基于热平衡原理的热风炉燃烧控制模型

郭雪峰

摘 要：随着国内钢铁产能过剩，钢铁价格持续低迷，钢铁企业对热风炉系统节能减排的要求逐渐提高，文章提出了一种基于热平衡原理的燃烧控制模型，可以降低能耗、提高风温，从而降低生铁成本。

关键词：热风炉；数学模型；燃烧控制

热风炉作为高炉炼铁的重要子系统，其作用是向高炉提供稳定的热量。热风炉系统有燃烧、焖炉和送风三个阶段。在当前钢铁行业利润大幅度下降的大环境下，节能增效已经成为其必然的发展出路，因此建立一套行之有效的燃烧控制策略对整个炼铁生产必将具有极大的意义。

1 燃烧控制原理

热风炉的烧炉过程从本质上说就是蓄热过程。对于燃烧高炉煤气和助燃空气的热风炉来说，完整的热风炉燃烧控制包含空燃比控制（煤气流量及助燃空气流量调节）、拱顶温度控制以及废气温度控制，具体如图1所示：

烧炉过程可分为三个阶段。以顶燃式热风炉为例，在烧炉初期，拱顶蓄热室的温度很低，废气的热量绝大部分被拱顶蓄热室吸收，蓄热室顶部的温度迅速上升，蓄热室中下部温度则上升缓慢，因此燃烧初期拱顶温度的上升速率是主要控制对象。此时最佳的控制策略是以较大量的煤气与合适的空燃比对拱顶蓄热室进行快速加热，使拱顶温度快速达到设定值。当拱顶温度上升到设定值附近，就进入了拱頂温度管理期。这时，再逐步增大空燃比，适当减小煤气流量以保持拱顶温度维持在设定值基本不变，提高并稳定废气的升温速率。此时热风炉拱顶蓄热室不再吸收废气的热量，废气热量主要被蓄热室中下部所吸收。当从废气管道排出的废气温度较低时，热风炉的热交换效率较高，反之则热交换效率较低，因此在拱顶温度管理期，废气的温度上升速率是主要控制对象。在烧炉末期，热风炉的废气温度已上升至设定值。在热风炉操作未下达换炉指令前，应全面减少对热风炉的供热量以防止拱顶温度或废气温度超高影响热风炉寿命。此时的控制策略是助燃空气流量和煤气流量均逐渐减少并维持在较低的水平。

2 数学模型的建立

数学模型建立在热平衡原理的基础上，即根据送风期带走的总热量QA等于燃烧期积蓄的总热量QB，建立数学模型及推导方法如下。基于热交换原理，热风炉送风期带走的热量QA为送风期热风与冷风的物理热之差，即：

式中cV、cV0分别为热风和冷风的平均热容量；V为送风期间单位时间内的冷风流量；T、T0分别为热风温度和冷风温度；ta、tb分别为该热风炉送风的起止时间。

由于送风期间热风温度与冷风温度均基本保持不变，（1）式又可改为：

根据热平衡原理，燃烧期热风炉的蓄热量QB由燃烧用煤气的物理热和化学热与空气带入的物理热之和减去所产生废气的物理热及热损失量Q损求得，即：

式中Qg为煤气的化学热，cg·Vg·Tg为煤气的物理热；co·Vo·To为助燃空气物理热；cf·vf·Tf为废气的物理热；Q损为热风炉外壳散热等导致的热损失量；Tg、To、Tf分别为煤气、助燃空气和废气的温度；cg、co、cf分别为煤气、助燃空气和废气的平均热容量；Vg、Vo、Vf分别为燃烧时煤气、助燃空气和废气的体积；其中煤气和助燃空气体积通常使用流量计直接测量并累积，废气的生成量则基于煤气的成分构成并通过以下反应公式（4）、（5）、（6）计算得出：

式中，QS为燃烧初期的蓄热量；QT为拱顶温度管理期的蓄热量；QF为燃烧末期的蓄热量。

由（7）式并基于热平衡原理可得：

式中，QgF为燃烧末期煤气量的化学热；cfF为燃烧末期废气的平均热容量；TfF为燃烧末期废气的温度；VgF、VoF、VfF分别为燃烧末期煤气、助燃空气和废气在单位时间内的消耗量或生成量；Qf为燃烧末期中的热损失量；tm为燃烧末期的起始时间。由上文所述，燃烧末期废气的温度 应该保持稳定，那么通过废气预热的煤气和助燃空气的温度也应该保持稳定，所以式（9）又可简化为：

上式中的积分部分可以通过在程序中逐秒累积求得；此外，在一定的送风周期下，当达到烧炉末期时，剩余的燃烧时间也可以确定，即（tb-tm）确定。这样，利用式（12）、（14）即可确定烧炉末期消耗的平均煤气流量和助燃空气流量。综合上述，可推导燃烧初期、拱顶温度管理期及烧炉末期的煤气及助燃空气量，即可实现热风炉的精确燃烧控制。

3 结束语

目前国内大部分热风炉设备水平较低，燃烧控制多采用传统PID控制方式和模糊控制方式。随着控制要求的提高，热风炉燃烧控制朝着智能方向发展是必然趋势，将数学模型的优点与智能控制结合，提高操作技术水平，同时节能、降耗提高经济效益。

参考文献

[1]马竹梧.高炉热风炉自动化的新课题[J].冶金自动化，2004.

[2]马竹梧，白凤双，庄斌，等.高炉热风炉流量设定及控制专家系统[J].人工智能技术应用，2002，05.

[3]马智慧，吴敏，曹卫华，等.钢厂热风炉燃烧控制模型的开发与应用[J].计算机测量与控制，2006，01.