一種高爐熱風爐協調換爐方法

發布日期：2018-10-29 作者：馮康康1，牛洪海1，孫謀成2，管曉晨1，耿欣1 瀏覽次數：1957

核心提示：摘要：針對鋼鐵廠熱風爐燃燒導致煤氣壓力波動的情況，詳細設計了一種高爐間熱風爐協調換爐的方法。通過對熱風爐工藝狀態計算，制定合理的錯峰換爐制度與評價指標，有效預測熱風爐運行狀態，并通過設計的控制策略和安全策略對熱風爐進行自動燃燒優化控制。該方法有效實現了熱風爐錯峰換爐，保證了熱風爐蓄熱和送風風溫，降低了煤氣管網壓力波動，減小了操作人員工作強度。關鍵詞：熱風爐，協調換爐，煤氣壓力波動，自動燃燒控制

一種高爐熱風爐協調換爐方法

馮康康¹，牛洪海¹，孫謀成²，管曉晨¹，耿欣¹

（ 1 南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇南京 211102 ； 2 國網本溪供電公司，遼寧本溪 117000 ）

摘要：針對鋼鐵廠熱風爐燃燒導致煤氣壓力波動的情況，詳細設計了一種高爐間熱風爐協調換爐的方法。通過對熱風爐工藝狀態計算，制定合理的錯峰換爐制度與評價指標，有效預測熱風爐運行狀態，并通過設計的控制策略和安全策略對熱風爐進行自動燃燒優化控制。該方法有效實現了熱風爐錯峰換爐，保證了熱風爐蓄熱和送風風溫，降低了煤氣管網壓力波動，減小了操作人員工作強度。

關鍵詞：熱風爐，協調換爐，煤氣壓力波動，自動燃燒控制

熱風爐作為高爐的重要輔助生產設備，是高爐煤氣消耗的主要單元。以山東永鋒鋼鐵為例， 3＃、 4＃、 5＃三座高爐煤氣產量約在 90 萬 m³ ／h ，熱風爐煤氣消耗量約在 30 萬 m³ ／h 左右，占高爐產氣量的三分之一左右。當高爐熱風爐出現兩個或多個同時換爐時，極易導致煤氣管網壓力劇烈波動，從而出現煤氣放散。因此，本文結合永鋒鋼鐵實際生產情況，設計了一種高爐熱風爐的協調換爐方法，并進行了實際應用。

1 問題描述

煉鐵高爐一般配套 3～4 座熱風爐，采取兩燒一送或者兩燒兩送的送風制度。通過對不同鋼鐵廠現場調研，發現許多鋼鐵廠高爐熱風爐燒爐過程自動化程度較低，存在如下問題： ① 各高爐間燃燒節奏不同，存在嚴重的重疊換爐情況，導致熱風爐總煤氣用量波動大； ② 各熱風爐采用人工手動燒爐，勞動強度大，調節不及時，煤氣和空氣用量依據經驗進行調節； ③ 各高爐間信息相互獨立，以各自高爐熱風需求為唯一燒爐控制目標。

2 功能設計

針對上述問題，并結合永鋒鋼鐵的實際生產運行情況，設計了高爐熱風爐的協調換爐方法，以減小熱風爐煤氣消耗引起的管網壓力波動，減小操作人員工作強度。功能具體如下：

1 ）熱風爐協調換爐功能。結合實際情況，嚴格控制各高爐的燒爐、換爐、送風時間和節奏，避免多座熱風爐同時換爐，減少因熱風爐燃燒數不同而引起的煤氣消耗量變化。

2 ）熱風爐自動燃燒優化控制。對熱風爐燒爐過程實現自動化操作，使熱風爐在保證拱頂溫度的情況下，在規定的時間內燃燒至所需煙道溫度，保證爐體蓄熱量，以滿足高爐送風溫度，同時降低煤氣消耗。

2．1 整體架構

永鋒各高爐間已建設設備網，各熱風爐均為 SIEMENSPLC 控制系統，并已接入設備網絡。整體架構如設計圖 1 所示。在原有熱風爐操作系統的基礎上，各熱風爐操作系統增加一套協調優化燃燒控制器，通過 OPC 通訊協議與各自原控制系統進行通訊。協調優化燃燒控制器主要實現三個功能，一是熱風爐燃燒過程的自動控制；二是不同爐間的協調換爐控制；三是不同高爐間熱風爐運行信息的互通共享。

2．2 熱風爐協調換爐功能

2．2．1 熱風爐工藝狀態計算

實時采集熱風閥開關狀態、冷風閥開關狀態、煤氣與助燃空氣閥開關狀態、拱頂溫度、廢氣溫度、廢氣差壓和冷風差壓等數據，結合熱風爐工藝，準確識別熱風爐燃燒、燃燒轉燜爐、燜爐、燜爐轉送風、送風、送風轉燜爐、燜爐轉燃燒、休風、涼爐等運行狀態。

2．2．2 熱風爐錯峰換爐制度

錯峰換爐的核心原則是保證熱風爐總煤氣用量穩定，減少煤氣用量的波動，在此基礎上結合現場實際運行情況，設計錯峰換爐制度。永鋒鋼鐵 3＃、 4＃、 5＃高爐均為 1 080 m³ 高爐，三座高爐的9 座熱風爐煤氣用量相差不大，且均為兩燒一送，因此在設計時主要考慮使 9 座熱風爐間不產生重疊換爐。對于存在兩燒兩送以及單個熱風爐用氣量不同的情況，則在錯峰換爐的時需考慮不同熱風爐用氣量的大小，以及各熱風爐燒爐時間的長短，進行合理規劃燒爐節奏，以保證煤氣總用氣量不變。

具體永鋒熱風爐協調換爐制度設計如圖 2 所示。

1 ）高爐內：每座熱風爐燃燒－換爐－送風－換爐－燃燒循環設計為 3 小時一個周期，保證每小時內存在一座熱風爐進行換爐。

2 ）高爐間：每座高爐在單個小時內均存在需換爐的熱風爐，因此在考慮熱風爐能力的情況下，將每座高爐的換爐時間錯開，在單個小時時間段內，不存在兩座高爐換爐的情況。每小時中， 5高在 0～20 min 期間進行換爐； 4 高在 20～40 min 期間進行換爐； 3 高在 40～60 min 期間進行換爐。

3 ）通過上面兩條的設計，除休風等特殊工況外，每座熱風爐的運行時間非常規律，時間固化。因此，需同時強調： ① 每座高爐的換爐時間嚴格控制在 20 min ，開始換爐的時間不能提前，開始燒爐的時間不能延后； ② 在 0 、 20 、 40 這幾個時間跨界點時，各崗位間相互溝通確認，實行高爐間換爐和燒爐同時進行操作；③ 如存在高爐休風等特殊情況，待情況處理完成后，熱風爐仍調整至原設計制度進行運行。

2．2．3 熱風爐運行狀態預測

實時預測各熱風爐運行狀態： ① 各熱風爐送風結束時間、燃燒結束時間； ② 對所有處于燃燒狀態的熱風爐按照最先開始燜爐的時間排序； ③ 計算目前出現同時換爐的可能性； ④ 評價各熱風爐節奏是否準確； ⑤ 計算各熱風爐需提前或延后燜爐時間； ⑥考慮高爐休風時可能造成的換爐效應疊加，對未休風的熱風爐錯開換爐。

2．2．4 協調換爐指標

設計兩個統計分析指標，用于分析指導實際協調換爐運行情況。

1 ）協調換爐重疊率。從圖 2 可以看出，任意時刻， 9 個熱風爐 1 個處于換爐狀態， 3 個處于送風， 5 個處于燒爐狀態。當某個高爐處于換爐，中間會出現短暫的兩個熱風爐送風狀態，但不影響熱風爐燃燒個數。因此以熱風爐燃燒數判斷熱風爐換爐重疊情況。重疊換爐統計方法：當燃燒數為 5 時，說明不存在換爐重疊情況；燃燒數不為 5 時，則存在重疊換爐。

2 ）協調換爐誤差時間。設計換爐誤差時間用于評價換爐準點情況，誤差時間越小，則重疊越少，對壓力波動影響越小。換爐誤差時間定義（以永鋒 5 高為例）：當時間處于 0～20 min 時，應為一個爐燃燒，當出現 2 個爐燒爐時，則統計此誤差時間；當時間處于 20～60 min 時，應為 2 個爐燒爐，若出現 1 個爐燒爐，則統計此誤差時間。換爐誤差時間應控制在一定范圍之內。

2．3 熱風爐自動燃燒優化控制

熱風爐自動燃燒優化控制為實施協調換爐的基礎，作用是使熱風爐在保證拱頂溫度的情況下，在規定的時間內燃燒至所需的煙道溫度，保障熱風爐蓄熱量。同時可實現減小操作人員工作強度和降低煤氣消耗。

2．3．1 自動燃燒指標

1 ）通過自動控制系統，可實現熱風爐準確的在協調換爐制度規定的時間節點，完成對熱風爐拱頂溫度、廢氣溫度、助燃風總管壓力的自動控制。

2 ）實現熱風爐燒爐自動化運行，長期自動率大于 95％。

3 ）優化空燃比，實現煤氣流量和助燃風流量的合理調節，在滿足送風溫度的條件下，提高煙道溫度，減少煤氣消耗。

2．3．2 控制策略

永鋒熱風爐自動控制策略如圖 3 所示，圖中虛線框部分為廢氣溫度管理期單獨考慮的策略。在整個自動燒爐過程中通過自適應技術，不斷深化記憶各熱風爐的特性，建立針對各熱風爐特點不斷優化的知識庫，同時判斷不同的參數變化和燒爐情況，利用模糊控制、自學習等控制技術，實現燒爐全過程自動優化控制。

2．3．3 安全策略

實際運行過程中，除考慮拱頂安全溫度、廢氣安全溫度、助燃風壓力范圍、閥開范圍外，還需考慮自動優化控制與原系統無擾切換等安全情況。永鋒熱風爐自動安全策略如圖 4 所示，熱風爐自動燃燒優化控制器與熱風爐原 PLC 系統相互獨立， PLC 原系統保持原有控制邏輯不變，優化控制器負責優化燃燒狀態下煤氣、空氣流量的調節，并通過原 PLC 系統進行執行控制。兩者通過控制開關進行切換控制操作，在發生特殊情況時，進行無擾切換。

3 應用效果

結合永鋒鋼鐵生產過程中遇到的實際問題，對上述提到的方法策略進行了實際的應用和驗證，具體效果如下。

3．1 煙道溫度控制

煙道溫度控制效果如圖 5 所示，圖中分別為 4 高的 1＃、 2＃、3＃熱風爐煙道溫度。從圖中可以看出： ① 不同熱風爐的煙道溫度均嚴格控制在燒爐需求的 390℃ ，偏差在 ±1℃ 左右，不但滿足熱風爐蓄熱目標，而且無波動，明顯優于操作員控制； ② 各熱風爐均嚴格按照協調換爐制度規定的時間節點（ 40 min 時刻），燒到目標溫度，較為精確，較好地保證了熱風爐錯峰換爐的運行。