宝钢初轧厂均热炉群最佳空燃比寻优控制系统

宝钢初轧厂均热炉群最佳空燃比寻优控制系统

谢励人韩丽辉温治高仲龙钱勤生乐大龙周鸿生蔡伯明陈敏军

摘要燃烧控制是实现均热炉群优化控制的基础，而燃烧控制的核心是空燃比控制。但煤气热值波动、换热器漏风等现象均会影响空燃比的准确性。笔者从理论上分析了影响空燃比的诸多因素，并根据各影响因素的特点，综合运用专家系统等方面的知识，开发和建立了宝钢初轧厂均热炉群最佳空燃比寻优控制系统。关键词均热炉群空燃比寻优计算机控制

Control system for optimizing ratio of air to fuel of soaking pits of

Baosteel Blooming Mill

Xie Liren Han Lihui Wen Zhi Gao Zhonglong

(Dept of Thermal Engineering, University of Science and Technology Beijing Beijing

100083)

Qian Qinsheng Le Dalong Zhou Hongsheng Cai Boming Chen Minjun

(Shanghai Baosteel Group Corporation)

Abstract The basis for realizing the optimizing control of soaking pits is combustion control, the key in which is to control the ratio of air to fuel. But the accuracy of the ratio of air to fuel is reduced by some phenomena such as the fluctuation of heat value of gas, the air leakage of heat exchanger and so on. The factors that have influence on the ratio of air to fuel are theoretically analyzed in detail and the control system for optimizing ratio of air to fuel of soaking pits is developed by use of expert system. Key wordssoaking pits; optimizing ratio of air to fuel; computer control 我国现有22个初轧厂中已有14家实现了计算机控制，但控制水平基本上属于燃烧控制[1]。宝钢初轧厂从日本引进的均热炉群计算机控制系统，除燃烧控制外还有数模优化和调度管理等方面的功能，但空燃比控制仍然采用人工控制。由于混合煤气热值波动和换热器漏风等现象严重影响了空燃比控制的准确性，已成为制约均热炉生产的瓶颈。

传统的烟气含氧量反馈控制法，对均热炉群而言，不仅会大大增加设备投资，而且氧化锆的使用寿命短又严重影响了该方法的推广应用。为此，我们避开了传统的控制方法，从理论上分析了影响空燃比的诸多因素，并根据各影响因素的特点，综合运用专家系统等方面的知识，开发出宝钢初轧厂均热炉群最佳空燃比寻优控制系统。

1 控制系统的构成

宝钢初轧厂均热炉自动燃烧控制系统是以TDCS－2000微处理机为核心的综合分散控制系统。但是由于目前均热炉使用的计算机内存只有64KB，不可能在

原有计算机系统中增加任何控制软件。因此，为了既不影响正常生产，又不破坏现有控制系统中的软件和硬件，增加了一台工控机用以实现最佳空燃比寻优控制。此外，由于煤气热值的波动对空燃比也有较大影响，又增加一台德国UNION 公司生产的煤气热值在线测量仪。

1．1硬件组成

系统硬件与原有数字仪表计算机系统的连接见图1。其工作流程如下：从每个炉坑中取出炉温、空气预热温度、煤气预热温度、煤气流量和混合煤气热值等信号，经A／D板将信号传送到新增加的工控机内，调用新开发的宝钢初轧厂均热炉群最佳空燃比寻优控制软件，每分钟动态输出各个炉坑的最优空燃比，该信号再经D／A板直接送给原有数字仪表系统TDCS－2000，以便控制空燃比的值。

图1 均热炉控制系统框图（虚线部分为新增加的硬件）

1．2软件组成及功能

系统采用Windows95操作系统和实时多任务组态软件Genie3．02开发平台，主要完成数据采集、实时控制、图形显示、历史记录、人工干预、信号校验和参数修正等功能。

(1)参数显示功能对炉温、煤气流量、空气预热温度、煤气预热温度、煤气热值等实现自动检测，对生产过程中工艺参数起到正常巡检监视作用。

(2)炉况显示功能将均热炉的工作状况分为加热期、均热期、均热后期和炉休止期等4种炉况，并对每个炉坑所处状态进行实时跟踪，通过不同颜色很直观地观察到该坑炉况状态。

(3)图形显示功能对所有的运行参数实现动态显示并能保持其历史曲线。其中烧钢曲线的动态显示，可以直观地反映出空燃比寻优结果的正确与否，煤气热值曲线可以直观地反映出煤气热值的动态变化情况。

(4)历史数据记录及报表打印功能该软件具有强大的数据记忆功能，能将所有检测参数按规定的时间记录和存盘，并能随时打印。

(5)校验功能可以定期地对各接口板的精确度进行校验。

(6)无扰切换功能具有自动／手动和手动／自动无扰切换功能。

2 影响空燃比因素的分析及其控制策略

所谓空燃比指的是空气量与煤气量之比，但在宝钢初轧厂原有计算机控制系统中空燃比指的是空气流量的实测值与理论空气需要量之比，即通常所说的空气过剩系数，即

n=V air／V air0=V air/(L0V fuel) (1)

式中L0为标准燃料Q d0=2200×4．18kJ／m3所对应的理论空气需要量，L0=2．132；V air为空气流量的实测值,m3／h；V fuel为煤气流量的实测值，m3／h。

为了叙述方便，仍将n称为空燃比。由式(1)可以看出：影响空燃比n的因素很多，通过对宝钢初轧厂均热炉生产过程的分析，最终确定混合煤气热值、钢的氧化、炉子的自然状况及生产中的异常情况等4个方面作为影响空燃比的主要因素，下面进行详细分析。

2．1煤气热值对空燃比的影响

当混合煤气热值为标准热值Qd0时，式(1)为

V air=n0L0V fuel(2)

式中n0是标准燃料所对应的空燃比。

从式(2)可以看出：L0为已知常数，V fuel的变化是由温度控制回路的输出决定的。因此，当煤气热值有变化时空气流量的变化只能通过调节空燃比来实现。

假设煤气热值仪输出的煤气热值为Q dn，通过理论分析可以估算出在该热值条件下所对应的煤气成分，进而计算出在该热值条件下的理论空气需要量Ln0，即式(2)可以写成：

V air=n0L n0V fuel(3)

如将空气需要量V air的变化通过改变空燃比n来表示，则式(3)可以写成：

V air=nL0V fuel(4)

比较(3)和(4)式，可以得出：

n=n0L n0/L0(5)

由于L0和L n0分别是煤气热值为Q d0和Q dn的函数，因此，可将空燃比的修正式(3)写成：

n=n0×f Qdn(6)

式中f Qdn为由于煤气热值Q dn波动引起的空燃比修正系数。

2．2钢锭氧化对空燃比的影响

根据宝钢初轧厂提供的氧化铁皮厚度和氧化烧损率的经验计算式，利用钢锭发生氧化反应的方程式可以求出钢锭氧化所需的空气量V ya。设n是考虑了钢锭氧化的空燃比，则有：

nL0V fuelτ=n0L0V fuelτ＋V ya(7)

即有

n=n0[1＋V ya／(n0L0V fuelτ)] (8)

式中τ为均热时间，h；V ya指在τ时间内钢锭氧化所需的空气量，m3。

由于V ya的变化会影响氧化铁皮的厚度，则(8)式可写成：

n=n0×fδ(9)

式中fδ指由于钢锭氧化引起的空燃比修正系数。

2．3炉子自然状况对空燃比的影响

随着炉龄的增加，炉子的密封性会不断下降，金属换热器的漏风率也不断加大，而测量的空气量是指进入换热器前的冷风量。冷空气经过换热器后，由于换热器漏风，使实际进入炉内的空气量小于实测空气量，这就造成了实际炉内空气量的不足。上述现象归结为炉况影响因素。炉况因素引起的空燃比修正值不能用具体的计算公式表达，这里采用多目标专家寻优控制策略[2]来寻求由于炉况引起的空燃比修正系数k。

所谓最佳空燃比，其含义就是：加热期炉膛升温速度合理，均热期煤气流量下降速度合理，空气和煤气预热温度上升速度合理，满足这些条件的空燃比就是最佳空燃比。因此，寻优的目标函数为炉温上升速度、煤气流量下降速度、空气预热温度上升速度、煤气预热温度上升速度。加热期以“炉温上升速度”为主目标，均热期以“煤气流量下降速度”为主目标。由于均热炉是一个时变、分布参数、非线性系统，寻优的目标函数是非线性目标函数，因此求解最佳空燃比问题属于多目标非线性规划问题。

多目标专家寻优控制策略的基本思想是将工人的操作经验与传统的理论算法结合起来，建立知识库。其中知识库中的规则来自理论知识、现场工程师和操作工在长期工作中积累的丰富经验。规则库又分为3个子库，分别为启动寻优条件规则库、寻优算法规则库、停止寻优条件规则库。每个子库由大量的规则组成，每条规则分成条件和结论两部分。启动条件规则根据主目标确定。寻优过程实际上是非最佳燃烧过程，它不断改变空燃比，从而改变空气量，使燃烧过程出现极值点，所以空气量可能有时给多，有时给少，造成燃烧处于非最佳状态。一般尽量不轻易启动寻优模块。当炉况变化后，才启动寻优模块。寻优算法规则库主要是用来解决寻优方向、寻优步长和寻优周期等问题。根据空气预热温度确定首次寻优方向，再根据空气预热温度升高速度应大于煤气温度升高速度的原则确定寻优步长，距最佳点较远时加大步长，而当接近最佳点时则减小步长。然后根据主

目标确定寻优方向是否正确，如果满足主目标的要求则沿原方向继续寻优，反之改变寻优方向。最终确定出由于炉况引起的空燃比修正系数k。由此可见，多目标专家寻优控制策略是由过程参数处理、静态和动态数据库、推理机和结论等部分组成，其系统结构见图2。

图2 多目标专家寻找控制系统的组成

2．4异常情况的处理

考虑到系统的完整性和安全性，因此必须对生产过程中可能出现的异常情况及时处理。通过对现场生产过程的分析和了解，总结出生产中可能出现的异常情况，并提出了相应的处理措施。

(1)空气预热温度T A>550℃

此时为了充分利用废气余热以及防止换热器被烧红，须将空燃比增大Δn，即n n=n n－1＋Δn，直到空气预热温度不再升高为止。

(2)混合煤气热值Q d>9629kJ/m3或Q d>9629KJ/m3或Q d<7955KJ/m3

根据宝钢目前的煤气状况可以确认此时热值信号为伪信号，因此暂不调用“煤气热值修正模块”，而是直接从数据库中调出上次煤气热值修正系数，即

f Qdn=f Qdn－1。

(3)煤气预热温度T F>495℃

当煤气预热温度过高时，可能发生煤气结焦等现象。当煤气预热温度

TF>495℃时，应增大稀释风流量。

(4)空气预热温度上升速度小于煤气预热温度上升速度，即ΔT A<ΔT F

宝钢初轧厂的煤气预热器设置在辐射式空气换热器的低温筒侧，因此，空气预热温度的上升速度应大于煤气预热温度上升速度，即ΔT A>ΔT F；如果出现

ΔT A<ΔT F+m,m为专家建议值,则说明空气量过多,则应减小空燃比,即n n=n n-1-Δn 综上所述，由于热值波动引起的空燃比修正系数为fQd，由于钢锭氧化引起的空燃比修正系数为fδ，由于炉子自然状况变化引起的空燃比修正系数为k，则空燃比在线最佳设定值可用下式确定：

n=n0×f Qd×fδ×k(10) 若生产过程中发生异常情况时：

n n=n n－1±Δn (11)

3 控制系统实际运行结果

本系统自1998年8月投入运行以来，效果很好。系统投运前后的实际生产能耗数据见表1，氧化烧损的实测数据见表2。从表中不难看出：均热炉平均燃耗和氧化烧损率均有显著下降，实现了既节能又降耗的控制目标。

表1 宝钢初轧厂均热炉生产能耗数据对比

4 结束语

宝钢初轧厂均热炉群最佳空燃比寻优控制系统已在现场实际运行了6个多月，生产实践表明该系统具有如下特点：(1)控制系统实现了数据采集、实时控制、图形显示、历史记录、参数修正等功能，可以方便地移植到其它工业炉上。(2)系统设计合理，结构简单，人机界面良好，操作简单可靠，满足现场控制要求。(3)系统投运前后的实际生产统计数据表明：空燃比寻优结果正确合理，大大减轻了工人的劳动强度，提高了劳动生产率，克服了人工调节不及时的缺点，实现了均热炉综合节能大于3％，氧化烧损平均减少0．3％的控制目标。

(编辑魏方)

谢励人男1 974年生助理工程师主要从事工业过程数学模型及控制方面的研究。

作者单位：谢励人(北京科技大学热能工程系北京 100083)

韩丽辉(北京科技大学热能工程系北京 100083)

温治(北京科技大学热能工程系北京 100083)

高仲龙(北京科技大学热能工程系北京 100083)

钱勤生(上海宝钢集团公司)

乐大龙(上海宝钢集团公司)

周鸿生(上海宝钢集团公司)

蔡伯明(上海宝钢集团公司)

陈敏军(上海宝钢集团公司)

参考文献

1，温治．我国初轧均热炉计算机应用情况．工业炉，1991，13(4)：49～51

2，刘新平，温治，杨玉璞．均热炉群多目标专家寻优燃烧控制策略．工业炉，1993，15(1)：36～43