熱風(fēng)爐自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用

邵國利 周旭朋 季雙鳳 王新彥 尹曙昶

(安陽鋼鐵股份有限公司)

熱風(fēng)爐自動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用

邵國利 周旭朋 季雙鳳 王新彥 尹曙昶

(安陽鋼鐵股份有限公司)

主要介紹安鋼2000 m3級熱風(fēng)爐工藝流程和及自動(dòng)控制系統(tǒng),并著重闡述了熱風(fēng)爐燃燒過程的串級控制部分,使煤氣在爐內(nèi)能充分燃燒,提高燃燒效率,節(jié)省了能源,減少了大氣的污染、保護(hù)了環(huán)境。

熱風(fēng)爐 工藝流程 串級燃燒控制

0 前言

高爐熱風(fēng)爐是給高爐燃燒提供熱風(fēng)以助燃的設(shè)備,是一種儲熱型熱交換器。國內(nèi)大部分高爐均采用每座高爐帶3至4臺熱風(fēng)爐并聯(lián)輪流送風(fēng)方式,保證任何瞬時(shí)都有一座熱風(fēng)爐給高爐送風(fēng),而每座熱風(fēng)爐都按:燃燒—燜爐—送風(fēng)—燜爐—燃燒的順序循環(huán)生產(chǎn)。當(dāng)一座或多座熱風(fēng)爐送風(fēng)時(shí),另外的熱風(fēng)爐處于燃燒或燜爐狀態(tài)。送風(fēng)中的熱風(fēng)爐溫度降低后,處于燜爐狀態(tài)的熱風(fēng)爐轉(zhuǎn)入送風(fēng)狀態(tài),原來送風(fēng)熱風(fēng)爐轉(zhuǎn)入燃燒狀態(tài)、蓄熱直至溫度達(dá)到要求后,轉(zhuǎn)入燜爐狀態(tài)等待下一次送風(fēng)。

熱風(fēng)爐燃燒過程是一個(gè)非線性、反應(yīng)嚴(yán)重滯后的系統(tǒng),影響熱風(fēng)爐燃燒的因素很多,并且各種因素相互牽制,因此導(dǎo)致它的控制過程非常復(fù)雜,很難用精確的數(shù)學(xué)模型描述。為了在規(guī)定的燃燒時(shí)間內(nèi),按照溫升曲線完成對熱風(fēng)爐的加熱,并且達(dá)到低污染、高效率的要求,熱風(fēng)爐燃燒需要助燃空氣與煤氣量的精確控制。即控制助燃空氣與煤氣的流量,使二者按照一定的空燃比完全燃燒,用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行控制,很難實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的平穩(wěn)性和可靠性。使用多種控制技術(shù),合理優(yōu)化控制,使煤氣在爐內(nèi)能充分燃燒是一項(xiàng)技術(shù)難題。

1 熱風(fēng)爐工藝流程

熱風(fēng)爐爐內(nèi)砌有許多格子磚,對熱風(fēng)爐的加熱,也就是加熱這些格子磚。在加熱期間,也被稱為"燃燒"狀態(tài),煤氣和大量的助燃空氣混合燃燒,使熱風(fēng)爐格子磚加熱,廢氣從熱風(fēng)爐煙道排出。當(dāng)熱風(fēng)爐被加熱到一定溫度時(shí),結(jié)束燃燒狀態(tài),然后準(zhǔn)備向高爐提供熱風(fēng),也就是準(zhǔn)備換到“送風(fēng)”狀態(tài)。在送風(fēng)期間,冷風(fēng)通過格子磚,磚的熱量傳遞給流過的空氣,被加熱的空氣也稱作熱風(fēng),通過管道送入高爐給高爐供熱風(fēng)。三個(gè)熱風(fēng)爐交替連續(xù)不斷給高爐提供熱風(fēng),保持高爐的連續(xù)生產(chǎn)。

1.1 熱風(fēng)爐的工作狀態(tài)

熱風(fēng)爐主要有三種工作狀態(tài):即燃燒狀態(tài)、送風(fēng)狀態(tài)和燜爐工作狀態(tài)。

1)熱風(fēng)爐燃燒狀態(tài)。熱風(fēng)爐處于燃燒狀態(tài)時(shí),通過熱風(fēng)爐煤氣管道和助燃空氣管道向熱風(fēng)爐送入高爐煤氣和助燃空氣,高爐煤氣和助燃空氣燃燒產(chǎn)生熱量使熱風(fēng)爐蓄熱;熱風(fēng)爐處于燃燒狀態(tài)時(shí),其廢氣閥、煙道閥、助燃空氣燃燒閥、高爐煤氣燃燒閥、高爐煤氣切斷閥等閥均處于開啟狀態(tài),其它各閥 (切斷閥)均處于關(guān)閉狀態(tài)。

2)熱風(fēng)爐送風(fēng)狀態(tài)。熱風(fēng)爐處于送風(fēng)狀態(tài)時(shí),向燃燒結(jié)束蓄有一定熱量的熱風(fēng)爐送入冷風(fēng),冷風(fēng)經(jīng)熱風(fēng)爐加熱后再送入高爐。熱風(fēng)爐處于送風(fēng)狀態(tài)時(shí),其冷風(fēng)閥、熱風(fēng)閥處于開啟狀態(tài),其它各閥 (切斷閥)均處于關(guān)閉狀態(tài)。

3)熱風(fēng)爐燜爐狀態(tài)。熱風(fēng)爐處于燜爐狀態(tài)時(shí),為保持溫度,熱風(fēng)爐所有的閥門均處于關(guān)閉狀態(tài)。

1.2 熱風(fēng)爐工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換

熱風(fēng)爐處于上述三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程定義為換爐過程。在熱風(fēng)爐的操作過程中最基本的工作過程是換爐。換爐時(shí),應(yīng)保證整個(gè)熱風(fēng)爐系統(tǒng)不間斷的向高爐送風(fēng),并應(yīng)盡量使進(jìn)入高爐的風(fēng)量、風(fēng)壓波動(dòng)很小,還要注意煤氣安全。熱風(fēng)爐工作狀態(tài)改變周期順序如圖1所示。

圖1 熱風(fēng)爐工作狀態(tài)

2 自動(dòng)控制系統(tǒng)組成及換爐控制方式

2.1 自動(dòng)控制系統(tǒng)組成

熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)是高爐自動(dòng)化中的基礎(chǔ)自動(dòng)化子系統(tǒng),采用MOD I CON公司的 UN ITY系列 PLC可編程控制器,完成順序控制和回路控制。采用工業(yè)以太網(wǎng)和OS監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行控制和監(jiān)控。熱風(fēng)爐自動(dòng)控制系統(tǒng)由儀控和電控兩部分組成。儀控主要完成工藝生產(chǎn)過程參數(shù)檢測、各種切斷閥的動(dòng)作聯(lián)鎖過程控制、各種調(diào)節(jié)閥的自動(dòng)調(diào)節(jié)控制。電控主要完成熱風(fēng)爐各種設(shè)備的電氣過程控制。UN ITY系列可編程控制器實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、體積小且堅(jiān)固耐用,具有處理復(fù)雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算、存儲及查詢等功能,能夠滿足工藝要求進(jìn)行邏輯控制和算法控制。

2.2 換爐控制方式

熱風(fēng)爐換爐方式包括“全自動(dòng)”(整個(gè)換爐過程全自動(dòng)進(jìn)行)、“單爐自動(dòng)”(對單個(gè)熱風(fēng)爐進(jìn)行換爐操作,單爐閥門按聯(lián)鎖關(guān)系自動(dòng)執(zhí)行)、“單爐手動(dòng)”(對單個(gè)閥進(jìn)行操作,閥門之間保持聯(lián)鎖)、“機(jī)旁手動(dòng)”(現(xiàn)場操作箱操作,各閥門之間沒有聯(lián)鎖)等四種操作方式。

2.2.1 全自動(dòng)操作方式

在三座熱風(fēng)爐同時(shí)工作時(shí),選擇兩燒一送工作方式,控制程序按設(shè)定換爐時(shí)間,自動(dòng)給出換爐提示,在得到應(yīng)答后完成換爐過程。由“燃燒”轉(zhuǎn)為“送風(fēng)”各閥門的動(dòng)作順序?yàn)?關(guān)閉煤氣、空氣切斷閥和燃燒閥→延時(shí)若干秒后關(guān)閉煙道閥 (至此各閥關(guān)閉而轉(zhuǎn)入“閥爐狀態(tài)”)→開啟冷風(fēng)旁通閥 (進(jìn)入灌入冷風(fēng))→延時(shí)若干秒后開啟熱風(fēng)閥→打開冷風(fēng)閥→關(guān)閉冷風(fēng)旁通閥;由“送風(fēng)”轉(zhuǎn)入“燃燒”各閥門的動(dòng)作的順序?yàn)?關(guān)冷風(fēng)閥→關(guān)熱風(fēng)閥→開廢氣閥 (放去爐內(nèi)殘留廢氣)→延時(shí)若干秒均壓后開煙道閥→關(guān)廢氣閥→開煤氣切斷閥、燃燒閥 (煤氣調(diào)節(jié)閥微開若干秒,點(diǎn)火后全開)→開空氣燃燒閥。

2.2.2 單爐自動(dòng)操作

根據(jù)熱風(fēng)爐當(dāng)前工作狀態(tài)人為選擇其要轉(zhuǎn)換的工作狀態(tài)。例如:燜爐→燃燒、燃燒→燜爐,燜爐→送風(fēng),送風(fēng)→燜爐、進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換,各閥門按聯(lián)鎖關(guān)系動(dòng)作。

2.2.3 單爐手動(dòng)

根據(jù)熱風(fēng)爐當(dāng)前的工作狀態(tài)人為選擇要轉(zhuǎn)換的工作狀態(tài),在操作站上對單個(gè)閥門進(jìn)行開、關(guān)操作,各個(gè)閥門的開、關(guān)保持聯(lián)鎖關(guān)系。

2.2.4 機(jī)旁手動(dòng)

使用現(xiàn)場控制箱上的按鈕,對單個(gè)閥門操作,各閥門之間沒有聯(lián)鎖關(guān)系,供設(shè)備檢修、緊急情況下使用。

3 熱風(fēng)爐燃燒過程串級控制

3.1 熱風(fēng)爐燃燒過程

熱風(fēng)爐燃燒所用的燃料為高爐煤氣,燃料進(jìn)入熱風(fēng)爐燃燒室后,與助燃空氣一起通過燒嘴進(jìn)行燃燒。熱風(fēng)爐的燃燒時(shí)間約為110min左右。燃燒時(shí)爐體溫度達(dá)1050℃,拱頂溫度最高不得超過1350℃。熱風(fēng)爐燃燒控制通過調(diào)節(jié)煤氣和助燃空氣流量以及兩者之間的比值 (空燃比)來實(shí)現(xiàn)。

熱風(fēng)爐燃燒過程分為加熱期和蓄熱期 (如圖2所示)。在加熱期內(nèi),在限定燃燒時(shí)間和熱風(fēng)爐拱頂溫度后,應(yīng)盡量縮短達(dá)到規(guī)定拱頂溫度的時(shí)間,即縮短加熱期,這樣可以延長蓄熱期,增加熱風(fēng)爐內(nèi)存儲的熱量,降低送風(fēng)時(shí)風(fēng)溫的波動(dòng)。在蓄熱期內(nèi),除了要保證拱頂溫度不發(fā)生大的變化,還要考慮廢氣的溫度。熱風(fēng)爐廢氣溫度不能超過規(guī)定的界限(350℃),否則爐篦子支柱將被損壞,降低爐體壽命。增加熱損失。目前降低廢氣溫度的主要方法是減少煤氣量,而煤氣量的減少會導(dǎo)致拱頂溫度下降、熱風(fēng)爐蓄熱量降低。如何既能獲得更多的蓄熱量,又能保持廢氣溫度在規(guī)定界限內(nèi)是熱風(fēng)爐控制的關(guān)鍵問題,采用串級控制燃燒過程,可以很好地解決這一技術(shù)問題。

圖2 熱風(fēng)爐燃燒過程

3.2 串級控制系統(tǒng)

3.2.1 串級控制系統(tǒng)原理及優(yōu)點(diǎn)

串級控制系統(tǒng)是一種復(fù)雜的控制系統(tǒng),它是由兩個(gè)或兩個(gè)以上的控制器串聯(lián)組成,一個(gè)控制器的輸出作為另一個(gè)控制器的設(shè)定值,在結(jié)構(gòu)上形成兩個(gè)環(huán) (如圖3所示),里面的環(huán)起粗調(diào)作用,外面的環(huán)用來完成細(xì)調(diào)任務(wù)。在熱風(fēng)爐燃燒控制過程,用溫度控制器的輸出信號作為煤氣流量控制的設(shè)定值,在煤氣控制回路中引入溫度串級控制,通過選定爐頂溫度為被控參數(shù),可以使熱風(fēng)爐根據(jù)設(shè)定的溫度曲線來控制煤氣流量,實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐的爐頂溫度控制。

圖3 串級控制系統(tǒng)方框圖

采用串級控制可以迅速消除副控制器回路中進(jìn)入的擾動(dòng)影響,例如煤氣流量的變化以及熱值的變化。當(dāng)干擾來自煤氣流量的變化時(shí),其工作過程為:初始階段,爐頂溫度不變,溫度控制器的輸出不變,流量控制器就按照變化了的測量值與沒有變化的設(shè)定值之差進(jìn)行控制,改變調(diào)節(jié)閥的原有開度,煤氣流量向原來的設(shè)定值靠近。當(dāng)爐頂溫度發(fā)生變化時(shí),溫度控制器不斷改變著流量控制器的設(shè)定值,流量控制器就按照測量值與變化了的設(shè)定值之差進(jìn)行控制,直到爐頂溫度重新恢復(fù)到設(shè)定值。當(dāng)干擾來自煤氣的熱值方面,使?fàn)t出口溫度升高時(shí),其工作過程為:爐頂溫度升高→溫度控制器輸出降低→流量控制器設(shè)定值降低,使煤氣流量為適應(yīng)溫度控制的需要而不斷變化。

3.2.2 串級燃燒控制過程

在燃燒初期,為了保證空氣先行,需給空氣流量調(diào)節(jié)閥一個(gè)初期開度。同時(shí)為避免燃燒一開始,就有大量的煤氣流量產(chǎn)生,需給煤氣流量調(diào)節(jié)閥一個(gè)初期開度,即煤氣流量串級調(diào)節(jié)、空氣流量串級調(diào)節(jié)均選擇煤氣初期開度設(shè)定值及空氣初期開度設(shè)定值,同時(shí)將廢氣溫度串級調(diào)節(jié)、爐頂溫度串級調(diào)節(jié)設(shè)為手動(dòng)。拱頂溫度開始迅速上升,當(dāng)檢測拱頂溫度上升到接近要求溫度時(shí),將爐頂溫度串級調(diào)節(jié)置成自動(dòng),檢測到的煤氣流量經(jīng)串級調(diào)節(jié)單元輸出后乘以空燃比,從而獲得空氣流量設(shè)定值。在空氣流量調(diào)節(jié)單元內(nèi),空氣流量設(shè)定值與檢測到的空氣流量實(shí)際值進(jìn)行比較,從而決定空氣流量調(diào)節(jié)閥的大小。當(dāng)進(jìn)入蓄熱期后,將廢氣溫度串級調(diào)節(jié)設(shè)為自動(dòng),獲得煤氣流量給定值,與檢測到的煤氣流量進(jìn)行比較,從而決定煤氣流量調(diào)節(jié)閥的大小。在燃燒期內(nèi),控制的主要目標(biāo)是維持拱頂溫度在設(shè)定范圍內(nèi),在蓄熱期內(nèi),控制的主要目標(biāo)變?yōu)閺U氣溫度,通過調(diào)節(jié)煤氣流量的大小使廢氣溫度控制在350℃內(nèi)。

3.2.3 串級控制參數(shù)整定方法

二步整定法分兩步對串級控制系統(tǒng)主、副控制器進(jìn)行參數(shù)整定。副控制器回路的要求一般較低,通常采用先副后主的步驟。先將主控制器的輸出斷開,切入手動(dòng)位置,對副控制器單獨(dú)進(jìn)行參數(shù)整定,方法與簡單控制系統(tǒng)類似,然后再將主控制器的輸出接通,切入自動(dòng)位置,對主控制器進(jìn)行參數(shù)整定,方法也與簡單控制系統(tǒng)類似。必要時(shí)可對副控制器參數(shù)再作調(diào)整,反復(fù)進(jìn)行。一步整定法是一種較簡捷的整定方法。副控制器構(gòu)成回路的控制要求不高,可根據(jù)一些經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則確定副控制器的參數(shù)值,因而只需像簡單控制系統(tǒng)一樣對主控制器參數(shù)進(jìn)行整定。

4 應(yīng)用效果

串級燃燒控制技術(shù)在2000 m3級高爐熱風(fēng)爐上的應(yīng)用,有效的控制熱風(fēng)爐燃燒,使熱風(fēng)爐既能充分蓄熱,達(dá)到了最佳燃燒效率,確保向高爐送風(fēng)的溫度和時(shí)間,又能最大限度的減少能源消耗,防止熱風(fēng)爐拱頂過燒,延長熱風(fēng)爐壽命,從根本上解決了熱風(fēng)爐非線性、反應(yīng)嚴(yán)重滯后,燃燒控制困難的技術(shù)難題。

5 結(jié)語

安鋼2000 m3級高爐熱風(fēng)爐自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用串級控制技術(shù),優(yōu)化了燃燒控制方案,通過串級燃燒控制調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控溫,保證了空氣、煤氣的入爐最佳比例,使煤氣充分燃燒、高效供熱,避免了能源浪費(fèi),減小了環(huán)境污染。提高了生產(chǎn)效率。

[1]何衍慶.工業(yè)生產(chǎn)過程控制.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004:65-68.

[2]田濤.過程計(jì)算機(jī)控制及先進(jìn)控制策略的實(shí)現(xiàn).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2007:79-81.

UTOMATI ON CONTROL TECHNOLOGY APPL ICATI ON OF HOT STOVE

Shao Guoli Zhou Xupeng Ji Shuaogfeng Wang Xinyan Yin Shuchang
(Anyang Iron﹠Steel Stock Co.,Ltd)

The papermainly introduced the process and automation control system of2000 m3hot stove and cascade combustion control.It can make sufficient combustion,rise combustion efficiency,save energy,decrease pollution.

hot stove process cascade combustion control

2010—3—27