900m3高炉热风炉燃烧智能优化控制系统

1. 概述

热风炉的自动燃烧时通过控制设备和上位机对燃烧过程进行智能优化控制，使燃烧过程处于最佳化。最佳化的含义有两点，一是燃烧时，空、煤气的比最合理，从而使燃料得到最佳的利用，并使炉内最充分的积蓄热量；二是整个燃烧过程均匀化，提高热风炉效率，延长热风炉寿命。因此，自动燃烧的经济效益主要体现在：①可节省材料；②提高热风温度；③炉子寿命提高。

最优控制是指在已定的约束条件下，选择某一个或几个指标(如炉顶温度、废气氧量、热效率等)作为目标函数，然后根据实际计算或依经验确定的控制模型对燃烧进行控制，使过程最大限度地处于或接近于目标函数的状态之中。

数模法的工艺关键是建立符合生产实际的控制模型，而建立模型的基础是热风炉的全炉热平衡计算，依此获得的控制模型不仅可使配比（空、煤气）最合理，而且能对燃烧速率进行控制，使输入的流量（煤气量）最佳化，大大的提高了炉子的效率。

2. 燃烧控制设计

燃烧的控制过程以图1图2表达，整个自控过程由三个功能构成：①比例一烟气氧含量反馈控制空、煤气比(控制模型1)；②拱顶温度控制模型（控制模型2）；③废气温度控制模型（控制模型3）。其控制原理和功能分述如下。

⑴比例烟气含氧量反馈控制空、煤气比

本控制模型是以比例调节为粗调，以烟气氧含量反馈控制作为细调的串级调节系统。在控制过程中，以烟气氧含量为信号，固定煤气量，调节空气量来获得最佳空、煤气比。烟气氧含量的目标值依生产经验定，模型在燃烧开始后达到正常时即投入使用。为了缩短拱顶升温时间，使燃烧尽快的进入最佳化，开始时，需由操作者依据经验预先设定一个合适的空、煤气比，以缩短反馈控制时间，此值亦可通过计算机，将上炉反馈控制结束时的空、煤气比加一常数作为本次烧炉的初设值。

为了减少调节阀的动作次数，设值如下程序；当烟气残氧量在最佳范围内，停止反馈控制若干分钟后在继续执行，此程序可依煤气成分的稳定与否取消或采用。当手动调节煤气量时。本模型暂时中断执行，优先让位于比例调节，当空、煤气比达到比例调节值时，模型自动恢复执行。也可用延时的办法恢复执行。

比例调节器具有比例跟踪的功能。

烟气取样装置作为特殊的设计，使取样准确，不受冷风阀漏风的影响。

（2）拱顶温度控制模型

当燃烧初期结束，拱顶温度升至目标拱顶温度时，则进入蓄热室储热期。为了确保蓄热量，保护拱顶砌体，这时需要启动拱顶温度控制模型（这是数模中的关键模型）。

热风炉的燃烧控制，归根到底就是对高炉、焦炉煤气流量、空气流量及其比值的控制。在拱顶温度控制模型中，煤气流量控制的任务是确保在烧炉期间热风炉能够贮存足够的热量，以满足下次送风的需要，并使拱顶温度控制在目标拱顶温度附近。因此输入的煤气流量（V`）与拱顶温度（t0）、混合煤气热值（H0）、下次送风的冷风流量（Fc）、冷风温度（tc）、热风温度（th）及热风炉热效率（f） 等因素有关。即

V`=G(t0、H、Fc、tc、th、f)

精确的求出V`的解释式比较困难，需做许多复杂的热平衡等计算，而计算的基础需要热风炉系统设置众多的检测点、检测点多，不仅投资大，生产维护困难，而且往往因某些检测点出现毛病时影响模型的应用。因此本设计在建模型时做了简化。

冷风温度基本为定制，故 ;高炉正常生产时，和基本为常数。如果实际生产中和有所变化从而影响热风炉的送风时间，进而影响燃烧架煤气量，此时，无论热风炉进行开环控制或全闭环控制，则变化均可通过操作者对燃烧流量和时间的调整来消除影响。因此，本模型将和按常数处理。这样，可将（1）式的变成突出拱顶温度控制的拱顶温度控制模型，而控制拱顶温度最有效的手段就是控制煤气热值。本模型选用调节焦炉煤气量的方法来控制煤气热值，得到了拱顶温度空盒子模型1，用传递时表示如下：

Vn=V（n-1）α

式中：Vn-------  n时刻的焦炉煤气流量，

V（n-1）---- （n-1）时刻的焦炉煤气流量，

T（n-1）---（n-1）时刻的拱顶温度

      α------模型因子

模型因子a是煤气发热值H和炉子热效率f的函数。由于本模型杀死对拱顶温度的控制，f对a的影响仅限于烟气从燃烧器出口流至拱顶的过程，该过程烟气看、流速较大，时间短，故可将其近似看做绝热过程，即，所以，影响a的主要因素为H，表述为a。a值随H的变化而变化。因本设计为设煤气热值在线分析仪，不能求出任一时刻的a值，故a值应随实际中H的变化作为人工修正。实际生产中，煤气热值常有波动，而a不可能做频繁调整，因而会影响模型控制的准确性，使拱顶温度在附近波动增大，但在通常情况下，期影响并不显著，而且拱顶温度允许有一定的波动。当波动值超过拱顶温度上线时，设有报警装置进行报警，操作者可及时处理。

A的初始设定值可按常用的煤气热值通过燃烧温度的计算近似给出

仿照模型1的原理，可推出拱顶温度控制模型2，下列表达：

{mn=m（n-1）

mn≥mo

式中mn-------- n时刻的空燃气比；

m（n-1-----（n-1）时刻的空燃气比

b—模型因子

m0-保证煤气能完全燃烧的空、燃气比

模型因子与a相似，不在讨论。

M0为设定值，设定烟气残氧量不小于煤炉时设定的残氧量最佳值g，g所对应的空、燃气比即为m0，当ma<m0时，按ma=m0执行。

使用控制模型Ⅱ时，操作者可选用控制模型1或控制模型2，当选用控制模型1时，控制模型Ⅰ仍可继续执行，但当煤气量变化时，能使烟气含氧量反馈微调优先让位于比例调节器执行，若干时间后再执行反馈微调。比例值ma=m(n-1)±△m，当煤气量变化（va-vn-1）较小时，亦可不执行比例调节器，直接用反馈微调控制。当va≤△v时（△v为设定的低限支），应由本控制模型直接转入控制模型2进行过程控制。

从能源利用的角度出发，应尽量选用控制模型1.但由于焦炉、高炉煤气是在煤气总管上混合而不是在支管混合，当两座热风炉同时燃烧室，为减少互相直接燃烧过程过程的干扰，可选择一座炉用控制模型1，另一座炉则用控制模型2 。

使用控制模型2时，控制模型Ⅰ自动停止执行。

（3）废气温度控制模型

随着蓄热室内格子砖（特别是上部）的不断加热，烟气与格子砖的温宿度不断被缩小，热交换条件越来越差。为了保证炉箅子支柱不超过其安全使用温度，以及继续扩大格子砖的蓄热量，保证一定的燃烧时间，故烧炉后期需对废气温度进行管理，被设计采用逐渐减少燃烧流量的办法管理废气温度。

当燃烧进入废弃温度管理期时，用下式对废气温度进行控制

Va’=vn-1’*r 

式中va---n时刻的混合煤气流量mgn/h

vn-1’---(n-1)时刻的混合煤气流量mgn/h

r---煤气流量下降率，为设定值

r值依现场经验定，煤气流量减少数次即完成烧炉，期间，若控制模型Ⅰ仍在执行，当煤气量变化时，烟气氧含量反馈控制应优先让位于比例调节器执行，若干时间后在反馈微调，比例值ma=m(n-1).烧炉结束前，先自动关闭控制模型1。