热风炉自动燃烧控制系统研究与应用

摘 要：本文主要应用专家系统和自寻优控制模型等技术，实现烧炉状态、外界波动动态判定以及烧炉控制策略选择，并通过空燃比快速寻优和流量优化控制，确保烧炉过程始终（包括燃烧期、蓄热期）处于最佳配比燃烧状态。实现炼铁工序低碳节能、降耗降本的目的。

关键词：热风炉；自动控制；应用

中图分类号：TG162.4 文献标志码： A

0 前言

山钢集团莱芜分公司热风炉换炉操作为半自动加手动，其中烧炉过程完全由人工手动调节，岗位操作人员要根据热风炉的拱顶温度上升情况，通过频繁调节煤气和空气调节阀开度，来增减煤气及空气的流量大小，判定给出热风炉烧炉的空燃比，逐步寻找合理的空燃比。人工调节存在的问题：

（1）因个人技能和责任心差异较大，使各班烧炉状况不稳定、不统一。

（2）同样条件所能提供风温不一样，煤气的消耗也不一样，高炉炉况变化大时差异更大。

（3）寻找空燃比时间较长，且很难寻找最佳的空燃比。

（4）煤气压力波动频繁，煤气热值也不断变化，最佳空燃比是不断变化的，所以人工判断、调剂难度很大，不但工作量大，而且往往调整不及时（滞后或超前）、不准确，造成烧炉过程中拱顶温度波动较大，烧炉效果差，影响高炉风温使用水平。

本文主要针对热风炉换炉操作为半自动加手动，其中烧炉过程完全由人工手动调节导致判断、调剂难度很大，调整不及时不准确，造成烧炉过程中拱顶温度波动较大，烧炉效果差，影响高炉风温使用水平的问题。应用专家系统和自寻优控制模型等技术，实现烧炉状态、外界波动动态判定以及烧炉控制策略选择，并通过空燃比快速寻优和流量优化控制，确保烧炉过程始终（包括燃烧期、蓄热期）处于最佳配比燃烧状态

1 热风炉自动控制功能开发

1.1 数据采集，实现二级上位机能够读取和控制热风炉PLC系统。其中关键性技术（问题）PLC系统的通信的解决方法（技术手段）是通过OPC通信协议建立OPC服务器和客户端实现与PLC通信。

1.2 控制决策协调器，实现专家系统、燃烧自寻优模型、拱顶温度控制模型和速度模型协调控制。其中关键性技术（问题）协调控制的解决方法（技术手段）是通过与生产操作工结合，了解热风炉工艺确定各个模型之间的时序，编写程序实现总结出来的时序控制。

1.3 专家系统，实现在煤气压力和热焓值变化比较大的情况下，利用专家系统根据热风炉当前工艺条件算出相应的调节阀输出。其中关键性技术（问题）专家最佳案例的收集和工艺条件的判断输出的解决方法（技术手段）是通过与生产操作工结合了解热风炉工艺确定最佳案例的判断条件，以及案例管理算法。

1.4 自寻优模型，实现模仿操作工热风炉操作控制空燃比最优。其中关键性技术（问题）外界条件不断变化下最佳空燃比的确定的解决方法（技术手段）是通过时间序列法与热风炉操作工烧炉经验总结出自寻优模型算法，根据算法确定出最佳空燃比，并且应用于自动燃烧控制中。

1.5 拱顶温度控制模型，实现拱顶温度控制在目标温度范围内。其中关鍵性技术（问题）煤气质量影响拱顶温度高低的解决方法（技术手段）是通过寻找到最佳空燃比，根据热风炉操作工操作经验控制拱顶温度在目标范围之内。

2 系统创新

2.1 系统独立、功能清晰：本系统与现有热风炉 PLC 系统之间功能独立，PLC系统保持现有换炉逻辑控制不变，而本系统则负责自动烧炉状态下煤气、空气的阀门调节量设定计算，并下发 PLC 系统控制执行。

2.2 技术先进、效果显著：采用专家系统和模糊控制技术，实现燃烧状态和外界波动动态识别，通过空燃比快速寻优，确保系统始终（包括强化燃烧期、蓄热期）处于最佳配比燃烧状态，即最佳烧炉状态。

2.3 操作方便、界面友好：本系统自动获知烧炉信号后，即可根据烧炉目标（目标拱顶温度、目标废气温度和目标换炉周期）实现烧炉全过程的煤气阀和空气阀的自动调节，全过程无需人工干预。

2.4 无扰动系统投运：本系统能在正常生产过程中完成安装部署，并利用热风炉换炉间隙实现系统投运，安装调试操作对正常生产无不良影响。即使发生特殊情况，可借助“控制权切换”操作，切换到原有控制系统和控制模式。

2.5 异常应对方便快捷：本系统可实现手动与自动的无扰切换。在紧急条件下，通过“控制权切换”操作，本系统随时可切换到手动控制模式，待异常解除后亦可切换到自动控制模式。

2.6 系统运行稳定可靠：采用拱顶温度、废气温度、煤气流量、空气流量、煤气压力等常规非易损量为输入量，具备烧炉状态判定准确、烧炉控制精确的特点，保证系统的长期稳定性和可靠性。

2.7 新增系统维护工作量少：本系统主要依赖于原来测量仪表、控制阀及通讯回路，新增设备有限，系统维护工作主要集中于上述仪表设备，基本不额外增加维护工作量。

2.8 克服热风炉非线性、大滞后、慢时变特性的复杂被控对象特点把专家智能控制应用到热风炉自动燃烧控制中，脱离PLC基础控制真正实现二级控制系统的研究与应用。

2.9 由于热风炉烧炉过程中煤气热值、煤气压力、煤气温度和空气温度时刻变化的不利因素，利用空燃比自寻优模型算法实时追踪最佳空燃比基带控制热风炉燃烧，实现节约煤气消耗的目的。

结论

山钢集团莱芜分公司热风炉通过自控系统硬件升级、保证了设备安全顺行。具有以下优点：

（1）系统独立、功能清晰：本系统与现有热风炉 PLC 系统之间功能独立，PLC系统保持现有换炉逻辑控制不变，而本系统则负责自动烧炉状态下煤气、空气的阀门调节量设定计算，并下发 PLC 系统控制执行。

（2）技术先进、效果显著：采用专家系统和模糊控制技术，实现燃烧状态和外界波动动态识别，通过空燃比快速寻优，确保系统始终（包括强化燃烧期、蓄热期）处于最佳配比燃烧状态，即最佳烧炉状态。

（3）操作方便、界面友好：本系统自动获知烧炉信号后，即可根据烧炉目标（目标拱顶温度、目标废气温度和目标换炉周期）实现烧炉全过程的煤气阀和空气阀的自动调节，全过程无需人工干预。

（4）无扰动系统投运：本系统能在正常生产过程中完成安装部署，并利用热风炉换炉间隙实现系统投运，安装调试操作对正常生产无不良影响。即使发生特殊情况，可借助“控制权切换”操作，切换到原有控制系统和控制模式。

近年来热风炉自动燃烧控制系统在钢铁企业得到应用，但是大多数热风炉自动燃烧系统都需要依靠残氧量的测量参数，本项目研发的热风炉自动燃烧系统不依靠残氧量参数，只需要常规的流量、压力参数就能实现自动燃烧，所以，本项目研发的热风炉自动燃烧控制系统能广泛地应用在钢铁企业中的热风炉控制中，具有很好的市场前景和应用前景。

参考文献

[1]牛玉广. 基于多元统计过程监控的锅炉过程故障检测[J]. 动力工程学报，2017（10）：54-56.

[2]周慎学，沈奇.基于在线支持向量机的锅炉燃烧系统动态建模[J]. 自动化仪表，2017（10）：24-26.

[3]王振东.内燃式热风炉的技术改造实践[J].工业炉，2017（5）：14-16.

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