一種高爐熱風爐智能優化控制系統的製作方法

2023-09-15 02:37:15

專利名稱：一種高爐熱風爐智能優化控制系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及高爐煉鐵優化控制技術領域，尤其涉及一種高爐熱風爐智能優化控制系統。。
背景技術：
高爐熱風爐是為高爐煉鐵提供一定溫度助燃空氣的裝置，通過對熱風爐的格子磚進行蓄熱，再利用熱風爐格子磚的蓄熱對供給高爐的助燃空氣進行熱交換。高爐煉鐵對助燃空氣的溫度與流量有要求，視高爐負荷的變化而變化，總體來說，輸送給高爐的熱空氣溫度越高，高爐煉鐵能耗就越低；熱風爐蓄熱過程熱效率越高，燜爐時間越短或避免燜爐，向高爐輸送的熱空氣能耗就越低；同時，熱風爐的過程控制還要考慮拱頂溫度和廢氣溫度不能超上限，以免造成設備的損壞。 現有高爐熱風爐的優化控制技術有多種。其中，中冶南方工程技術有限公司公開了一項發明專利「熱風爐自動尋優燃燒智能控制方法(申請號200910273421. O ) 」，是根據總供熱量需求量和總蓄熱時間，按平均法計算單位時間供熱量作為助燃空氣流量設定值，根據空燃比計算煤氣流量設定值，並根據拱頂溫度和廢氣溫度對其進行修正，實現對煤氣、空氣流量的實時控制，同時採用模糊自尋優控制算法，以拱頂溫度為優化目標修正空燃比；冶金自動化設計院公開了「一種混合式高爐熱風爐優化控制方法(申請號200410000677. 1)」，包括數學模型、混合模型即物理模型+智能模型及智能模型三種優化控制方式，其中，數學模型是根據應存儲的熱量和煤氣的發熱值計算出燒爐的煤氣流量，再根據所設定的空燃比和計算出燒爐的助燃空氣流量；並根據廢氣溫度控制模型修正煤氣量；智能模型是基於經驗，按照規則給出各個時段的燃料量和助燃空氣量，並預測燒爐結束時的廢氣溫度對燒爐後期的燃料量和空氣量進行修正。現有主流技術主要包括基於數學模型和智能模型的優化與控制。基於數學模型的優化控制技術其主要特徵是依據總熱量需求，在燒爐時間段上按平均法求取燃料瞬時流量設定值，並在拱頂溫度和廢氣溫度超限時對燃料量進行調整，由於沒有充分考慮在燒爐不同時段上熱風爐蓄熱能力的不同，以及隨著格子磚使用時間變長，熱風爐蓄熱速率和效率隨之會發生變化等因素，會造成燃燒放熱速率與蓄熱速率的不匹配，導致廢氣帶走的熱量過多，能源利用率下降或熱風爐蓄熱量滿足不了高爐生產的要求。
現有基於智能模型的方法缺陷在於，當高爐負荷變化、熱風爐格子磚蓄熱能力特性隨使用時間變化時，參數整定起來很不方便，可操作性和使用性差。此外，現有技術中空燃比優化主要採用自尋優策略，是從另一個層面提高煤氣的利用率，達到降低能耗的作用。空燃比優化技術中目標函數或目標值往往採用的是拱頂溫度，而以此變量作為優化目標不能完整體現空燃比的合理性，從機理上來講，在某一熱工操作制度下，合適的空燃比應是採用等量的燃料使得熱風爐蓄熱量最大或定值蓄熱時需要的燃料量最小。綜上所述，現有的技術仍舊存在一定的局限性和缺陷，因此開發本系統。

發明內容
本發明所要解決的問題是發明一種高爐熱風爐智能優化控制系統，在保證滿足高爐不同負荷下所需的熱風溫度及流量前提下，降低煤氣消耗，並保證熱風爐設備安全並延長其使用壽命。本發明解決其技術問題採用的技術方案是本發明設有高爐熱風爐蓄熱速率計算器、蓄熱速率設定器、蓄熱速率調節器、燃氣流量調節器、空燃比優化控制器、空氣流量設定值計算器、空氣流量調節器、拱頂溫度調節器、廢氣溫度調節器、選擇器A、選擇器B、選擇器C、燃料和空氣調節閥及相關的過程參數測量儀表；
本發明工作過程下基於高爐熱風爐熱量平衡機理模型建立燒爐階段蓄熱速率模型，並以送風階段實際帶走的蓄熱量校正燒爐階段蓄熱速率模型，實現對蓄熱速率的在線計算；根據高爐對送風總熱量的要求、燒爐時間和熱風爐在燒爐階段的蓄熱速率過程特性，自動計算與此相匹配的蓄熱速率設定值，以此構造蓄熱速率調節器，蓄熱速率調節器採用PID或其它控制算法；
蓄熱速率調節器、拱頂溫度調節器與廢氣溫度調節器三者輸出之中最小值作為燃料流量調節器的設定值，燃料流量作為測量值，以此構造燃料流量調節器，實時控制燃料流量，其中拱頂溫度調節器與廢氣溫度調節器的設定值為工藝允許的上限值，調節器採用PID或其它控制算法；
空燃比優化控制器以實時蓄熱速率作為優化目標值，採用進退法自尋優算法優化空燃t匕；根據實際燃料流量、煤氣熱值、空燃比，計算空氣流量設定值，空氣瞬時流量作為測量值，以此構造空氣流量調節器，實時控制空氣流量，調節器採用PID或其它控制算法。I.高爐熱風爐蓄熱速率計算器
O依據蓄熱速率機理模型計算熱風爐實時蓄熱速率
在燒爐階段，單位時間內燃料帶入爐內的物理熱、空氣物理熱與二者反應產生的反應熱之和減去廢氣帶走的熱量，再減去熱風爐散熱損失即為熱風爐蓄熱速率；
2)實時蓄熱速率自校正
依據I)段得到的實時蓄熱速率計算得到的熱風爐蓄熱量與熱風爐實際的蓄熱量的偏差，對機理蓄熱速率模型進行修正，熱風爐實際的蓄熱量可以通過計算送風階段冷風帶走的熱量來得到；
2.蓄熱速率設定器
1)依據高爐負荷工況所提出對熱風爐送風的風溫和流量以及燒爐時間的明確要求，並根據冷風溫度，計算燒爐階段總蓄熱量；
2)根據熱風爐蓄熱能力前快後慢的特性，選擇蓄熱速率特性曲線，可選擇線性或非線性函數來表徵在燒爐階段熱風爐蓄熱速率特性；
3)根據總蓄熱量和所選擇的蓄熱速率函數類型，得到蓄熱速率設定曲線函數；
4)蓄熱速率設定值修改計算
在燒爐階段進行中，當高爐工況變化時需要及時對燒爐蓄熱速率進行調整，根據高爐所需空氣總熱量的變化及送風是否提前或拖延等信息重新計算蓄熱速率設定曲線；
3.空燃比優化控制器選定蓄熱速率作為優化目標值，並採用一維進退法優化算法實現對空燃比的優化；在恆定煤氣發熱總量條件下，通過增加或減少空氣量，待系統響應後，比較前後工況下的蓄熱速率變化，如果是蓄熱速率變化量增加且顯著，說明這種調整是有益的，繼續按原有的方向調整風量；如果蓄熱速率變化量是減少且顯著，按原有風量調整方向的反方向調整風量；當蓄熱速率變化不明顯時，則停止調整風量，表明當前實際的空燃比即為最佳空燃比。本發明提出的一種高爐熱風爐智能優化控制系統，關鍵點之一在於根據高爐需要的送風總熱量及燒爐時間，基於對熱風爐蓄熱速率特性的匹配，設定一個合理的蓄熱速率設定曲線，並基於熱平衡對蓄熱速率進行在線測量和校正，根據蓄熱速率的要求實現對燒爐階段燃料量的合理控制，並根據拱頂溫度、廢氣溫度上限對所計算出的燃料量進行限制，既充分滿足了高爐對熱風的需要，又能降低了廢氣帶走的熱量損失，同時又能保證設備的安全性。關鍵點之二在於在同等燃料量下，以蓄熱速率作為優化目標值，採用進退法自尋優算法優化空燃比，使得燃料利用率最大，從多個層次保證了裝置的節能。 (4)


附圖為高爐熱風爐智能優化控制系統總體框圖。(5)實施方式 實施例
如附圖所示，蓄熱速率設定器接受冷風溫度信號、來自高爐崗位的負荷信號，包括熱風溫度、熱風流量及換爐時間等信息，計算熱風爐實時蓄熱速率設定值，其輸出連接到蓄熱速率調節器的設定值端；實時蓄熱速率計算器接受來自熱風爐的拱頂溫度、格子磚溫度、廢氣溫度及環境溫度、冷風流量、冷風溫度及熱風溫度、煤氣成分測量信號，計算熱風爐實時蓄熱速率，其輸出連接到蓄熱速率調節器的測量值端，蓄熱速率調節器輸出的物理含義是燃氣流量設定值，該調節器採用PID控制方式，P取值範圍80 120，TI取值範圍200 300，TD取值20 50。拱頂溫度調節器測量值端接受拱頂溫度信號，廢氣溫度調節器測量值端接受廢氣溫度信號，二個調節器設定值端分別為拱頂溫度、廢氣溫度的工藝允許上限值，並都採用PID控制模式，P取值範圍2(Γ50，ΤΙ取值範圍50(T600，TD取值100 150 ;蓄熱速率調節器、拱頂溫度調節器、廢氣溫度調節器三個調節器的輸出連接到選擇器A的輸入端，選擇器A設置為低選器，即三個輸入端最小值作為選擇器A的輸出並連接到選擇器B的輸入端I。實時蓄熱速率計算器的輸出同時連接到空燃比優化控制器的輸入端，該控制器採用進退法優化算法，以實時蓄熱速率作為優化目標值，優化空燃比，空燃比優化控制器輸出端2為優化的空燃比變量，連接到空氣流量設定器輸入端2，實時蓄熱速率計算器輸出端I為在優化時固定的燃氣流量值，該端連接到選擇器B的輸入端2。當空燃比優化控制器運行標誌為ON時，選擇器B的輸出為選擇器B的輸入端2信號，否則選擇器B的輸出為選擇器B的輸入端I信號，選擇器B的輸出端連接到煤氣流量調節器的設定值端，煤氣流量實測值連接到煤氣流量調節器的測量端，煤氣流量調節器採用PID控制模式，其輸出連接到煤氣流量調節閥，，煤氣流量調節器P取值範圍8(Γ120，ΤΙ取值範圍20 30，TD取值O。
煤氣流量測量值、空燃比優化控制器輸出端2、煤氣熱值測量信號分別連接到空氣流量設定器的輸入端1、2、3端，該設定器的1、2、3端變量相乘後作為空氣流量設定器輸出，連接到選擇器C的輸入端1，空燃比優化控制器輸出端3為優化時選定的風量設定值，該端連接到選擇器C的輸入端2，當空燃比優化控制器運行標誌為ON時，選擇器C的輸出為選擇器C的輸入端2信號，否則選擇器C的輸出為選擇器C的輸入端I信號，選擇器C的輸出端連接到空氣流量調節器的設定值端，空氣流量實測值連接到空氣流量調節器的測量值端，空氣流量調節器採用PID控制模式，其輸出連接到空氣流量調節閥，空氣流量調節器P取值範圍80 120，TI取值範圍20 30，TD取值O。I.高爐熱風爐實時蓄熱速率計算器
1)熱風爐蓄熱室平均溫度Tf
Tf = (T1 +T2 +T3+ T4)/4 其中，I；,分別為拱頂溫度，格子磚中段上部溫度，格子磚中段下部溫度及廢氣溫度;
2).高爐熱風爐實時蓄熱速率機理模型
Pug2H
g4 = K*S*(Tf - TJ
其中
為單位時間內反應物帶入的物理熱； g2為單位時間內反應放熱，依據燃料流量、燃料組分、空氣流量及相關化學方程式計
算；
g3為單位時間廢氣帶走的熱量，依據燃料流量、燃料組分、空氣流量及相關化學方程式計算廢氣流量及平均比熱；
g4為單位時間熱風爐散熱損失，K為傳熱係數、j為熱風爐與大氣有熱傳導的總
面積、I；為環境溫度；
3).高爐熱風爐實時蓄熱速率自校正模型
設定4 )為在本次送風階段進行到4時刻熱風爐蓄熱室平均溫度，此時已送出的熱風總熱量為
e* = f Fjfm *% a)—ce -*Te(mdt
其中，P熱風爐送往高爐的瞬時風量，乃(0,7；( ) 分別為送風的熱風，冷風的溫度，Ck，Cs分別為在對應溫度下的熱風，冷風比熱；
設定 2為熱風爐本次燒爐階段蓄熱室平均溫度達到TfCi1)的那一時刻，則熱風爐從時刻到燒爐結束的蓄熱量為
權利要求
1.一種高爐熱風爐智能優化控制系統，其特徵在於本發明設有高爐熱風爐蓄熱速率計算器、蓄熱速率設定器、蓄熱速率調節器、燃氣流量調節器、空燃比優化控制器、空氣流量設定值計算器、空氣流量調節器、拱頂溫度調節器、廢氣溫度調節器、選擇器A、選擇器B、選擇器C、燃料和空氣調節閥及相關的過程參數測量儀表； 基於高爐熱風爐熱量平衡機理模型建立燒爐階段蓄熱速率模型，並以送風階段實際帶走的蓄熱量校正燒爐階段蓄熱速率模型，實現對蓄熱速率的在線計算；根據高爐對送風總熱量的要求、燒爐時間和熱風爐在燒爐階段的蓄熱速率過程特性，自動計算與此相匹配的蓄熱速率設定值，以此構造蓄熱速率調節器； 蓄熱速率調節器、拱頂溫度調節器與廢氣溫度調節器三者輸出之中最小值作為燃料流量調節器的設定值，燃料流量作為測量值，以此構造燃料流量調節器，實時控制燃料流量，其中拱頂溫度調節器與廢氣溫度調節器的設定值為工藝允許的上限值； 以實時蓄熱速率作為優化目標值，採用進退法自尋優算法優化空燃比；根據實際燃料流量、燃料熱值、空燃比，計算空氣流量設定值，空氣流量作為測量值，以此構造空氣流量調節器，實時控制空氣流量。
2.根據權利要求I所述的系統，其特徵在於，高爐熱風爐蓄熱速率計算器工作如下 1)依據蓄熱速率機理模型計算熱風爐實時蓄熱速率 在燒爐階段，單位時間內燃料帶入爐內的物理熱、空氣物理熱與二者反應產生的反應熱之和減去廢氣帶走的熱量，再減去熱風爐散熱損失即為熱風爐蓄熱速率； 2)實時蓄熱速率自校正 依據I)段得到的實時蓄熱速率計算得到的熱風爐蓄熱量與熱風爐實際的蓄熱量的偏差，對機理蓄熱速率模型進行修正，熱風爐實際的蓄熱量可以通過依據送風階段冷風帶走的熱量來計算。
3.根據權利要求I所述的系統，其特徵在於，蓄熱速率設定器計算工作如下 1)依據高爐負荷工況所提出對熱風爐送風的風溫和流量以及燒爐時間的明確要求，並根據冷風溫度，計算燒爐階段總蓄熱量； 2)根據熱風爐蓄熱能力前快後慢的特性，選擇蓄熱速率特性曲線，可選擇線性或非線性函數來表徵熱風爐蓄熱速率特性； 3)根據總蓄熱量和蓄熱速率函數類型，得到蓄熱速率設定曲線函數； 4)蓄熱速率設定值修改計算 在燒爐階段，當高爐工況變化時需要及時對燒爐蓄熱速率進行調整，根據高爐所需空氣總熱量的變化及送風是否提前或拖延等信息重新計算蓄熱速率設定曲線。
4.根據權利要求I所述的系統，其特徵在於，空燃比優化控制器工作如下 選定蓄熱速率作為優化目標值，並採用一維進退法優化算法實現對空燃比的優化；在恆定煤氣發熱總量條件下，通過增加或減少空氣量，待系統響應後，比較前後工況下的蓄熱速率變化，如果是蓄熱速率變化量增加且顯著，說明這種調整是有益的，繼續按原有的方向調整風量；如果蓄熱速率變化量是減少且顯著，按原有風量調整方向的反方向調整風量；當蓄熱速率變化不明顯時，則停止調整風量，表明當前的空燃比即為最佳空燃比。
全文摘要
本發明公開了一種高爐熱風爐智能優化控制系統，涉及高爐煉鐵優化控制技術領域，在保證滿足高爐所需熱風溫度及流量的前提下，降低煤氣消耗，並保證設備安全並延長其使用壽命。其技術特徵在於基於熱量平衡實現對蓄熱速率的在線計算，根據高爐需要的送風總熱量及燒爐時間與熱風爐蓄熱速率特性，設定一個合理的蓄熱速率設定曲線，根據蓄熱速率實時控制燒爐階段的燃料量，並根據拱頂溫度、廢氣溫度工藝允許上限對所計算出的燃料量進行限制，該系統既充分滿足了高爐對熱風的需要，又能降低了廢氣帶走的熱量損失，同時又能保證設備的安全性；此外，以蓄熱速率作為優化目標值，採用進退法自尋優算法優化空燃比，使得燃料利用率最大，從多個層次保證了裝置的節能。
文檔編號C21B9/00GK102912055SQ201210312159
公開日2013年2月6日 申請日期2012年8月29日 優先權日2012年8月29日
發明者於現軍, 高瑞峰, 王志明 申請人:北京和隆優化控制技術有限公司