CN107723399A - 一种高炉布料智能监测系统和调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高炉布料智能监测系统和调整方法。该系统通过通讯服务器将高炉槽下系统PLC，炉顶布料系统PLC和高炉本体PLC设定参数和实时数据连接到数采服务器，功能服务器将数采服务器上的数据进行处理和建模，建立布料过程监控模块和布料结果监控模块，并以浏览器/服务器架构的方式回传到各个客户机上。操作者通过客户机上布料过程监控模块和布料结果监控模块优化布料时序、调整布料参数，实现布料的精确控制，并利用布料结果监控模块的离线功能进行布料参数的设计和优化，确保布料过程的气流稳定性，实现气流的合理分布，并将优化后的参数用于实际高炉的操作控制。该系统实现了一处安装、全网可用、使用方便、维护简单。

Description

一种高炉布料智能监测系统和调整方法

技术领域

本发明属于冶金行业过程控制技术领域，特别涉及一种高炉布料智能监测系统和调整方法。

背景技术

高炉炉顶布料对于高炉操作的稳定性和经济性至关重要，但由于设备限制，高炉生产过程中的料面分布情况无法得到。人们通过建立数学建模来预测布料结束后的料面分布情况，如美国专利US.4466825，中国专利CN103131809A及CN104133945A都建立了描述径向料面分布尤其是矿焦比分布的数学模型，中国专利CN104694680A考虑了实际生产操作过程中高炉操作参数的变化对于料面堆积的影响。他们只停留在矿焦比分布的模拟上，而在实际生产中人们发现中心无矿区的大小、局部最小的焦窗厚度对于高炉的操作影响很大，并且这些模型不能模拟料层从炉喉下降到风口过程中发生的变化。另外现有技术无法体现炉顶料面分布对于高炉布料过程中气流波动的影响，以及布料过程产生的误差对于布料参数的优化。目前缺少一个全流程监控炉顶布料过程、布料结果及气流的软件以指导布料参数优化。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种高炉布料智能监测系统和调整方法，实时监测布料过程中的误差和布料过程中气流的波动情况，用于指导布料时序和布料参数的优化，并基于高炉料层堆积模型计算中心无矿区大小、最薄焦窗厚度和炉墙矿焦比用于定量描述料层分布结构，直观显示炉料从炉顶到风口下降过程中料层厚度的变化，结合气流分布和波动情况，利用布料模型进行布料参数优化，用于操作控制。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种高炉布料智能监测系统和调整方法，通过通讯服务器将高炉槽下系统PLC，炉顶布料系统PLC和高炉本体PLC设定参数和实时数据传输到数采服务器，功能服务器将数采服务器上的数据进行处理和建模，建立布料过程监控模块和布料结果监控模块，并以浏览器/服务器架构的方式回传到各个客户机上；操作者基于客户机上的监控结果，利用布料结果监控模块的离线功能优化布料时序控制和布料参数，实现精准布料和气流分布优化，并将优化后的参数用于实际高炉的操作，其中：

1.建立布料过程监控模块

采集炉顶布料系统PLC的料流阀打开、布料开始、各个档位的倾动、布料结束信号，并基于这些事件驱动的离散量对料罐重量、十字测温枪气流温度、炉喉煤气温度进行数据抽取，同时采集炉顶布料参数包括，料名、重量、料罐名、各个档位角度、圈数、旋转速度设置。功能服务器实时计算焦炭和矿石各个档位的实际布料重量、圈数及时间同设定值的差别，尤其是中心焦的量，并在客户端显示，操作者可以在布料过程中同步观察到每个档位布料过程中的误差和气流波动的情况，可用于优化布料时序和布料参数。

2.建立布料结果监控模块

料层分布模型：采集槽下系统PLC的料种及重量信号，包括焦炭、烧结、球团、块矿、焦丁、硅石，根据其重量和各自的密度计算各自的体积；采集炉顶布料系统PLC信号，包括料线、各个档位角度和圈数、旋转速度的设定值；根据炉料运动规律，建立炉料在旋转溜槽中的运动方程F＝m·a，F为炉料受到的力，m为炉料质量，a为加速度；炉料在空中的运动方程，z(r)＝A·r²+B·r+C，以及在炉喉的堆积方程z(r)＝a·r³+b·r²+c·r+d，z为竖直距离，r为水平距离，A、B、C、a、b、c、d为系数，建立料层分布模型，得到焦炭和矿石料面形状分布；基于料层分布模型，定义中心无矿区大小W为高炉中心线到最后一个档位的矿石与焦炭料面交点的水平距离，最薄焦窗厚度T为焦炭厚度在炉喉径向的最小值，炉墙矿焦比O/C为炉墙部位矿石LO和焦炭层厚度LC的比值；将炉喉部位的焦炭和矿石层形状作为输入条件，假设炉料做无旋运动，满足动量守恒和动量守恒给定高炉炉型、死料柱形状、回旋区大小及炉顶下料速度，计算料层下降轨迹，并用插值法描绘料面形状用于直观显示炉料从炉喉下降到风口过程中焦炭和矿石厚度的变化；操作者可以判断炉料在每个时间所处高炉的位置及形状，尤其是焦窗的大小，v_r为水平方向速度、v_z为竖直方向速度、z为竖直距离、r为水平距离；

本发明还提供了一种高炉布料调整方法，包括：

布料过程监控模块定量实时显示各档位布料误差，包括时间、重量、圈数，尤其是中心焦的误差，操作人员根据该值来优化布料时序，调整布料参数料；

布料结果监控模块定量显示中心无矿区大小、最薄焦窗厚度及炉墙矿焦比，和布料过程监控模块的气流分布相结合指导操作者利用布料结果监控模块的离线功能对布料参数进行设计和优化，满足无矿区大小、最薄焦窗厚度及炉墙矿焦比都在合理范围，得到合理气流分布；

布料结果监控模块的料面形状分布和布料过程监控模块的气流波动相结合可以指导操作者利用布料结果监控模块的离线功能对布料参数进行设计和优化，得到合适的料面形状，防止料面过于陡峭，减小布料过程中的气流波动。

与现有技术相比较，本发明至少具有如下有益效果：通过布料过程监控模块和布料结果监控模块相结合，实现布料时序和布料参数的优化，保证布料精度，减小布料过程中的气流波动，优化气流分布，实现高炉的稳定顺行和经济生产。系统架构采用浏览器/服务器模式，实现一处安装全网可用，维护方便，使用简单。

附图说明

图1为高炉布料智能检测系统网络架构图；

图2为高炉布料调整方法；

图3为高炉布料特征技术参数；

图4为网格差分示意图；

图5为布料过程监控图；

图6为炉顶气流监控图；

图7为布料结果监控图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如图1所示，1代表高炉槽下系统，2代表高炉布料系统，3代表高炉炉体系统，4代表高炉槽下系统PC，5代表高炉布料系统PLC，6代表高炉炉体系统PLC，7代表通讯服务器，8代表数采服务器，9代表功能服务器，10代表客户端，11代表以太网，12代表数据流，13代表高炉操作者。通讯服务器通过PLC采集高炉槽下系统、炉顶布料系统和高炉本体的设定参数和实时数据并传输到数采服务器上，功能服务器则将数采服务器上的数据进行处理和建模，建立布料过程监控模块和布料结果监控模块，并通过以太网以浏览器/服务器架构的方式回传到各个客户机上。操作者可以实时监控布料过程及结果，并据此进行布料参数的离线优化。

需要采集的高炉槽下系统数据有：焦炭、烧结、球团、块矿、焦丁、硅石、锰矿等炉料的重量；炉顶布料系统数据有：料线、罐号、料名、各个档位的布料角度和圈数、旋转速度、料流阀打开信号、布料开始信号、各个档位倾动信号、布料结束信号、料罐重量；高炉本体数据有：十字测温枪温度点、炉喉冷却壁温度点。

所述的布料过程监控模块包括：采集炉顶布料系统PLC的料流阀打开、布料开始、各个档位的倾动、布料结束信号，并基于这些事件驱动的离散量对料罐重量、十字测温枪气流温度、炉喉煤气温度进行数据抽取，同时采集炉顶布料参数包括，料名、重量、料罐名、各个档位角度、圈数、旋转速度设置。功能服务器实时计算焦炭和矿石各个档位的实际布料重量、圈数及时间同设定值的差别，尤其是中心焦的量，并在客户端显示，操作者可以在布料过程中同步观察到每个档位布料过程中的误差和气流波动的情况，可用于优化布料时序和布料参数。图5为定量显示各个档位的倾动角度、重量与设定值的对比，以及实布的中心焦的量的实时监控。图6为布料过程中的炉顶十字测温枪温度变化以及炉身上部的温度变化。

所述的布料结果监控模块包括：根据炉料运动规律，建立炉料在旋转溜槽中的运动方程F＝m·a，F为炉料受到的力，m为炉料质量，a为加速度；炉料在空中的运动方程，z(r)＝A·r²+B·r+C，以及在炉喉的堆积方程z(r)＝a·r³+b·r²+c·r+d，z为竖直距离，r为水平距离，A、B、C、a、b、c、d为系数，建立料层分布模型，得到焦炭和矿石料面形状分布。基于料层分布模型，如图3所示，定义中心无矿区大小为高炉中心线到最后一个档位的矿石与焦炭料面交点的水平距离W，最薄焦窗厚度为焦炭厚度在炉喉径向的最小值T，炉墙矿焦比为炉墙部位矿石和焦炭层厚度的比值LO/LC，还能显示各个档位料面分布形状，料流轨迹，；将炉喉部位的焦炭和矿石层形状作为输入条件，假设炉料做无旋运动，满足动量守恒和动量守恒给定高炉炉型、死料柱形状、回旋区大小及炉顶下料速度，通过网格差分法计算每个节点的流函数值Ψ[m，n]＝F(Ψ[m∈(m-1，m，m+1)，n∈(n-1，n，n+1)])，如图4所示。根据流函数与速度的关系，即可以计算出相关的径向速度和纵向速度。通过插值法，在特定的时间间隔Δt下，可以推导出节点的位置和速度数据，进而获得料层的分布数据，用于直观显示炉料从炉喉下降到风口过程中焦炭和矿石厚度的变化。操作者可以判断炉料在每个时间所处高炉的位置及形状，尤其是焦窗的大小。v_r为水平方向速度、v_z为竖直方向速度、z为竖直距离、r为水平距离。最终的高炉布料结果监控画面如图7所示。

图2为布料调整方法示意图，所述的布料调整方法包括：

布料过程监控模块定量实时显示各档位布料误差，包括时间、重量、圈数，尤其是中心焦的误差。操作人员根据该值来优化布料时序，调整布料参数料。如果第一档位误差过大，说明料流阀打开到布料开始的时间延时需要调整；如果第一档误差不大，但最后一档误差过大，说明矩阵还没走完，炉料已经布完，料流调节阀开度可以调小。

根据操作经验，中心无矿区过大，十字测温枪显示中心气流宽而不强；最薄焦窗厚度过小，下料不畅，炉况波动；炉墙矿焦比过小，热负荷增加。布料结果监控模块定量显示中心无矿区大小、最薄焦窗厚度及炉墙矿焦比，和布料过程监控模块的气流分布相结合指导操作者利用布料结果监控模块的离线功能对布料参数进行设计和优化，满足无矿区大小、最薄焦窗厚度及炉墙矿焦比都在合理范围，得到合理气流分布。

在实际操作过程中发现，当布料参数设置不合理，高炉料面过于陡峭时，容易出现布料引起的炉料塌落而导致气流波动。布料结果监控模块的料面形状分布和布料过程监控模块的气流波动相结合可以指导操作者利用布料结果监控模块的离线功能对布料参数进行设计和优化，减小布料过程中的气流波动。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (2)

1.一种高炉布料智能监测系统和调整方法，其特征在于：通过通讯服务器将高炉槽下系统PLC，炉顶布料系统PLC和高炉本体PLC设定参数和实时数据传输到数采服务器，功能服务器将数采服务器上的数据进行处理和建模，建立布料过程监控模块和布料结果监控模块，并以浏览器/服务器架构的方式回传到各个客户机上；操作者基于客户机上的监控结果，利用布料结果监控模块的离线功能优化布料时序和布料参数，实现精准布料和气流分布优化，并将优化后的参数用于实际高炉的操作，其中：

(1)建立布料过程监控模块：采集炉顶布料系统PLC的料流阀打开、布料开始、各档位的倾动、布料结束信号，并基于这些信号对料罐重量、十字测温枪温度、炉喉煤气温度进行数据抽取，同时采集炉顶布料参数包括，料名、重量、料罐名、各个档位角度、圈数、旋转速度设置，功能服务器实时计算焦炭和矿石各个档位的实际布料重量、圈数及时间同设定值的差别，尤其是中心焦的量，并在客户端显示，操作者可以在布料过程中同步观察到每个档位布料误差和气流波动的情况，可用于优化布料时序和布料参数；

(2)建立布料结果监控模块：采集槽下系统PLC的料种及重量信号，包括焦炭、烧结、球团、块矿、焦丁、硅石，根据其重量和各自的密度计算各自的体积；采集炉顶布料系统PLC信号，包括料线、各个档位角度和圈数、旋转速度的设定值；根据炉料运动规律，建立炉料在旋转溜槽中的运动方程F＝m·a，F为炉料受到的力，m为炉料质量，a为加速度；炉料在空中的运动方程，z(r)＝A·r²+B·r+C，以及在炉喉的堆积方程z(r)＝a·r³+b·r²+c·r+d，z为竖直距离，r为水平距离，A、B、C、a、b、c、d为系数，建立料层分布模型，得到焦炭和矿石料面形状分布；基于料层分布模型，定义中心无矿区大小W为高炉中心线到最后一个档位的矿石与焦炭料面交点的水平距离，最薄焦窗厚度T为焦炭厚度在炉喉径向的最小值，炉墙矿焦比O/C为炉墙部位矿石LO和焦炭层厚度LC的比值；将炉喉部位的焦炭和矿石层形状作为输入条件，假设炉料做无旋运动，满足动量守恒和动量守恒计算料层下降轨迹，并用插值法描绘料面形状用于直观显示炉料从炉喉下降到风口过程中焦炭和矿石厚度的变化；操作者可以判断炉料在每个时间所处高炉的位置及形状，尤其是焦窗的大小，v_r为水平方向速度、v_z为竖直方向速度、z为竖直距离、r为水平距离。

2.根据权利要求1所述的一种高炉布料智能监测系统和调整方法，其特征在于：布料过程监控模块定量显示布料误差，实布中心焦的量指导料布料时序的优化和料流阀开度调整；布料结果监控模块的特征技术参数包括中心无矿区大小W、最薄焦窗厚度T及炉墙矿焦比O/C，与布料过程监控模块的气流分布相结合指导操作者利用布料结果监控模块的离线功能对布料参数进行设计和优化，得到合理气流分布；布料结果监控模块的料面形状分布和布料过程监控模块的气流波动相结合指导操作者利用布料结果监控模块的离线功能对布料参数进行设计和优化，减小布料过程中的气流波动。