安鋼2 800 m3高爐熱風(fēng)爐燒爐自動控制系統(tǒng)的改造

周旭朋 梁慶峰 谷 莉 武俊峰

（安陽鋼鐵集團有限責(zé)任公司）

0 引言

目前我國的鋼鐵產(chǎn)量居世界首位，但是我國鋼鐵行業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)整體水平與國外的差距仍然較大，鋼鐵生產(chǎn)綜合能耗比國外高出20%～30%，提高技術(shù)水平、降低生產(chǎn)能耗是鋼鐵行業(yè)急需解決的問題。而高爐熱風(fēng)爐作為鋼鐵生產(chǎn)的重要輔助設(shè)備，其生產(chǎn)技術(shù)水平的高低對鋼鐵生產(chǎn)綜合能耗影響很大。我國一千多家鋼鐵生產(chǎn)企業(yè)中有90%以上的高爐熱風(fēng)爐的燃燒操作都還處在手動操作或單回路自動控制,實現(xiàn)自動燒爐是熱風(fēng)爐自動控制的關(guān)鍵，而如何實現(xiàn)優(yōu)化燃燒、使送風(fēng)溫度更高更平穩(wěn)則是國內(nèi)外業(yè)界人士更為關(guān)心的一個課題。

1 現(xiàn)狀

安鋼2 800 m3高爐熱風(fēng)爐為三座頂燃式熱風(fēng)爐，使用高爐煤氣燃燒，一般情況下拱頂溫度控制在1 310～1 330 ℃之間，廢氣溫度控制在380 ℃，之前一直采用人工操作的方法進行燒爐。然而，人工燒爐存在諸多問題：（1）拱頂溫度波動大。由于煤氣壓力和煤氣熱值的波動，造成在燃燒期間拱頂溫度波動較大。長時間如此，既縮短了熱風(fēng)爐的壽命，又不利于高爐煤氣的節(jié)約。（2）人工勞動強度大。由于受外界因素的影響，熱風(fēng)爐的燃燒需要操作人員頻繁控制，產(chǎn)生了大量重復(fù)勞動。

2 系統(tǒng)優(yōu)勢

安鋼2 800 m3高爐熱風(fēng)爐智能燃燒系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定燒爐時長，采用了自尋優(yōu)及滾動優(yōu)化技術(shù)，自動調(diào)整燒爐過程中的高爐煤氣流量和助燃空氣流量等參數(shù)，使拱頂溫度和廢氣溫度的變化滿足工藝設(shè)定要求，達到降低煤氣消耗的目的。和人工燒爐相比，高爐熱風(fēng)爐智能燃燒系統(tǒng)在節(jié)約煤氣量、保證拱頂溫度穩(wěn)定、廢氣溫度準時燒到目標(biāo)值、降低勞動強度等方面具有顯著的優(yōu)勢。

3 系統(tǒng)架構(gòu)

此次改造新增的智能燃燒系統(tǒng)與原有PLC控制系統(tǒng)間的通訊，采用國際標(biāo)準的TCP/IP通訊協(xié)議，完成兩系統(tǒng)間的雙向數(shù)據(jù)交換。整個系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。

智能燃燒系統(tǒng)上帶有通訊狀態(tài)診斷功能，當(dāng)通訊發(fā)生異常，智能燃燒系統(tǒng)會自動無擾地將控制權(quán)切換回原有PLC控制系統(tǒng)上，并發(fā)出語音報警。

4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

（1）空燃比自尋優(yōu)及滾動尋優(yōu)技術(shù)。實現(xiàn)風(fēng)煤配比的自尋優(yōu)和滾動尋優(yōu)功能，使熱風(fēng)爐燒爐時的風(fēng)煤配比保持最佳，即可以提高拱頂溫度，也可以節(jié)省煤氣用量。

（2）智能軟伺服。對調(diào)節(jié)閥的控制應(yīng)用“智能軟伺服”功能，在實現(xiàn)對被控變量有效控制的同時,最大限度的降低調(diào)節(jié)閥的動作頻率和幅度，提高調(diào)節(jié)閥的壽命。

（3）平衡燒爐。系統(tǒng)根據(jù)幾座熱風(fēng)爐燒爐結(jié)束后的蓄熱能力數(shù)據(jù)，自動調(diào)整下次燒爐煤氣流量的基本設(shè)定值和燒爐時間，進行削峰填谷式的平衡控制，避免出現(xiàn)多座熱風(fēng)爐之間蓄熱存在較大偏差，進而引起送風(fēng)溫度波動較大的問題。

（4）運行信息統(tǒng)計。系統(tǒng)可以科學(xué)、全面地把每座熱風(fēng)爐單次和多次燒爐、送風(fēng)的重要信息進行統(tǒng)計，直接顯示最近三個燒爐周期的詳細統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可以為操作人員了解爐況、指導(dǎo)燒爐提供一定的參考。

（5）故障診斷與容錯控制?；诠收显\斷與容錯控制技術(shù)，克服了在一些關(guān)鍵儀表發(fā)生故障時對優(yōu)化的影響和對操作造成的不安全因素。拱頂溫度、廢氣溫度、煤氣流量、助燃風(fēng)流量等儀表的不準確性不影響優(yōu)化功能的運行。

（6）安全燒爐。系統(tǒng)設(shè)計了諸多燒爐安全防護，用來延長熱風(fēng)爐及相關(guān)設(shè)備的使用壽命。安全防護包括空氣聯(lián)鎖煤氣，拱頂溫度卡邊控制，廢氣溫度卡邊控制，廢氣氧或CO含量聯(lián)鎖限幅控制，智能語音報警功能，通訊故障自動切換功能，安全限幅功能，人工經(jīng)驗與人工智能結(jié)合，一氧化碳與廢氣含氧量協(xié)調(diào)控制等。

5 系統(tǒng)實施

5.1 檢測設(shè)備安裝

根據(jù)前期調(diào)研的情況發(fā)現(xiàn)，安鋼2 800 m3高爐熱風(fēng)爐缺乏CO含量檢測設(shè)備，且原有V錐煤氣流量計的精度太低。為了實時檢測煙道CO含量，確保智能燃燒系統(tǒng)采集的流量數(shù)據(jù)的準確性，為自動燃燒提供精確依據(jù)，分別在熱風(fēng)爐的3個煤氣支管和3個廢氣支管上加裝了3臺插入式流量計和3套CO激光分析儀。這些設(shè)備的安裝，確保了閉環(huán)控制，使燃燒更充分，更有利于節(jié)約煤氣，同時更大程度上保證熱風(fēng)爐燃燒的安全性。

5.2 原有PLC程序和監(jiān)控畫面的修改

為了實現(xiàn)原有PLC控制系統(tǒng)和智能燃燒系統(tǒng)的無擾切換，對原有PLC程序和監(jiān)控畫面進行了相應(yīng)修改。在原有PLC程序中添加了一段切換程序，程序切換到智能燃燒控制系統(tǒng)時，在每個熱風(fēng)爐燃燒期間每隔20 s向原有PLC系統(tǒng)傳輸智能燃燒系統(tǒng)計算出的高爐煤氣流量值和助燃空氣流量值，以達到自動控制燃燒過程的目的。在原有監(jiān)控畫面上添加一個切換畫面（如圖2所示），可實現(xiàn)原有PLC控制系統(tǒng)與智能燃燒系統(tǒng)的切換。

圖2 切換畫面

5.3 智能燃燒系統(tǒng)的開發(fā)

智能燃燒系統(tǒng)的硬件配置由一臺工控機、一個顯示器和一個優(yōu)化站組成，工控機使用三維力控軟件制作智能燃燒系統(tǒng)的監(jiān)控界面，優(yōu)化站集成了ABB的PLC模塊并編制了優(yōu)化控制程序。智能燃燒系統(tǒng)與原有PLC系統(tǒng)通過交換機進行數(shù)據(jù)傳輸。

在拱頂溫度上升期，優(yōu)化控制程序自學(xué)習(xí)歷史最優(yōu)空燃比作為本次燒爐過程的初始設(shè)定值，保持高爐煤氣流量和助燃空氣量不變，持續(xù)燒爐，當(dāng)拱頂溫度達到目標(biāo)溫度值或燃燒時長達到拱頂溫度上升期設(shè)定值時，拱頂溫度上升期結(jié)束，進入廢氣溫度管理期。廢氣溫度管理期占熱風(fēng)爐燃燒周期的大部分時間，在這個階段，程序優(yōu)化維持拱頂溫度不變，通過自動控制合理的廢氣溫升速度，使其在燒爐結(jié)束時剛好達到目標(biāo)溫度。

智能燃燒系統(tǒng)的主操作流程畫面如圖3所示。三座熱風(fēng)爐的全自動優(yōu)化燃燒操作都利用該操作畫面完成，具體包括：（1）基本空燃比（或初始空燃比）的設(shè)定?？梢韵仍O(shè)定一個經(jīng)驗數(shù)，啟動優(yōu)化算法后系統(tǒng)將會自動將該空燃比修改為優(yōu)化空燃比。（2）燃氣閥、空氣閥的手/自動操作。操作人員可以方便地點出軟手操器進行相關(guān)操作，執(zhí)行優(yōu)化操作時，兩個閥的狀態(tài)都必須在“自動”位置。（3）可修改燃燒制度。操作人員可以根據(jù)具體情況隨時修改燃燒制度。（4）有經(jīng)驗的操作人員可以在全自動狀態(tài)下對煤氣、空氣的控制點實施手動干預(yù)，從而達到人工優(yōu)化的效果。（5）可以觀察到熱風(fēng)爐運行與操作的所有動態(tài)參數(shù)。

圖3 主操作流程畫面

5.4 系統(tǒng)調(diào)試

對所有安裝的檢測設(shè)備進行校驗和調(diào)試，修改量程、校對零點。對智能燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化程序的各個初始設(shè)定值、空燃比調(diào)節(jié)參數(shù)值和各個補償值進行不斷地調(diào)試和修改，根據(jù)燒爐狀況的對比得出最優(yōu)空燃比。

5.5 系統(tǒng)測試

測試采取智能燃燒優(yōu)化控制和原PLC控制兩種方式同時間對比，記錄運行過程中的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，然后進行數(shù)據(jù)整理，科學(xué)、公正的分析比較。在熱風(fēng)爐正常運行生產(chǎn)的情況下，人工操作和智能燃燒系統(tǒng)運行相同時間段內(nèi)，對比同爐同時間段同等送風(fēng)溫度下的單位風(fēng)量煤氣消耗。

以節(jié)能率評價運行經(jīng)濟性，節(jié)能率計算公式為：

節(jié)能率=（F手動-F優(yōu)化）/ F手動×100%

F= ΣFm/[（T1ave-T2ave）×ΣFh]

式中：F——單位冷風(fēng)單位溫升下的煤氣消耗量，m3/（℃?m3）。

分別計算被評價高爐熱風(fēng)爐在考核期間的送風(fēng)溫度平均值T1ave、冷風(fēng)溫度的平均值T2ave、所消耗的煤氣量ΣFm、冷風(fēng)流量ΣFh。

采用4+1+4模式進行系統(tǒng)驗收測試，先進行4天的原PLC控制系統(tǒng)燒爐，記錄下相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，計算出原PLC控制系統(tǒng)的煤氣消耗均值，再進行1天的程序切換，然后進行4天的智能燃燒系統(tǒng)優(yōu)化燒爐，記錄下相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，計算出智能燃燒系統(tǒng)的煤氣消耗均值，最后計算出節(jié)能率。

安鋼2 800 m3高爐熱風(fēng)爐2019年5月的測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 安鋼2 800 m3高爐熱風(fēng)爐測試數(shù)據(jù)及節(jié)能率計算

經(jīng)測試，安鋼2 800 m3高爐熱風(fēng)爐智能燃燒系統(tǒng)較人工操作狀態(tài)下風(fēng)煤比控制更佳，在保證拱頂溫度穩(wěn)定、廢氣溫度準時燒到目標(biāo)值的前提下，運行更加平穩(wěn)，節(jié)能效果顯著，同等送風(fēng)溫度的實際節(jié)能率達到5%。

6 應(yīng)用效果

安鋼2 800 m3高爐熱風(fēng)爐燒爐自動控制系統(tǒng)經(jīng)過改造，到目前為止已投用近一年，實現(xiàn)了3座熱風(fēng)爐煤氣、空氣控制回路自動調(diào)整最佳風(fēng)煤比的全自動優(yōu)化運行，熱風(fēng)爐整體運行更加平穩(wěn)，大大降低了操作人員的勞動強度，操作質(zhì)量和安全性能得到了大幅度提高。

智能燃燒系統(tǒng)節(jié)能效果顯著，實際節(jié)能率達到5%，送風(fēng)溫度提高了10 ℃左右，實際系統(tǒng)投用率達到95% 以上。該系統(tǒng)的投用使經(jīng)濟效益顯著提升，2 800 m3高爐熱風(fēng)爐每天大約消耗煤氣量300萬m3，每年大約生產(chǎn)355天，以安鋼高爐煤氣消耗計劃價每立方米煤氣0.06 元計算，一年在煤氣消耗上總共需要花費6 390萬元。按照節(jié)省煤氣5%計算，每年能夠節(jié)約煤氣費用319.5萬元。

7 結(jié)語

安鋼2 800 m3高爐熱風(fēng)爐智能燃燒系統(tǒng)在實現(xiàn)提高送風(fēng)溫度的同時可以降低煤氣消耗，可以為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟效益和良好的社會效益。該技術(shù)對用戶現(xiàn)場儀表要求低，非常適合中國國情，具有很好的推廣價值。