胡正益

（福建泉州閩光鋼鐵有限責(zé)任公司，福建 泉州 362411）

鋼鐵工業(yè)是支撐我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，同時(shí)也是高能耗、高排放產(chǎn)業(yè)，其能耗占國民生產(chǎn)工業(yè)能源消耗的17%左右，而其中煉鐵工序能耗又占了鋼鐵能耗的70%左右[1]。因此，在當(dāng)下經(jīng)濟(jì)形勢嚴(yán)峻、企業(yè)追求高效低耗生產(chǎn)的背景下，有效降低煉鐵工序的能源消耗對(duì)于降低產(chǎn)品成本、提升企業(yè)競爭力、保障在國家節(jié)能降耗政策框架內(nèi)的平穩(wěn)生產(chǎn)具有重要作用。熱風(fēng)爐是高爐煉鐵的重要熱工設(shè)備，其能耗約占高爐工序能耗的20%，同時(shí)也是碳排放大戶。而智能燃燒控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)無人工干預(yù)的自動(dòng)優(yōu)化燃燒，可有效降低勞動(dòng)強(qiáng)度。使用熱風(fēng)爐智能控制系統(tǒng)來提高熱風(fēng)爐配比的燃燒控制精確度是提高風(fēng)溫、降低燃料消耗以及減排的重要手段，也是提高熱風(fēng)爐使用壽命和減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度的有效措施。工業(yè)試驗(yàn)表明：通常情況下，采用智能燃燒控制系統(tǒng)可提高風(fēng)溫10℃以上或節(jié)約煤氣3.0%以上。

1 高爐熱風(fēng)爐控制現(xiàn)狀分析

高爐熱風(fēng)爐的燃燒是非線性的，溫度調(diào)控嚴(yán)重滯后，溫度變化響應(yīng)相對(duì)緩慢，而影響熱風(fēng)爐燃燒的因素較多，且各種因素間相互制約，從而導(dǎo)致高爐熱風(fēng)爐的控制過程比較復(fù)雜，常規(guī)的自動(dòng)化控制系統(tǒng)無法達(dá)到比較好的控制效果，同時(shí)，也很難使用比較精準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型來描述。此外，傳統(tǒng)的熱風(fēng)爐燒爐控制模型調(diào)控不靈活，應(yīng)變能力差，很難適應(yīng)較復(fù)雜的控制系統(tǒng)。目前國內(nèi)的熱風(fēng)爐燒爐方式現(xiàn)狀及存在的問題主要有以下幾方面。

1.1 人工燒爐成本高、控制精度低、溫度波動(dòng)大

人工燒爐調(diào)控精度較低，若跟蹤不及時(shí)，會(huì)造成燒爐能耗成本的加大；當(dāng)煤氣熱值、煤氣壓力等影響因素發(fā)生比較大的波動(dòng)時(shí)，往往會(huì)因人工操作反應(yīng)不及時(shí)而使得拱頂溫度波動(dòng)變大，致使熱風(fēng)爐蓄熱不夠充分，從而直接對(duì)高爐風(fēng)溫的穩(wěn)定性造成影響，甚至?xí)绊懙秸麄€(gè)熱風(fēng)爐的使用壽命。

1.2 基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)成本高、控制效果不佳

基礎(chǔ)自動(dòng)化的過程控制中，需要投入相當(dāng)大的工程費(fèi)用來進(jìn)行儀表改造，儀表維護(hù)成本高，由此使得自動(dòng)化控制系統(tǒng)無法有效克服煤氣熱值和煤氣壓力頻繁變化帶來的影響，導(dǎo)致控制效果不佳。

1.3 數(shù)學(xué)模型過于復(fù)雜滯后

傳統(tǒng)的熱風(fēng)爐燒爐數(shù)學(xué)模型主要通過計(jì)算所需的煤氣流量和助燃空氣流量來滿足熱風(fēng)爐格子磚的蓄熱能量，但由于熱風(fēng)爐的燃燒過程是一個(gè)耗時(shí)較多且滯后的過程，因此，實(shí)現(xiàn)燃燒控制的主要困難為不能及時(shí)得到控制作用的反饋信息，以致在實(shí)際生產(chǎn)過程中，等到控制效果通過輸出體現(xiàn)時(shí)，控制調(diào)整往往已經(jīng)失去作用，從而使得模型計(jì)算的數(shù)據(jù)來源以及計(jì)算的結(jié)果不能實(shí)時(shí)有效地反應(yīng)到熱風(fēng)爐狀態(tài)的調(diào)整上。

1.4 熱風(fēng)爐智能燃燒控制系統(tǒng)的重要性

基于以上熱風(fēng)爐燃燒的特點(diǎn)和要求，立足于鋼鐵行業(yè)節(jié)能降耗的目標(biāo)，開發(fā)出一套可實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐全自動(dòng)智能控制的系統(tǒng)是十分必要的[3]。該熱風(fēng)爐智能燃燒控制系統(tǒng)可為鋼鐵企業(yè)實(shí)現(xiàn)高爐煉鐵領(lǐng)域深化能源的有效利用、高效利用二次能源、降低生產(chǎn)成本等提供必要的基礎(chǔ)條件。

2 熱風(fēng)爐智能燃燒控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

熱風(fēng)爐智能燃燒控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下頁圖1所示。

圖1 熱風(fēng)爐智能燃燒控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.2 系統(tǒng)原理

熱風(fēng)爐智能燃燒控制系統(tǒng)在不改變原有熱風(fēng)爐DCS控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制方式的基礎(chǔ)上，利用計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、經(jīng)典控制理論、專家系統(tǒng)、模糊控制等技術(shù)，完全模擬熱風(fēng)爐專家級(jí)優(yōu)秀操作人員的整個(gè)操作過程，采用熱風(fēng)爐專家系統(tǒng)專用控制器，以實(shí)現(xiàn)對(duì)所需數(shù)據(jù)的采集處理，并通過熱風(fēng)爐專家系統(tǒng)人機(jī)界面軟件，針對(duì)每一個(gè)熱風(fēng)爐的不同情況，現(xiàn)場調(diào)試并量身訂制出一套適用的控制參數(shù)。該系統(tǒng)建立有熱風(fēng)爐燃燒的數(shù)學(xué)模型，在燒爐過程中可通過自學(xué)習(xí)功能，不斷深化記憶各熱風(fēng)爐的特性；建立有針對(duì)各熱風(fēng)爐特點(diǎn)可不斷優(yōu)化的知識(shí)庫，同時(shí)可在正常工況下，根據(jù)不同的參數(shù)變化和燒爐情況，實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐燒爐全過程的自動(dòng)優(yōu)化和最佳燃燒控制。

熱風(fēng)爐智能燃燒控制系統(tǒng)不需要改變現(xiàn)有工藝設(shè)備和工藝路線，僅需要將熱風(fēng)爐的拱頂溫度、廢氣溫度、煤氣總管壓力、控制閥的控制及反饋信號(hào)、換爐信號(hào)、空氣壓力、煤氣流量、空氣流量等通過OPC傳至熱風(fēng)爐專家系統(tǒng)，經(jīng)專家系統(tǒng)的控制運(yùn)算后，陸續(xù)得出在整個(gè)燒爐過程的空氣、煤氣閥位控制值，再通過OPC將其送回?zé)犸L(fēng)爐給DCS控制站，對(duì)空氣和煤氣閥門進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。系統(tǒng)完全模擬優(yōu)秀操作工的整個(gè)操作過程，實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)智能燒爐控制而無需人工干預(yù)。系統(tǒng)只需參考拱頂溫度、廢氣溫度、煤氣壓力、空氣壓力等幾個(gè)常規(guī)變量就能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的自動(dòng)跟蹤調(diào)節(jié)，而不需要借助煤氣熱值儀或煙道殘氧分析儀分析這些易損量，并在煤、空氣支管流量無法長期保持穩(wěn)定時(shí)，仍可實(shí)現(xiàn)可靠的自動(dòng)燃燒調(diào)節(jié)，從而達(dá)到最好的節(jié)能效果。

2.3 系統(tǒng)特點(diǎn)

1）具有較強(qiáng)的抗擾動(dòng)性。高爐煤氣壓力、煤氣成分、煤氣和助燃空氣的溫度及壓力波動(dòng)往往都比較大，系統(tǒng)能夠在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)空燃比進(jìn)行調(diào)整適應(yīng)，避免拱頂溫度出現(xiàn)大幅度波動(dòng)。

2）具有較高的控制精度。操作人員將拱頂溫度和廢氣溫度目標(biāo)輸入系統(tǒng)后，系統(tǒng)能夠按照最佳燒爐曲線自動(dòng)控制好拱頂溫度，并在規(guī)定時(shí)間內(nèi)使廢氣溫度達(dá)到目標(biāo)值。

3）系統(tǒng)界面友好，操作簡單可靠。熱風(fēng)爐智能燃燒控制系統(tǒng)通過OPC與熱風(fēng)爐DCS通訊，可與熱風(fēng)爐原DCS系統(tǒng)并行在線使用；通過在熱風(fēng)爐DCS操作界面設(shè)置控制權(quán)切換按鈕，可很方便地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)燒爐系統(tǒng)和熱風(fēng)爐原DCS系統(tǒng)的控制權(quán)切換。熱風(fēng)爐原DCS系統(tǒng)的所有控制功能均完全保留，系統(tǒng)可靠性強(qiáng)。

4）實(shí)現(xiàn)燒爐全過程的全自動(dòng)控制，使燒爐過程中具備安全連鎖功能，可大幅度減輕現(xiàn)場工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

3 熱風(fēng)爐智能燃燒控制系統(tǒng)應(yīng)用分析

3.1 節(jié)能分析

通過將熱風(fēng)爐智能燃燒控制系統(tǒng)部署在泉州閩光3號(hào)高爐熱風(fēng)爐上進(jìn)行實(shí)測，并分別對(duì)系統(tǒng)投入前的人工燒爐和系統(tǒng)投入后的智能燒爐進(jìn)行了15 d的燒爐數(shù)據(jù)取樣，對(duì)取樣數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如下頁表1—表3所示。

表1 熱風(fēng)爐人工燒爐數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

表3 人工燒爐與智能燒爐15日數(shù)據(jù)均值對(duì)比

通過對(duì)15 d人工燒爐與智能燒爐的數(shù)據(jù)分析比對(duì)表明：

1）有效節(jié)省煤氣使用量，并使風(fēng)溫提高。風(fēng)溫提高值為9.4℃，折煤氣為3.13%（按3℃風(fēng)溫折1%煤氣計(jì)），煤氣節(jié)省率=（手動(dòng)煤氣單耗-自動(dòng)煤氣單耗）/手動(dòng)煤氣單耗×100%=（2 058 273-1 962 367）/2 058 273×100%=4.66%。

2）智能燒爐的拱頂溫度控制較人工燒爐更為穩(wěn)定，拱頂溫度波動(dòng)幅度控制在目標(biāo)±10℃以內(nèi)，拱頂溫度平均上升約20℃。熱風(fēng)爐拱頂溫度趨勢圖如圖2所示。

圖2 熱風(fēng)爐拱頂溫度趨勢圖

3）智能燒爐的廢氣溫度控制較人工燒爐更穩(wěn)定，廢氣溫度可控制在目標(biāo)值±10℃以內(nèi)，廢氣溫度上升約7.8℃。熱風(fēng)爐廢氣溫度趨勢圖如圖3所示。

圖3 熱風(fēng)爐廢氣溫度趨勢圖

表2 熱風(fēng)爐自動(dòng)燒爐數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

3.2 應(yīng)用結(jié)論

在人工燒爐和智能燒爐取數(shù)期間，高爐熱風(fēng)爐生產(chǎn)、工況穩(wěn)定，數(shù)據(jù)取樣合理有效。熱風(fēng)智能燃燒控制系統(tǒng)投運(yùn)后，平均煤氣量可節(jié)省4.64%，平均風(fēng)溫提高9.4℃，折合煤氣為3.13%，綜合節(jié)能率為7.77%，節(jié)能效果明顯。

熱風(fēng)爐智能燃燒控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)提高風(fēng)溫約10℃，理論上，按照每提高風(fēng)溫10℃可降低1 kg/t焦比計(jì)算，噸鐵可降低成本3元以上（焦炭價(jià)格隨市場波動(dòng)），一個(gè)年產(chǎn)300萬t生鐵的鋼鐵企業(yè)，年可降低成本900萬元以上。如果企業(yè)煤氣資源緊張，需進(jìn)行煤氣的節(jié)約控制，可以有效降低煤氣消耗量5%以上，且可保證在煤氣波動(dòng)較大的情況下，熱風(fēng)爐燒爐過程能夠平穩(wěn)進(jìn)行。

4 結(jié)語

熱風(fēng)爐智能燃燒控制系統(tǒng)以拱頂溫度和廢氣溫度為控制目標(biāo)，對(duì)熱風(fēng)爐燒爐過程進(jìn)行自動(dòng)尋優(yōu)控制，無需人工干預(yù)，可實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐燒爐全過程自動(dòng)優(yōu)化和最佳燃燒控制，并能在穩(wěn)定燃燒的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)最大限度的節(jié)能，節(jié)能減排效果顯著。

“十四五”期間，鋼鐵行業(yè)將面臨從碳排放強(qiáng)度的“相對(duì)約束”到碳排放總量的“絕對(duì)約束”，同時(shí)還可能面臨更多來自“碳經(jīng)濟(jì)”的國際挑戰(zhàn)，加快低碳轉(zhuǎn)型勢在必行[3]。為推動(dòng)鋼鐵行業(yè)低碳綠色發(fā)展，加快推進(jìn)智能制造，數(shù)字化轉(zhuǎn)型是實(shí)現(xiàn)鋼鐵企業(yè)全面可持續(xù)發(fā)展和高質(zhì)量發(fā)展的必由之路，因此，熱風(fēng)爐智能燃燒控制系統(tǒng)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)值得在鋼鐵企業(yè)推廣應(yīng)用。