CN114935955B - 一种转炉蒸发冷却器出口温度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种转炉蒸发冷却器出口温度控制方法，包括所述准备阶段、装料阶段、开氧阶段、溅渣护炉阶段、出钢阶段和停炉阶段采用模糊控制方法进行温度控制；在所述准备阶段、出钢阶段和停炉阶段，在所述模糊控制中设定不进行温度控制；所述冶炼阶段和补吹阶段温度控制方法相同，采用PID控制方法进行温度控制；在所述开氧阶段，采用固定水量控制，所述固定水量控制为根据模糊控制规则，在开氧阶段根据入口温度查表找出喷水量，等到冶炼阶段或补吹阶段后自动转换成PID运算。通过以上蒸发冷却器冷却水算法可以将出口温度控制在±5℃，达到良好的除尘效果。

Description

一种转炉蒸发冷却器出口温度控制方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金技术领域，尤其涉及一种转炉蒸发冷却器出口温度控制方法。

背景技术

转炉作为炼钢厂的主要组成部分，其生产过程中产生的烟尘对环境造成很大影响，传统的湿法除尘对水资源的需求较大且不易达到除尘要求。对此，国内外先后涌现出大批干法除尘、半干法除尘工艺。蒸发冷却器作为干法除尘、半干法除尘的主要设备，其出口温度的控制是否准确严重影响烟气含尘量多少，所以蒸发冷却器(EC)出口温度控制在转炉烟气除尘中至关重要。蒸发冷却器烟气冷却主要是通过冷却水蒸发成蒸汽时吸收大量热量来完成，其出口温度的控制对除尘效果与后续除尘设备的良好运行有着非常重要的关系。

蒸发冷却器出口温度控制稳定性一直是技术难点，市面上设计院的蒸发冷却器出口温度控制在±25℃甚至±35℃，严重影响除尘效果。蒸发冷却器出口温度控制主要采取喷水的方式进行，水量大小是控制的关键。如果喷水量过大会造成废气中的灰尘含水量高，在蒸发冷却器底部形成泥垢凝固，造成蒸发冷却器堵灰故障，影响转炉正常生产。如果喷水量过小会造成废气中含尘量过多温度过高，影响后续除尘回收设备的正常运转，造成停产事故，如何准确计算蒸发冷却器冷却水喷水量，就显得尤为重要。

发明内容

针对以上现有技术存在的不足之处，本发明提供了一种转炉蒸发冷却器出口温度控制方法。

一种转炉蒸发冷却器出口温度控制方法，包括

转炉炼钢分为准备阶段、装料阶段、开氧阶段、冶炼阶段、补吹阶段、溅渣护炉阶段、出钢阶段和停炉阶段；

所述准备阶段、装料阶段、开氧阶段、溅渣护炉阶段、出钢阶段和停炉阶段采用模糊控制方法进行温度控制；

在所述准备阶段、出钢阶段和停炉阶段，在所述模糊控制中设定不进行温度控制；

所述冶炼阶段和补吹阶段温度控制方法相同，采用PID控制方法进行温度控制；

在所述开氧阶段和溅渣护炉阶段，采用固定水量控制，所述固定水量控制为根据模糊控制规则，在开氧阶段根据入口温度查表找出喷水量，等到冶炼阶段或补吹阶段后自动转换成PID运算。

进一步，所述模糊控制方法为：

所述转炉各冶炼阶段作为模糊控制器的第1个输入E1，入口温度与出口设定温度之差为第2个输入E2，喷水量与蒸汽作为控制器的输出U，建立模糊控制器输入输出模糊子集分别为：

E1＝{NL，NM，NS，O，PS，PM，PL}

E2＝{NL，NM，NS，O，PS，PM，PL}

U＝{O，PS，PM，PL}

上述式中：N、P、L、M、S、O分别表示负、正、大、中、小、零；

模糊控制规则由

if E1≤O then U＝O

if E1＝PS and E2<PM then U＝PS

if E1＝PS and E2＝PM then U＝PM

if E1＝PS and E2>PM then U＝PL

if E1＝PM and E2<PM then U＝PS

if E1＝PM and E2＝PM then U＝PM

if E1＝PM and E2>PM then U＝PL

系列模糊条件语句构成，通过模糊控制规则来设置各阶段喷水量；

当if E1＝PL时，转炉冶炼过程到达冶炼阶段或补吹阶段，此时将模糊控制直接转换为串级PID控制。

进一步，所述PID控制方法为：

通过设定入口温度、设定温度、出口温度计算出理论喷水量，再对出口温度与设定温度之差进行PID运算，结合理论喷水量、烟气流量、吹氧流量计算实际喷水量，通过喷水对出口温度进行调节。

进一步，所述冶炼阶段控制算法为：

冶炼阶段的蒸汽压力单独采取压力PID控制，水阀开的全过程蒸汽阀保持开启，水阀关后温度继续降低到预设值才关闭；

设定转炉烟气经过蒸发冷却器冷却后所释放的热量为Q_gas，雾化冷却水吸收的热量为Q_water，此时Q_gas＝Q_water；

由热量公式Q＝CmΔT和m＝ft；

式中Q为热量，C为比热容，m为质量，ΔT为温差，f为质量流量，t为时间，可知，只需计算出水流量即可得出目标温度；

所述蒸汽温度即为烟气温度，蒸汽质量即为水的质量，所以

C_gasm_gasΔT_gas＝C_waterm_waterΔT_water+2258.4m_water+C′_waterm_waterΔT′_water (1)

式中：C_gas为烟气比热容；m_gas为烟气质量；ΔT_gas为烟气温差；C_water为水比热容；m_water为水质量；ΔT_water为水温差；2258.4为水的汽化热；C′_water为水蒸汽比热容；ΔT′_water为水蒸汽温差；

由于m＝ft，所以在单位时间内式(1)变为

式中：f_water为理论喷水量；f_gas为烟气流量；T_in为蒸发冷却器入口烟气温度；T_set为蒸发冷却器目标烟气温度；T₀为水的初始温度；

已知100℃水汽化成蒸发所吸收的热量为2258.4kJ/kg；当T_set、T₀、f_gas稳定不变时，式(2)可表示为：

f_water＝k₁(T_in-T_set) (3)

式中：k₁为固定水量系数；

从式(3)可以看出，水流量f_water为入口烟气温度与目标烟气温度的函数，即固定水流量；水流量不能准确地达到目标设定温度T_set，即T_set≠T_out，T_out为蒸发冷却器出口温度，所以还需以出口温度到设定温度所需的水流量作为补偿水量：

f_water2＝k₁(T_in-T_set)+k₂(T_out-T_set) (4)

式中：f_water2为考虑温差补偿后的水流量；k₂为补偿水量系数；

f_water3＝k(k₁(T_in-T_set)+k₂(T_out-T_set)) (5)

式中：f_water3为串级调节系统输出的水流量；

通过式(5)计算的水流量能较准确地调节出口温度，加入扰动变量的前馈控制，因此实际喷水量：

式中：k₃为考虑氧气流量变化的水系数；k₄为考虑烟气流量变化的水系数；为氧气流量；/>为氧气流量初始值；为烟气流量；f′_gas为烟气流量初始值；

由式(6)可知蒸发冷却器出口目标温度

最终获得出口目标温度，通过上述参数对出口目标温度进行控制。

进一步，所述串级调节系数k为0.75～1.25之间。

进一步，所述冶炼阶段控制算法的参数的初始值为冶炼阶段开始时的氧气与烟气流量值。

进一步，所述冶炼阶段控制算法的水阀关后温度继续降低到的预设值为250℃。

进一步，所述冶炼阶段控制算法的系数值：k₁为0-0.1，k₂为0-1，k₃为0-0.01，k₄为0-0.01，可根据现场调试确定。

本发明可以实现一种转炉蒸发冷却器出口温度控制方法，可通过以上蒸发冷却器冷却水算法可以将出口温度控制在±5℃，达到良好的除尘效果，减少蒸发冷却器堵灰或减少后续除尘设备故障率。

附图说明

图1为本发明的工艺流程图；

图2为本发明的串级PID控制系统框图；

图3为本发明的控制效果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

一种转炉蒸发冷却器出口温度控制方法，包括：

转炉炼钢分为准备阶段、装料阶段、开氧阶段、冶炼阶段、补吹阶段、溅渣护炉阶段、出钢阶段和停炉阶段；

将这几个阶段按烟气温度从低到高排列为：停炉阶段、准备阶段、出钢阶段、装料阶段、溅渣护炉阶段、开氧阶段，其中停炉阶段、准备阶段、出钢阶段废气升温较小，可以在模糊控制表里设定不进行温度控制；在装料阶段和溅渣护炉阶段，由于往转炉中加装废钢或铁水，升温小，因此可根据工艺不进行温度控制或只开小量水进行控制；在开氧阶段，大量氧气突然从氧枪喷出，瞬间形成高温且温度分布不均匀的废气，此时蒸发冷却器热电偶检测到的温度不准确，为了使调节阀迅速打开且防止PID控制造成的过量喷水，采用固定水量控制，即根据模糊控制规则，在开氧阶段根据入口温度查表找出喷水量，等到冶炼阶段或补吹阶段后自动转换成PID运算。

所述模糊控制方法为：

所述转炉各冶炼阶段作为模糊控制器的第1个输入E1，入口温度与出口设定温度之差为第2个输入E2，喷水量与蒸汽作为控制器的输出U，建立模糊控制器输入输出模糊子集分别为：

E1＝{NL，NM，NS，O，PS，PM，PL}

E2＝{NL，NM，NS，O，PS，PM，PL}

U＝{O，PS，PM，PL}

上述式中：N、P、L、M、S、O分别表示负、正、大、中、小、零；

模糊控制规则由

if E1≤O then U＝O

if E1＝PS and E2<PM then U＝PS

if E1＝PS and E2＝PM then U＝PM

if E1＝PS and E2>PM then U＝PL

if E1＝PM and E2<PM then U＝PS

if E1＝PM and E2＝PM then U＝PM

if E1＝PM and E2>PM then U＝PL

等一系列模糊条件语句构成，通过模糊控制规则来判断各阶段喷水量；

当if E1＝PL时，转炉冶炼过程到达冶炼阶段或补吹阶段，此时将模糊控制直接转换为串级PID控制。

所述PID控制方法为：

在补吹阶段和冶炼阶段，废气温度分布均匀，蒸发冷却器入口温度检测准确，在吹炼过程中变化稳定，蒸发冷却器出口温度可采用串级PID进行控制，系统框图如图2所示；

通过设定入口温度、设定温度、出口温度、蒸汽压力、烟气流量、吹氧流量计算出理论喷水量，为了克服其他环境因素对出口温度的影响，利用出口温度与设定温度之差进行PID运算，再结合理论喷水量计算实际喷水量，通过喷水对出口温度进行调节。

所述冶炼阶段控制算法为：

开氧阶段结束后，转炉工艺转为冶炼阶段。此阶段蒸汽和水的控制是保证除尘效果的关键。其中，蒸汽压力对出口温度的影响较大，单独采取压力PID控制，以使蒸汽压力稳定；同时，为了使冷却水达到雾化效果，避免湿灰，水阀开的全过程蒸汽阀必须保持开启，水阀关后温度继续降低到预设值250℃才关闭。

根据能量守恒原理可知，转炉烟气经过蒸发冷却器冷却后所释放的热量Q_gas主要由雾化的冷却水吸收，雾化水吸收热量后瞬间蒸发成蒸汽，吸收大量热量。

Q_gas＝Q_water

式中：Q_water为雾化冷却水吸收的热量。

由热量公式Q＝CmΔT和m＝ft，式中Q为热量，C为比热容，m为质量，ΔT为温差，f为质量流量，t为时间；可知，只需计算出水流量即可得出目标温度。水吸收热量后由常温转变为100℃，再吸收大量热转变成为100℃的蒸汽，100℃的蒸汽继续吸热转变为高温蒸汽，最后和烟气混合在一起由蒸发冷却器出口排出，蒸汽温度即为烟气温度，蒸汽质量即为水的质量，

所述蒸汽温度即为烟气温度，蒸汽质量即为水的质量，所以

C_gasm_gasΔT_gas＝C_waterm_waterΔT_water+2258.4m_water+C′_waterm_waterΔT′_water (1)

式中：C_gas为烟气比热容；m_gas为烟气质量；ΔT_gas为烟气温差；C_water为水比热容；m_water为水质量；ΔT_water为水温差；2258.4为水的汽化热；C′_water为水蒸汽比热容；ΔT′_water为水蒸汽温差；

由于m＝ft，所以在单位时间内式(1)变为

式中：f_water为水流量；f_gas为烟气流量；T_in为蒸发冷却器入口烟气温度；T_set为蒸发冷却器目标烟气温度；T₀为水的初始温度；

已知100℃水汽化成蒸发所吸收的热量为2258.4kJ/kg；当T_set、T₀、f_gas稳定不变时，式(2)可表示为：

f_water＝k₁(T_in-T_set) (3)

式中：k₁为固定水量系数，设置为0.05；

从式(3)可以看出，理论喷水量f_water为入口烟气温度与目标烟气温度的函数，称为固定水流量。但由于水汽化成蒸汽后并不是饱和蒸汽、水温T₀、环境因素与转炉工艺条件的不同，用此水流量不能准确地达到目标设定温度T_set，即T_set≠T_out，T_out为蒸发冷却器出口温度，所以还需以出口温度到设定温度所需的水流量作为补偿水量：

f_water2＝k₁(T_in-T_set)+k₂(T_out-T_set) (4)

式中：f_water2为考虑温差补偿后的水流量；k₂为补偿水量系数，设置为0.1；

f_water3＝k(k₁(T_in-T_set)+k₂(T_out-T_set)) (5)

式中：f_water3为串级调节系统输出的水流量；为了使此水流量公式能够适应转炉复杂的工艺条件，同时考虑到喷射蒸汽与汽化蒸汽最终都与烟气混合，还需利用出口温度与设定温度的串级调节系统，自适应调节水流量。但是从开氧阶段到冶炼阶段期间出口温度可能较高，易造成水量突变，所以将串级调节系数k限制在0.75～1.25之间。

通过式(5)计算的水流量能较准确地调节出口温度，但在冶炼过程中氧气流量、烟气流量变化较大，会造成出口温度突变，虽然变化量不大，但为了使出口温度更为平稳，还需加入这两个扰动变量的前馈控制，因此实际喷水量：

式中：k₃为考虑氧气流量变化的水系数，设置为0.001；k₄为考虑烟气流量变化的水系数，设置为0.001；为氧气流量；/>为氧气流量初始值；为烟气流量；f′_gas为烟气流量初始值；

由式(6)可知蒸发冷却器出口目标温度

上述式中的初始值为冶炼阶段开始时的氧气与烟气流量值，只需通过流量变化值，即冶炼过程中流量实际值与初始值的差值，就可得到蒸发冷却器出口目标温度，另外，k₁为0-0.1，k₂为0-1，k₃为0-0.01，k₄为0-0.01，可根据现场调试确定。

在冶炼结束时，由于氧气阀门关闭后烟道中还有一段烟气没到达蒸发冷却器，所以当氧气阀门关闭后并不立即关闭水切断阀，而是等出口温度降低到预设值250℃后才关闭水切断阀，保证了冶炼结束时不会造成出口温度过高，其效果如图3所示。

通过以上蒸发冷却器冷却水算法可以将出口温度控制在±5℃，达到良好的除尘效果。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (7)

1.一种转炉蒸发冷却器出口温度控制方法，包括

转炉炼钢分为准备阶段、装料阶段、开氧阶段、冶炼阶段、补吹阶段、溅渣护炉阶段、出钢阶段和停炉阶段；

所述准备阶段、装料阶段、开氧阶段、溅渣护炉阶段、出钢阶段和停炉阶段采用模糊控制方法进行温度控制；

在所述准备阶段、出钢阶段和停炉阶段，在所述模糊控制中设定不进行温度控制；

所述冶炼阶段和补吹阶段温度控制方法相同，采用PID控制方法进行温度控制；

在所述开氧阶段，采用固定水量控制，所述固定水量控制为根据模糊控制规则，在开氧阶段根据入口温度查表找出喷水量，等到冶炼阶段或补吹阶段后自动转换成PID运算；

所述冶炼阶段控制算法为：

冶炼阶段的蒸汽压力单独采取压力PID控制，水阀开的全过程蒸汽阀保持开启，水阀关后温度继续降低到预设值才关闭；

设定转炉烟气经过蒸发冷却器冷却后所释放的热量为Q_gas，雾化冷却水吸收的热量为Q_water，此时Q_gas＝Q_water；

由热量公式Q＝CmΔT和m＝ft；

式中Q为热量，C为比热容，m为质量，ΔT为温差，f为质量流量，t为时间，可知，只需计算出水流量即可得出目标温度；

所述蒸汽温度即为烟气温度，蒸汽质量即为水的质量，所以

C_gasm_gasΔT_gas＝C_waterm_waterΔT_water+2258.4m_water+C′_waterm_waterΔT′_water(1)

式中：C_gas为烟气比热容；m_gas为烟气质量；ΔT_gas为烟气温差；C_water为水比热容；m_water为水质量；ΔT_water为水温差；2258.4为水的汽化热；C′_water为水蒸汽比热容；ΔT′_water为水蒸汽温差；

由于m＝ft，所以在单位时间内式(1)变为

式中：f_water为理论喷水量；f_gas为烟气流量；T_in为蒸发冷却器入口烟气温度；T_set为蒸发冷却器目标烟气温度；T₀为水的初始温度；

已知100℃水汽化成蒸发所吸收的热量为2258.4kJ/kg；当T_set、T₀、f_gas稳定不变时，式(2)可表示为：

f_water＝k₁(T_in-T_set) (3)

式中：k₁为固定水量系数；

从式(3)可以看出，水流量f_water为入口烟气温度与目标烟气温度的函数，即固定水流量；水流量不能准确地达到目标设定温度T_set，即T_set≠T_out，T_out为蒸发冷却器出口温度，所以还需以出口温度到设定温度所需的水流量作为补偿水量：

f_water2＝k₁(T_in-T_set)+k₂(T_out-T_set) (4)

式中：f_water2为考虑温差补偿后的水流量；k₂为补偿水量系数；

f_water3＝k(k₁(T_in-T_set)+k₂(T_out-T_set)) (5)

式中：f_water3为串级调节系统输出的水流量；

通过式(5)计算的水流量能较准确地调节出口温度，加入扰动变量的前馈控制，因此实际喷水量：

式中：k₃为考虑氧气流量变化的水系数；k₄为考虑烟气流量变化的水系数；为氧气流量；/>为氧气流量初始值；为烟气流量；f_g ^′ _as为烟气流量初始值；

由式(6)可计算得出式(7)，式(7)为：

最终获得蒸发冷却器出口目标温度。

2.如权利要求1所述的一种转炉蒸发冷却器出口温度控制方法，其特征在于：所述模糊控制方法为：

所述转炉各冶炼阶段作为模糊控制器的第1个输入E1，入口温度与出口设定温度之差为第2个输入E2，喷水量与蒸汽作为控制器的输出U，建立模糊控制器输入输出模糊子集分别为：

E1＝{NL，NM，NS，O，PS，PM，PL}

E2＝{NL，NM，NS，O，PS，PM，PL}

U＝{O，PS，PM，PL}

上述式中：N、P、L、M、S、O分别表示负、正、大、中、小、零；

模糊控制规则由

if E1≤O then U＝O

if E1＝PS and E2<PM then U＝PS

if E1＝PS and E2＝PM then U＝PM

if E1＝PS and E2>PM then U＝PL

if E1＝PM and E2<PM then U＝PS

if E1＝PM and E2＝PM then U＝PM

if E1＝PM and E2>PM then U＝PL

系列模糊条件语句构成，通过模糊控制规则来判断各阶段喷水量；

当if E1＝PL时，转炉冶炼过程到达冶炼阶段或补吹阶段，此时将模糊控制直接转换为串级PID控制。

3.如权利要求1所述的一种转炉蒸发冷却器出口温度控制方法，其特征在于：所述PID控制方法为：

通过设定入口温度、设定温度、出口温度计算出理论喷水量，再对出口温度与设定温度之差进行PID运算，结合理论喷水量、烟气流量、吹氧流量计算实际喷水量，通过喷水对出口温度进行调节。

4.如权利要求1所述的一种转炉蒸发冷却器出口温度控制方法，其特征在于：所述串级调节系数k为0.75～1.25之间。

5.如权利要求1所述的一种转炉蒸发冷却器出口温度控制方法，其特征在于：所述冶炼阶段控制算法的参数的初始值为冶炼阶段开始时的氧气与烟气流量值。

6.如权利要求1所述的一种转炉蒸发冷却器出口温度控制方法，其特征在于：所述冶炼阶段控制算法的水阀关后温度继续降低到的预设值为250℃。

7.如权利要求1所述的一种转炉蒸发冷却器出口温度控制方法，其特征在于：所述冶炼阶段控制算法的系数值：k₁为0-100，k₂为0-1，k₃为0-1，k₄为0-1，可根据现场调试确定。