專利名稱：熱風(fēng)爐自動(dòng)尋優(yōu)燃燒智能控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型用于冶金行業(yè)煉鐵高爐熱風(fēng)爐系統(tǒng)燃燒控制。
背景技術(shù)：
熱風(fēng)爐是高爐煉鐵生產(chǎn)過程中的重要配套設(shè)備，其主要作用就是把鼓風(fēng)加熱到要 求的溫度，向高爐提供高溫?zé)犸L(fēng)。高爐一般由3 4座熱風(fēng)爐交替送風(fēng)，每座熱風(fēng)爐的工作 過程是燃燒、送風(fēng)的重復(fù)過程。煤氣和助燃空氣在燃燒器內(nèi)混合后，在燃燒室里燃燒，產(chǎn)生 高溫?zé)煔狻Ｐ顭崾业母褡哟u是熱量傳遞的載體，它在燃燒期間吸收熱量，送風(fēng)期間又將熱量 傳遞給冷空氣，從而加熱冷空氣。為了節(jié)約能源、實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐穩(wěn)定的最佳化操作，需要提高熱風(fēng)爐的燃燒控制水平。 實(shí)現(xiàn)煤氣的合理燃燒，才能將其能量充分利用，熱風(fēng)爐才有可能在消耗同樣煤氣量情況下， 蓄到更多的熱量，為提高送風(fēng)溫度創(chuàng)造條件。由于高爐的操作或爐況等種種原因，造成煤氣 壓力不穩(wěn)定，煤氣熱值也往往存在波動(dòng)，因而熱風(fēng)爐燃燒控制是熱風(fēng)爐最難、最關(guān)鍵的控制 環(huán)節(jié)之一，燃燒控制得好壞將直接影響到熱風(fēng)爐的拱頂溫度及燃燒的熱效率。傳統(tǒng)的熱風(fēng)爐燃燒控制方法有比例極值調(diào)節(jié)法、煙氣含氧量串級比例控制法等。 比例極值調(diào)節(jié)法不能在煤氣熱值變化時(shí)及時(shí)改變空燃比，不容易實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐的最佳燃燒。 煙氣氧含量串級比例控制法是以比例調(diào)節(jié)作為粗調(diào)，以煙氣中氧氣含量反饋控制作為細(xì) 調(diào)，對空氣、煤氣量進(jìn)行控制，該法能夠?qū)崿F(xiàn)熱風(fēng)爐的較合理的燃燒，但由于測氧儀表壽命 有限，加上管理及維護(hù)的不到位，很多企業(yè)的測氧儀表不能長期穩(wěn)定的工作，因此，這種方 法應(yīng)用效果不太理想。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種熱風(fēng)爐自動(dòng)尋優(yōu)燃燒智能控制系統(tǒng) 及其控制方法，本實(shí)用新型能提高熱風(fēng)爐的燃燒控制水平，燃燒效率高，能源利用充分，蓄 熱能力強(qiáng)。本實(shí)用新型解決其技術(shù)問題采用的技術(shù)方案是控制系統(tǒng)包括混合煤氣流量調(diào)節(jié) 器、拱頂溫度調(diào)節(jié)器、助燃空氣流量調(diào)節(jié)器、供熱量調(diào)節(jié)器、廢氣溫度調(diào)節(jié)器和空燃比模糊 控制器；它們之間的連接關(guān)系是熱風(fēng)爐上設(shè)置有煤氣調(diào)節(jié)閥和空氣調(diào)節(jié)閥，煤氣調(diào)節(jié)閥 通過混合煤氣流量調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，混合煤氣流量調(diào)節(jié)器接收煤氣流量的反饋信號和計(jì)算 器一的控制信號，計(jì)算器一接收拱頂溫度調(diào)節(jié)器的控制信號、空燃比模糊控制器的控制信 號和空氣流量的反饋信號；空氣調(diào)節(jié)閥由助燃空氣調(diào)節(jié)器進(jìn)行控制，助燃空氣調(diào)節(jié)器接收 供熱量調(diào)節(jié)器的控制信號和空氣流量的反饋信號，供熱量調(diào)節(jié)器接收計(jì)算器二、三的控制 信號，計(jì)算器二接收拱頂溫度調(diào)節(jié)器控制信號和總供熱量的計(jì)算值，計(jì)算器三接收煤氣流 量的反饋信號和煤氣熱值。本實(shí)用新型具有以下主要的優(yōu)點(diǎn)本實(shí)用新型能提高熱風(fēng)爐的燃燒控制水平，燃 燒效率高，能源利用充分，蓄熱能力強(qiáng)。
圖1是控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖2是燃燒初期最佳空燃比模糊控制器示意圖。圖3是拱頂溫度管理期最佳空燃比模糊控制器?？刂葡到y(tǒng)主要包括以下五個(gè)調(diào)節(jié)器及一個(gè)模糊控制器，如圖1所示 供熱量調(diào)節(jié)器QX-102·混合煤氣流量調(diào)節(jié)器FIC-101·助燃空氣流量調(diào)節(jié)器FIC-102 拱頂溫度調(diào)節(jié)器TIC-101·廢氣溫度調(diào)節(jié)器TIC-102·空燃比模糊控制器
具體實(shí)施方式
助燃空氣與混合煤氣之比(即空燃比)是熱風(fēng)爐燃燒過程中的重要參數(shù)。如果混 合煤氣過量，則燃燒不充分，多余的煤氣隨燃燒廢氣排放到大氣中，既是一種浪費(fèi)，也是對 大氣的一種污染；如果混合煤氣不足，又無法保證熱風(fēng)爐爐頂溫度達(dá)到設(shè)定值，即熱風(fēng)爐儲 蓄的熱量不足，無法滿足高爐正常生產(chǎn)。因此，如何在保證高爐正常生產(chǎn)的前提下，最大限 度地提高煤氣的燃燒率有著巨大的意義，這就要求最佳空燃比控制。但無論什么情況下都 不能使煤氣過量。換言之，達(dá)到最佳空燃比時(shí)的空氣仍然是過量的。初期拱頂溫度的上升速率和進(jìn)入拱頂溫度管理期廢氣溫度的上升速率，主要取決 于燃燒過程的空燃比和煤氣流量，同時(shí)還受煤氣、空氣質(zhì)量波動(dòng)和壓力波動(dòng)的影響。所以， 實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐燃燒過程自動(dòng)控制的關(guān)鍵是隨著煤氣、空氣壓力和質(zhì)量的波動(dòng)，并根據(jù)熱風(fēng)爐 不同的燃燒狀態(tài)進(jìn)行煤氣流量和空氣流量的實(shí)時(shí)調(diào)整，即對空燃比的調(diào)整。因此，在燃燒初 期，我們以最大煤氣量進(jìn)行加熱，并調(diào)整合適的空燃比，迅速提高拱頂溫度；到達(dá)拱頂溫度 管理期，適當(dāng)減小煤氣流量，并調(diào)整合適的空燃比，保證拱頂溫度不變的情況下，提高廢氣 的升溫速率。燃燒終點(diǎn)由廢氣溫度確定，當(dāng)廢氣溫度上升到上限時(shí)，停止加熱。燃燒過程就是蓄熱室的蓄熱過程，它分為兩個(gè)基本階段。燃燒初期，蓄熱室拱頂?shù)?溫度很低，廢氣的熱量大部分被拱頂吸收，拱頂?shù)臏囟壬仙^快，蓄熱室中、下部的溫度則 上升很慢；隨著拱頂溫度的升高，拱頂與廢氣的溫差逐漸減小。當(dāng)拱頂溫度上升到一定值 后，其溫度幾乎不再上升，廢氣所帶的熱量主要被蓄熱室中、下部吸收，使蓄熱室中、下部格 子磚的溫度迅速上升。在整個(gè)燃燒期，蓄熱室上部格子磚的傳熱方式是以一種不穩(wěn)定的熱 流進(jìn)行傳熱，熱流速率隨時(shí)間的增加而降低。中、下部格子磚幾乎以一種穩(wěn)定的熱流傳熱， 溫差幾乎不變化。因此，要強(qiáng)化中、下部的熱交換，就需要盡快提高上部的溫度。只有通過 熱交換，使中、下部轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的熱流傳熱時(shí)，經(jīng)過中、下部的廢氣溫度才能提高，從而相應(yīng) 提高這部分的溫差，強(qiáng)化與格子磚的傳熱。排放的蓄熱室廢氣(煙氣)的溫度隨時(shí)間的延 長而增加。廢氣溫度低時(shí)說明爐內(nèi)熱交換的能力強(qiáng)，廢氣溫度超過規(guī)定溫度時(shí)，說明爐內(nèi)熱 交換能力減弱。因此，為保證熱交換的效率，廢氣溫度不能長期保持在380°C以上，否則將造 成熱量的浪費(fèi)；該溫度值亦不可超過400°C，否則會(huì)燒壞耐火磚。故拱頂溫度達(dá)到一定范圍后，廢氣的升溫速率是個(gè)很重要的因素。本控制系統(tǒng)基于熱風(fēng)爐燃燒控制模型及模糊控制理論?？刂颇Ｐ驮谌珷t熱平衡計(jì) 算基礎(chǔ)上建立，符合生產(chǎn)實(shí)際，能夠?qū)θ紵俾蔬M(jìn)行控制，大大地提高了熱風(fēng)爐燃燒效率。 熱風(fēng)爐是一個(gè)具有本質(zhì)非線性、大滯后、慢時(shí)變特性的復(fù)雜被控對象，隨著燃燒工作環(huán)境的 變化其特性也在不斷發(fā)生變化，要準(zhǔn)確地掌握熱風(fēng)爐的運(yùn)行狀態(tài)是很困難的。模糊控制的 優(yōu)點(diǎn)是不必建立被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，它能將操作者或?qū)＜业目刂平?jīng)驗(yàn)和知識表示成語言 變量描述的控制規(guī)則，然后用這些規(guī)則去控制系統(tǒng)，給出短期的控制信號，具有較強(qiáng)的魯棒 性。兩者結(jié)合，能夠有效的提高熱風(fēng)爐燃燒效率，穩(wěn)定熱風(fēng)爐燃燒過程。
以下結(jié)合附圖詳述本實(shí)用新型，但不限定本實(shí)用新型。如圖1所示，基于熱風(fēng)爐熱平衡燃燒控制模型及模糊控制理論，本實(shí)用新型的控 制系統(tǒng)包括混合煤氣流量調(diào)節(jié)器FIC-101、拱頂溫度調(diào)節(jié)器TIC-101、助燃空氣流量調(diào)節(jié) 器FIC-102、供熱量調(diào)節(jié)器QX-102、廢氣溫度調(diào)節(jié)器TIC-102和空燃比模糊控制器；它們 之間的連接關(guān)系是熱風(fēng)爐上設(shè)置有煤氣調(diào)節(jié)閥和空氣調(diào)節(jié)閥，煤氣調(diào)節(jié)閥通過混合煤氣 流量調(diào)節(jié)器FIC-101進(jìn)行控制，混合煤氣流量調(diào)節(jié)器FIC-101接收煤氣流量的反饋信號 和計(jì)算器一的控制信號，計(jì)算器一接收拱頂溫度調(diào)節(jié)器TIC-101的控制信號、空燃比模糊 控制器的控制信號和空氣流量的反饋信號，拱頂溫度調(diào)節(jié)器TIC-101接收拱頂溫度的設(shè) 定值和反饋信號；空氣調(diào)節(jié)閥由助燃空氣流量調(diào)節(jié)器FIC-102進(jìn)行控制，助燃空氣流量調(diào) 節(jié)器FIC-102接收供熱量調(diào)節(jié)器QX-102的控制信號和空氣流量的反饋信號，供熱量調(diào)節(jié) 器QX-102接收計(jì)算器二、三的控制信號，計(jì)算器二接收拱頂溫度調(diào)節(jié)器TIC-101控制信 號和總供熱量的計(jì)算值，計(jì)算器三接收煤氣流量的反饋信號和煤氣熱值，廢氣溫度調(diào)節(jié)器 TIC-102接收廢氣溫度的設(shè)定值和反饋信號。空燃比模糊控制器在燃燒周期各階段自動(dòng)尋優(yōu)修正空燃比系數(shù)，實(shí)時(shí)空燃比系 數(shù)與拱頂溫度調(diào)節(jié)器Tic-ιο 及助燃空氣流量運(yùn)算后，所得值作為混合煤氣流量調(diào)節(jié)器 FIC-101輸入設(shè)定值，調(diào)節(jié)煤氣流量；廢氣溫度調(diào)節(jié)器輸出與燃燒所需總供熱量計(jì)算所得 值作為供熱量調(diào)節(jié)器輸入設(shè)定值，與煤氣實(shí)時(shí)熱值通過供熱量調(diào)節(jié)器，所得輸出作為助燃 空氣流量調(diào)節(jié)器的設(shè)定輸入值，調(diào)節(jié)助燃空氣流量。本實(shí)用新型的控制方法是基于總供熱量計(jì)算，通過設(shè)定燃燒拱頂溫度及廢氣溫度 目標(biāo)值，空燃比模糊控制器在燃燒周期內(nèi)實(shí)時(shí)尋優(yōu)最佳空燃比系數(shù)，對助燃空氣流量及混 合煤氣流量實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)；助燃空氣流量的控制由廢氣溫度調(diào)節(jié)器、供熱量調(diào)節(jié)器及助燃空氣 調(diào)節(jié)器完成；混合煤氣流量的控制由拱頂溫度調(diào)節(jié)器和混合煤氣調(diào)節(jié)器完成；空燃比控制 由空燃比模糊控制器完成。根據(jù)熱風(fēng)爐的燃燒特性，熱風(fēng)爐的燃燒過程大致可分為三個(gè)階段第一階段燃燒過程剛開始，熱風(fēng)爐的拱頂溫度與廢氣溫度都比較低，供熱量的計(jì) 算值可作為供熱量調(diào)節(jié)器QX-102的設(shè)定置，混合煤氣流量基本為一常數(shù)，助燃空氣流量根 據(jù)空燃比系數(shù)確定。第二階段熱風(fēng)爐的廢氣溫度仍偏離設(shè)定值較遠(yuǎn)，供熱量的設(shè)定值也保持不變。隨 著拱頂溫度的不斷上升，混合煤氣流量需逐漸減少，但為了使廢氣溫度不斷升高，必須保持 一定的供熱量。第三階段熱風(fēng)爐的廢氣溫度已上升至設(shè)定置，應(yīng)使供熱量的設(shè)定值逐漸減少，從而使助燃空氣流量和混合煤氣流量均減少至零，結(jié)束燃燒過程。其中第一階段也稱為燃燒前期(也就是在拱頂溫度及煙道廢氣溫度沒有達(dá)到管 理溫度之前的這一期間)，后兩個(gè)階段稱為控制管理期(也就是當(dāng)拱頂溫度達(dá)到管理溫度 時(shí)到這個(gè)燃燒周期結(jié)束為止)。本燃燒控制系統(tǒng)基于全爐熱平衡計(jì)算基礎(chǔ)建立數(shù)學(xué)模型，以供熱量為主調(diào)參數(shù)， 是一套完整的復(fù)雜的供熱量_溫度_流量多回路的串級調(diào)節(jié)回路，根據(jù)前一次送風(fēng)周期和 燃燒周期的工況計(jì)算出本次燃燒周期所需的供熱量，然后先確定助燃空氣流量，混合煤氣 流量根據(jù)助燃空氣流量確定。燃燒過程中空燃比系數(shù)的確定基于模糊控制理論，將操作者 或?qū)＜业目刂平?jīng)驗(yàn)和知識表示成語言變量描述的控制規(guī)則，然后用這些規(guī)則去控制系統(tǒng)， 給出短期的控制信號。1.總供熱量計(jì)算為了有效利用熱風(fēng)爐的蓄熱量，應(yīng)該使送風(fēng)時(shí)從熱風(fēng)爐帶走的熱量正好等于燒爐 時(shí)的蓄熱量，而蓄熱量大小由所設(shè)定的供熱量值決定?？偣崃恐凳峭ㄟ^計(jì)算整個(gè)送風(fēng)期 間所耗去的熱量、燃燒時(shí)間及其他一些參數(shù)得出的。其目的是使燃燒周期的蓄熱量和送風(fēng) 周期的耗熱量達(dá)到基本平衡，以實(shí)現(xiàn)熱風(fēng)爐的高效節(jié)能。總供熱量計(jì)算的步驟如下1)計(jì)算單位體積的熱風(fēng)(混風(fēng))所需要的熱量q，由下式進(jìn)行計(jì)算q = Cm · tm-cc · tcKcal/Nm3(1)式中cm，C。分別為混風(fēng)溫度和冷風(fēng)溫度對應(yīng)的比熱；tm，t。分別為混風(fēng)溫度和冷風(fēng) 溫度；2)計(jì)算送風(fēng)期間單位時(shí)間所消耗的熱量Q1 = q · FcKcal/min(2)式中F。為冷風(fēng)流量；3)計(jì)算在整個(gè)送風(fēng)期間所消耗的熱量Q2 Q2= K ·η ^QlCit Kcal(3)K為熱風(fēng)爐常數(shù)；η為熱風(fēng)爐工作制度效率；k n對于單爐循環(huán)送風(fēng)制度時(shí)為 0. 79 ；TO、Tl分別為送風(fēng)起始時(shí)間及完成時(shí)間。4)計(jì)算在整個(gè)燃燒周期的供熱量Q Q = Q2/TgKcal/min(4)式中Te為燃燒周期的總時(shí)間；由于供熱量無法直接測量，上述所計(jì)算值為一個(gè)粗糙值，供操作者在確定供熱量 時(shí)參考，可以用送風(fēng)期間混風(fēng)調(diào)節(jié)閥開度進(jìn)行評價(jià)。由于爐熱(即蓄熱量)不足時(shí)，在送風(fēng) 結(jié)束前閥門即已開到下限值而無法再控制溫度，故在送風(fēng)終了前閥門開度就可表示爐熱水 準(zhǔn)，如果閥門未全關(guān)，可適當(dāng)減少所設(shè)定的供熱量，反之，應(yīng)增加。2.空燃比模糊控制器空燃比模糊控制器的設(shè)計(jì)分為快速加熱期最佳空燃比模糊控制器和拱頂溫度管 理期最佳空燃比模糊控制器。2. 1第一階段快速加熱期最佳空燃比模糊控制器的設(shè)計(jì)Stepl 確定模糊控制器的輸入變量和輸出變量[0052]模糊控制器的輸入是模糊控制器的輸入是拱頂溫度當(dāng)前時(shí)間段和上一時(shí)間段上 升速率的差值e和空燃比變化的方向a，模糊控制器的輸出是空燃比增量u，快速加熱期最 佳空燃比模糊控制器示意圖如圖2所示。St印2 設(shè)計(jì)模糊控制器的控制規(guī)則 溫度上升速率差值e具體劃分為7個(gè)等級高速上升(PB)、中速上升(PM)、低速上 升(PS)、零(ZO)、低速下降(Ns)、中速下降(NM)、高速下降(NB)；空燃比變化方向分為兩個(gè) 方向變大(P)、變小(N)，空燃比調(diào)節(jié)增量劃分為7級快速加大(PB)、中速加大(PM)、低速 加大(PS)、不變(ZO)、低速減小(NS)、中速減小(NM)、高速減小(NB)。溫度上升速率差值e的模糊變量詞集選擇為7個(gè){NB,匪，NS, Z0, PS, PM, PB}，其 論域E為{-6，-5，-4，-3，-2，_1，0，1，2，3，4，5，6}?？杖急茸兓较騛的模糊變量的詞集 選擇為2個(gè){N，P}，其論域A為{-1，1}。空燃比增量u的模糊變量的詞集選擇為{NB，匪， NS, Z0, PS, PM, PB}，其論域 U 為{-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}。由控制經(jīng)驗(yàn)可總結(jié)出模糊控制規(guī)則，如表2-1所示。這些控制規(guī)則可用14條模糊語句來描述
權(quán)利要求熱風(fēng)爐自動(dòng)尋優(yōu)燃燒智能控制系統(tǒng)，其特征在于它包括混合煤氣流量調(diào)節(jié)器(FIC 101)、拱頂溫度調(diào)節(jié)器(TIC 101)、助燃空氣流量調(diào)節(jié)器(FIC 102)、供熱量調(diào)節(jié)器(QX 102)、廢氣溫度調(diào)節(jié)器(TIC 102)和空燃比模糊控制器；它們之間的連接關(guān)系是熱風(fēng)爐上設(shè)置有煤氣調(diào)節(jié)閥和空氣調(diào)節(jié)閥，煤氣調(diào)節(jié)閥通過混合煤氣流量調(diào)節(jié)器(FIC 101)進(jìn)行控制，混合煤氣流量調(diào)節(jié)器(FIC 101)接收煤氣流量的反饋信號和計(jì)算器一的控制信號，計(jì)算器一接收拱頂溫度調(diào)節(jié)器(TIC 101)的控制信號、空燃比模糊控制器的控制信號和空氣流量的反饋信號；空氣調(diào)節(jié)閥由助燃空氣流量調(diào)節(jié)器(FIC 102)進(jìn)行控制，助燃空氣流量調(diào)節(jié)器(FIC 102)接收供熱量調(diào)節(jié)器(QX 102)的控制信號和空氣流量的反饋信號，供熱量調(diào)節(jié)器(QX 102)接收計(jì)算器二、三的控制信號，計(jì)算器二接收拱頂溫度調(diào)節(jié)器(TIC 101)控制信號和總供熱量的計(jì)算值，計(jì)算器三接收煤氣流量的反饋信號和煤氣熱值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征在于拱頂溫度調(diào)節(jié)器(TIC-101)接收拱 頂溫度的設(shè)定值和反饋信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的控制系統(tǒng)，其特征在于廢氣溫度調(diào)節(jié)器(TIC-102)接收廢 氣溫度的設(shè)定值和反饋信號。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種熱風(fēng)爐自動(dòng)尋優(yōu)燃燒智能控制系統(tǒng)，它包括混合煤氣流量調(diào)節(jié)器(FIC-101)、拱頂溫度調(diào)節(jié)器(TIC-101)、助燃空氣流量調(diào)節(jié)器(FIC-102)、供熱量調(diào)節(jié)器(QX-102)、廢氣溫度調(diào)節(jié)器(TIC-102)和空燃比模糊控制器。本實(shí)用新型能提高熱風(fēng)爐的燃燒控制水平，燃燒效率高，能源利用充分，蓄熱能力強(qiáng)。
文檔編號G05D27/02GK201737965SQ20102023489
公開日2011年2月9日 申請日期2010年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月28日
發(fā)明者周磊, 馬智慧 申請人:中冶南方工程技術(shù)有限公司