李容成,劉黃強

(1.江陰興澄特種鋼鐵有限公司,江蘇 無錫 214400)

進入21世紀以來,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)境保護等方面的制約,面臨較大的發(fā)展問題。[1]面對當前日益嚴峻的形式和挑戰(zhàn),21世紀的高爐煉鐵要實現(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,才能提高煉鐵技術的生命力和競爭力。[2]煉鐵能耗在整個鋼鐵企業(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)能降耗任務首當其沖。熱風爐作為高爐的關鍵輔助設備,承擔著為高爐提供廉價能源——熱風的功能。熱風爐的作用主要是利用煤氣燃燒加熱蓄熱體,在送風過程中,冷風與蓄熱體熱交換后成為熱風送入高爐。熱風爐消耗煤氣和空氣,主要產(chǎn)品為熱風,并伴隨廢煙氣的生成。評價熱風爐的指標就包括:煤氣消耗、熱風溫度、廢煙氣成分指標。

1 興澄特鋼2#高爐熱風爐現(xiàn)狀

興澄特鋼2#高爐熱風爐配備3座旋切式頂燃式熱風爐,設計風溫1200 ℃,燃燒介質(zhì)為高爐煤氣。由于廠區(qū)內(nèi)煤氣熱值波動頻繁,煤氣進入總管時設有自動定壓調(diào)節(jié)閥。高熱值煤氣使得熱風爐爆燃現(xiàn)象明顯,不僅浪費煤氣能源,還對熱風爐耐材存在一定程度的破壞。

燒爐過程中,由熱風操作工憑工作經(jīng)驗調(diào)整與設定空燃比、調(diào)節(jié)煤氣量。由于每班操作人員經(jīng)驗不同,調(diào)節(jié)頻次每班不統(tǒng)一,造成熱風爐燃燒溫度和送風溫度波動大,不利于熱風爐的穩(wěn)定運行。

2 自動燒爐系統(tǒng)介紹

2.1 熱風爐自動燒爐系統(tǒng)簡介

熱風爐自動燒爐系統(tǒng)是根據(jù)熱風爐的工作原理、升溫特性、設計結(jié)構、燃料特點等參數(shù),從傳熱、傳質(zhì)、優(yōu)化控制、適應熱風爐各種工況變化入手,研究熱風爐蓄熱過程特性。在綜合大量技能精湛的熱風工實踐經(jīng)驗的基礎上,共同開發(fā)了對熱風爐的燃燒、蓄熱過程進行優(yōu)化控制、實現(xiàn)燒爐過程全自動的計算機系統(tǒng)。

2.2 熱風爐燃燒自動控制的目的

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

圖1 系統(tǒng)示意圖

2.3 熱風爐自動燒爐系統(tǒng)的組成

熱風爐自動燒爐系統(tǒng)的架構示意圖,如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)包括與熱風爐基礎PLC(DCS)控制系統(tǒng)通信系統(tǒng)、自動燒爐自動系統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)及自動燒爐軟件組成。熱風爐自動燒爐的PLC通過自身的通訊系統(tǒng)從熱風爐基礎自動化系統(tǒng)獲得現(xiàn)場儀表數(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)到基礎自動化控制系統(tǒng)實現(xiàn)對現(xiàn)場執(zhí)行機構的控制。

3 基本思路

熱風爐的燃燒過程的優(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程中的混合狀況也影響燃燒的效果。在項目實施前期,通過對燃燒器的數(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,獲得熱風爐燃燒和送風制度合理區(qū)間。綜合上述數(shù)據(jù)分析,獲得熱風爐燃燒優(yōu)化控制的基礎數(shù)據(jù),如下圖3所示:

圖3 熱風爐燃燒基礎數(shù)據(jù)

在數(shù)據(jù)收集階段,軟件自動優(yōu)選實際生產(chǎn)過程中燒爐廢氣殘氧含量、拱頂升溫速率、煤氣熱值參數(shù)對應空氣和煤氣配比,并利用熱交換原理,對熱風爐熱效率進行尋優(yōu)。

在實際生產(chǎn)過程中,以前兩個階段獲得的數(shù)據(jù)為控制參數(shù),根據(jù)實時煤氣壓力、煤氣熱值的波動,自動尋優(yōu)調(diào)節(jié)空氣、煤氣配比,保證燃燒充分完全,廢煙氣排放指標合理。

4 基本功能模塊

(1)自動燒爐控制模塊:自動燒爐功能可在燒爐過程中的任一時刻投入或退出,并實現(xiàn)無擾動切換。初始點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:可自動尋找最佳的空燃比和燒爐過程,有效克服煤氣熱值波動對燒爐效果的影響,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:分正常停燒和保護停燒。正常停燒是指燒爐過程完成,即煙道溫度或燒爐時間達到設定值時自動停燒;保護停燒是指正常燒爐過程中,當出現(xiàn)煤氣或空氣的壓力/流量、煙道溫度超標等情況之一時,系統(tǒng)自動保護停燒,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、燃燒時間目標值已知的情況下,系統(tǒng)自動制定不同時期的燃燒控制策略,結(jié)合燒爐過程動態(tài)變化,實現(xiàn)自動加燒、減燒,系統(tǒng)提供操作人員手動加減燒功能。

(5)模糊控制器:模糊控制器是自動燒爐優(yōu)化控制的核心,每一次閥的動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,專家燒火經(jīng)驗及模型計算結(jié)果。

(6)其它功能模塊:有拱頂溫度過高保護、單/雙爐燃燒轉(zhuǎn)換、趨勢曲線、流量安全限幅、助燃風機調(diào)節(jié)、語音報警提示等功能模塊。

5 技術優(yōu)點

(1)實現(xiàn)了三個統(tǒng)一:白班、夜班燒爐過程統(tǒng)一、4個班操作過程統(tǒng)一、3座熱風爐操作制度統(tǒng)一。

(2)實現(xiàn)熱風爐燒爐過程的準無人化操作,減輕了崗位勞動強度。

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

(4)靈活準確匹配了燒爐過程中的助燃風壓力,降低了助燃風機電力消耗。

6 實施過程

6.1 廢氣殘氧分析儀的校準

2020年9月底,通過校準激光分析儀器的射程距離及其工作壓力、工作溫度進行進一步匹配,并清理煙道監(jiān)測孔道內(nèi)碎小的耐材殘留,保障了激光分析儀器的精度。通過對廢氣人工采樣化驗結(jié)果,和在線殘氧分析儀器數(shù)據(jù)比較,獲得最佳燒爐過程。結(jié)論為:當廢氣氧含量在0.8%～1.0%之間時,廢氣中CO含量接近于0。

6.2 系統(tǒng)綜合調(diào)試與應用

為了實現(xiàn)簡單、清晰、操作簡便的熱風爐自動燒爐系統(tǒng)界面,對一級控制系統(tǒng)進行了改進。現(xiàn)在,針對每座熱風爐和助燃風機的控制,分別設置了一鍵投入和退出按鈕。在原系統(tǒng)中,擁有最高控制權限的操作人員可以通過授權投入按鈕,將熱風爐自動燒爐系統(tǒng)授權投入。一旦授權投入,熱風爐自動燒爐系統(tǒng)將獲得燒爐權限,并開始對熱風爐的燒爐過程進行控制。這樣,熱風爐可以自動進行燃燒,而無需人工干預。如果原有系統(tǒng)與熱風爐自動燒爐系統(tǒng)的通訊出現(xiàn)異常,或者操作人員需要取消授權,可以通過授權取消按鈕將熱風爐自動燒爐系統(tǒng)的權限交回原控制系統(tǒng)。這樣,熱風爐將恢復到原有系統(tǒng)的控制下。

需要注意的是,在授權投入或授權取消切換過程中,對燃燒過程是無擾動的。這意味著無論是授權投入還是授權取消,都不會對正在進行的燃燒過程造成任何干擾。這樣可以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定運行,并保證熱風爐的燒爐過程不會受到影響。通過以上改進,熱風爐自動燒爐系統(tǒng)界面變得簡單、清晰,操作也更加簡便。操作人員只需點擊一鍵投入或退出按鈕,就可以實現(xiàn)對熱風爐自動燒爐系統(tǒng)的控制,而無需進行繁瑣的操作。這樣,提高了操作效率,減少了操作人員的負擔。

7 效果評價

熱風爐自動燒爐控制系統(tǒng)利用空燃比的設定,實時根據(jù)設定的燃燒室溫度進行調(diào)節(jié),有效的控制燃燒溫度,很好的利用提高空氣過剩系數(shù)的手段來應對煤氣熱值的波動。并在燃燒過程中把控好時間對溫度的控制,根據(jù)高爐燃燒期剩余時間計算每分鐘升溫要求。在熱風爐消耗煤氣節(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個月的數(shù)據(jù),對熱風爐投用自動燒爐的前、后煤氣消耗數(shù)據(jù)進行對比,折算日煤氣消耗,經(jīng)對比得出結(jié)論:投用熱風爐自動燒爐系統(tǒng)前后,風溫使用維持原工況的前提下,煤氣節(jié)能2.6%,有效的降低了熱風爐煤氣能耗。

由于自動燒爐系統(tǒng)采用煤氣與空氣燃燒配比的實時控制,煤氣燃燒充分,有效的降低了COx、NOx的排放問題,實現(xiàn)了環(huán)保燃燒。[3]

8 智能燒爐系統(tǒng)目前存在的問題

(1)智能燒爐系統(tǒng)對燃燒室溫度的控制已經(jīng)達到預期要求,但對廢氣終溫的預算值不夠準確。這是因為在整個燃燒過程中,沒有對整體單座燃燒熱值進行采集和分析,無法應對高爐煤氣熱值對廢氣終溫的影響。

(2)在熱風爐I級系統(tǒng)與智能燒爐系統(tǒng)切換過程中,當I級系統(tǒng)程序增加燃燒煤氣時,智能燒爐系統(tǒng)無法準確判斷和調(diào)節(jié)。這可能導致燃燒過程不穩(wěn)定。

(3)當智能燒爐系統(tǒng)停用切除時,存在一個問題是I級系統(tǒng)程序不讀取智能燒爐使用的空燃比實際值,而是按照原來的設定值進行燃燒控制。這樣會導致燃燒溫度急劇上升,影響熱風爐的穩(wěn)定燒爐。

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

9 結(jié)語

本文主要介紹了自動燒爐系統(tǒng)在興澄特鋼2#高爐熱風爐的應用。通過對興澄特鋼2#高爐熱風爐現(xiàn)狀的分析,我們認識到自動燒爐系統(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。在介紹自動燒爐系統(tǒng)的基本思路和功能模塊的基礎上,我們總結(jié)了其技術優(yōu)點,包括自動控制精度高、操作簡便、安全可靠等。在實施過程中,我們詳細介紹了廢氣殘氧分析儀的校準和系統(tǒng)的綜合調(diào)試與應用。通過實施自動燒爐系統(tǒng),興澄特鋼2#高爐熱風爐的燒爐效果得到了顯著提升。然而,我們也意識到目前智能燒爐系統(tǒng)還存在一些問題,比如系統(tǒng)穩(wěn)定性和故障處理能力等方面還有待改進。綜上所述,自動燒爐系統(tǒng)在興澄特鋼2#高爐熱風爐的應用具有重要意義,但還需要進一步完善和優(yōu)化。

創(chuàng)新來源于對工藝的深刻理解、對數(shù)據(jù)的綜合分析。熱風爐自動燒爐系統(tǒng),不僅包含諸如模糊控制、自尋優(yōu)等自動控制技術。而且利用數(shù)學工具,結(jié)合工藝特性,對熱風爐燒爐過程進行分析挖掘;綜合利用數(shù)據(jù)分析技術,實現(xiàn)從數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)分析、再指導生產(chǎn)的閉環(huán)控制,是煉鐵綜合智能管控平臺重要的模塊之一。