（控制理论与控制工程专业论文）高炉热风炉燃烧过程智能优化控制策略及应用研究.pdf

摘要 高炉热风炉燃烧过程是一种复杂的工业过程，具有多变量、非线 性、大时滞、时变、难以建立数学模型等控制难点。空燃比是影响热 风炉燃烧过程的重要工艺参数，如何确定合适的煤气流量和空气流 量，保证热风炉的蓄热效率，使热风炉处于最优的燃烧状态，是热风 炉燃烧控制的关键性问题。 本文针对国内钢铁企业热风炉送风风温不高、燃烧煤气热值低、 缺乏检测设备的普遍现状，在充分分析热风炉燃烧过程拱顶温度和空 燃比关系基础上，提出一种基于专家协调控制的模糊控制算法对空燃 比进行智能寻优。其中，模糊控制器对空燃比进行模糊寻优，专家控 制器给出相应的补偿控制量协调模糊控制输出，实现了专家模糊控制 算法在热风炉燃烧过程中的空燃比寻优，取得较好的寻优效果。同时， 通过分析热风炉内气体流动的特点，针对不同的工况，采用模糊控制 和专家控制相结合的方式，建立调节阀开度与煤气流量之间的关系模 型，实时优化控制煤气流量和空气流量跟随空燃比和煤气流量的优化 设定值，使热风炉处于最佳燃烧状态。 在w i n c c 组态软件的操作平台下，以v c + + 为开发工具，设计 开发了高炉热风炉燃烧过程智能优化控制软件。运行结果表明，所提 出的控制方案在实际应用中取得了较好的控制效果，提高了热风炉蓄 热量和蓄热效率，降低了高炉焦比和热风炉煤气消耗，同时大大减轻 了工人的劳动强度，为热风炉燃烧过程的优化控制提供了一种有效的 途径。 关键词：热风炉，燃烧，空燃比，模糊控制，专家控制 a b s t r a c t t h eh o t b l a s ts t o v eb u m i n gp r o c e s si sac o m p l e xi n d u s t r i a lp r o c e s s t h ef e a t u r e so fm u l t i v a r i a b l e ，n o n l i n e a r t y , l a r g et i m e d e l a y , c h a n g e a b l e p a r a m e t e r s ，a n dh a r di nm o d e l i n ga r et h em a j o rc o n t r o lc h a l l e n g e si n c o n t r o lo ft h eh o t b l a s ts t o v eb u r n i n gp r o c e s s t h er a t i ob e t w e e na i rf l u x a n dc o a l - g a sf l u xi st h ek e yf a c t o ra f f e c t i n gt h eb u r n i n gp r o c e s s i ti st h e k e yp r o b l e mt os e tu pp r o p e rc o a l g a sf l u xa n da i rf l u xt oe n s u r et h e h o t - b l a s ts t o v eb u r n i n ge f f i c i e n c y i nv i e wo ft h es t a t et h a tt h eh o t b l a s ts t o v e p r o v i d i n g 1 0 w t e m p e r a t u r eb l a s ta i r , b u r n i n gb l a s tf u r n a c ec o a l g a sa n dl a c k i n gs e n s o r s i ni r o n & s t e e lc o r p o r a t i o no fo u rc o u n t r y , a n a l y z i n gt h er e l a t i o nb e t w e e n t h ec h a n g eo ft h e t e m p e r a t u r e a tt h ev a u l to fh o t b l a s ts t o v ea n d o p t i m i z i n ga i r c o a l - g a s ，a n a l y z i n gt h er e l a t i o nb e t w e e nt h ec h a n g eo ft h e t e m p e r a t u r eo ft h eg a sa n do p t i m i z i n gc o a l g a sf l u x ，ac o n t r o la r i t h m e t i c f o rt h ec o m b u s t i o ns y s t e mi nh o t - b l a s ts t o v ew a sd e v e l o p e db a s e do n f u z z yc o n t r o la n de x p e r tc o n t r o lt oo p t i m i z et h ee n a c t m e n to fc o a l - g a s f l u xa n da i rf l u x t h r o u g hp r o f o u n dr e s e a r c ho nt h ec h a r a c t e r so fg a s f l o w i n gi nh o t - b l a s ts t o v e ，ae x p e r ta n df u z z yc o n t r o lm o d e lb a s e do nt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ev a l v ee x e c u t i n ga n dt h eg a sf l u xi se s t a b l i s h e dt o a d j u s tv a l v ee x e c u t i n gw h e n t h eg a sf l u xv a r i e s s ot h a t ，h o t b l a s tc a nb e m a i n t a i n e dt h eo p t i m a lb u m i n gp r o c e s s i nt h i sp a p e qt h ei n t e l l i g e n to p t i m i z a t i o nc o n t r o lo ff l u et e m p e r a t u r e i si m p l e m e n t e dw i t hv c + + a si t s d e v e l o p m e n tt 0 0 1o nt h ep l a t f o r mo f w i n c c t h er e s u l to fr e a l t i m ec o n t r o ip r o v e st h a tt h ea l g o r i t h mi s h i g h - p e r f o r m a n c e t h er e s u l t so fp r a c t i c a la p p l i c a t i o nh a v ep r o v e dt h a t t h em o d e lc a nb eu s e di nt h ec o m b u s t i o np r o c e s so fa u t o m a t i o nc o n t r 0 1 t h en e ws y s t e mi sa b l et oe n h a n c et h eh e a t t r a n s f e re f f i c i e n c y , e c o n o m i z e t h ee n e r g ya n dt h eo p e r a t i n gp r o c e d u r e i naw o r d ，i t p r o v i d e sa n e 硒c i e n tm e t h o df o rt h e o p t i m i z a t i o n c o n t r o li nt h eh o t b l a s ts t o v e b u m i n gp r o c e s s k e yw o r d s ：h o t b l a s ts t o v e ，b u m i n g ，t h e r a t i ob e t w e e na i rf l u xa n d c o a l g a sf l u x ，f u z z yc o n t r o l ，e x p e r tc o n t r o l 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。论文主要是自己的研究所得，除了已注明的地 方外，不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的 同志对本研究所作的贡献，己在论文的致谢语中作了说明。 储躲垦塑塾嗍谴年月卫日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位 论文；学校可根据国家或湖南省有关部门的规定，送交学位论文。对 以上规定中的任何一项，本人表示同意，并愿意提供使用。 储魏塑翩繇必期：速年月鱼日 中南大学硕士学泣论文 第一章绪仑 第一章绪论 在钢铁企业中，热风炉是高炉炼铁生产中的重要设备之一，它为高炉提供高 温热风。多年的生产实践证明，提高风温是高炉炼铁过程中提高利用系数、降 低焦比和提高喷煤量的一项行之有效的措施【2 1 。优化热风炉燃烧过程的操作，可 以提高热风炉的热效率和送风温度，降低单位热风能耗，延长热风炉使用寿命， 对于高炉炼铁生产有很大的现实意义。 1 1 研究背景与意义 热风炉所提供的风温不高成为制约我国钢铁企业发展的重大瓶颈即1 ，如表 1 一l 所示2 0 0 4 年，全国5 4 个重点大中钢铁企业高炉平均风温达1 0 8 l ，超过1 1 0 0 的只有宝钢、包钢、梅山、攀钢、新兴铸管5 个企业。有1 9 个企业的风温不足 1 0 0 0 。c 。被调查的1 3 3 座高炉，风温超过1 2 0 04 c 只有9 座，超过1 1 0 0 。c 只有3 4 座， 低于1 0 0 0 。c 有2 4 座。总体来漫，大高炉风温水平高于中小型高炉。如果高炉风温 要超过l 1 0 0 。c ，则我国有9 0 的企业的7 0 的高炉尚有待于进步努力 “。 表1 1国内钢铁企业热风炉风温现状统计表 研究我国热风炉的现状，了解进一步提高风温存在的障碍以及寻找相应的对 策是当前人们十分关注的课题。提高风温和以下几个方面密切相关： ( 1 ) 高炉热风炉的蓄热面积。我国8 0 以上的高炉单位蓄热面积都达8 0 m 2 以上，只有不到1 0 的高炉小于7 0m 2 ，说明我国大部分热风炉的蓄热面积是可 以满足生产需要的【4 】。 ( 2 ) 燃烧煤气的种类。我国高炉热风炉8 0 以上使用低热值高炉煤气。只 自币剑1 6 7 匙j a , d 、燃烧煤l 中加人 7 高热值i y j ，, j , i d 燥l l ：u 转炉燥气【i l j a i ( 3 ) 气体预热装置。我国高炉有4 6 的热风炉无预热装置。只有2 6 的高 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 炉热风炉实现了双预热h 】。 综上所述，我国钢铁企业风温不高受限于热风炉燃烧热值较低的高炉煤气、 缺乏气体预热设备以及拱顶温度不高三个方面。其中，改造煤气热值低和增加预 热设备需要大量的资金和成本投入，不符合中国钢铁企业的实际情况，而从燃烧 控制优化的角度来提高拱顶温度是提高热风炉风温切实可行的措施，适用于中国 钢铁企业的发展需要。 提高热风温度是高炉增加喷煤量和降低燃料比的重要措施之一，也是降低生 铁成本、降低能耗和减小污染的有效手段。高炉炼铁过程中，热风炉来加热所鼓 入高炉的风，高风温是高炉炼铁技术进步的重要标志之一，其重要意义在于： ( 1 ) 可大幅度降低炼铁焦化，风温提高1 0 0 c ，可提高高炉风口区理论燃烧 温度2 0 3 0 。c ，可降低高炉燃料比2 0 3 0 k t ，可允许多喷吹煤粉1 5 k g t ( 2 ) 可显著地提高高炉生铁产量，因为高炉利用系数= 冶炼强度焦比，在 焦比降低时利用系数会提高： ( 3 ) 风温的提高可以实现大喷煤，即允许喷吹煤粉替代昂贵的焦炭，进而 取得可观的经济效益。 在炼铁生产过程中，伴随产生了大量的高炉煤气，由于高炉煤气量随高炉炉 况的变化而改变，高炉煤气管道中的煤气压力和煤气成分也不断的变化，使得热 风炉燃烧过程煤气流量和空燃比发生变化，导致煤气流量和空燃比无法保持在最 优状态，影响到热风炉燃烧过程的蓄热量和蓄热效率，并且造成煤气的浪费和环 境的污染。由此可见，实时优化空燃比设定、实现热风炉燃烧过程智能优化控制 在炼铁生产过程中有着十分重要的意义。由于热风炉加热燃烧系统是具有高度非 线性、时变特性、扰动变化激烈且幅值大的多变量系统，而且难以建立其精确的 数学模型【5 】，采用传统的经典控制手段是难以达到控制要求，必须采用新型的智 能优化控制方法来解决这一问题。 因此，针对热风炉加热燃烧过程控制的特性，研究燃烧过程智能优化控制策 略，应用于热风炉燃烧过程控制系统中，保持空燃比的实时优化控制，保证热风 炉燃烧过程高效、节能和稳定，为提高风温打下基础。 1 2 国内外研究现状 实现煤气的合理燃烧，才能将其能量充分利用，热风炉才有可能在消耗同样 煤气量情况下，蓄到更多的热量，为提高送风温度创造条件。由于高炉的操作或 炉况等种种原因，造成煤气压力不稳定，煤气热值也往往存在波动，因而热风炉 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 燃烧控制是热风炉最难、最关键的控制环节之一，燃烧控制的好坏将直接影响到 热风炉的拱顶温度及燃烧的热效率。 目前，国内外热风炉的燃烧控制主要有传统控制方式、数学模型方式、人工 智能方式3 种。 ( 1 ) 热风炉传统控制方式 传统的热风炉燃烧控制方法中，有比例极值调节法、烟气氧含量串级比例控 制法等。 比例极值调节法是在烧炉时依靠操作者的经验预先设定一个空燃比，然后以 拱顶温度为信号，改变空气和煤气比例进行搜索，寻找拱顶温度上升速率最快或 合适的值，即用极值的方法来获得空气、煤气的最佳配比值。国内很多企业曾经 或者仍然在采用这种烧炉方法 6 7 1 , 由操作者根据经验来手动改变燃烧的空燃比 ( 或空气过剩系数) 。此种方法对检测点要求不多，但并不能在煤气热值变化的时 候及时改变空燃比，不容易实现热风炉的最佳燃烧。 烟气氧含量串级比例控制法是以比例调节作为粗调，以烟气中氧气含量反馈 控制作为细调，对空气、煤气量进行控制，使烟气残氧量处于或接近于按照经验 预先确定好的目标值，使得燃料最充分的利用。当热风炉废气中可燃物的质量分 数为o 2 o 4 ，氧的质量分数为o 2 o 8 时，燃烧比较合适。当废气氧含量大时， 认为空气过剩，则减小空燃比，当废气氧含量小时，认为空气量不足，则增大空 燃比。烟气氧含量串级比例控制法能够实现热风炉的较合理的燃烧，但由于测氧 仪表寿命有限，加上管理及维护的不到位，很多企业的测氧仪表不能长期稳定的 工作，因此，这种方法应用效果不太理想。 ( 2 ) 热风炉数学模型方式 数模法的关键在于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使空气、煤气配比最合理，而且 能够对燃烧速率进行控制，使燃料的流量最佳化，大大地提高了炉子的效率。 日本在1 9 7 4 年就发表了关于热风炉数模法控制的专利，该法除对热风炉进行 了精确的热平衡计算外，最大的特点是依据半经验公式求出了热风炉的“热焓”。 由于该模型可随时反映炉子的热状态，故操作者可依据高炉生产的需要，使热风 炉随时满足高炉对风温的要求。最近几年，国外在热风炉学模型开发及应用上仍 有新的进展。2 0 世纪8 0 年代中期，国内宝钢等企业的几座高炉的热风炉开始相继 采用数模法控制燃烧，从其应用实践来看，用数学模型控制热风炉燃烧及有关操 作制度，选择合理的热工参数，及时调整控制变量，可以达到节约能源、提高风 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 温的效果。 日本川崎钢铁公司千叶厂五号高炉热风炉的优化系统 8 】。它包括热水准管 理、热风炉自动换炉优化、拱顶温度和废气温度管理。热水准管理就是送风炉热 水准达到零时自动换炉，以节约燃料及提高热风炉效率。由于热水准计算较为复 杂，故以先送风的炉子的冷风调节阀开到某一角度时作为零值，即如果不进行换 炉，热风温度就不足以维持在规定值上。热风炉是定时换炉的，时间设定得在换 炉时热水准应为零，由于到达热水准为零的时间与送风温度和送风量有关，故按 此而算出所需的设定时间，并考虑切换几个周期以后进行修正。它是通过修正投 入燃料量数值来使换炉时热水准为零。拱顶温度管理是为了保护热风炉拱顶砌体 和强化加热过程，其方法是：在加热开始，即拱顶温度未达到上限时，以最合适 的空燃比使燃烧温度最高，以使拱顶温度迅速升到规定值，此后逐步改变超量空 气系数以使拱顶温度不超过规定值。废气温度太高将表征热效率下降和对格子砖 支承的金属会被烧坏，因此废气温度达到上限时就应停止加热( 即所谓闷炉等待 送风) ，故需进行废气温度管理，其方法是：观察测得的废气温度上升曲线的外 延趋势，如果未到换炉时间就己达到上限( 均为计算得出) ，就应改变燃料量使 废气温度上升曲线减缓而正好在换炉时刻达到燃烧终点。 德国西门子公司的热风炉优化数学模型【9 j 。它有一个所谓“热流计算模型”， 其原理是在保证安全的基础上取得最高效率。热风炉的操作中，在所需风温和风 量的条件下，用多大煤气量加热，什么时间换炉才能获得最高效率和最经济的指 标是其主要目标。该数学模型是首先把热风炉的全部热损失，包括表面、换炉和 废气的热损失计算出来，再列出热风炉的工作循环式，最后求出每个循环的效率， 经一定的计算公式，求出最佳加热用煤气流量。 热风炉数学模型有多种，各公司观点不尽相同，但总的一点是要使送风的炉 子加热到规定能量的水准而设定所需的煤气流量以获得最经济的条件f l o 】。实现热 风炉的燃烧最优控制，数模法有其严密、科学优势，能根据各燃烧阶段的不同特 点对整个燃烧过程进行合理的控制，并能将换炉、送风结合为一体，实现全闭环 自动控制。其缺点是检测点多、投资大，在生产条件不够稳定、装备水平较低的 热风炉中不容易实现，因此限制了模型方法的广泛应用。 ( 3 ) 热风炉人工智能方式 热风炉是一个具有本质非线性、大滞后、慢时变特性的复杂被控对象，随着 燃烧工作环境的变化其特性也在不断发生变化，要准确地掌握热风炉的运行状态 是很困难的。近年来，国内外都在致力于热风炉的智能控制研究。如日本川崎钢 铁公司开发了模糊控制系统，新日铁则使用专家系统。国内在热风炉智能控制的 中南大学硕：b 学位论文 第一章绪论 研究也取得了一定进展，如模糊控制技术、专家控制系统、遗传算法优化技术、 神经元网络技术、基于规则的仿人智能控制技术等智能控制等，有些技术已经从 实验模拟阶段发展到了工程化和实用化的阶段。 模糊控制的优点是不必建立被控系统的数学模型，它能将操作者或专家的控 制经验和知识表示成语言变量描述的控制规则，然后用这些规则去控制系统，给 出短期的控制信号，具有较强的鲁棒性。正是由于模糊控制的优点，对于热风炉 这种复杂被控对象，模糊控制逐渐显现出了优越性，尤其在设备配置水平较低的 中小型高炉有很强的应用性。模糊控制可以基于很少的检测点，甚至只需要拱顶 及废气的温度信号，即可实现较好的控制。 从2 0 个世纪8 0 年代后期，模糊控制技术开始成功地应用于热风炉燃烧控制， 而日本的应用比例居世界首位。日本川崎制铁公司的水岛铁厂3 号高炉热风炉和 叶制铁所6 号高炉热风炉等先后成功应用了模糊控制技术【“1 ，实际上其控制思想 仍以物理模型为基础，根据高炉的情况，以节省燃气消耗、提高热风炉热效率为 目的。当高炉作业条件确定后，计算燃烧条件( 如投入热量、目标燃烧热值、炉 顶温度等) 的物理模型根据所定的热风温度和风量要求确定出热风炉工作条件的 最佳理论值。所需的过程量是很难测得的，所以只用模型是不能确定出最佳燃烧 条件的。模糊模型控制的作用就是根据几个周期以来送风终了时的混风蝶阀开 度、耐火砖的温度等来判断热风炉的热状态，输出一个既满足耐火砖温度条件， 又能使燃烧接近于最佳状态的燃烧条件的变化量。物理模型只在高炉作业条件发 生变化时才启动，而模糊模型则在热风炉送风完了时启动。 常规的模糊控制器【1 2 - 1 4 】通过事先设计好的模糊规则表进行控制，根据热风炉 的检测设备情况，可以选取合适的控制对象，如拱顶升温速率、废气升温速率或 废气含氧量等，这种方法在国内已有应用，但常规的模糊控制器由于模糊规则查 询表及量化因子、比例因子的不可变性，其所得的模糊控制量难以保证其最优性 或次最优性，往往存在着一些不足之处，如系统的上升特性不理想，超调大，调 节时间长甚至产生振荡，抗干扰性能差，稳态误差过大等。 神经网络控制对环境的变化却有极强的自学习能力，但当学习完成后，神经 网络所获得的输入、输出关系却无法用容易被人接受的方式表示出来，抗干扰能 力差的缺点暴露无疑。 针对国内钢铁企业热风炉普遍使用高炉煤气、燃料热值低、煤气空气预热设 备缺乏、检测设备落后的现状，新型的热风炉燃烧过程智能优化控制控制策略及 其应用的研究已经刻不容缓【l5 i 。 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 智能优化控制策略的基本思想 智能优化策略的核心思想是：结合国内钢铁企业热风炉燃烧的实际情况，在 现有生产工艺和检测条件的基础上，将模糊控制和专家控制相结合，实现燃烧过 程煤气流量和空燃比的优化控制，达到优化燃烧、节约能源的目的。 ( 1 ) 空燃比寻优 空燃比寻优贯穿于燃烧的整个过程。燃烧过程就是蓄热室的蓄热过程【1 8 】，它 分为两个基本阶段，空燃比寻优也采用两种不同的寻优方式。在燃烧初期，蓄热 室拱顶的温度很低，热量大部分被拱顶吸收，拱顶的温度上升迅速，蓄热室中下 部温度则上升缓慢，所以燃烧初期拱顶温度的上升速率对传热效率有着很大的意 义。采用模糊控制策略根据拱项温度上升速率偏差变化率及空燃比变化方向，实 现空燃比快速加热期寻优，保证空燃比的最小空气过剩系数，使得拱顶温度快速 到达管理期温度。 当拱顶温度上升的定值后，需要保持拱顶温度维持在这个定值，此时拱顶 几乎不再吸收废气的热量，而热量主要被蓄热室中下部所吸收。采用模糊控制策 略，根据拱顶温度偏差及其偏差变化率，在保证拱顶温度维持在管理期温度，从 而保证热风炉中下部的传热效率。 ( 2 ) 专家控制协调策略 燃烧过程分为两个阶段。针对燃烧过程的工艺特主，通过分析拱顶温度、废 气温度检测值，识别出不同的燃烧阶段，同时激活该燃烧阶段的寻优策略，对空 燃比进行寻优。专家控制协调策略，保证了空燃比寻优的稳定、高效和顺行。 ( 3 ) 流量的优化控制 在空燃比优化设定之后，如何保证热风炉实际煤气流量及空气流量与其设定 值保持一致，则是流量控制器应要完成的任务。在空燃比设定正确的条件下，若 流量控制器达不到控制精度，将使得现场的煤气流量与空气量偏离预期的设定 值，同样达不到热风炉燃烧过程优化控制效果。流量控制器则能克服外界因素( 比 如煤气压力波动等) 带来的扰动，改善过程特性，提高控制质量。因此，煤气流 量与空气流量的优化控制对整个热风炉燃烧过程优化控制系统具有非常重要的 意义。 1 4 论文的构成 论文的章节安排如下： 6 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第二章为工艺机理分析与智能控制结构，着重分析热风炉的燃烧工艺，给出 固定煤气量调节空气量的加热方式的合理性，分析热风炉燃烧过程拱顶温度和废 气温度理想特性，确定热风炉燃烧控制分为两个不同阶段的加热控制要求，提出 基于拱顶温度的空燃比寻优结构。 第三章为自动燃烧智能寻优策略，针对热风炉时变、多扰动的特点，利用专 家修正模糊寻优的策略实现空燃比的优化设定。结合高炉总管压力扰动、助燃风 压力变化，根据阀门流量特性，优化控制空气流量和煤气流量，实现空燃比和煤 气流量的优化控制。 第四章为工业应用，阐述了系统的控制实现及工业应用，包含系统的整体框 架、应用程序与现场p l c 控制系统通讯的o p c 技术、系统的数据流程、应用软 件的实现及控制效果等。 第五章为结论和展望，本章将主要介绍高炉热风炉燃烧过程智能优化控制策 略及其在工业应用中存在的问题和今后工作的思路。 中南大学硕士学位论文第二章工艺过程帆理分析与智能控制结掏 第二章工艺过程机理分析与智能控制结构 高炉热风炉为高炉提供高温热风，在燃烧期，通过燃烧高炉煤气对蓄热室进 行蓄热；在送风期，向热风炉鼓吹冷风，被加热的热风送往高炉，一般一座高炉 有3 4 座热风炉轮流送风，保证高炉的正常生产。热风炉燃烧是热风炉生产过 程中一个关键的环节，直接关系到送风的效果。 2 i 热风炉燃烧过程工艺 2 1 i 热风炉结构及过程分析 热风炉主要由燃烧室和蓄热室两部分组成，如图2 1 所示为顶燃式热风炉示 意图。煤气支管煤气和空气支管的助燃空气混合后进入燃烧器，在燃烧室进行燃 烧，燃烧煤气产生的高温烟气通过对流和辐射传热到热风炉内的耐火材料( 格子 砖或耐火球) ，并将热量储存在耐火材料的表面和内部【1 6 】。停止烧炉后，热风炉 转入送风工作制度，冷风送入处于高温状态的蓄热室吸收储存在耐火材料的热量 而被加热。然后通过管道将热风送入高炉。几座热风炉是交替进行燃烧煤气蓄热 和加热鼓风方式工作，可以保证高炉不问断正常生产。 煤气支管 助燃风支管 图2 - 1 顶燃式热风炉结构图 拱顶 燃烧室 燃烧器 煤气支管 助燃风支管 蓄热室 烟道 中南大学硕二b 学位论文 第二章工艺过程机理分析与智能控制结掏 2 i 2 加热方式的确定 热风炉加热存在两种方式，即：固定煤气量、调节空气量的加热方式和固定 空气量、调节煤气量的加热方式。 在燃烧过程中，蓄热室内同时存在着烟气对蓄热体的辐射、对流传热，蓄热 体内部的导热和蓄热。根据蓄热室内烟气的传热和蓄热体的吸热建立能量平衡方 程，从热风炉蓄热效率的角度分析采用固定煤气量，调节空气量的燃烧合理性【1 7 1 。 燃烧过程中，蓄热室气体传出热量为： v c 。瓦a t , = 洲s ( 一t ) ( 2 1 ) 矿2 ( 1 + l o ( n 一0 2 1 ) )( 2 2 ) 式中矿烟气流量m3 r a i n - 1 c 。烟气容积比热j ( m3 k ) 。1 口烟气和蓄热体之间的对流换热系数w ( m2 k ) “ a 蓄热室截面积m 2 s 格砖传热面积m 2 疋气体温度。c r 蓄热体温度。c 煤气流量m3 m i n 。1 。理论空气需要量 n 空气系数 孔格砖吸收热量： p ，( 1 一引c ，aa 扰l = 倒s ( 气一t ) ( 2 3 ) 式中 n 7 l 格砖密度k g m 3 s 蓄热室孔隙率 c ，蓄热体的比热j ( k g k ) “ 将( 2 1 ) 式和( 2 3 ) 式合并 v c g 瓦a t , = 一肿一引c ，a a 讲t * ( 2 4 ) 中南大学硕士学位论文第二章工艺过程机理分析与智能控制结构 将( 2 2 ) 式代入( 2 4 ) 式，定义无因次数做差分计算。 初始和边界条件： m = 0 ，”= 0 ，毛( o ，o ) = ( i 。+ l ) 2 m = 0 ，盯0 ，乙( o ，n ) = 强 行= 0 ，肌= 0 ，t g ( 1 2 ，o ) = l = 07 o ，t ( m + 1 2 ，o ) = t 一1 2 ，o ) 一( l t 。) 百a z 式中 t 。热风炉拱顶烟气温度 l 燃烧开始时拱顶砖温度， c 燃烧开始时蓄热室最下端孔格砖温度， z 蓄热室沿高度方向取厚度为z h 蓄热室高度m 以某钢厂1 撑高炉热风炉的实际情况为依托，冶炼每吨炼钢生铁，风温1 0 5 0 c 时，模拟计算出燃烧加热热风炉所需要的高炉煤气用量如表2 - 1 所示。 表2 - 1 不同加热方式消耗的煤气对比表 根据表2 1 可看出，固定煤气量，调节空气量的加热方式使用煤气量较少， 冶炼每吨生铁热风炉所耗煤气量为7 7 1 m 3 。这种烧炉方式的特点是先烧拱顶，后 加热烟道，先侧重辐射传热，先将拱顶加热，当把拱顶的温度加热至拱顶温度管 理期设定值时，在维持拱顶温度不下降的前提下，减弱辐射传热，再强化对流传 热，这是一种高效、节能的烧炉方式。 2 1 3 理想燃烧过程特性 热风炉燃烧过程中，先烧拱顶，后加热烟道，先将拱顶加热，也就是在燃烧 初期用较大煤气量和较小的助燃空气量进行强化燃烧，当把拱顶的温度加热至拱 顶温度管理期设定值时，在维持拱顶温度不下降的前提下，逐渐加大助燃空气， 使烟气量增加，用更多的烟气量来有效地加热蓄热室。热风炉燃烧过程理想状态 下特性图如图2 2 所示。 0 ! 堕盔兰堡圭兰焦丝塞 笙三童三苎垫堡盟里坌塑：皇塑壁笙型堕塑 由图2 2 可以看出，热风炉燃烧过程具有以下重要特点 ( 1 ) 整个燃烧过程分为两个阶段，即：快速加热期和拱顶温度管理期 1 8 也o 】： ( 2 ) 在快速加热期，拱顶温度快速上升，当拱顶温度到达拱顶温度管理期 温度设定值，进入拱顶温度管理期： ( 3 ) 在拱顶温度管理期，拱顶温度稳定在拱顶温度管理期温度设定值； ( 4 ) 废气温度到达废气温度燃烧终点设定值，燃烧过程结束。 温 度 7 ( ) 图2 - 2 热风炉燃烧过程理想状况下特性图 2 2 热风炉燃烧过程控制分析 2 2 1 影响燃烧过程控制的因素 影响热风炉高效燃烧的因素很多，除了加热方式以外，还与以下几个方面密 切相关【2 1 2 3 1 ： ( 1 ) 拱顶温度管理期温度设定。拱顶温度管理期温度设定过高，会缩短热 风炉寿命，无法保证生产顺行，拱顶温度管理期温度设定过低，无法热风炉的蓄 热效率； ( 2 ) 废气温度燃烧终点设定。燃烧终点设定值过高，会烧坏热风炉蓄热室 中南大学硕士学位论文 第二章工艺过程机理分析与智能控制结构 下部支撑结构，燃烧终点设定值过低，无法保证热风炉的蓄热量，进而影响到送 风的效果； ( 3 ) 空燃比设定。热风炉所燃烧的高炉煤气的热值和压力发生波动，助燃 风压力的变化，气体含水量和含尘量以及天气变化等因素都将使得空燃比偏离最 优值，空燃比过大或者过小，都会造成拱顶温度变化曲线偏离理想状态下燃烧特 性，影响到热风炉的燃烧效果。 ( 4 ) 煤气流量和空气流量的优化控制。煤气、空气压力的变化，高炉煤气 总管压力的大幅波动等因素，都将影响煤气流量和空燃比，造成热风炉燃烧特性 不理想。 2 2 2 燃烧过程控制的实质 分析了影响热风炉燃烧过程控制的4 个关键因素，为了使得燃烧过程特性满 足或接近于理性燃烧特性曲线，必须克服这4 个关键因素带来的影响，下面简要 介绍热风炉燃烧过程控制要解决问题。 ( 1 ) 拱顶温度管理期温度设定值和废气温度燃烧终点设定值的确定 首先确定理论拱顶温度。根据气体燃料的热效应的热效应计算煤气的发热值 q 脚 ( k = 1 2 6 3 6 c t c o + 1 0 7 8 5 a h ， ( 2 5 ) 式中1 2 3 3 6 1m 3 气体燃料c o1 体积的热效应，日； 1 0 7 8 5 l 1 3 气体燃料h 2l 体积的热效应，k j ： 根据空气的热容计算燃烧1m 3 煤气需要空气现热所带入的热量q 。： q m = i 3 0 2 x q r 。7 7 。b ( 2 6 ) 式中1 3 0 2 o 时空气的热容，k j m 3 ； 砭空气预热后的温度，； ，7 空燃比； b 空气过剩系数，一般取1 0 0 1 1 0 ； 根据煤气的平均热容计算燃烧11 i q 3 煤气显热所带入的热量q k 。： q k r = 1 2 9 8 x ( 2 7 ) 中南大学硕：e 学位论文 第二章工艺过程机理分析与智能控制结构 式中1 2 9 8 o 时煤气的平均热容：k j m 3 ： 巧煤气预热后的温度，： 因此，燃烧1m 3 煤气产生的单位体积生成物的热量q 。： 绋2 ( + q m + ) k + r ( b - 1 ) ( 2 8 ) 根据某钢厂实际情况得出理论燃烧温度t 。： k = 0 5 1 9q r 一1 4 3( 2 9 ) 由于热风炉绝热条件的差异，理论拱顶温度和理论燃烧温度相差7 0 9 0 c ，故 理论拱顶温度瓦g = 瓦。- - 8 0 ( 此处取平均值) 。 结合理论值和某钢厂的实际情况，拱顶温度管理期温度设定值定为1 2 5 0 c ， 烟道废气温度定为3 0 0 。 ( 2 ) 空燃比优化设定 根据热风炉理想状态下燃烧特性，空燃比优化设定在快速加热期和拱顶温度 管理期有不同的优化设定要求。在快速加热期，用最大煤气量和最小空气过剩系 数进行燃烧，以保证拱顶温度的迅速上升，在此过程中，保证最小空气过剩系数 的空燃比是最关键的。进入拱顶温度管理期以后，在保证拱顶温度维持在设定值 的基础上，加大空燃比设定值。 ( 3 ) 流量优化控制 在煤气压力、空气压力以及高炉煤气总管压力发生变化的情况，保证流量实 时跟踪空燃比和煤气流量的优化设定值，实现寻优的效果。 2 3 控制结构与控制原理 结合热风炉的现场实际运行状况，将废气作为限制条件，进行空燃比寻优， 按燃烧过程的先后顺序，分为以下三步：、当拱顶温度到达1 2 5 04 c ，进入拱顶 温度管理期，在进入管理期前始终以最大的煤气量和最小空气过剩系数燃烧，使 用模糊控制对空燃比进行寻优：二、进入管理期后，保持拱顶温度稳定在设定值， 利用专家模糊控制对空燃比进行寻优，煤气流量为最大值：三、当烟气温度达到 3 0 0 时，停止加热。如图2 3 所示热风炉燃烧过程控制结构图。 中南大学硕士学位论文 第二章工艺过程机理分 斤与智能控制结构 拱顶 温度 设定 废气 温度 设定 专 家 控 制 协 调 器 快速加热期 空燃比寻优 控制器 拱顶温度管 理期空燃比 控制器 煤气流量调 节阀最大开 度给定 流 量 给 定 计 算 模 块 流 量 控 制 器 检测装置 流 量 调 节 阀 孰 j - 、 风 炉 燃 烧 过 程 图2 - 3 热风炉燃烧过程控制结构图 热风炉燃烧过程智能优化控制结构主要包括：快速加热期空燃比寻优模糊控 制器、拱顶温度管理期空燃比寻优模糊控制器、流量给定计算模块以及流量控制 器。 根据图2 3 可以看出，根据专家控制协调器识别燃烧状态，同时来选择不同 燃烧阶段的模糊控制器，专家控制器根据专家经验对下面的两个模糊控制器进行 专家修正。按照不同的燃烧阶段，根据人工燃烧经验，我们设计的模糊控制器为： 根据拱顶温度调节的最佳空燃比模糊控制器，而最佳空燃比模糊控制器的设计又 分为快速加热期最佳空燃比模糊控制器和拱项温度管理期最佳空燃比模糊控制 器。 初期拱顶温度的上升速率和进入拱顶温度管理其废气温度的上升速率，主要 取决于燃烧过程的空燃比和煤气流量，同时还受煤气、空气质量波动和压力波动 的影响。所以，实现热风炉燃烧过程自动控制的关键是随着煤气、空气压力和质 量的波动，并根据热风炉不同的燃烧状态进行煤气流量和空气流量的实时调整， 空气流量的调整可以转化为对空燃比的调整。因此，在燃烧初期，我们以最大煤 气量进行加热，并调整合适的空燃比，迅速提高拱顶温度；到达拱顶温度管理期， 调整合适的空燃比，保证拱顶温度不变的情况下，保证废气的升温速率。 2 4 小结 本章首先介绍了热风炉结构，它主要由燃烧室和蓄热室两部分构成，根据热 中南大学硕士学位论文 第二章工艺过程机理分忻与智能控制结构 风炉燃烧蓄热的生产工艺过程，通过对燃烧过程机理的分析确定了固定煤气量调 节空气量的燃烧策略，给出了热风炉理想状态燃烧过程特性，根据理想燃烧特性， 阐明了双周期加热的优化控制要求，设计了基于拱顶温度和废气温度的智能优化 结构，为后续研究铺平了道路。 中南大学硕士学位论文 第三章燃烧过程智能优化控制策略 第三章燃烧过程智能优化控制策略 针对国内热风炉风温不高的现状，热风炉燃烧过程的控制目标是：通过实时 优化设定空燃比和煤气流量实现快速加热期保证拱顶温度快速上升，拱顶温度管 理期拱顶温度稳定在设定值和废气温度的快速稳定上升。 为了保证热风炉加热过程处于最佳状态，需建立拱顶温度与空燃比之间的关 系模型，实现空燃比和煤气流量的优化控制，保证快速加热期拱顶温度的快速上 升、拱顶温度管理期拱顶温度的平稳以及废气温度的快速稳定上升。本章将详细 介绍专家控制协调器、快速加热期空燃比寻优控制器、拱顶温度管理空燃比寻优 控制器和流量控制器的设计过程。 3 1 智能优化控制算法总体设计 智能优化控制算法总体设计结构图如图3 1 所示，由以下四个主要模块构成： 专家协调控制器、快速加热期空燃比寻优模糊控制器、拱顶温度管理期空燃比寻 优专家模糊控制器和流量模糊专家控制器。其中前三个模块完成对空燃比的寻 优，即：优化设定：第四个模块完成流量对空燃比和煤气流量设定值的跟随，即： 优化控制。 专家协调控制器通过拱顶温度检测值和设定值以及废气温度检测值和设定 值判定来识别燃烧状态，同时来选择不同燃烧阶段的模糊控制器。在快速加热期， 选取快速加热期空燃比寻优模糊控制器对空燃比进行寻优，煤气流量设定值为最 大煤气流量；在拱顶温度管理期，选取拱顶温度管理期空燃比寻优模糊控制对空 燃比进行寻优。 快速加热期空燃比寻优模糊控制器采用双输入单输出的控制结构，将拱顶温 度当前时间段和上一时间段上升速率的差值t 和空燃比变化方向a 作为控制 器的输入，空燃比的调节增量u 作为控制器的输出。 拱顶温度管理期空燃比寻优模糊控制器也采用双输入单输出的控制结构，但 是输入量和控制规则和快速加热期空燃比寻优模糊控制是不同的，将拱顶温度偏 差r 和温升速率r ，作为控制输入，空气煤气流量比的调节增量u 作为控制输 出。同时利用专家控制器对模糊控制器进行专家修正。 中南大学硕士学位论文 第三章燃烧过程智能优化控制策略 拱顶温度检测值 图3 - 1智能优化控制算法总体设计结构图 流量模糊专家控制器采用反馈加前馈的控制策略，根据理想状态下调节阀流 量特性，反馈环节采用模糊控制策略，同时利用前馈环节对压力扰动进行前馈补 偿，实现流量的优化控制。 3 2 专家控制协调器的设计 专家控制协调器是智能优化控制算法设计中的一个重要组成部分，具有高可 靠性、长期运行的连续性、在线控制的实时性、抗干扰性、使用的灵活性以及维 护的方便性等特点f 2 4 f 2 ”。可以及时的判断燃烧状态，并激活该燃烧阶段的寻优控 制器进行寻优。 堕查兰堡：! 兰垡丝苎 堡三兰整垡垫堡塑璧垡些笙型! ! 堕 拱顶 温度 设定 值尺1 废气 温度 设定 值r 2 图3 - 2 专家控制协调器示意图 专家系统协调器基本结构如图3 - 2 所示，包括特征识别信息处理、知识库、 推理机和人机接口。 专家控制协调器的输入集为： e = ( r l ，p i ，r 2 ，p 2 ，一，y 2 ，u ) ( 3 1 ) e l = r i k ( 3 2 ) 8 2 = r 2 一匕 ( 3 3 ) 式( 3 1 ) 中，足为拱顶温度设定值；e 。为拱顶温度偏差：誓为拱顶温度检测值 r 2 为废气温度设定值；p ：为废气温度偏差；k 为废气温度检测值； ，g ，u ，k ，e l 和e 2 的关系为： u = f ( e 。，e 2 ，k ，g ) 式( 3 4 ) 中，智能算子，为几个算子的复合运算 = g h p 式( 3 5 ) 中，g ，h ，p 也是智能算子，而且有 ( 3 4 ) ( 3 5 ) 中南大学硕士学位论文 第三章燃烧过程智能优化控制策略 g ：e l 啼s ，e 2 s h ：s x k 一，( 3 6 ) p ：，x g u 式( 3 6 ) 中，s 为信息输出集：g 为规则修改指令。 这些算子具有下列形式： i fat h e nb 其中b 为结论，a 为条件部分可以是逻辑组合或表达式，例如： ( 1 ) 条件1 a n d 条件2a n d a n d 条件n ： ( 2 ) 条件io r 条件2 0 r o r 条件n ； ( 3 ) x 2 + y 2s = 2 。 知识库是专家系统的核心，包括两部分内容：一是与当前问题有关的数据信 息，二是进行推理时用到的一般知识以及领域专家的专门知识和经验。专家控制 协调器其规则决策层包含5 条大规则： i f ( g d t e m p 1 2 5 0 & & f q t e m p 2 12 5 0 & & g d t e m p 12 7 0 & f q t e m p 2 1 2 7 0 & & f q t e m p = 3 0 0 ) t h e n 执行子控制器4 ( 即：燃烧结束处理控制器) 其中：g d t e m p ) a j顶温度，f q t e m p ：为废气温度。 专家控制协调器合理的调用子控制器l 、2 ，可以保证热风炉燃烧过程的空燃 比寻优。在子控制器3 、4 ，主要实现如下功能： ( 1 ) 拱顶温度在大于1 2 7 0 c 时，考虑到对炉体本身的保养，我们将采用异 常处理控制器，减小煤气流量让拱顶温度保持在1 2 7 04 c 以下。 1 9 中南大学硬士学位论文第三章燃烧过程智能优化控制策略 ( 2 ) 废气温度在大于3 0 0 c 时，燃烧过程结束，关闭煤气阀门、减小空气阀 门，同时，给出语音和文字提示，要求操作人员进行将热风炉转为闷炉状态。 ( 3 ) 拱顶温度小于1 2 7 0 c 并