1  前言

    傳統的完善的高爐熱風(fēng)爐燃燒自動(dòng)化系統都是具有完善的基礎自動(dòng)化和使用數學(xué)模型計算所需的加熱煤氣流量和助燃空氣流量，并對基礎自動(dòng)化的熱風(fēng)爐燃燒自動(dòng)控制系統進(jìn)行有關(guān)的設定。完善的基礎自動(dòng)化對于燃燒混合煤氣或燃燒預熱的高爐煤氣和預熱空氣的熱風(fēng)爐來(lái)說(shuō)包括：煤氣流量控制、空氣流量控制、空燃比控制、拱頂溫度控制和廢氣溫度控制。如圖1所示，在熱風(fēng)爐燃燒初期是以較大的煤氣量和合適的空燃比（最好還設有燃燒廢氣成分分析，按殘氧量來(lái)修正空燃比），以實(shí)行快速加熱，使拱頂溫度迅速達到規定值，然后逐步增加空氣量以保持拱頂溫度為規定值，當達到廢氣溫度管理期，即溫度達到某一規定值時(shí)，需要減少煤氣及空氣量以維持廢氣溫度為設定值。對于燃燒高爐煤氣和焦爐煤氣具有三眼燃燒器的熱風(fēng)爐來(lái)說(shuō)，由于高爐煤氣和焦爐煤氣分別送入，需分別設置其流量控制，該流量比例控制和空燃比要分別適應高爐煤氣和焦爐煤氣需要，因此使系統回路更多、更復雜。熱風(fēng)爐流量設定數學(xué)模型的基本原理是使燃燒時(shí)熱風(fēng)爐格子磚的蓄熱量適合于加熱鼓風(fēng)到生產(chǎn)所需的熱風(fēng)溫度和流量而需要的熱量。除了數學(xué)模型相當復雜外，更需設置自動(dòng)分析加熱煤氣的各種成分的分析器，這種儀器不僅昂貴，還需良好的維護，此外要使數學(xué)模型有效，必須依靠完善的基礎自動(dòng)化。因此，在國內除寶鋼以外，很少被采用。

    在國外，已經(jīng)使用人工智能的方式來(lái)代替數學(xué)模型，如日本川崎鋼鐵公司就開(kāi)發(fā)了模糊控制系統取代數學(xué)模型。日本鋼鐵公司（新日鐵）也使用專(zhuān)家系統來(lái)取代數學(xué)模型。

    由于上述完善的基礎自動(dòng)化所設的儀表和控制回路較多，特別是要在三座或四座熱風(fēng)爐都設置，故投資相當大。此外，這種只有基礎自動(dòng)化的系統，在實(shí)際操作中還需人工對熱風(fēng)爐的流量進(jìn)行設定，而且目前由于耐火材料的進(jìn)步，耐溫增高，熱風(fēng)爐拱頂不易燒壞，故拱頂沒(méi)有限溫的必要，故這種基礎自動(dòng)化并不適用，許多工廠(chǎng)，包括如鞍鋼10#高爐那樣的大型高爐大都使用較簡(jiǎn)單的系統，即只有煤氣總管壓力控制、煤氣及空氣流量或閥位自動(dòng)控制，然后人工控制流量或閥位的設定值或開(kāi)度。

圖1  熱風(fēng)爐燃燒控制原理圖

    由于人工控制難以在預熱煤氣和空氣溫度變化時(shí)、高爐所需鼓風(fēng)溫度和流量變化時(shí)、助燃空氣壓力變化時(shí)、熱風(fēng)爐蓄熱量尚有富裕時(shí)，修正熱風(fēng)爐加熱的煤氣和空氣量，因而達不到節能和優(yōu)化熱風(fēng)爐操作的目的。下面介紹的高爐熱風(fēng)爐流量設定及控制的專(zhuān)家系統，可以解決上述問(wèn)題，實(shí)現了熱風(fēng)爐燃燒控制的全自動(dòng)化，并可為高爐提高風(fēng)溫創(chuàng )造條件。

2  系統原理

系統是考慮以下幾點(diǎn)來(lái)構成的：

    ①  根據工藝要求；

    ②  根據工廠(chǎng)的實(shí)踐；

    ③  參考國外流量設定數學(xué)模型的出發(fā)點(diǎn)；

    ④  考慮熱風(fēng)爐的加熱和送風(fēng)的熱傳導、熱交換等工藝理論；

    ⑤  考慮節能和可為提高風(fēng)溫創(chuàng )造條件的各種影響因素；

    ⑥  考慮減輕勞動(dòng)強度而需采用全自動(dòng)化控制。

    國內熱風(fēng)爐燃燒（又稱(chēng)燒爐）大都采用快速燒爐方法。即在燃燒初期用最大的煤氣量與小的超量空氣系數相配合，進(jìn)行強化加熱，在最短時(shí)間內，使拱頂溫度迅速升到規定值，這一階段燒爐稱(chēng)為加熱期。此后逐步改變超量空氣系數以小的煤氣量維持拱頂溫度，逐步提高煙道溫度至界限值，使整個(gè)熱風(fēng)爐充分蓄熱，這一階段稱(chēng)為保溫蓄熱期。根據不同的設備條件實(shí)現快速燒爐有三種方法：

    ① 固定煤氣調節助燃空氣量。它一直是使用最大煤氣量，當拱頂溫度迅速升到規定值后，增加助燃空氣量，因而廢氣量增加，流速增大，有利于對流傳熱，從而強化熱風(fēng)爐中、下部的熱交換作用，它適用于助燃風(fēng)機有余力的熱風(fēng)爐

    ② 固定空氣量調節煤氣量。它在保溫蓄熱期減少煤氣量，因而不如第一種好，但調節方便，適用于助燃風(fēng)機無(wú)余力的熱風(fēng)爐；

    ③ 煤氣量與助燃空氣量都不固定。它在加熱期用最大的煤氣量與小的超量空氣系數相配合，進(jìn)行強化加熱，當拱頂溫度達到規定值后，同時(shí)減少煤氣量與助燃空氣量，在拱頂溫度不變的情況下來(lái)加熱熱風(fēng)爐中、下部，這種方法難以掌握兩者同時(shí)變化的比例，故除了煤氣壓力波動(dòng)大的熱風(fēng)爐和用以控制廢氣溫度外，很少采用。此外還利用廢氣分析和火焰來(lái)判斷合理的燃燒溫度。后者是適合于沒(méi)有在線(xiàn)廢氣分析的中小高爐的熱風(fēng)爐，主要是靠觀(guān)察火焰顏色來(lái)判斷。

    一般高爐設有三座或四座熱風(fēng)爐，兩爐燃燒，單爐送風(fēng)或兩爐并聯(lián)，燃燒所用煤氣有混合煤氣或高爐煤氣，并利用煙氣余熱的預熱器來(lái)預熱煤氣和空氣。目前國內高爐熱風(fēng)爐的儀表及自動(dòng)化的狀況為：除少數工廠(chǎng)外，基礎自動(dòng)化不完善或雖有如圖1所示的自動(dòng)化系統，但為了滿(mǎn)足高爐高風(fēng)溫的要求，往往盡量燃燒而不限制拱頂溫度，結果只使用煤氣流量和空氣流量控制?？紤]這種情況，可按如圖2所示進(jìn)行系統的開(kāi)發(fā)。即按5段時(shí)間進(jìn)行預設定所需的煤氣流量和空氣流量。其中t1是到達規定拱頂溫度的時(shí)間，t2、t3、t4、t5分別為逐步要減小的煤氣和空氣量，它由熱風(fēng)爐操作員憑自己或他人的豐富經(jīng)驗進(jìn)行設定，使沒(méi)有經(jīng)驗的操作員也可達到專(zhuān)家水平，設定后熱風(fēng)爐即自動(dòng)按此流量進(jìn)行燒爐。

圖2  熱風(fēng)爐燒爐流量設定原理圖

    按工藝要求，當煙氣溫度達到熱風(fēng)爐格子磚支承的金屬允許的上限時(shí)，應恰好到達規定的燃燒時(shí)間。如圖3所示，如果煙氣溫度到達規定允許的上限（假設為350℃）而尚未到達燃燒終點(diǎn)，即尚有剩余時(shí)間才到達規定的燃燒時(shí)間，這就意味著(zhù)廢氣溫度太高，導致熱效率下降，格子磚支承的金屬被燒損，故需進(jìn)行校正，即到達校正點(diǎn)時(shí)，計算是否如虛線(xiàn)所示到達燃燒終點(diǎn)尚有剩余時(shí)間，如果有剩余時(shí)間則需減少煤氣及空氣流量，以改變煙氣溫度上升速度，使燃燒終點(diǎn)與規定的燃燒時(shí)間重合。剩余時(shí)間ts計算公式為：

1―不控制時(shí)預測溫度；2―控制后預測溫度

圖3  煙氣控制溫度圖

t_s = t_r