热风炉自动控制技术应用

邵国利 周旭朋 季双凤 王新彦 尹曙昶

(安阳钢铁股份有限公司)

热风炉自动控制技术应用

邵国利 周旭朋 季双凤 王新彦 尹曙昶

(安阳钢铁股份有限公司)

主要介绍安钢2000 m3级热风炉工艺流程和及自动控制系统,并着重阐述了热风炉燃烧过程的串级控制部分,使煤气在炉内能充分燃烧,提高燃烧效率,节省了能源,减少了大气的污染、保护了环境。

热风炉 工艺流程 串级燃烧控制

0 前言

高炉热风炉是给高炉燃烧提供热风以助燃的设备,是一种储热型热交换器。国内大部分高炉均采用每座高炉带3至4台热风炉并联轮流送风方式,保证任何瞬时都有一座热风炉给高炉送风,而每座热风炉都按:燃烧—焖炉—送风—焖炉—燃烧的顺序循环生产。当一座或多座热风炉送风时,另外的热风炉处于燃烧或焖炉状态。送风中的热风炉温度降低后,处于焖炉状态的热风炉转入送风状态,原来送风热风炉转入燃烧状态、蓄热直至温度达到要求后,转入焖炉状态等待下一次送风。

热风炉燃烧过程是一个非线性、反应严重滞后的系统,影响热风炉燃烧的因素很多,并且各种因素相互牵制,因此导致它的控制过程非常复杂,很难用精确的数学模型描述。为了在规定的燃烧时间内,按照温升曲线完成对热风炉的加热,并且达到低污染、高效率的要求,热风炉燃烧需要助燃空气与煤气量的精确控制。即控制助燃空气与煤气的流量,使二者按照一定的空燃比完全燃烧,用传统的方法进行控制,很难实现系统的平稳性和可靠性。使用多种控制技术,合理优化控制,使煤气在炉内能充分燃烧是一项技术难题。

1 热风炉工艺流程

热风炉炉内砌有许多格子砖,对热风炉的加热,也就是加热这些格子砖。在加热期间,也被称为"燃烧"状态,煤气和大量的助燃空气混合燃烧,使热风炉格子砖加热,废气从热风炉烟道排出。当热风炉被加热到一定温度时,结束燃烧状态,然后准备向高炉提供热风,也就是准备换到“送风”状态。在送风期间,冷风通过格子砖,砖的热量传递给流过的空气,被加热的空气也称作热风,通过管道送入高炉给高炉供热风。三个热风炉交替连续不断给高炉提供热风,保持高炉的连续生产。

1.1 热风炉的工作状态

热风炉主要有三种工作状态:即燃烧状态、送风状态和焖炉工作状态。

1)热风炉燃烧状态。热风炉处于燃烧状态时,通过热风炉煤气管道和助燃空气管道向热风炉送入高炉煤气和助燃空气,高炉煤气和助燃空气燃烧产生热量使热风炉蓄热;热风炉处于燃烧状态时,其废气阀、烟道阀、助燃空气燃烧阀、高炉煤气燃烧阀、高炉煤气切断阀等阀均处于开启状态,其它各阀 (切断阀)均处于关闭状态。

2)热风炉送风状态。热风炉处于送风状态时,向燃烧结束蓄有一定热量的热风炉送入冷风,冷风经热风炉加热后再送入高炉。热风炉处于送风状态时,其冷风阀、热风阀处于开启状态,其它各阀 (切断阀)均处于关闭状态。

3)热风炉焖炉状态。热风炉处于焖炉状态时,为保持温度,热风炉所有的阀门均处于关闭状态。

1.2 热风炉工作状态的转换

热风炉处于上述三种状态之间的转换过程定义为换炉过程。在热风炉的操作过程中最基本的工作过程是换炉。换炉时,应保证整个热风炉系统不间断的向高炉送风,并应尽量使进入高炉的风量、风压波动很小,还要注意煤气安全。热风炉工作状态改变周期顺序如图1所示。

图1 热风炉工作状态

2 自动控制系统组成及换炉控制方式

2.1 自动控制系统组成

热风炉控制系统是高炉自动化中的基础自动化子系统,采用MOD I CON公司的 UN ITY系列 PLC可编程控制器,完成顺序控制和回路控制。采用工业以太网和OS监控系统进行控制和监控。热风炉自动控制系统由仪控和电控两部分组成。仪控主要完成工艺生产过程参数检测、各种切断阀的动作联锁过程控制、各种调节阀的自动调节控制。电控主要完成热风炉各种设备的电气过程控制。UN ITY系列可编程控制器实时性强、可靠性高、体积小且坚固耐用,具有处理复杂的数据运算、存储及查询等功能,能够满足工艺要求进行逻辑控制和算法控制。

2.2 换炉控制方式

热风炉换炉方式包括“全自动”(整个换炉过程全自动进行)、“单炉自动”(对单个热风炉进行换炉操作,单炉阀门按联锁关系自动执行)、“单炉手动”(对单个阀进行操作,阀门之间保持联锁)、“机旁手动”(现场操作箱操作,各阀门之间没有联锁)等四种操作方式。

2.2.1 全自动操作方式

在三座热风炉同时工作时,选择两烧一送工作方式,控制程序按设定换炉时间,自动给出换炉提示,在得到应答后完成换炉过程。由“燃烧”转为“送风”各阀门的动作顺序为:关闭煤气、空气切断阀和燃烧阀→延时若干秒后关闭烟道阀 (至此各阀关闭而转入“阀炉状态”)→开启冷风旁通阀 (进入灌入冷风)→延时若干秒后开启热风阀→打开冷风阀→关闭冷风旁通阀;由“送风”转入“燃烧”各阀门的动作的顺序为:关冷风阀→关热风阀→开废气阀 (放去炉内残留废气)→延时若干秒均压后开烟道阀→关废气阀→开煤气切断阀、燃烧阀 (煤气调节阀微开若干秒,点火后全开)→开空气燃烧阀。

2.2.2 单炉自动操作

根据热风炉当前工作状态人为选择其要转换的工作状态。例如:焖炉→燃烧、燃烧→焖炉,焖炉→送风,送风→焖炉、进行状态转换,各阀门按联锁关系动作。

2.2.3 单炉手动

根据热风炉当前的工作状态人为选择要转换的工作状态,在操作站上对单个阀门进行开、关操作,各个阀门的开、关保持联锁关系。

2.2.4 机旁手动

使用现场控制箱上的按钮,对单个阀门操作,各阀门之间没有联锁关系,供设备检修、紧急情况下使用。

3 热风炉燃烧过程串级控制

3.1 热风炉燃烧过程

热风炉燃烧所用的燃料为高炉煤气,燃料进入热风炉燃烧室后,与助燃空气一起通过烧嘴进行燃烧。热风炉的燃烧时间约为110min左右。燃烧时炉体温度达1050℃,拱顶温度最高不得超过1350℃。热风炉燃烧控制通过调节煤气和助燃空气流量以及两者之间的比值 (空燃比)来实现。

热风炉燃烧过程分为加热期和蓄热期 (如图2所示)。在加热期内,在限定燃烧时间和热风炉拱顶温度后,应尽量缩短达到规定拱顶温度的时间,即缩短加热期,这样可以延长蓄热期,增加热风炉内存储的热量,降低送风时风温的波动。在蓄热期内,除了要保证拱顶温度不发生大的变化,还要考虑废气的温度。热风炉废气温度不能超过规定的界限(350℃),否则炉篦子支柱将被损坏,降低炉体寿命。增加热损失。目前降低废气温度的主要方法是减少煤气量,而煤气量的减少会导致拱顶温度下降、热风炉蓄热量降低。如何既能获得更多的蓄热量,又能保持废气温度在规定界限内是热风炉控制的关键问题,采用串级控制燃烧过程,可以很好地解决这一技术问题。

图2 热风炉燃烧过程

3.2 串级控制系统

3.2.1 串级控制系统原理及优点

串级控制系统是一种复杂的控制系统,它是由两个或两个以上的控制器串联组成,一个控制器的输出作为另一个控制器的设定值,在结构上形成两个环 (如图3所示),里面的环起粗调作用,外面的环用来完成细调任务。在热风炉燃烧控制过程,用温度控制器的输出信号作为煤气流量控制的设定值,在煤气控制回路中引入温度串级控制,通过选定炉顶温度为被控参数,可以使热风炉根据设定的温度曲线来控制煤气流量,实现热风炉的炉顶温度控制。

图3 串级控制系统方框图

采用串级控制可以迅速消除副控制器回路中进入的扰动影响,例如煤气流量的变化以及热值的变化。当干扰来自煤气流量的变化时,其工作过程为:初始阶段,炉顶温度不变,温度控制器的输出不变,流量控制器就按照变化了的测量值与没有变化的设定值之差进行控制,改变调节阀的原有开度,煤气流量向原来的设定值靠近。当炉顶温度发生变化时,温度控制器不断改变着流量控制器的设定值,流量控制器就按照测量值与变化了的设定值之差进行控制,直到炉顶温度重新恢复到设定值。当干扰来自煤气的热值方面,使炉出口温度升高时,其工作过程为:炉顶温度升高→温度控制器输出降低→流量控制器设定值降低,使煤气流量为适应温度控制的需要而不断变化。

3.2.2 串级燃烧控制过程

在燃烧初期,为了保证空气先行,需给空气流量调节阀一个初期开度。同时为避免燃烧一开始,就有大量的煤气流量产生,需给煤气流量调节阀一个初期开度,即煤气流量串级调节、空气流量串级调节均选择煤气初期开度设定值及空气初期开度设定值,同时将废气温度串级调节、炉顶温度串级调节设为手动。拱顶温度开始迅速上升,当检测拱顶温度上升到接近要求温度时,将炉顶温度串级调节置成自动,检测到的煤气流量经串级调节单元输出后乘以空燃比,从而获得空气流量设定值。在空气流量调节单元内,空气流量设定值与检测到的空气流量实际值进行比较,从而决定空气流量调节阀的大小。当进入蓄热期后,将废气温度串级调节设为自动,获得煤气流量给定值,与检测到的煤气流量进行比较,从而决定煤气流量调节阀的大小。在燃烧期内,控制的主要目标是维持拱顶温度在设定范围内,在蓄热期内,控制的主要目标变为废气温度,通过调节煤气流量的大小使废气温度控制在350℃内。

3.2.3 串级控制参数整定方法

二步整定法分两步对串级控制系统主、副控制器进行参数整定。副控制器回路的要求一般较低,通常采用先副后主的步骤。先将主控制器的输出断开,切入手动位置,对副控制器单独进行参数整定,方法与简单控制系统类似,然后再将主控制器的输出接通,切入自动位置,对主控制器进行参数整定,方法也与简单控制系统类似。必要时可对副控制器参数再作调整,反复进行。一步整定法是一种较简捷的整定方法。副控制器构成回路的控制要求不高,可根据一些经验准则确定副控制器的参数值,因而只需像简单控制系统一样对主控制器参数进行整定。

4 应用效果

串级燃烧控制技术在2000 m3级高炉热风炉上的应用,有效的控制热风炉燃烧,使热风炉既能充分蓄热,达到了最佳燃烧效率,确保向高炉送风的温度和时间,又能最大限度的减少能源消耗,防止热风炉拱顶过烧,延长热风炉寿命,从根本上解决了热风炉非线性、反应严重滞后,燃烧控制困难的技术难题。

5 结语

安钢2000 m3级高炉热风炉自动控制系统应用串级控制技术,优化了燃烧控制方案,通过串级燃烧控制调节,实现了自动控温,保证了空气、煤气的入炉最佳比例,使煤气充分燃烧、高效供热,避免了能源浪费,减小了环境污染。提高了生产效率。

[1]何衍庆.工业生产过程控制.北京:化学工业出版社,2004:65-68.

[2]田涛.过程计算机控制及先进控制策略的实现.北京:机械工业出版社,2007:79-81.

UTOMATI ON CONTROL TECHNOLOGY APPL ICATI ON OF HOT STOVE

Shao Guoli Zhou Xupeng Ji Shuaogfeng Wang Xinyan Yin Shuchang
(Anyang Iron﹠Steel Stock Co.,Ltd)

The papermainly introduced the process and automation control system of2000 m3hot stove and cascade combustion control.It can make sufficient combustion,rise combustion efficiency,save energy,decrease pollution.

hot stove process cascade combustion control

2010—3—27