CN109974447A - 一种基于预测控制的蓄热式冶金熔炼炉安全节能方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于预测控制的蓄热式冶金熔炼炉安全节能方法，包括以下步骤：分别通过预测控制器对炉膛温度、燃烧效率和炉膛安全进行控制，实现冶金熔炼炉的安全节能控制。本发明利用预测控制技术在保障铝合金熔炼炉矩阵蓄热式燃烧系统安全生产前提下：优化了空燃比，降低了混合气体氧含量，保证燃烧效率最大化；实现了炉膛温度快速、稳定调节，并保证了燃气用料最小化，从而为燃烧系统安全节能；并且实现了全自动大小火状态切换，减少人工干预，降低了操作人员操作强度，为企业节省了生产运营成本。

Description

一种基于预测控制的蓄热式冶金熔炼炉安全节能方法

技术领域

本发明所涉及技术领域为冶金行业的矩阵蓄热式铝合金熔炼炉燃烧控制。

背景技术

本专利应用的对象为冶金行业铝合金熔炼炉，熔炼设备采用了矩形蓄热式燃烧系统，该燃烧系统的炉组包含三台熔炉，A熔化炉+B/C合金炉组合使用(一拖二)。其中A双室炉为熔化炉，用于连续熔化废料，提供半成品铝液(原料)给B和C炉；B和C炉为合金炉，接收一部分A转来的铝液原料，另单独熔化一部分原材料，最终精炼成合格铝合金成品铝液，浇铸成锭。

A双室炉容积90吨，有两个熔池，主熔池保温，副熔池加料熔化。熔池内保持2/3的铝液，通过不断加入原料，实现低温铝液浸没式熔化原料。上料方式有三种：①通过副室炉口加大块料(铝锭、废锭)、②通过回转窑1加铝屑、③通过回转窑2加废杂铝。铝液熔化到设计液面时，检测当前铝液成分，根据下炉元素含量不超标的最大需求，转出一部分铝液(10-30吨)给下炉(B或C炉)，作为部分原料。

B/C熔化一部分固态原料，然后接收一部分A炉转来的铝液原料，混合均匀后检测成分，再添加其他辅料，调整成分至合格，精炼(除渣除气)后出炉，浇铸成锭。工艺流程图如图1。

针对该类熔炼炉设备的燃烧系统，业界普遍采用PLC控制系统进行控制，PLC控制系统能够实现大小火两种生产工艺条件，同时PLC控制系统具备较为完善的联锁及报警功能，能够帮助企业实现安全生产。硬件架构图如图2所示。

目前的控制流程如下：

1)针对一批新料进行来料加工时，由现场生产人员开启点火开关，PLC控制程序切换至大火状态，将天燃气进气阀开至40％开度，一次风阀门100％开度，助燃风机转速为40Hz(变频)，同时将引风机转速调整35Hz(变频)。加热炉开始燃烧，将炉膛温度加热升温至1000℃，融化铝料。待铝料加工完成后，又生产人员关闭点火开关，切换至灭火状态。

2)针对需要连续加工多批铝料，则在完成一批来料加工后，由生产人员切换至小火状态，进行炉膛保温，避免重复点火，造成能耗损失。小火状态下：天然气进气阀保持20％开度，一次风机仍旧保持100％全开状态，助燃风机转速为25Hz(变频)，同时将引风机转速调整20Hz(变频)。

现有技术方案缺点：

1)仅存在大火/小火/灭火生产三种工艺状态，且不论大火状态或者小火状态，均采用固定的燃气/空气配比，没有保证最佳的空燃比，会造成燃气浪费。

2)现有技术方案使用大火/小火两种生产过程状态，经常造成炉膛过烧，易导致铝叶切片温度过高，缩短铝叶切片使用寿命，同时还会缩短炉膛的使用寿命，增加企业运营成本，甚至造成生产安全事故。

3)采用固定转速的引风机进行烟气排放，没有依据燃烧过程的实际情况进行自动调整，若引风机转速过高，可能导致热量被过度抽出，造成热量损失；若引风机转速过低，可能导致排烟不够及时，炉膛内二氧化碳浓度过高，无法保证最佳的燃烧效率。

4)大小火状态切换依赖于人工判断，需要由人通过综合火焰硬度、炉膛温度等因素进行综合判断，然后手工切换大火/小火状态，自动化程度不够，增加企业的生产运营成本。

发明内容

本发明的目的在于为冶金行业的矩阵蓄热式铝合金熔炼炉提供一个完备的燃烧控制系统，通过该系统能够帮助企业在安全生产的条件下，实现节能降耗增效。具体目的详见如下：有效保障炉膛压力，确保装置安全稳定的生产；自动切换大小火状态，降低操作人员的劳动强度，并为企业创造连续生产条件，释放企业最大产能。自动保持点火最佳状态，使燃料用气量最小化；优化燃气量与空气量的最佳配比，保证燃烧效率最大化。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于预测控制的蓄热式冶金熔炼炉安全节能方法，包括以下步骤：

分别通过预测控制器对炉膛温度、燃烧效率和炉膛安全进行控制，实现冶金熔炼炉的安全节能控制。

通过预测控制器对炉膛温度进行控制包括以下步骤：

预先根据输入参数和输出参数得到熔炼炉装置炉膛温度调节控制器模型；

将炉膛温度、铝液温度、切片温度作为预测控制器的输入、燃气阀开度作为预测控制器的输出，建立炉膛温度调节预测控制器；

通过炉膛温度预测控制器控制燃气阀开度，实现炉膛温度控制。

所述预先根据输入参数和输出参数得到熔炼炉装置炉膛温度调节控制器模型具体为：

根据燃气阀开度的输入数据、炉膛温度的输出数据得到燃气阀开度与炉膛温度之间的模型；

根据燃气阀开度的输入数据、铝液温度的输出数据得到燃气阀开度与铝液温度的模型；

根据燃气阀开度的输入数据、切片温度的输出数据得到燃气阀开度与切片温度的模型；

上述三个模型构成熔炼炉装置炉膛温度调节控制器模型。

通过预测控制器对炉膛温度进行调节包括以下步骤：

a.通过调节燃气阀开度使炉膛温度达到1000～1050摄氏度对铝片进行加热；

b.当铝液预测温度达到700-750摄氏度时，提前减少燃气阀开度，利用炉膛余热将铝液加热至工艺温度755-765摄氏度，达到铝液生产的工艺要求，防止铝液过烧；

c.当切片温度高于上限时，自动触发控制器降低燃气阀开度值。

通过预测控制器对燃烧效率进行控制包括以下步骤：

预先根据输入参数和输出参数得到熔炼炉装置燃烧效率调节控制器模型；

将空燃比、烟气氧含量、排烟温度作为预测控制器的输入，助燃风开度与引风机转速作为预测控制器的输出，建立燃烧效率预测控制器；

通过燃烧效率预测控制器控制助燃风开度与引风机转速，实现燃烧效率控制。

所述预先根据输入参数和输出参数得到熔炼炉装置燃烧效率调节控制器模型具体为：

根据助燃风开度的输入数据、烟气氧含量的输出数据得到助燃风开度与烟气氧含量之间的模型；

根据助燃风开度的输入数据、空燃比的输出数据得到助燃风开度与空燃比之间的模型；

根据引风机转速的输入数据、排烟温度的输出数据得到引风机转速与排烟温度之间的模型；

上述三个模型构成熔炼炉装置燃烧效率调节控制器模型。

通过预测控制器对炉膛温度进行调节包括以下步骤：

a.炉膛升温时，燃料阀开大，燃料流量增加至设定的空燃比目标，控制器将同步调节助燃风开度保证空气与燃气的配比设定值；

b.当空燃比达到设定范围之内时，控制器调节助燃风开度，降低烟气氧含量，用于提高燃烧效率；

c.通过调节引风开度将排烟温度控制在设定范围内。

通过预测控制器对炉膛安全进行控制包括以下步骤：

预先根据输入参数和输出参数得到熔炼炉装置安全调节控制器模型；

将炉膛压力作为预测控制器的输入，引风机转速作为预测控制器的输出，建立炉膛安全调节预测控制器；

将助燃风流量作为前馈扰动变量，通过炉膛安全调节预测控制器控制引风机转速，实现炉膛安全控制。

所述预先根据输入参数和输出参数得到熔炼炉装置安全调节控制器模型具体为：

根据引风机转速的输入数据、炉膛压力的输出数据得到引风机转速与炉膛压力之间的模型；

上述模型构成熔炼炉装置安全调节控制器模型。

通过预测控制器对炉膛温度进行控制包括以下步骤：

a.当炉膛压力预测值超过设定范围上下限时，调节引风开度，确保炉膛压力回到安全范围内，留出引风机开度裕量参与排烟温度调节；

b.通过助燃风流量与炉膛压力的前馈作用，提前抵消助燃风流量变化引起的炉膛压力波动，保证炉膛压力安全。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明优化了燃气量与空气量的最佳配比，降低氧含量，达到最优空燃比，从而实现燃烧效率最大化。

2.本发明能够自动保持点火最佳状态，按需供应燃料，防止铝液过烧，在保证温度快速、准确、平稳调节下，使燃气用量最小化。

3.本发明能够自动切换大小火状态，切换平稳过渡，降低操作人员工作量，实现全自动化生产，提供了连续生产条件。

附图说明

图1是现有工艺流程图；

图2是现有熔炼炉设备的燃烧系统的硬件架构图；

图3是本实施例采用的熔炼炉设备的燃烧系统的硬件架构图；

图4是炉膛温度控制器调节过程逻辑顺序图；

图5是助燃风机动作逻辑顺序图；

图6是引风机动作逻辑顺序图。

图7是本实施例的原理图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。

本发明以燃烧效率、燃气用量、全自动状态安全生产这三个熔炼炉安全节能生产最根本影响因素作为切入点，利用预测控制技术建立燃烧效率控制器，优化了燃烧过程的空燃比，降低了混合气体中的氧含量，从而实现了燃烧效率的最大化；利用预测控制技术建立温度调节控制器，在保证温度稳定、快速调节的前提下，实现了按熔炼需要供应燃气，保持最佳的点火状态，从而实现了燃气用量最小化生产；利用预测控制技术自动切换大小火控制状态，并保证切换过程平稳过渡，既降低了操作人员劳动强度还为企业连续生产释放最大化产能创造了条件。最终从上述三个方面通过预测控制技术实现了一种蓄热式铝合金熔炼炉生产的安全节能技术。

为使燃烧系统达到最佳燃烧效率，节省燃气用量，防止现场出现炉膛过烧，缩短设备使用寿命等设备维护问题，同时为提高生产的自动化水平与安全生产水平，降低企业的生产运维成本。本法明提出采用基于预测控制的燃烧控制系统替代现有技术方案，帮助企业安全生产的同时，实现燃烧效率最大化，燃气使用最小化，产能最大化的动态平衡生产状态，为企业实现节能、降耗、增效。

为达到上述目的，本发明采用图3所示硬件架构：

如图7所示，本发明采用的技术方案包括：炉膛温度调节方案、燃烧效率方案、炉膛安全方案，其实施步骤分别如下所述：

一、炉膛温度调节

为实现炉膛温度的快速、准确与稳定调节，采用如下技术方案：

1)选择炉膛温度预测控制器MV/CV变量

选择燃气阀开度FV001作为操作变量(MV)；选择炉膛温度TI001、铝液温度TI005、切片温度TI007作为被控变量(CV)，并建立所选MV与各CV间的模型关系。

2)设定安全操作约束等级

依照安全>生产>节能的优先顺序对控制目标进行等级划分。安全目标为：切片温度上限、炉膛温度上限；生产条件目标为：炉膛温度达到1030±20摄氏度、铝液温度达到760摄氏度；节能目标：利用铝液温度变化趋势，提早调节燃气阀，防止铝液温度过热。

3)控制器调节过程：

a.升温过程中通过调节FV001确保炉膛温度达到1000～1050摄氏度对铝片进行加热；

b.当铝液预测温度接近约745摄氏度时，提前减少燃气阀开度，利用炉膛余热将铝液加热至工艺温度约760摄氏度，满足铝液生产的工艺要求，防止铝液过烧，从而达到节约燃气量的目的；

c.当切片温度高于上限时，自动触发控制器降低FV001值，确保切片安全。

控制器调节过程逻辑顺序图如图4所示。

二、燃烧效率最大化

为保证燃烧效率最大化，采用如下技术方案：

1)选择燃烧效率控制器MV/CV变量

选择助燃风开度V0001与引风机转速V0002作为操作变量(MV)；选择空燃比RI001、烟气氧含量AI001、排烟温度TI008作为被控变量(CV)，并建立所选MV与各CV间的模型关系。

2)控制器调节过程：

a.炉膛升温时，燃料阀开大，燃料流量增加为保证设定的空燃比目标，控制器将同步调节助燃风开度(变频)保证空气与燃气的配比(根据工艺计算与操作经验，设定该值为8±0.5)；

b.当空燃比达到设定范围之内时，控制器将调节助燃风开度，降低烟气氧含量，提高燃烧效率；

c.通过调节引风开度将排烟温度控制在设定范围内(125±5℃)，充分利用蓄热球蓄热能力，对空气进行充分余热，从而减少热损失，提高燃烧效率，同时为用户提供最佳排烟温度设定，保证排烟安全并降低排烟损失。

助燃风机动作逻辑顺序图如图5所示。

引风机动作逻辑顺序图如图6所示。

三、炉膛安全

为保证炉膛安全燃烧，采用如下技术方案：

1)选择炉膛安全控制器MV/CV变量

选择引风开度V0002作为操作变量(MV)；选择炉膛压力PI001作为被控变量(CV)；选择助燃风流量FI001作为前馈扰动变量(DV)，并建立所选MV与各CV间的模型关系。

2)控制器调节过程：

a.炉膛压力PI001的设定范围-20～50，当炉膛压力预测趋势超过设定范围上下限时，及时调节引风开度，确保炉膛压力回到安全范围内，留出引风机开度裕量参与排烟温度调节；

b.通过助燃风流量与炉膛压力的前馈作用，提前抵消助燃风流量变化引起的炉膛压力波动，保证炉膛压力长期处于安全状态。

本发明技术方案中包含的变量见下表：

表1

序号	变量类型	位号名	说明
				1	MV1	FV001	燃气开度
2	MV2	V0001	助燃风开度
				3	MV3	V0002	引风机开度
4	CV1	AI001	烟气氧含量
				5	CV2	PI001	炉膛压力
6	CV3	TI001	炉膛温度
				7	CV4	TI005	铝液温度
8	CV5	RI001	空燃比
				9	CV6	TI008	排烟温度
10	CV7	TI007	切片温度

本发明的预测控制采用采用了动态矩阵控制(DMC，Dynamic Matrix Control)。

本发明所描述的技术从炉膛安全燃烧、燃烧效率最大化、温度调节及时准确三个方面进行设计，从而形成了一套既能兼顾安全生产又能为企业节能降耗的安全节能技术，保证企业生产的安、稳、长、满、优。

1.本发明利用预测控制技术在保障铝合金熔炼炉矩阵蓄热式燃烧系统安全生产前提下：优化了空燃比，降低了混合气体氧含量，保证燃烧效率最大化；实现了炉膛温度快速、稳定调节，并保证了燃气用料最小化，从而为燃烧系统安全节能；并且实现了全自动大小火状态切换，减少人工干预，降低了操作人员操作强度，为企业节省了生产运营成本。

2.本发明所述燃烧效率最大化控制方案中建立助燃风开度与空燃比、烟气氧含量控制回路，确保燃料与空气最佳配比，在空燃比达到指定工艺目标范围后，兼顾氧含量调节，达到最佳燃烧效率。

3.本发明所述燃烧效率最大化控制方案中建立引风开度与排烟温度控制回路，充分利用蓄热球蓄热能力，对空气进行充分余热，从而减少热损失，提高燃烧效率，同时为用户提供最佳排烟温度设定，保证排烟安全并降低排烟损失。

4.本发明所述温度调节控制方案中建立燃气阀开度与炉膛温度、铝液温度、切片温度的控制回路，以一个操作变量控制三个被控变量，并依照安全>生产>节能的优先顺序对控制目标进行等级划分，其中安全目标为：切片温度上限、炉膛温度上限，其优先级为最高；生产条件目标为：炉膛与铝液温度达到目标温度，其优先级为次高；节能目标：利用铝液温度变化趋势，提早调节燃气阀，防止铝液温度过热。

5.本发明所述炉膛安全控制方案中建立引风开度与炉膛压力控制回路，控制炉膛压力在设定安全范围内，同时建立助燃风流量与炉膛压力前馈回路，提前反映助燃风流量变化对的影响。

Claims (10)

1.一种基于预测控制的蓄热式冶金熔炼炉安全节能方法，其特征在于包括以下步骤：

分别通过预测控制器对炉膛温度、燃烧效率和炉膛安全进行控制，实现冶金熔炼炉的安全节能控制。

2.根据权利要求1所述的一种基于预测控制的蓄热式冶金熔炼炉安全节能方法，其特征在于通过预测控制器对炉膛温度进行控制包括以下步骤：

预先根据输入参数和输出参数得到熔炼炉装置炉膛温度调节控制器模型；

将炉膛温度、铝液温度、切片温度作为预测控制器的输入、燃气阀开度作为预测控制器的输出，建立炉膛温度调节预测控制器；

通过炉膛温度预测控制器控制燃气阀开度，实现炉膛温度控制。

3.根据权利要求2所述的一种基于预测控制的蓄热式冶金熔炼炉安全节能方法，其特征在于所述预先根据输入参数和输出参数得到熔炼炉装置炉膛温度调节控制器模型具体为：

根据燃气阀开度的输入数据、炉膛温度的输出数据得到燃气阀开度与炉膛温度之间的模型；

根据燃气阀开度的输入数据、铝液温度的输出数据得到燃气阀开度与铝液温度的模型；

根据燃气阀开度的输入数据、切片温度的输出数据得到燃气阀开度与切片温度的模型；

上述三个模型构成熔炼炉装置炉膛温度调节控制器模型。

4.根据权利要求1所述的一种基于预测控制的蓄热式冶金熔炼炉安全节能方法，其特征在于通过预测控制器对炉膛温度进行调节包括以下步骤：

a.通过调节燃气阀开度使炉膛温度达到1000～1050摄氏度对铝片进行加热；

b.当铝液预测温度达到700-750摄氏度时，提前减少燃气阀开度，利用炉膛余热将铝液加热至工艺温度755-765摄氏度，达到铝液生产的工艺要求，防止铝液过烧；

c.当切片温度高于上限时，自动触发控制器降低燃气阀开度值。

5.根据权利要求1所述的一种基于预测控制的蓄热式冶金熔炼炉安全节能方法，其特征在于通过预测控制器对燃烧效率进行控制包括以下步骤：

预先根据输入参数和输出参数得到熔炼炉装置燃烧效率调节控制器模型；

将空燃比、烟气氧含量、排烟温度作为预测控制器的输入，助燃风开度与引风机转速作为预测控制器的输出，建立燃烧效率预测控制器；

通过燃烧效率预测控制器控制助燃风开度与引风机转速，实现燃烧效率控制。

6.根据权利要求5所述的一种基于预测控制的蓄热式冶金熔炼炉安全节能方法，其特征在于所述预先根据输入参数和输出参数得到熔炼炉装置燃烧效率调节控制器模型具体为：

根据助燃风开度的输入数据、烟气氧含量的输出数据得到助燃风开度与烟气氧含量之间的模型；

根据助燃风开度的输入数据、空燃比的输出数据得到助燃风开度与空燃比之间的模型；

根据引风机转速的输入数据、排烟温度的输出数据得到引风机转速与排烟温度之间的模型；

上述三个模型构成熔炼炉装置燃烧效率调节控制器模型。

7.根据权利要求5所述的一种基于预测控制的蓄热式冶金熔炼炉安全节能方法，其特征在于通过预测控制器对炉膛温度进行调节包括以下步骤：

a.炉膛升温时，燃料阀开大，燃料流量增加至设定的空燃比目标，控制器将同步调节助燃风开度保证空气与燃气的配比设定值；

b.当空燃比达到设定范围之内时，控制器调节助燃风开度，降低烟气氧含量，用于提高燃烧效率；

c.通过调节引风开度将排烟温度控制在设定范围内。

8.根据权利要求1所述的一种基于预测控制的蓄热式冶金熔炼炉安全节能方法，其特征在于通过预测控制器对炉膛安全进行控制包括以下步骤：

预先根据输入参数和输出参数得到熔炼炉装置安全调节控制器模型；

将炉膛压力作为预测控制器的输入，引风机转速作为预测控制器的输出，建立炉膛安全调节预测控制器；

将助燃风流量作为前馈扰动变量，通过炉膛安全调节预测控制器控制引风机转速，实现炉膛安全控制。

9.根据权利要求8所述的一种基于预测控制的蓄热式冶金熔炼炉安全节能方法，其特征在于所述预先根据输入参数和输出参数得到熔炼炉装置安全调节控制器模型具体为：

根据引风机转速的输入数据、炉膛压力的输出数据得到引风机转速与炉膛压力之间的模型；

上述模型构成熔炼炉装置安全调节控制器模型。

10.根据权利要求8所述的一种基于预测控制的蓄热式冶金熔炼炉安全节能方法，其特征在于通过预测控制器对炉膛温度进行控制包括以下步骤：

a.当炉膛压力预测值超过设定范围上下限时，调节引风开度，确保炉膛压力回到安全范围内，留出引风机开度裕量参与排烟温度调节；

b.通过助燃风流量与炉膛压力的前馈作用，提前抵消助燃风流量变化引起的炉膛压力波动，保证炉膛压力安全。