CN112760439A - 一种热风炉无扰换炉控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种热风炉无扰换炉控制方法，包括如下步骤：步骤1，对鼓风机进行大气压和温度补偿，补偿后的出风压力值为r(t)；步骤2，获得换炉开始信号，控制所述鼓风机的静叶增加至预定开度；步骤3，检测与所述鼓风机连接的冷风管内的压力值y(t)；步骤4，根据所述压力值y(t)和出风压力值r(t)，采用PID控制调整所述鼓风机的静叶开度，使得所述压力值y(t)等于所述出风压力值r(t)；步骤5，获得换炉结束信号，停止所述PID控制。根据本发明提供的技术方案，有效解决了热风炉换炉导致的热风压力波动问题。
Description
技术领域
本发明属于热风炉技术领域，具体涉及一种热风炉无扰换炉控制方法。
背景技术
在钢铁冶炼技术中，热风炉是利用燃料燃烧加热炉膛后，通入冷风，使之变成具有高炉冶炼所需的稳定温度和压力的热风的热交换装置。因热风炉是蓄热式结构，因此需要提前加热进行蓄热，然后才能连续通入冷风加热使之成为热风，进而持续向高炉送风。随着时间推移，热风炉温度逐渐降低，因此需要再次进行燃烧蓄热。如此循环。因此每座高炉通常配置三座热风炉，如图2所示，并采用“两烧一送”交替送风制度为高炉提供源源不断的热风。其中热风炉两两之间的蓄热和送风状态交替过程就叫换炉。
在其中一座热风炉处于向高炉送风状态的前提下，首先需要向另一座处于焖炉状态的热风炉充入冷风。由于焖炉状态时，炉内气体较少，压力几乎为零，此时炉内与冷风管内的气体压差特别大；同时由于冷风管路中原来供给一座热风炉的固定风量此时须分配给两座热风炉，因此势必造成冷风管内气压迅速下降，使得换炉过程中出现冷风压力波动。而这个冷风压力波动会立即影响到当前处于送风状态的热风炉，使热风压力产生波动，相当于鼓风机减风，而铁口出铁后，炉缸内无铁，换炉过程使压力下降，可能会引起小崩料。
换炉完成后，冷风全部进入新热风炉，使得热风炉压力上升，此时高炉炉膛内因气压低，会引起原料层压差增加，当压力回升到一定程度，气流透过原料后又可能引起小崩料。
这个过程会影响高炉的正常顺行，特别是在高炉炉况有问题时，会使炉况更加恶化，甚至造成事故。通常，高炉出现炉况不顺时，也不允许进行换炉操作，这样又会破坏热风炉正常的烧炉制度。由于长时间焖炉不换，则会造成炉内温度下降，甚至出现重新烧炉的情况，造成能源浪费。
传统的热风炉换炉控制方法多采用定压换炉法，包括：(1)在每座热风炉的旁通管上设置手动闸阀，该手动闸阀与旁通管上的充压阀顺冷风气流方向布置；(2)人工将手动闸阀的开度开到充压阀最大开度的30％-60％；(3)鼓风机PLC接收到热风炉PLC发送的换炉信号后，鼓风机PLC会保存当前鼓风机出口压力值及当前鼓风机的静叶开度。同时热风炉PLC控制打开热风炉旁通管上的充压阀，使该充压热风炉通过旁通管与冷风总管连通；(4)当鼓风机PLC检测到鼓风机的出口压力值小于鼓风机PLC中预先保存的鼓风机出口压力值时，此时鼓风机PLC控制增大静叶开度，增加鼓风机的鼓风量；(5)随着充压热风炉内压力不断升高，当热风炉PLC检测到充压热风炉内压力达到预设压力值后，发送充压热风炉充压完毕信号；(6)热风炉PLC控制依次打开充压热风炉热风支管上的热风阀和冷风支管上的冷风阀，同时关闭需替换的热风炉上的冷风支管上的冷风阀、热风支管上的热风阀及旁通管上的充压阀，完成换炉操作；此时热风炉PLC向鼓风机PLC发送换炉完毕信号；(7)鼓风机PLC接收到换炉完毕信号后，鼓风机PLC控制鼓风机的静叶开度恢复到换炉前预先保存的静叶开度。
热风炉采用以上传统的换炉方法，鼓风机出口压力及冷风总管压力波动很大，一般在15～20KPa，进而影响到高炉的稳定生产。并且，由于换炉过程中产生的压差需要一段时间来平衡，因此一次换炉时间可长达15分钟，牺牲了一定的高炉生产效率。
另外，传统的换炉工艺操作十分复杂，无法兼顾到鼓风机的运行工况，容易引起鼓风机进入喘振保护区域。更考虑不到鼓风机的性能特性，如大气温度变化导致的性能变化、不同静叶角度下主电机电流情况等。
发明内容
为了解决上述全部或部分问题，本发明目的在于提供一种热风炉无扰换炉控制方法，可以有效解决传统换炉工艺的弊端，保证高炉生产的连续稳定。
本发明提供了一种热风炉无扰换炉控制方法，包括如下步骤：
步骤1，对鼓风机进行大气压和温度补偿，补偿后的出风压力值为r(t)；
步骤2，获得换炉开始信号，控制所述鼓风机的静叶增加至预定开度；
步骤3，检测与所述鼓风机连接的冷风管内的压力值y(t)；
步骤4，根据所述压力值y(t)和出风压力值r(t)，采用PID控制调整所述鼓风机的静叶开度，使得所述压力值y(t)等于所述出风压力值r(t)；
步骤5，获得换炉结束信号，停止所述PID控制。
进一步地，所述步骤1中，对鼓风机进行大气压和温度补偿为冷风压力的补偿，计算方法为：
P'为温度补偿后的冷风压力值，等于所述出风压力值r(t)；
P0为热风炉当地年平均大气压；
P1为鼓风机喘振实验测点的排气压力；
T1为鼓风机喘振实验时进气口的平均温度；
T为鼓风机当前的进气口温度；
KT为空气的等熵指数，为常数1.4。
进一步地，所述换炉开始信号、所述换炉结束信号来自热风炉的PLC；
所述鼓风机的PLC进行所述PID控制。
进一步地，所述步骤4中，所述PID控制的计算方法为：
Kp为PID控制的比例系数；
Ti为PID控制的积分系数；
Td为PID控制的微分系数；
e(t)为PID控制的输入量，即被控量y(t)的检测值c(t)与目标给定值r(t)的偏差值；
u(t)为PID控制的输出量，即所述鼓风机的静叶角度的自动给定值，用于调整所述鼓风机的静叶开度。
进一步地，所述步骤2中，所述鼓风机的静叶通过阶跃响应控制增加至预定开度，增加所述冷风管内的冷风压力和流量。
进一步地，所述步骤2中，所述预定开度根据所述热风炉的供风需求确定。
进一步地，所述冷风管连接所述热风炉的进气口，所述进气口处设置有冷风阀；
所述热风管连接所述热风炉的出气口，所述出气口处设置有热风阀；
所述冷风阀、热风阀采用电磁阀。
进一步地，所述冷风管内设置压力变送器检测所述压力值y(t)。
进一步地，通过所述控制方法，热风管内的热风流量增加8-10％。
进一步地，通过所述控制方法，所述冷风管内的冷风压力最大降低幅度不大于5kPa，所述换炉时间不大于7min。
由上述技术方案可知，本发明提供的热风炉无扰换炉控制方法具有以下优点：
控制过程为全自动，无需人为监控和参与；
在热风炉换炉过程中，如遇到工艺阻力波动，触发到鼓风机的防喘振保护功能，鼓风机PLC可自动实现防喘调节与无扰换炉的解偶控制，保证鼓风机安全；
若热风炉换炉充气所需的冷风流量较大，鼓风机PLC调整静叶开度后，其主电机的负荷也会相应增加较大，无扰换炉控制方法可确保换炉过程中主电机的功率在额定范围之内，不会出现过负荷运行情况，保证整个鼓风机组的安全。
无扰换炉控制方法使冷风压力和热风压力均趋于平稳，减小换炉波动，可极大地缩短热风炉换炉时间，提高了高炉冶炼效率。
附图说明
图1为本发明实施例中热风炉无扰换炉控制方法的流程图；
图2为本发明实施例中热风炉的结构示意图；
图3为本发明实施例中PID控制的流程图；
图4为采用本发明实施例中热风炉无扰换炉控制方法前后的冷风和热风参数的对比图。
附图标记说明：1、热风炉；2、冷风阀；3、冷风均压阀；4、烟道阀；5、混风调节阀；6、冷风管；7、热风管；8、倒流休风阀；9、热风阀；10、空气管；11、煤气管。
具体实施方式
为了更好的了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明的一种热风炉无扰换炉控制方法做进一步详细的描述。
如图1所示，为本发明实施例的一种热风炉无扰换炉控制方法，包括如下步骤：
步骤1，对鼓风机进行大气压和温度补偿，补偿后的出风压力值为r(t)；
步骤2，获得换炉开始信号，控制鼓风机的静叶增加至预定开度；
步骤3，检测与鼓风机连接的冷风管内的压力值y(t)；
步骤4，根据压力值y(t)和出风压力值r(t)，采用PID控制调整鼓风机的静叶开度，使得压力值y(t)等于出风压力值r(t)；
步骤5，获得换炉结束信号，停止PID控制。
通过上述控制方法，可以增加冷风管内的冷风压力和流量，补偿热风炉充气过程中所需的额外冷风量，进而使得充气过程中的高炉热风压力稳定，并在换炉结束时平稳恢复到换炉前的冷风压力值。
之所以在获得换炉开始信号时，首先控制鼓风机的静叶增加至预定开度，就是为了在冷风管压力骤降的情况下，对冷风管进行快速补充冷风压力和流量，缩小与需求量之间的差距，避免出现较大波动。之后再通过PID控制进行实时跟踪调整，可以提高补充冷风压力和流量的精度，进一步提高热风压力的稳定性。PID控制过程中，静叶的开度可以扩大，也可以减小，目的都是为了提高热风压力的稳定性。
如图4所示，未采用热风炉无扰换炉控制方法之前，换炉过程中热风压力的波动最大可达10％，采用热风炉无扰换炉控制方法之后，换炉过程中热风压力的波动最大为2.85％，稳定效果显著。
步骤1中，对鼓风机进行大气压和温度补偿为冷风压力的补偿，计算方法为：
P'为温度补偿后的冷风压力值，等于出风压力值r(t)，通过上述公式可以计算得到；
P0为热风炉当地年平均大气压；
P1为鼓风机喘振实验测点的排气压力；
T1为鼓风机喘振实验时进气口的平均温度；
T为鼓风机当前的进气口温度；
KT为空气的等熵指数，为常数1.4。
鼓风机喘振实验在鼓风机出厂时已经测定，P1、T1属于已知参数。P0和T可以在工作现场进行测定。
通过上述大气压和温度补偿，可以使得鼓风机的出风压力更适应所在地的自然因素，最终使得热风炉的出风压力能够满足冶炼工艺要求。
在本实施例中，热风炉的PLC与鼓风机的PLC之间建立必要的换炉联络信号，换炉开始信号、换炉结束信号来自热风炉的PLC；
鼓风机的PLC进行PID控制。
步骤4中，PID控制的计算方法为：
Kp为PID控制的比例系数；
Ti为PID控制的积分系数；
Td为PID控制的微分系数；
e(t)为PID控制的输入量，即被控量y(t)的检测值c(t)与目标给定值r(t)的偏差值；
u(t)为PID控制的输出量，即鼓风机的静叶角度的自动给定值，用于调整鼓风机的静叶开度。
PID控制的流程如图3所示，通过传感器获得被控量y(t)的检测值c(t)，反馈给鼓风机的PLC，与目标给定值r(t)比较之后可得偏差值e(t)。传感器可以采用气压变送器。
步骤2中，鼓风机的静叶通过阶跃响应控制增加至预定开度，增加冷风管内的冷风压力和流量。阶跃响应可以提高静叶所达到预定开度的精确度。
步骤2中，预定开度根据热风炉的供风需求确定。比如，冶炼需求的热风压力和热风量较大，静叶的预定开度就要增大，冶炼需求的热风压力和热风量较小，静叶的预定开度就要减小。静叶增加至预定开度后，冷风管内增加的冷风压力和流量通常也是不能满足热风炉的供风需求的，只是在最短时间内缩小与需求量之间的差距，避免出现较大波动，之后再通过PID控制进行实时跟踪调整。
如图2所示，冷风管6连接热风炉1的进气口，进气口处设置有冷风阀2；
热风管7连接热风炉1的出气口，出气口处设置有热风阀9；
冷风阀2、热风阀9采用电磁阀，能够实现自动控制。换炉之后原热风炉的冷风阀2和热风阀9需要被关闭。
优选地，冷风管6内设置压力变送器检测压力值y(t)。
通过热风炉无扰换炉控制方法，热风管内的热风流量增加8-10％。
通过热风炉无扰换炉控制方法，冷风管内的冷风压力最大降低幅度不大于5kPa，换炉时间不大于7min。
采用本实施例中的热风炉无扰换炉控制方法，能有效解决传统换炉方法存在的缺陷，不管是在热风炉换炉开始，还是在换炉过程中，还是在热风炉换炉结束时，均能保证冷风压力稳定，从而对高炉的热风压力起到了明显的稳定作用。热风炉无扰换炉控制方法同时也实现了与鼓风机防喘调节的相辅相成作用，以及防止主电机过负荷的保护功能，保证了整个鼓风机组的安全稳定运行。热风炉无扰换炉控制方法使换炉过程中的冷风压力从以前的20KPa左右降低到了5KPa以内，换炉时间由原来的15分钟减少到7分钟以内，使高炉每天能多出半炉到一炉多的铁，是一项新的节能增产技术，为炼铁厂节省了能源消耗，具有长远的经济效益。
以国内某地的热风炉项目为例：
1)未采用热风炉无扰换炉控制方法时：
a)换炉前：冷风管内的冷风压力为248KPa；
b)换炉中：冷风管内的冷风压力最低229KPa，最低下降了19KPa；
2)采用热风炉无扰换炉控制方法之后：
a)换炉前：冷风管内的冷风压力254KPa；
b)换炉中：冷风管内的冷风压力最低249KPa，仅下降了5KPa：
由于换炉风压波动小，使得换炉时间大大缩短，能够提高高炉的出铁量，平均一天大概能多出半炉铁，在工况好的情况下能够多出一炉铁。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。
Claims (10)
1.一种热风炉无扰换炉控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，对鼓风机进行大气压和温度补偿，补偿后的出风压力值为r(t)；
步骤2，获得换炉开始信号，控制所述鼓风机的静叶增加至预定开度；
步骤3，检测与所述鼓风机连接的冷风管内的压力值y(t)；
步骤4，根据所述压力值y(t)和出风压力值r(t)，采用PID控制调整所述鼓风机的静叶开度，使得所述压力值y(t)等于所述出风压力值r(t)；
步骤5，获得换炉结束信号，停止所述PID控制。
2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步骤1中，对鼓风机进行大气压和温度补偿为冷风压力的补偿，计算方法为：
P'为温度补偿后的冷风压力值，等于所述出风压力值r(t)；
P0为热风炉当地年平均大气压；
P1为鼓风机喘振实验测点的排气压力；
T1为鼓风机喘振实验时进气口的平均温度；
T为鼓风机当前的进气口温度；
KT为空气的等熵指数，为常数1.4。
3.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述换炉开始信号、所述换炉结束信号来自热风炉的PLC；
所述鼓风机的PLC进行所述PID控制。
4.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步骤4中，所述PID控制的计算方法为：
Kp为PID控制的比例系数；
Ti为PID控制的积分系数；
Td为PID控制的微分系数；
e(t)为PID控制的输入量，即被控量y(t)的检测值c(t)与目标给定值r(t)的偏差值；
u(t)为PID控制的输出量，即所述鼓风机的静叶角度的自动给定值，用于调整所述鼓风机的静叶开度。
5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步骤2中，所述鼓风机的静叶通过阶跃响应控制增加至预定开度，增加所述冷风管内的冷风压力和流量。
6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述步骤2中，所述预定开度根据所述热风炉的供风需求确定。
7.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述冷风管连接所述热风炉的进气口，所述进气口处设置有冷风阀；
所述热风管连接所述热风炉的出气口，所述出气口处设置有热风阀；
所述冷风阀、热风阀采用电磁阀。
8.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述冷风管内设置压力变送器检测所述压力值y(t)。
9.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，通过所述控制方法，热风管内的热风流量增加8-10％。
10.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，通过所述控制方法，所述冷风管内的冷风压力最大降低幅度不大于5kPa，所述换炉时间不大于7min。
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