鄭躍龍

（河北鋼鐵股份有限公司  河北 邯鄲 056009）

1  背景和意義

隨著煉鐵高爐設備的大型化、智能化，高爐的裝備水平、上料水平以及布料技術得到了巨大的發展，與中小高爐相比，大型高爐具有高產量、高質量、低消耗的顯著優點，在高爐爐頂控制方面，傳統高爐采用減壓閥組控制頂壓，帶來的主要影響是：一、造成大量的能源浪費與噪聲污染；二、不能滿足高爐的生產要求。因此國內從國外引進了高爐爐頂煤氣余壓回收透平發電裝置，簡稱TRT。TRT是一種利用高爐爐頂煤氣的壓力能和熱能，通過透平膨脹驅動發電機或其它設備進行能量回收的裝置，TRT 系統對降低高爐能耗，提高能量利用率具有重要意義，同時還起到穩定高爐頂壓的作用。TRT作為一種高效的二次能源回收裝置，運行的前提是必須確保高爐頂壓的穩定性，國內高爐頂壓控制精度高的可以達到-2.5kpa~+2.5kpa；邯鋼老區高爐（以7高爐頂壓調節為研究目標）控制精度在-5kpa~+5kpa，有進一步的優化空間。

7高爐的頂壓控制是通過TRT靜葉和減壓閥組的普通PID調節形式，這樣會帶來一個問題是：當TRT靜葉調不過來時，就需要減壓閥組的參與，然而當減壓閥組參與調節時，就會使煤氣繞過TRT直接進入官網，降低煤氣利用率。因此，優化高爐頂壓控制系統的運行對穩定邯鋼高爐爐頂壓力、提高高爐生產的產量、質量和提高煤氣利用率具有重要意義，也是當今TRT技術中的一個重要課題。

2  高爐頂壓控制對象分析

                                    圖1

1、鼓風機送風系統，一般都是電動風機（干凈、事故少、維護方便）。把風送到熱風爐進行加熱。

2、鼓風機的風經過熱風爐進行加熱（1000—1300度）。通常所說的幾燒幾送，指的就是幾個燃燒爐和幾個送風爐，當燃燒爐轉化成送風爐的時候，由于燃燒爐的壓力是大氣壓，需要進行沖壓，直到壓力到達冷風壓力后，才能轉化成送風爐為高爐送風。沖壓過程采用的是小流量沖壓，對高爐爐內壓力影響不大。

 3、原料系統，把原料（焦炭、燒結礦、球團礦、塊況）分批次通過料罐（串罐、并罐），一批焦炭，一批礦批交替通過布料溜槽下料。因為料層的阻力對料速、氣流分布不均，導致高爐頂壓波動。比如下焦炭的時候由于焦炭的透氣性好，對氣流阻力影響小，頂壓波動就小；礦批透氣性差，對氣流阻力影響大，頂壓波動就大；

 4、爐內的燃燒發生化學反應。高爐煤氣的主要成分是CO、CO2、和H2，煉鐵過程中空氣通過熱風爐加熱后進入高爐，這種熱風和焦炭助燃（產生CO2、CO），CO2又和炙熱的焦炭產生CO ， CO在上升過程中，還原了鐵礦石，使之生成生鐵。鐵水通過出鐵口流出，剩下的大部分CO和其它氣體稱為高爐煤氣。

3  分析影響因素

通過對TRT靜葉變化趨勢和高爐頂壓的變化，結合現場工藝特點，初步判斷出影響高爐頂壓的因素主要是：1、高爐下料；2、布料系統；2、料罐均壓；

                                        圖2

4  采集數據

針對以上提出的主要影響因素，我們通過數據采集相關的數據進行詳細研究和確認。通過建立7高爐的數據標簽如圖1。包括采集數據的名稱，對應在程序中所用到的位號，然后在SQL SERVER分配相對應的數據庫地址，其中包括模擬量：7#高爐TRT高爐爐頂壓力測量值、7#高爐TRT高爐爐頂壓力設定值、7#高爐TRT高爐爐頂壓力設定偏差值、7#高爐TRT1#減壓閥組開度、7#高爐TRT2#減壓閥組開度、7#高爐TRT3#減壓閥組開度、7#高爐TRT4#減壓閥組開度、7#高爐TRT靜葉開度、7#高爐布袋除塵后煤氣產量。開關量包括：7#高爐南料罐礦、7#高爐南料罐焦、7#高爐北料罐礦、7#高爐北料罐焦、7#高爐南料罐均壓OK、7#高爐北料罐均壓OK、7#高爐南料流快開、7#高爐南料流關、7#高爐南料流慢開、7#高爐北料流快開、7#高爐北料流關、7#高爐北料流慢開、7#高爐南料罐一均開、7#高爐南料罐一均關、7#高爐南料罐二均開、7#高爐南料罐二均關、7#高爐北料罐一均開、7#高爐北料罐一均關、7#高爐北料罐二均開、7#高爐北料罐二均關。

1、建立相應標簽，并把相關數據從PLC中取出并通過西門子（TCP/IP協議）把PLC上的數據采集到采集機（RTU）上。如圖3

2、通過光纜把數據從采集機上傳到數據服務器上（IFIX）。

3、KEPWARE通過OPC協議從數據服務器（IFIX）上取數，然后存儲到-SQL SERVER上。

根據以上采集的數據大致確認了影響頂壓波動大的幾個因素：1、下料系統；2、布料系統；3、料罐均壓系統。

                                圖3

5  數據分析和解決方案

爐頂料罐系統前饋調節復合控制流程如下圖4，在收到自動化布料信號后，系統開始讀取料罐壓力和凈煤氣壓力，兩個壓力進行比較并通過公式可以知道煤氣的變化量Fg，利用煤氣的減少量與靜葉開度的關系并于PID輸出信號疊加控制靜葉的開度，直到煤氣的減少量Fg為0時，均壓前饋調節完成。

爐頂壓力布料系統前饋調節復合控制流程如下圖4，在收到自動化布料信號后，系統開始讀取料灌的料種信息，以及布料擋位和布料圈數，利用布料煤氣減少的推倒公式計算出煤氣的減少量F，利用煤氣的減少量與靜葉開度的關系并于PID輸出信號疊加控制靜葉的開度，直到煤氣的減少量F為0時，布料前饋調節完成。

根據數據庫所存儲高爐生產和TRT發電過程的所需信息員，是管理、技術分析和決策的原始依據，包括實時采集的數據和手動錄入的數據如上面已經介紹數據實時采集，并把這些采集上來的數進行歸類和分析，并通過大數據進行分析和解決頂壓的問題（圖5），把采集上的數模擬化，利用頂壓的偏差變化，以及偏差的變化率，決定了煤氣的變化率，煤氣的變化率與靜葉的變化開度和變化頻率成正比例關系。

煤氣的變化率             

根據這個比例關系確定靜葉的開度和變化頻率，從而實現前饋控制，減少頂壓的波動頻率和波動范圍。

  圖4 

圖5

參考文獻

[1]  盛鋼，柳黎光，TRT頂壓穩定技術研究與實踐[J],通用機械，2005（8）：96-99.

[2]  陳奇福，吳敏，等，模糊PID控制在高爐爐頂壓力控制系統中的應用[J]，冶金自動化，2010，34（2）：10-14.

[3]  任長青，王宏華，一種改進的Fuzzy-PID復合控制研究 [J]，電氣技術與自動化，2007，36（5）：137-139.

[4]  印建安，高爐煤氣余壓發電裝置中爐頂壓力穩定性分析與控制試驗研究[D]，浙江大學博士學位論文，2003

[5]  劉金花，TRT高爐頂壓前饋PID復合控制系統研究與應用[D]，湖南大學碩士學位論文，2016