李容成,劉黃強(qiáng)

(1.江陰興澄特種鋼鐵有限公司,江蘇 無(wú)錫 214400)

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),高爐煉鐵工藝受到自然資源短缺、能源供給不足,以及生態(tài)環(huán)境保護(hù)等方面的制約,面臨較大的發(fā)展問(wèn)題。[1]面對(duì)當(dāng)前日益嚴(yán)峻的形式和挑戰(zhàn),21世紀(jì)的高爐煉鐵要實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,必須在高效低耗、節(jié)能減排、清潔環(huán)保、低碳冶金、綠色發(fā)展方面取得顯著突破,才能提高煉鐵技術(shù)的生命力和競(jìng)爭(zhēng)力。[2]煉鐵能耗在整個(gè)鋼鐵企業(yè)中占據(jù)60%～70%的份額。煉鐵作為鋼鐵流程中的耗能大戶,節(jié)能降耗任務(wù)首當(dāng)其沖。熱風(fēng)爐作為高爐的關(guān)鍵輔助設(shè)備,承擔(dān)著為高爐提供廉價(jià)能源——熱風(fēng)的功能。熱風(fēng)爐的作用主要是利用煤氣燃燒加熱蓄熱體,在送風(fēng)過(guò)程中,冷風(fēng)與蓄熱體熱交換后成為熱風(fēng)送入高爐。熱風(fēng)爐消耗煤氣和空氣,主要產(chǎn)品為熱風(fēng),并伴隨廢煙氣的生成。評(píng)價(jià)熱風(fēng)爐的指標(biāo)就包括:煤氣消耗、熱風(fēng)溫度、廢煙氣成分指標(biāo)。

1 興澄特鋼2#高爐熱風(fēng)爐現(xiàn)狀

興澄特鋼2#高爐熱風(fēng)爐配備3座旋切式頂燃式熱風(fēng)爐,設(shè)計(jì)風(fēng)溫1200 ℃,燃燒介質(zhì)為高爐煤氣。由于廠區(qū)內(nèi)煤氣熱值波動(dòng)頻繁,煤氣進(jìn)入總管時(shí)設(shè)有自動(dòng)定壓調(diào)節(jié)閥。高熱值煤氣使得熱風(fēng)爐爆燃現(xiàn)象明顯,不僅浪費(fèi)煤氣能源,還對(duì)熱風(fēng)爐耐材存在一定程度的破壞。

燒爐過(guò)程中,由熱風(fēng)操作工憑工作經(jīng)驗(yàn)調(diào)整與設(shè)定空燃比、調(diào)節(jié)煤氣量。由于每班操作人員經(jīng)驗(yàn)不同,調(diào)節(jié)頻次每班不統(tǒng)一,造成熱風(fēng)爐燃燒溫度和送風(fēng)溫度波動(dòng)大,不利于熱風(fēng)爐的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 自動(dòng)燒爐系統(tǒng)介紹

2.1 熱風(fēng)爐自動(dòng)燒爐系統(tǒng)簡(jiǎn)介

熱風(fēng)爐自動(dòng)燒爐系統(tǒng)是根據(jù)熱風(fēng)爐的工作原理、升溫特性、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、燃料特點(diǎn)等參數(shù),從傳熱、傳質(zhì)、優(yōu)化控制、適應(yīng)熱風(fēng)爐各種工況變化入手,研究熱風(fēng)爐蓄熱過(guò)程特性。在綜合大量技能精湛的熱風(fēng)工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,共同開(kāi)發(fā)了對(duì)熱風(fēng)爐的燃燒、蓄熱過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化控制、實(shí)現(xiàn)燒爐過(guò)程全自動(dòng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

2.2 熱風(fēng)爐燃燒自動(dòng)控制的目的

根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)及模糊控制理論,優(yōu)化空燃比,自動(dòng)控制煤氣流量和空氣流量,使得燃燒效果最佳,如下圖1,空氣不足時(shí)煤氣燃燒不充分,浪費(fèi)煤氣;空氣過(guò)量時(shí),排煙熱損失增加,浪費(fèi)熱量。

圖1 系統(tǒng)示意圖

2.3 熱風(fēng)爐自動(dòng)燒爐系統(tǒng)的組成

熱風(fēng)爐自動(dòng)燒爐系統(tǒng)的架構(gòu)示意圖,如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)包括與熱風(fēng)爐基礎(chǔ)PLC(DCS)控制系統(tǒng)通信系統(tǒng)、自動(dòng)燒爐自動(dòng)系統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)及自動(dòng)燒爐軟件組成。熱風(fēng)爐自動(dòng)燒爐的PLC通過(guò)自身的通訊系統(tǒng)從熱風(fēng)爐基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)獲得現(xiàn)場(chǎng)儀表數(shù)據(jù)及調(diào)節(jié)閥閥門狀態(tài),根據(jù)控制邏輯發(fā)送控制參數(shù)到基礎(chǔ)自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制。

3 基本思路

熱風(fēng)爐的燃燒過(guò)程的優(yōu)劣取決于合理的空氣與煤氣的配比,即使在空燃比配比合理情況下,空氣和煤氣在燃燒過(guò)程中的混合狀況也影響燃燒的效果。在項(xiàng)目實(shí)施前期,通過(guò)對(duì)燃燒器的數(shù)值模擬、建模分析,獲得空氣和煤氣混合的最佳流量配比區(qū)間。根據(jù)燃燒模型,獲得安全火焰長(zhǎng)度區(qū)間,確保燃燒安全、充分、高效。根據(jù)傳熱模型,獲得熱風(fēng)爐燃燒和送風(fēng)制度合理區(qū)間。綜合上述數(shù)據(jù)分析,獲得熱風(fēng)爐燃燒優(yōu)化控制的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),如下圖3所示:

圖3 熱風(fēng)爐燃燒基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

在數(shù)據(jù)收集階段,軟件自動(dòng)優(yōu)選實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中燒爐廢氣殘氧含量、拱頂升溫速率、煤氣熱值參數(shù)對(duì)應(yīng)空氣和煤氣配比,并利用熱交換原理,對(duì)熱風(fēng)爐熱效率進(jìn)行尋優(yōu)。

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,以前兩個(gè)階段獲得的數(shù)據(jù)為控制參數(shù),根據(jù)實(shí)時(shí)煤氣壓力、煤氣熱值的波動(dòng),自動(dòng)尋優(yōu)調(diào)節(jié)空氣、煤氣配比,保證燃燒充分完全,廢煙氣排放指標(biāo)合理。

4 基本功能模塊

(1)自動(dòng)燒爐控制模塊:自動(dòng)燒爐功能可在燒爐過(guò)程中的任一時(shí)刻投入或退出,并實(shí)現(xiàn)無(wú)擾動(dòng)切換。初始點(diǎn)火的煤氣和空氣流量采用上次尋優(yōu)的最佳煤氣和空氣流量。

(2)智能尋優(yōu)模塊:可自動(dòng)尋找最佳的空燃比和燒爐過(guò)程,有效克服煤氣熱值波動(dòng)對(duì)燒爐效果的影響,保持最佳的燒爐狀態(tài)(在配備煤氣和廢氣分析儀的情況下,尋優(yōu)效果更佳)。

(3)智能停燒模塊:分正常停燒和保護(hù)停燒。正常停燒是指燒爐過(guò)程完成,即煙道溫度或燒爐時(shí)間達(dá)到設(shè)定值時(shí)自動(dòng)停燒;保護(hù)停燒是指正常燒爐過(guò)程中,當(dāng)出現(xiàn)煤氣或空氣的壓力/流量、煙道溫度超標(biāo)等情況之一時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)保護(hù)停燒,防止意外發(fā)生。

(4)燒爐節(jié)奏控制模塊:在拱頂溫度、煙道溫度、燃燒時(shí)間目標(biāo)值已知的情況下,系統(tǒng)自動(dòng)制定不同時(shí)期的燃燒控制策略,結(jié)合燒爐過(guò)程動(dòng)態(tài)變化,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加燒、減燒,系統(tǒng)提供操作人員手動(dòng)加減燒功能。

(5)模糊控制器:模糊控制器是自動(dòng)燒爐優(yōu)化控制的核心,每一次閥的動(dòng)作都是由模糊控制器綜合分析,推理后得出的結(jié)果,綜合了人工智能技術(shù),專家燒火經(jīng)驗(yàn)及模型計(jì)算結(jié)果。

(6)其它功能模塊:有拱頂溫度過(guò)高保護(hù)、單/雙爐燃燒轉(zhuǎn)換、趨勢(shì)曲線、流量安全限幅、助燃風(fēng)機(jī)調(diào)節(jié)、語(yǔ)音報(bào)警提示等功能模塊。

5 技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

(1)實(shí)現(xiàn)了三個(gè)統(tǒng)一:白班、夜班燒爐過(guò)程統(tǒng)一、4個(gè)班操作過(guò)程統(tǒng)一、3座熱風(fēng)爐操作制度統(tǒng)一。

(2)實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐燒爐過(guò)程的準(zhǔn)無(wú)人化操作,減輕了崗位勞動(dòng)強(qiáng)度。

(3)燒爐過(guò)程更穩(wěn)定,減少了爆燃現(xiàn)象,有效減輕了對(duì)拱頂、及高溫區(qū)的格子磚的損傷,延長(zhǎng)了使用壽命。

(4)靈活準(zhǔn)確匹配了燒爐過(guò)程中的助燃風(fēng)壓力,降低了助燃風(fēng)機(jī)電力消耗。

6 實(shí)施過(guò)程

6.1 廢氣殘氧分析儀的校準(zhǔn)

2020年9月底,通過(guò)校準(zhǔn)激光分析儀器的射程距離及其工作壓力、工作溫度進(jìn)行進(jìn)一步匹配,并清理煙道監(jiān)測(cè)孔道內(nèi)碎小的耐材殘留,保障了激光分析儀器的精度。通過(guò)對(duì)廢氣人工采樣化驗(yàn)結(jié)果,和在線殘氧分析儀器數(shù)據(jù)比較,獲得最佳燒爐過(guò)程。結(jié)論為:當(dāng)廢氣氧含量在0.8%～1.0%之間時(shí),廢氣中CO含量接近于0。

6.2 系統(tǒng)綜合調(diào)試與應(yīng)用

為了實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、清晰、操作簡(jiǎn)便的熱風(fēng)爐自動(dòng)燒爐系統(tǒng)界面,對(duì)一級(jí)控制系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)?，F(xiàn)在,針對(duì)每座熱風(fēng)爐和助燃風(fēng)機(jī)的控制,分別設(shè)置了一鍵投入和退出按鈕。在原系統(tǒng)中,擁有最高控制權(quán)限的操作人員可以通過(guò)授權(quán)投入按鈕,將熱風(fēng)爐自動(dòng)燒爐系統(tǒng)授權(quán)投入。一旦授權(quán)投入,熱風(fēng)爐自動(dòng)燒爐系統(tǒng)將獲得燒爐權(quán)限,并開(kāi)始對(duì)熱風(fēng)爐的燒爐過(guò)程進(jìn)行控制。這樣,熱風(fēng)爐可以自動(dòng)進(jìn)行燃燒,而無(wú)需人工干預(yù)。如果原有系統(tǒng)與熱風(fēng)爐自動(dòng)燒爐系統(tǒng)的通訊出現(xiàn)異常,或者操作人員需要取消授權(quán),可以通過(guò)授權(quán)取消按鈕將熱風(fēng)爐自動(dòng)燒爐系統(tǒng)的權(quán)限交回原控制系統(tǒng)。這樣,熱風(fēng)爐將恢復(fù)到原有系統(tǒng)的控制下。

需要注意的是,在授權(quán)投入或授權(quán)取消切換過(guò)程中,對(duì)燃燒過(guò)程是無(wú)擾動(dòng)的。這意味著無(wú)論是授權(quán)投入還是授權(quán)取消,都不會(huì)對(duì)正在進(jìn)行的燃燒過(guò)程造成任何干擾。這樣可以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,并保證熱風(fēng)爐的燒爐過(guò)程不會(huì)受到影響。通過(guò)以上改進(jìn),熱風(fēng)爐自動(dòng)燒爐系統(tǒng)界面變得簡(jiǎn)單、清晰,操作也更加簡(jiǎn)便。操作人員只需點(diǎn)擊一鍵投入或退出按鈕,就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)熱風(fēng)爐自動(dòng)燒爐系統(tǒng)的控制,而無(wú)需進(jìn)行繁瑣的操作。這樣,提高了操作效率,減少了操作人員的負(fù)擔(dān)。

7 效果評(píng)價(jià)

熱風(fēng)爐自動(dòng)燒爐控制系統(tǒng)利用空燃比的設(shè)定,實(shí)時(shí)根據(jù)設(shè)定的燃燒室溫度進(jìn)行調(diào)節(jié),有效的控制燃燒溫度,很好的利用提高空氣過(guò)剩系數(shù)的手段來(lái)應(yīng)對(duì)煤氣熱值的波動(dòng)。并在燃燒過(guò)程中把控好時(shí)間對(duì)溫度的控制,根據(jù)高爐燃燒期剩余時(shí)間計(jì)算每分鐘升溫要求。在熱風(fēng)爐消耗煤氣節(jié)能方面效果顯著,在工況條件穩(wěn)定的情況下,取值前后2個(gè)月的數(shù)據(jù),對(duì)熱風(fēng)爐投用自動(dòng)燒爐的前、后煤氣消耗數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,折算日煤氣消耗,經(jīng)對(duì)比得出結(jié)論:投用熱風(fēng)爐自動(dòng)燒爐系統(tǒng)前后,風(fēng)溫使用維持原工況的前提下,煤氣節(jié)能2.6%,有效的降低了熱風(fēng)爐煤氣能耗。

由于自動(dòng)燒爐系統(tǒng)采用煤氣與空氣燃燒配比的實(shí)時(shí)控制,煤氣燃燒充分,有效的降低了COx、NOx的排放問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了環(huán)保燃燒。[3]

8 智能燒爐系統(tǒng)目前存在的問(wèn)題

(1)智能燒爐系統(tǒng)對(duì)燃燒室溫度的控制已經(jīng)達(dá)到預(yù)期要求,但對(duì)廢氣終溫的預(yù)算值不夠準(zhǔn)確。這是因?yàn)樵谡麄€(gè)燃燒過(guò)程中,沒(méi)有對(duì)整體單座燃燒熱值進(jìn)行采集和分析,無(wú)法應(yīng)對(duì)高爐煤氣熱值對(duì)廢氣終溫的影響。

(2)在熱風(fēng)爐I級(jí)系統(tǒng)與智能燒爐系統(tǒng)切換過(guò)程中,當(dāng)I級(jí)系統(tǒng)程序增加燃燒煤氣時(shí),智能燒爐系統(tǒng)無(wú)法準(zhǔn)確判斷和調(diào)節(jié)。這可能導(dǎo)致燃燒過(guò)程不穩(wěn)定。

(3)當(dāng)智能燒爐系統(tǒng)停用切除時(shí),存在一個(gè)問(wèn)題是I級(jí)系統(tǒng)程序不讀取智能燒爐使用的空燃比實(shí)際值,而是按照原來(lái)的設(shè)定值進(jìn)行燃燒控制。這樣會(huì)導(dǎo)致燃燒溫度急劇上升,影響熱風(fēng)爐的穩(wěn)定燒爐。

(4)在智能燒爐系統(tǒng)判斷廢氣溫度連續(xù)未達(dá)到設(shè)定溫度的情況下,調(diào)節(jié)幅度偏小,通常需要一個(gè)班次的時(shí)間才能達(dá)到設(shè)定溫度值。這可能導(dǎo)致燃燒過(guò)程的延遲和不穩(wěn)定。

9 結(jié)語(yǔ)

本文主要介紹了自動(dòng)燒爐系統(tǒng)在興澄特鋼2#高爐熱風(fēng)爐的應(yīng)用。通過(guò)對(duì)興澄特鋼2#高爐熱風(fēng)爐現(xiàn)狀的分析,我們認(rèn)識(shí)到自動(dòng)燒爐系統(tǒng)在提高爐燃燒效率、降低能耗和減少排放方面的重要作用。在介紹自動(dòng)燒爐系統(tǒng)的基本思路和功能模塊的基礎(chǔ)上,我們總結(jié)了其技術(shù)優(yōu)點(diǎn),包括自動(dòng)控制精度高、操作簡(jiǎn)便、安全可靠等。在實(shí)施過(guò)程中,我們?cè)敿?xì)介紹了廢氣殘氧分析儀的校準(zhǔn)和系統(tǒng)的綜合調(diào)試與應(yīng)用。通過(guò)實(shí)施自動(dòng)燒爐系統(tǒng),興澄特鋼2#高爐熱風(fēng)爐的燒爐效果得到了顯著提升。然而,我們也意識(shí)到目前智能燒爐系統(tǒng)還存在一些問(wèn)題,比如系統(tǒng)穩(wěn)定性和故障處理能力等方面還有待改進(jìn)。綜上所述,自動(dòng)燒爐系統(tǒng)在興澄特鋼2#高爐熱風(fēng)爐的應(yīng)用具有重要意義,但還需要進(jìn)一步完善和優(yōu)化。

創(chuàng)新來(lái)源于對(duì)工藝的深刻理解、對(duì)數(shù)據(jù)的綜合分析。熱風(fēng)爐自動(dòng)燒爐系統(tǒng),不僅包含諸如模糊控制、自尋優(yōu)等自動(dòng)控制技術(shù)。而且利用數(shù)學(xué)工具,結(jié)合工藝特性,對(duì)熱風(fēng)爐燒爐過(guò)程進(jìn)行分析挖掘;綜合利用數(shù)據(jù)分析技術(shù),實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)分析、再指導(dǎo)生產(chǎn)的閉環(huán)控制,是煉鐵綜合智能管控平臺(tái)重要的模塊之一。