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热风炉控制系统的研究与设计 摘要 热风炉是炼铁生产过程中的重要设备之一，高风温有利于降低生产成本、 提高生铁质量、提高高炉产量和降低能耗，对于高炉炼铁生产具有重要意义。 热风炉的燃烧过程控制和合理的操作是提高热风炉的热效率及提高风温的重要 手段。 本文首先概述了热风炉的发展过程，阐述了智能控制对于我国热风炉控制 所具有重大的意义。为优化热风炉的燃烧操作，提高热风炉的送风温度，针对 热风炉燃烧过程的两个阶段，即强化燃烧期和蓄热期，分别采用最优燃烧控制 和蓄热期燃烧控制。在强化燃烧期使用氧含量分析仪，采用烟气氧含量串级比 例控制的方法，根据烟气氧含量调整空燃比，实现最优燃烧控制。在蓄热管理 期，使用带修正因子的蓄热期燃烧模糊控制器来控制烟气温度的变化，达到提 高热交换效率、节约能源的目的。通过仿真，证明了使用上述控制方法能够对 热风炉燃烧过程进行有效的控制。 本文详细介绍了马钢( 合肥) 3 号高炉热风炉控制系统的设计和实现，并在 p l c 程序中实现了带修正因子的蓄热期燃烧模糊控制器。 关键词：热风炉，高炉，燃烧控制，模糊控制 t h er e s e a r c ha n d d e s i g n o fc o n t r o ls y s t e mf o rh o tb l a s ts t o v e a b s t r a c t h o tb l a s ts t o v ei st h ei m p o r t a n te q u i p m e n tf o rb l a s tf u r n a c ei r o np r o d u c t i o n h i g hh o tb l a s tt e m p e r a t u r ei sv e r yi m p o r t a n tf o rb l a s tf u r n a c ei r o np r o d u c t i o n ， w h i c hc a l lr e d u c ei r o nc o s t ，i m p r o v ei r o nq u a l i t y ，i n c r e a s eb l a s tf u r n a c ep r o d u c t i o n a n dr e d u c ee n e r g yc o s t t h ec o n t r o lo fh o tb l a s ts t o v ec o m b u s t i o np r o c e s sa n d r a t i o n a lo p e r a t i o n sa r ei m p o r t a n tm e t h o dw h i c hc a ni m p r o v et h et h e r m a le f f i c i e n c y a n dh o tb l a s tt e m p e r a t u r eo fh o tb l a s ts t o v e f i r s t l y ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep r o c e s so fh o tb l a s ts t o v ed e v e l o p m e n t ，a n d e x p a t i a t e st h ei m p o r t a n tm e a n i n go fi n t e l l i g e n tc o n t r o lf o rh o tb l a s ts t o v ec o n t r o li n o u rc o u n t r y i no r d e rt oo p t i m i z et h eb u r n i n go p e r a t i o no fh o tb l a s ts t o v e ，a n d i m p r o v eh o tb l a s tt e m p e r a t u r e ，t h i sp a p e ru s e st h eo p t i m a lc o m b u s t i o nc o n t r o lf o r a g g r a n d i z e m e n tc o m b u s t i o np e r i o da n dt h eh e a t - s t o r i n gc o m b u s t i o nc o n t r o lf o rh e a t s t o r i n gp e r i o d na g g r a n d i z e m e n tc o m b u s t i o np e r i o d ，t h e r eb r i n g so u tt h ef l u e s t a c ko x y g e nc o n t e n tc a s c a d ep r o p o r t i o n a lc o n t r o ls c h e m ew h i c ha d j u s t sf u e l a i r r a t i ot or e a l i z eo p t i m a lc o m b u s t i o nb yf l u es t a c ko x y g e nc o n t e n t i nh e a ts t o r i n g p e r i o d ，t h e r eb r i n g so u tt h ef u z z yc o n t r o l l e rw i t hm o d i f i e df a c t o rf o rh e a t s t o r i n g c o m b u s t i o nt oc o n t r o lt h et e m p e r a t u r e sc h a n g eo fs m o k eg a s t h i sc o n t r o l l e ri s a 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 ya n de c o n o m i z et h ee n e r g y t h e s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v e dt h a tt h ea b o v ec o n t r o ls c h e m e sc a ne f f e c t i v e l ye o n t r o lt h e h o ts t o v ec o m b u s t i o np r o c e s s t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no fh o tb l a s ts t o v eo fn o 3b l a s t f u r n a c ec o n t r o ls y s t e ma tm aa ns h a ni r o na n ds t e e lg r o u p ( h e f e i ) c o l t d ，a n d r e a l i z e st h ef u z z yc o n t r o l l e rw i t hm o d i f i e dg e u ef o rh e a t - s t o r i n gc o m b u s t i o ni n p l cp r o g r a m k e yw o r d s ：h o tb l a s ts t o v e ，b l a s tf u r n a c e ，c o m b u s t i o nc o n t r o l ，f u z z yc o n t r o l 插图清单 图2 - 1 模糊控制系统组成图1 2 图2 2 模糊控制器的基本结构1 3 图2 3 单点模糊集合与三角形模糊集合的隶属度函数1 4 图2 4 模糊分割的隶属度函数。1 5 图2 5 中位数法j 2 1 图3 1 典型的热风炉工艺图2 5 图3 2 热风炉燃烧制度2 6 图3 - 3 燃烧工艺过程图2 8 图3 - 4 烟气氧含量串级比例控制3 0 图3 5 典型的二维模糊控制器结构3 1 图3 - 6 规则参数可调的模糊控制器。3 3 图3 7 搜索策略的选择3 4 图3 8 误差变化曲线3 6 图3 - 9 带修正因子的模糊控制器结构图3 7 图3 1 0 普通模糊控制器仿真结果4 0 图3 1 l 带修正因子模糊控制器仿真结果4 0 图3 1 2 模型变化后普通模糊控制器仿真结果。4 l 图3 1 3 模型变化后带修正因子模糊控制器仿真结果4 1 图3 1 4 拱顶温度控制结构图4 2 图4 1 热风炉系统的组成4 5 图4 2 高炉本体及热风炉参数采集p l c 硬件配置4 7 图4 3 热风炉阀门控制p l c 硬件配置4 7 图4 4c p u 循环程序处理过程5 l 图4 5 创建自动化项目的步骤5 1 图4 - 6 高炉本体及热风炉监控系统的程序流程图5 3 图4 7 中断循环总体程序流程框图5 5 图4 8 热风炉阀门控制系统的程序流程图。5 5 图4 - 9 热风炉工艺流程图5 8 图4 1 0 热风炉阀门控制图5 9 图4 1 l 带修正因子得模糊控制予程序流程图6 0 表格清单 表1 1 几组热值不同的煤气在不同助燃空气温度时的理论燃烧温度8 表1 2 几种发热量不同的煤气在不同预热温度下的理论燃烧温度8 表2 1 数值方法描述的隶属度1 6 表3 1 二维模糊控制器的模糊规则表。3 2 表3 2 口的模糊校正查询表3 9 表3 3 调整参数y 的模糊查询表3 9 表4 16 e s 73 3 1 - 7 k f 0 2 0 a b 0 模块量程卡的各位置默认设定4 8 表4 26 e s 73 3 2 5 h d 0 1 0 a b 0 模块重要技术参数4 9 表4 36 e s 73 2 1 - l b h 0 2 0 a a 0 模块主要技术参数4 9 表4 - 4 程序块的分类和功能5 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果 据我所知。除文中特别加以标志和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发 表或撰写过的研究成果。也不包含为获得盒目b 王些太堂或其他教百机构的学位或证书而 使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名菇内i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金筵王些友堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金 目墨王、业盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存，汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期：力呵年斗月二凋 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：王夺冕 签字日期：k 旬年￥月弓日 电话： 邮编： 致谢 在硕士毕业论文完成之际，首先我真心的感谢我的导师王华强副教授。在 接近三年研究生的学习和生活中，王老师在学习和生活上给我很多的关怀、鼓 励和帮助，在此我向王老师表示衷心的感谢。王老师严谨的治学态度以及务实 的工作作风给我留下了深刻的印象，使我受益匪浅。 在项目研究和本论文地撰写过程中，还要感谢实验室的胡平、宣浩、顾金 晨、陈文博等同学给予我的支持和帮助。 此外，还要感谢所有关心我的人，特别是我的父母，正是他们无私的支持 与奉献，使我得以顺利地完成我的学业，不断的取得进步与突破。 作者：李海波 2 0 0 7 年4 月 1 1 热风炉简介 第一章绪论 热风炉是炼铁生产过程中的重要设备之一。在高炉炼铁生产过程中，需要 向高炉的内部鼓入大量的助燃空气，以促进高炉内炼铁反应的进行，由于高炉 内部温度很高，鼓入常温空气将会导致高炉内部温度急剧下降，不利于炼铁反 应的进行，因此需要鼓入高温的空气。热风炉的作用就是把鼓风加热到要求的 温度，从而燃烧焦炭以把铁矿石还原成铁水。 热风炉早在1 8 2 8 年就在美国出现，当时是用煤做燃料加热铁管，当常温空 气从灼热的铁管中流过后通过热交换成为热风送入高炉。其热风温度虽然只能 达到三百多摄氏度，但使高炉炉况有明显改善，增加了产量。从1 8 5 7 年开始， 逐渐使用蓄热式热风炉来代替换热式热风炉，蓄热式热风炉最初也使用煤作燃 料，后来开始使用煤气作为热风炉的燃料。自从提出用蓄热式热风炉来代替换 热式热风炉以来，其基本原理至今没有改变，但其结构和操作方法等都有了重 大改进。按照热风炉的结构，可以将热风炉分为以下三类： ( 1 ) 内燃式热风炉 由荷兰达涅利霍戈文首创的霍戈文内燃式热风炉是内燃式热风炉改造最成 功的代表。霍戈文内燃式热风炉的主要特征为：拱顶砌体呈悬链线形，直接 由炉壳支承；自立式滑动隔墙；眼睛形火井和与之相配的矩形套筒式陶瓷 燃烧器；燃烧室下部隔墙增设绝热砖和耐热不锈钢板，以减小燃烧室隔墙的 温度梯度。 霍戈文内燃式热风炉与同级外燃式热风炉相比，具有体积小、占地少、材 料用量少、投资节省( 3 0 - 3 5 ) 等优点。其卓越的生产效果，可以满足高风温 和长寿的要求。近年来各国新建的2 5 0 0 m 3 级的高炉，大多数都是采用霍戈文热 风炉的设计标准。普通的内燃式热风炉的缺点在于：火井偏在一侧使气流分布 不均匀，限制了进一步扩大直径；燃烧室隔墙结构复杂；只能当拱顶温度不高 于1 3 2 0 ( 2 ，风温为9 8 0 1 1 0 0 c 时，使用良好。因此，目前大于4 0 0 0 m 3 的高炉 基本采用外燃式热风炉。针对内燃式热风炉的缺点，近年来又出现了改进型内 燃式热风炉，以满足高炉对高风温的要求。 ( 2 ) 外燃式热风炉 外燃式热风炉类型有地得型、马琴型和新日铁型三种。这些外燃式热风炉 的特征，主要表现在拱顶及其连接的方式上。地得型外燃式热风炉的拱顶由半 个截头圆锥体联结2 个半径不同的接近1 4 的球形拱顶组成，整个拱顶整体结 构呈半卵形；马琴型外燃式热风炉的蓄热室顶部具有圆锥形的缩口，蓄热室顶 部直径与燃烧室相同，拱顶由2 个半径相同的1 4 球形拱顶和大半个圆柱体组 成。 从使用情况来看，使用数量最多、应用效果最好的为新日铁外燃式热风炉。 新日铁外燃式热风炉的特点：结构的长期稳定性：蓄热室顶部有锥型缩口； 两拱顶问由一个圆柱形连接管连接，拱顶对称，尺寸小，气流分布好，从而减 小了因高温蠕变引起的拱项耐火砖变形。采取了一系列防止晶间应力腐蚀的 措施，如高温区用特钢作炉壳，内表面喷涂耐酸涂料，外表面包5 m m 铝板，炉 壳转折点采用曲线连接等。拱顶连接管设波形膨胀圈，并用拉杆固定，形成 柔性结构。采用圆弧形底板、七孔蜂窝砖、三孔陶瓷燃烧器等。设置了混 风室，使热风温度均衡，减少对热风阀的热冲击，延长了热风阀的寿命。 高风温的外燃式热风炉的缺点在于：钢材和耐火材料耗量大，投资比内燃 式的大；砌砖结构复杂，需大量复杂的异形砖；拱顶结构复杂，不仅施工困难， 而且结构不对称，受力不均匀；高温高压条件下很容易产生晶间应力腐蚀现象， 造成钢壳开裂，从而限制了许多高温外燃式热风炉风温的进一步提高。 ( 3 ) 顶燃式热风炉 早在2 0 世纪2 0 年代，哈特曼就提出了应用顶燃式热风炉的设想，但未受 到重视，直到6 0 年代，由于高风温的要求，才开始了顶燃式热风炉的研究。 顶燃式热风炉又称无燃烧室热风炉，其结构特点是：取消了燃烧室，将燃 烧器直接装在热风炉的拱顶以拱顶空间为燃烧室。它的结构充分吸收了内、外 燃式热风炉的优点。 和内燃式、外燃式热风炉相比，顶燃式热风炉具有如下特点：同内燃式 热风炉相比，取消了燃烧室和挡火墙，扩大了蓄热室容积，在相同的容量条件 下，蓄热面积增加2 5 3 0 。结构稳定性增强。采用大功率的短焰燃烧器， 直接安装在拱顶部位燃烧，使高温热量集中在拱顶部位，热损失减少，有利于 提高拱顶温度。热效率一般比内燃式、外燃式热风炉都要高。耐火材料稳 定性提高，热风炉寿命延长。布冕紧凑，占地面积小，节约钢材和耐火材料。 为了能向高炉不问断的输送大量的高温空气，每座高炉配备了3 4 座热风 炉轮流交替地进行燃烧和送风，所以热风炉采用周期性的工作制度。热风炉的 送风操作制度包括：单独送风、半并联送风和交错并联送风操作。单独送风操 作是指在热风炉组中经常只有一座热风炉处于送风状态的操作制度。交错并联 送风是指在热风炉组中经常有两座热风炉同时送风的操作制度。一座高炉配备 三座热风炉时，可采用单独送风或半并联操作，配备四座热风炉时，可采用单 独送风、半并联或交错并联送风操作。 总之现代热风炉正朝着提高热效率、节约能源、提高风温以及保护设备和 延长炉子寿命的方向不断地发展。 1 2 热风炉控制系统的发展 从2 0 世纪以来，由于炼铁技术的不断进步，高炉朝着大型化的方向发展， 2 这必然要求高炉所配套的热风炉能够更加稳定的提供更高的风温和更大的风 量；同时热风炉本身也是一个具有很大能耗的设备，应尽量考虑到节约能源， 降低消耗。为了达到上面的要求，热风炉必须装备完善的自动化系统。 目前，国际上通用的热风炉自动化系统是在完善的基础自动化的基础上加 上数学模型或者智能控制等组成。建立数学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以使空燃比最合理，而且能对燃烧速率进行 控制，使输入的流量最佳化，大大提高炉子的寿命。但是数学模型相当复杂， 在温度管理期，由于缺少精确的残热推断和温度分布的数学模型，还需手工设 定；而且基础自动化所设置的仪表和控制回路较多，而且一般热风炉都是3 4 个为一组轮流工作，这样投资就非常大，再加上设置数学模型还需要设置自动 分析加热煤气各种成分的分析仪，这种仪器都比较昂贵且需要良好的维护，所 以很多工厂都难以实现。数学模型的使用能取得良好的效果的前提是要有完善 的基础自动化，投资会非常的大，所以只有在发达国家的很多热风炉上使用的 比较多，而我国只有少数钢铁企业，例如宝钢，采用过这种方法。编制数学模 型的方法有很多，国外已经在运行的热风炉优化控制数学模型和智能控制模型 主要有以下几种方式： ( 1 ) 使用工艺理论建立的数学模型形式。 其中又以下面的五家公司建立的数学模型最具有代表性： 早期的日本川崎钢铁公司千叶厂5 号高炉的热风炉的优化系统。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。 德国西门子公司的热风炉优化数学模型。它有一个“热流计算模型”， 这个模型是首先把热风炉的全部熟损失，包括表面、换炉和废气的损失计算出 来，再列出热风炉工作循环，然后求得每个循环的效率，这样可以得到每个循 环的效率和热气体流量与燃烧时间乘积的函数关系，可以求出效率最高时所对 应的热气体流量与燃烧时间乘积，最后再求出所用煤气的值。 日本钢铁公司( 新日铁) 的热风炉气体流量设定数学模型。它使用效果不 错。我国宝钢1 号、2 号、3 号高炉也使用该模型。该模型是针对燃用高炉煤气 b f g ( 或b f g 与转炉煤气l d g 混合) 的煤气b f g m 和焦炉煤气c 0 6 以及助燃空气的 三孔燃烧器的热风炉。模型的思想是：对热风炉进行燃烧管理和设备管理。燃烧 管理是根据要存储下次送风所需的恰当热量来计算燃烧过程所需的煤气流量和 空气流量。设备管理是从热风炉设备安全管理的角度出发，需要管理热风炉最 高温度部分，也就是拱顶温度和炉篦子的温度，它控制高热值的c 0 6 与b f g 的 混合比来控制拱顶温度，在废气温度管理期，b f g 的流量将逐步减少，使废气 温度和金属炉篦温度不超过上限值。整个模型包括3 个子模型：拱顶温度控制 模型，废气温度控制模型和气体流量计算模型。气体流量计算模型包括5 个子 模型：蓄热量计算模型1 、蓄热量计算模型2 、b f g 支管流量模型、c o g 支管流 量模型和空气支管流量模型。 日本住友金属工业公司小仓钢铁厂2 号高炉的热风炉优化数学模型( 投入 热量控制系统) 。其数学模型是基于热平衡原理。 荷兰霍戈文斯钢铁厂的热风炉优化数学模型。按热平衡原理，使燃烧期送 入的热量等于下次送风所需的热量。 ( 2 ) 现代控制理论方式 如日本住友金属公司鹿岛钢铁厂3 号高炉的热风炉优化模型。为了保证送 风温度和控制硅砖接缝温度不低于耐火砖相变点温度，它采用热风炉动态模型， 把热并联的热风炉动特性格式化，用积分式最佳调节器多变量控制法来构成无 论热并联送风或低温送风都合适的投入热量控制系统。 ( 3 ) 人工智能控制形式 如日本川崎钢铁公司千叶厂6 号高炉的热风炉燃烧自动控制系统。系统目 的是：为使耗能最少而需在燃烧时对煤气流量做最优设定，对格子砖温度分布 进行管理来保护设备。过去由于没有精度足够的残热推断和温度分布的数学模 型，而须手动设定。为此而开发热风炉流量设定模糊控制系统，取得了不错的 控制效果。 ( 4 ) 数学模型加人工智能的混合形式 其中最具代表性的有：日本川崎钢铁公司水岛厂3 号高炉的热风炉燃烧自 动控制系统和日本钢管公司京滨厂l 号高炉的热风炉燃烧控制系统。日本川崎 钢铁公司水岛厂3 号高炉的热风炉燃烧自动控制系统是根据高炉炉况( 风量、风 温等) 通过热平衡运算来确定热风炉工况( 热量输入、所需煤气热值等) ，应用模 糊控制系统依照热风炉送风末期的热量状况进行修正，并计算送风完了下一次 燃烧初期所需要的热量。而日本钢管公司京滨厂1 号高炉的热风炉燃烧控制系 统包括热风炉仿真器和模糊控制器，由此确定燃烧期热风炉所需混合煤气的热 值和流量，以获得最高的热效率和合适的硅砖温度。仿真器将预测五个周期的 热风炉状态，模糊控制器将根据仿真器的输出和热风炉目前状态( 硅砖温度、拱 顶温度和冷风流量) 算出新的设定点，即所需混合煤气的热值及流量。 由上面的介绍可以看出，发达国家的热风炉自动控制系统都装备了完善的 基础自动化和过程自动化，其中过程自动化主要是监控和设定投入热量和换炉 等优化的数学模型。这些热风炉实际运行的结果表明：这些控制系统能很好的 提高热风炉的热效率、节能降耗、提高风温以及保护设备和延长炉子的寿命， 取得了重大的经济效益。 而国内，在2 0 世纪9 0 年代，热风炉燃烧控制多为手动控制，即把助燃风 机风量开到最大，然后手动调节煤气量来控制拱顶温度和废气温度。这种调节 过程十分粗糙，效果不理想，使送风温度偏低；同时，助燃风机处于全速运行 状态，煤气也不能合理、充分地燃烧，造成能源严重浪费。随着传统的控制方 4 案不断地引入热风炉燃烧控制，比较常见的有比例一极值调节法、比例一废气 氧含量串级调节法，但是他们又有各自的缺陷，不能实现热风炉整个工作周期 全部闭环控制，只能使用于中、小型热风炉加热系统。 数学模型虽然有效，但是数学模型的建立相当复杂，再加上采用这种方法 的投资十分巨大，在国内很少有钢铁企业采用。所以这种方法不适合我国热风 炉的实际情况。 因此需要面对我国热风炉的操作和自动化以及维护水平的实况，开发适合 予我国的实际情况的，成本较低的且便于推广的热风炉自动控制系统。 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，即系统是一个时变系统。其 特性可以归纳为系统参数的未知性、时变性、随机性和分散性；系统滞后的未 知性和时变性；系统严重的非线形，系统各变量的关联性、环境干扰的未知性、 多样性和随机性。也就是说，热风炉是一个不确定性的复杂被控对象，要准确 的掌握热风炉的运行状态是很困难的，找不出适用的数学模型。近年来，国内 外都在致力于热风炉的智能控制研究，如上文所提到的日本川i 崎钢铁公司千叶 厂6 号高炉的热风炉燃烧自动控制系统，以及新日铁的专家系统，都已经投入 运行，取得的较好的效果。 智能控制不需要被控对象精确的数学模型，很符合目前我国热风炉的控制 情况，尤其对设备配置水平较低的中小型高炉有很强的应用性。并且国内在热 风炉智能控制的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。有些技术已经发展到了工程化和实用化的阶段。如：涟钢5 号高炉热风 炉的技改项目中，采用了模糊控制技术，实现了热风炉燃烧的智能控制，不仅 替代了人工操作，而且取得了较好的控制效果。鞍钢l o 号高炉的4 号热风炉 的流量优化设定专家系统。其不要求完善的基础自动化和复杂、昂贵的分析仪 器，能自动设定热风炉各加热期的煤气和空气流量。在实际应用中，取得了良 好的效果。 因此，面对我国的操作和自动化以及维护水平的实况，智能控制是适合我 国热风炉控制系统的发展的。 1 3 提高热风炉风温的意义 高炉是个消耗能量巨大的专业设备，需要大量的热量才能保持冶炼的顺利 进行，这些热量主要来自焦炭在炉缸的燃烧和从热风炉鼓入的热风。如果鼓入 的热风热量越多，那么焦炭燃烧所产生的热量就会越少。提高风温的直接效果 就是降低焦比，原因就是鼓入的热风的热量能有效地代替部分焦炭燃烧产生地 热。一般热风温度每提高1 0 0 c 可降低焦比2 0 一2 5 公斤吨铁，同时可增产3 一5 ， 还可允许增加喷吹煤粉4 0 公斤吨铁，或增加喷吹重油2 5 公斤吨铁，相应地 进一步降低焦比。提高风温后，焦比会降低，单位生铁生成的煤气量减小，炉 顶煤气温度下降，煤气带走的热量损失减少，而高炉产量相应增加，因而单位 生铁的热损失亦减少。风温提高使高温区下降，中温区扩大，在一定条件下， 有利于间接还原的发展。 高炉喷吹的燃料，由于本身是冷料，燃烧时分解要吸热，消耗部分热量， 同时煤气量增加，造成喷吹后的理论燃烧温度要下降。这样不仅影响喷吹效果， 甚至可能引起炉况失常。风温的提高增加了炉缸热量来源，提供了一定的补偿 热，而且确保燃烧带具有较高的温度水平，促进燃料裂化和燃烧，有利于喷吹 燃料燃烧的热能和化学能的充分利用。所以风温的提高能加大燃料的喷吹量， 提高喷吹效果。 焦炭燃烧后产生的热量只有一部分被利用，另一部分则被煤气带出高炉或 成为热损失，而热风带入的物理热在高炉下部高温区能全部被利用。因此当提 高风温带入的热量同增加焦炭燃烧产生的热量相同时，它们的利用率是不相同 的，提高风温比焦炭燃烧热的利用率更高。提高风温还可收到提高炉缸温度， 稳定生铁质量，增加煤粉喷吹量，提高煤粉燃烧效率，改善煤气能量利用等效 果。 由上面的论述可知，热风温度的提高可以对高炉冶炼产生以下的作用：第 一，可以减少生产每吨生铁所需焦炭的使用量，即降低焦比，这样焦炭带入的 铝、硅、硫等化合物就会降低，有利于改善渣铁的流动性和提高生铁质量。还 可以提高生铁产量。第二，有利于提高喷煤量。第三，能活跃炉缸，因为热风 温度的提高，使鼓风的动能提高，有利于打透中心。第四，有利于能源的利用， 使高炉煤气能充分的利用。 我国热风炉的风温在5 0 年代末期只有少数先进热风炉的风温能达到1 0 0 0 ：随着高炉风口喷吹燃料技术在6 0 年代初的应用，我国个别若热风炉风温也 曾达到过1 2 0 0 ，全国重点钢铁企业热风炉1 9 6 6 年平均风温达到了1 0 1 3 ； 但8 0 年代以来，随着煤气热值的下降，重点钢铁企业的绝大部分热风炉的平均 风温仍然在1 0 0 0 左右，甚至更低，据有关文献介绍，1 9 6 5 年我国高炉煤气的 典型热值为4 1 8 7k j m 3 ，1 9 7 0 年热值降到3 4 5 0k j m 3 ，中、小高炉的煤气热值 分别降低到3 3 5 0 3 5 6 0 k j m 3 和3 7 0 0 k j m 3 。国外的一些发达国家，如日本、 德国、芬兰等国外先进热风炉的风温能达到1 2 5 0 ，有的甚至更高，如日本的 新日铁新津厂3 号高炉的热风炉风温能达到1 3 0 0 ；芬兰的拉赫厂的热风炉能 达到1 3 5 0 。而在我国只有少数先进热风炉的风温能达到1 2 5 0 ，其他绝大多 数的热风炉的风温一直在很低的水平上徘徊。风温问题已经成为进一步提高喷 煤量、改善高炉指标的主要障碍，一定程度上制约了我国炼铁技术的发展。 国外先进热风炉之所以能达到那么高的风温，除了其有先进的控制系统外， 6 还有就是采用热值高的燃料，如喷吹重油、富化天然气和焦炉煤气等。我国宝 钢等少数企业的热风炉也是在混烧了大量高热值煤气条件下，达到比较高的风 温水平的。但在钢铁厂内，高热值气体燃料的用途广、需求量大、价值高、供 应紧张，许多热风炉只能烧单一的高炉煤气。而且，随着炼铁技术的进步和装 备水平的改善，高炉燃料比降低，许多钢铁厂的高炉煤气热值进一步降低，进 一步制约了热风炉风温的提高。 我国大多数企业的热风炉的风温普遍比较低的原因有：热风炉老化现象严 重；高热值煤气的缺乏；热风炉的潜力由于种种原因没有完全发挥；高炉接受 风温的能力差等。由于我国热风炉主要使用的是高炉煤气，所以高炉煤气热值 较低就成为风温提高的主要制约因素。随着高炉的大型化，原料的改善，技术 和操作的改进，高炉煤气的物理和化学性能越来越被高炉充分利用，导致高炉 煤气热值日益降低，我国许多现代化高炉的煤气热值已经降低到3 1 0 0k j i m 3 ， 而像焦炉煤气、天然气等高热值煤气的用途广，需求量大，价值高，供应量有 限，并且短缺的情况会越来越严重，因此，如何利用热值较低的高炉煤气来获 得较高的风温，在我国具有非常深远的现实意义和经济意义。 1 4 利用高炉煤气获得高风温的方法 要利用热值比较低的高炉煤气来获得较高的风温，经过很多企业的创新和 实践，主要有以下几种方法： ( 1 ) 采用于式除尘系统来代替湿式除尘系统 高炉煤气从高炉出来时，会携带大量灰尘，如果不除尘直接供给热风炉使 用，对热风炉球项，格子砖，隔火墙的渣损坏都很严重，会影响到风温的提高， 所以必须经过除尘后才能送给热风炉。目前我国高炉基本上采用的都是湿式除 尘系统，高炉煤气经过水的洗涤，除去里面的灰尘，但是这样会使高炉煤气温 度降低，湿度提高，严重影响热风炉理论燃烧温度的提高，同时会消耗大量的 水，增加了动力消耗。干式除尘系统，如使用布袋除尘器，则可以避免上面的 问题，干式除尘后的高炉煤气湿度低，温度可以保持在1 5 0 2 0 0 之间，能 充分利用其自身的显热。经干式除尘后的高炉煤气比经湿式除尘后的高炉煤气 的发热值要高。 ( 2 ) 设备改造和工艺优化 热风炉要在高温、高压下长期运行，其辅助设备特别是热风炉各主要阀门 也必须能适应高风温的需要，最突出的是热风阀，它的工作状况和寿命也影响 到风温的提高。另外，热风炉送出的高温热风要通过风口送风组件才送入高炉， 所以风口送风组件的密封性和绝热性对提高风温也十分重要。 随着热风炉的强化和风温的提高，传统的内燃式热风炉寿命大大降低，已 经不能适应高风温的需要，相应地出现了外燃式、顶燃式和新式霍戈文式热风 炉( 又叫达涅利一康力斯式热风炉) 。采用上述适应高风温的炉型，是提高风温 的关键。 在热风炉中，既能长期承受高温又能满足热风炉工艺需要的耐火材料是达 到高风温的保证。以前大多数热风炉高温部位使用高铝砖，这种砖虽具有较高 的荷重软化点，但其抗高温蠕变性能很差，会造成热风炉中的格子砖下沉、格 子砖变形、炉墙不均匀下沉和开裂等情况。由于硅砖具有很好的抗高温蠕变性 能和高温下的热稳定性，日本等发达国家的高温热风炉的高温部位都使用硅砖， 但硅砖也有价格昂贵、耐急冷急热性能差等缺点。 ( 3 ) 采用高炉煤气和助燃空气双预热 提高高炉煤气和助燃空气温度也能有效地提高高炉煤气的理论燃烧温度。 表卜l 列出了几种发热量不同的煤气在不同助燃空气温度时的理论燃烧温 度。 表1 - 1 几组热值不同的煤气在不同助燃空气温度时的理论燃烧温度 助燃空气预热温度 c 2 01 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 0 煤气q d w = 2 3 0 8 k j k g 1 2 1 l1 2 3 3 1 2 6 31 2 9 3 1 3 2 31 3 5 21 3 8 51 4 1 7 煤气q d w = 2 4 6 2 k j k g 1 3 0 3 1 3 2 81 3 6 01 3 0 2 1 4 2 41 4 5 81 4 9 l1 5 2 6 煤气q d w = 2 6 1 6 k j k g 1 3 9 51 4 2 01 4 5 11 4 8 81 5 2 41 5 6 01 5 9 61 6 3 4 注：高炉煤气含水5 ，空燃比1 1 ，温度为3 5 c 情况下 从表卜l 中可见，助燃空气温度在7 0 0 c 以内时，每升高1 0 0 c ，相应可以 提高高炉煤气的理论燃烧温度3 0 3 5 c 。 表卜2 列出了几种发热量不同的煤气在不同预热温度下的理论燃烧温度。 表1 - 2 几种发热量不同的煤气在不同预热温度下的理论燃烧温度 煤气预热温度 c 3 51 0 02 0 0 3 0 04 0 0 煤气q d w = 2 3 0 8 k j k g 1 2 1 11 2 3 31 2 6 31 2 9 31 3 2 3 煤气q d w = 2 4 6 2 k j k g 1 3 0 31 3 2 81 3 6 01 3 9 2 1 4 2 4 煤气q d w = 2 6 1 6 k j k g1 3 9 5 1 4 2 01 4 5 11 4 8 81 5 2 4 注：高炉煤气含水5 ，空燃比1 1 ，助燃空气温度为2 0 情况下 从表1 - 2 列出的几种发热量的煤气在不同预热温度下的煤气理论燃烧温度 可以看出，煤气预热温度每升高1 0 0 ，煤气理论燃烧温度大概提高4 0 若同时预热煤气和助燃空气，提高理论燃烧温度的效果为两者分别预热效 果之和。例如，燃烧q d w r = 2 4 6 2 k j k g 的煤气，助燃空气预热到2 0 0 时可提高 煤气理论燃烧值1 3 6 0 1 3 0 3 = 5 7 ；煤气也预热到2 0 0 ，可提高煤气理论燃 烧温度1 3 8 1 1 3 0 3 = 7 8 ；煤气理论燃烧值提高的总效果为：5 7 + 7 8 = 1 3 5 。 ( 4 ) 热风炉和高炉的操作和控制 风温调节曾是高炉下部调剂的快速而有效的手段。随着高炉风口喷吹燃料 技术的应用，喷吹量的调节可以成为更灵活的下部调剂手段，不仅可以进行总 量调节还可以进行单个风口调节，高炉采用全风温操作，甚至将混风大闸关闭， 风温水平相应提高。 提高热风温度需要提高热风炉高温区的温度和增加贮存在热风炉内的热 量，在现的热风炉工艺条件下，使用合理的燃烧操作制度和送风操作制度，实 现热风炉的合理燃烧，是提高热风温度的另一重要角度。 先进的高炉焦比低、煤气利用好，煤气热值低，对热风炉烧炉不利，但先 进的高炉却要求使用较高的风温；而对于操作和控制落后的高炉焦比高、煤气 利用差、煤气热值高，热风炉可烧到较高的温度，但是高炉却难于使用高的风 温，所以高炉和热风炉的操作应相互配合才能最大限度地提升热风炉提高风温 的能力。 1 5 本文课题来源 马钢( 合肥) 3 # 高炉在2 0 0 4 年由于四段2 j 5 、3 j 6 、4 撑冷却壁发生破损、炉 底温度过高；部分设备老化、控制和监视不全面、故障率高等问题导致停产。 在3 # 高炉停产的期间，由于新建4 # 高炉没有配套热风炉，所以原3 # 热风炉 继续为4 # 高炉生产送风。由于3 # 热风炉的原来基于西门子p l c 5 监测和控制 部分已经严重老化，故障率高，3 # 热风炉恢复了老式的利用仪表来监测热风炉 的各个参数，用中间继电器、时间继电器等电气元件及硬连线搭接来完成人工 单点操作电气简单连锁控制来实现热风炉的逻辑控制。 所以3 # 热风炉在这次改造前的监测系统均为显示仪表检测显示，分别有传 感器、变送器、显示仪表等设备。这种方式可供检测显示的参数有限却设备繁 多，设备占空间过大，操作人员监视记录也很不方便，历史记录不便保存，查 询更不容易。逻辑控制的实现是靠中间继电器、时间继电器等电器元件及硬连 线搭接来完成人工单点操作电气简单连锁控制。这些与自动化技术的发展应用 很不相称。 2 0 0 6 年6 月，3 # 高炉进行大修，准备恢复生产。由于4 # 高炉热风炉的新 建成，3 # 高炉热风炉恢复为3 # 高炉生产供风。此次改造对3 样高炉本体及热风 炉和卷扬系统进行了重新设计，使用比原系统更先进的s 7 3 0 0 系列p l c ，并对 控制程序进行重新编写，使得操作人员可在值班室通过控制程序对工艺过程进 行实时监控，以实现高炉生产更高程度的自动化。 本论文就是以此次3 # 高炉大修为背景，以热风炉的控制为对象进行研究， 讨论了模糊控制在热风炉控制上的作用，并详细介绍了马钢( 合j i e ) 3 # 高炉热风 炉这次改造后的系统组成以及具体实现。 9 2 1 智能控制的发展 第二章模糊控制理论简介 在科学技术发展史上，控制科学同其它技术科学一样，它的产生与发展主 要由人类的生产发展需求和人类当时的技术知识水平所决定。到目前为止，控 制理论的发展，已经经历了经典控制理论、现代控制理论、智能控制理论三个 阶段。经典控制理论和现代控制理论被称为传统的控制理论，都是建立在被控 对象的数学模型能精确建立的基础上，但是在许多情况下，被控对象的模型很 难建立。随着科学技术的不断发展，控制理论面对的研究对象更多的是涉及多 变量、非线性、时变的复杂系统，建立精确的数学模型很困难，甚至是不可能 的。传统的控制理论和技术面临着新的控制要求的挑战。智能控制就是在这样 的背景下产生的一个新兴的学科领域。 2 1 1 智能控制的研究对象 智能控制是控制理论发展的高级阶段。它主要用来解决那些传统方法难以 解决的复杂系统的控制问题。其中包括智能机器人系统、计算机集成制造系统 ( c i m s ) 、复杂的工业过程控制系统、航天航空控制系统、社会经济管理系统、 交通运输系统、环保及能源系统等。具体的说，智能控制的研究对象具有以下 一些特点： ( 1 ) 不确定的模型 传统的控制都是基于模型的控制，这里的模型包括控制对象和干扰模型。 对于传统控制通常认为模型已知或者通过辨识可以得到。而智能控制的对象通 常存在严重的不确定性。这里的模型不确定性包含两重意思：一是模型未知或 知之甚少：二是模型的结构和参数可能在很大范围内变化。但无论是哪种情况， 传统控制方法都难于对它们进行控制，而这正是智能控制所要解决的问题。 ( 2 ) 高度的非线性 在传统的控制理论中，线性系统理论比较成熟。对于具有高度非线性的控 制对象，虽然也有一些非线性控制方法，但总的说来，非线性控制理论还很不 成熟，而且方法比较复杂。采用智能控制方法往往可以较好地解决非线性系统 的控制问题。 ( 3 ) 复杂的任务要求 在传统的控制系统中，控制的任务或者是要求输出量为定值( 调节系统) ，或 者是要求输出量跟随期望的运动轨迹( 跟踪系统) 。因此控制任务的要求比较单 一。对于智能控制系统，任务的要求往往比较复杂。例如，在智能机器人系统 中，它要求系统对一个复杂任务具有自行规划和决策能力，有自动躲避障碍运 动到期望目标的能力。再如，在复杂的工业过程控制系统中，它除了要求对各 i o 被控物理量实现定值调节外，还要求能实现整个系统的自动起停、故障自动诊 断以及紧急情况的自动处理等功能。 2 1 2 模糊控制的特点 1 9 6 5 年，美国控制论专家z a d e h 发表了论文模糊集合，标志着模糊数 学这门学科的诞生。1 9 7 4 年，英国马丹尼( e 日m a n d a n i ) i 程师首先利用模 糊控制理论构成了模糊控制器，并应用于锅炉和蒸汽发动机的控制。在其后的 几十年中，模糊控制技术得到了迅猛发展，并在许多领域中获得了应用。模糊 控制是模糊集合理论应用的一个重要方面，是智能控制的一个重要分支。模糊 控制理论作为智能控制领域的一个分支具有广阔的应用前景，它的发展与应用 日益受到人们的重视。模糊控制是以模糊集合化、模糊语言变量及模糊逻辑推 理为基础的一种计算机数字控制。它主要具有以下特点： ( 1 ) 模糊控制是一种基于规则的控制，它直接采用语言型控制规则，其依据 是现场操作人员的控制经验或相关专家的知识，在设计中不需要建立被控对象 的精确数学模型，因而使得控制机理和策略易于接受与理解，设计简单，便于 应用。所以模糊控制特别适用于那些精确数学模型很难获得或者根本无法获得 的复杂系统或过程与模糊对象等采用。 ( 2 ) 由工业过程的定性认识出发，比较容易建立语言控制规则，因而模糊控 制对那些数学模型难以获取，动态特性不易掌握或变化非常显著的对象非常适 用。 ( 3 ) 基于模型的控制算法及系统设计方法，由于出发点和性能指标的不同， 容易导致较大差异；但一个系统语言控制规