，输出为空燃比，直接指导热风炉烧炉。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种热风炉空燃比自动控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、点火阶段：热风炉控制系统在收到燃烧信号后，按照最佳空燃比向热风炉中输入空气和燃气；

S2、收到热风炉点火完成信号后，启动空燃比双PID控制器，包括残氧量PID和拱顶温度PID，并输出两个PID控制结果的最大值；

S3、收到热风炉焖炉信号后，热风炉控制系统停止工作。

2.根据权利要求1所述的热风炉空燃比自动控制方法，其特征在于，步骤S2中空燃比双PID控制器的控制方法具体为：

残氧量PID根据采集到的废气残氧量，控制输出最佳空燃比A1；

拱顶温度PID根据采集到的拱顶温度，调控拱顶温度并稳定在设定温度下，输出稳温空燃比A2；

比较残氧量PID输出的最佳空燃比A1和拱顶温度PID的稳温空燃比A2，将两者的最大值作为双PID控制器的输出。

3.根据权利要求1所述的热风炉空燃比自动控制方法，其特征在于，该方法还包括：

将每次烧炉过程中残氧量PID输出的空燃比记录到集合中，综合计算得出新的最佳空燃比，用于下次热风炉点火阶段作为最佳空燃比的输入值。

4.根据权利要求1所述的热风炉空燃比自动控制方法，其特征在于，步骤S2中拱顶温度PID通过热风炉拱顶的温度热电偶检测拱顶温度。

5.根据权利要求1所述的热风炉空燃比自动控制方法，其特征在于，步骤S1中最佳空燃比初次设定的时候由人工进行设定。