一种高炉热风炉协调换炉方法

发布日期：2018-10-29 作者：冯康康1，牛洪海1，孙谋成2，管晓晨1，耿欣1 浏览次数：1764

核心提示：摘要：针对钢铁厂热风炉燃烧导致煤气压力波动的情况，详细设计了一种高炉间热风炉协调换炉的方法。通过对热风炉工艺状态计算，制定合理的错峰换炉制度与评价指标，有效预测热风炉运行状态，并通过设计的控制策略和安全策略对热风炉进行自动燃烧优化控制。该方法有效实现了热风炉错峰换炉，保证了热风炉蓄热和送风风温，降低了煤气管网压力波动，减小了操作人员工作强度。关键词：热风炉，协调换炉，煤气压力波动，自动燃烧控制

一种高炉热风炉协调换炉方法

冯康康¹，牛洪海¹，孙谋成²，管晓晨¹，耿欣¹

（ 1 南京南瑞继保电气有限公司，江苏南京 211102 ； 2 国网本溪供电公司，辽宁本溪 117000 ）

摘要：针对钢铁厂热风炉燃烧导致煤气压力波动的情况，详细设计了一种高炉间热风炉协调换炉的方法。通过对热风炉工艺状态计算，制定合理的错峰换炉制度与评价指标，有效预测热风炉运行状态，并通过设计的控制策略和安全策略对热风炉进行自动燃烧优化控制。该方法有效实现了热风炉错峰换炉，保证了热风炉蓄热和送风风温，降低了煤气管网压力波动，减小了操作人员工作强度。

关键词：热风炉，协调换炉，煤气压力波动，自动燃烧控制

热风炉作为高炉的重要辅助生产设备，是高炉煤气消耗的主要单元。以山东永锋钢铁为例， 3＃、 4＃、 5＃三座高炉煤气产量约在 90 万 m³ ／h ，热风炉煤气消耗量约在 30 万 m³ ／h 左右，占高炉产气量的三分之一左右。当高炉热风炉出现两个或多个同时换炉时，极易导致煤气管网压力剧烈波动，从而出现煤气放散。因此，本文结合永锋钢铁实际生产情况，设计了一种高炉热风炉的协调换炉方法，并进行了实际应用。

1 问题描述

炼铁高炉一般配套 3～4 座热风炉，采取两烧一送或者两烧两送的送风制度。通过对不同钢铁厂现场调研，发现许多钢铁厂高炉热风炉烧炉过程自动化程度较低，存在如下问题： ① 各高炉间燃烧节奏不同，存在严重的重叠换炉情况，导致热风炉总煤气用量波动大； ② 各热风炉采用人工手动烧炉，劳动强度大，调节不及时，煤气和空气用量依据经验进行调节； ③ 各高炉间信息相互独立，以各自高炉热风需求为唯一烧炉控制目标。

2 功能设计

针对上述问题，并结合永锋钢铁的实际生产运行情况，设计了高炉热风炉的协调换炉方法，以减小热风炉煤气消耗引起的管网压力波动，减小操作人员工作强度。功能具体如下：

1 ）热风炉协调换炉功能。结合实际情况，严格控制各高炉的烧炉、换炉、送风时间和节奏，避免多座热风炉同时换炉，减少因热风炉燃烧数不同而引起的煤气消耗量变化。

2 ）热风炉自动燃烧优化控制。对热风炉烧炉过程实现自动化操作，使热风炉在保证拱顶温度的情况下，在规定的时间内燃烧至所需烟道温度，保证炉体蓄热量，以满足高炉送风温度，同时降低煤气消耗。

2．1 整体架构

永锋各高炉间已建设设备网，各热风炉均为 SIEMENSPLC 控制系统，并已接入设备网络。整体架构如设计图 1 所示。在原有热风炉操作系统的基础上，各热风炉操作系统增加一套协调优化燃烧控制器，通过 OPC 通讯协议与各自原控制系统进行通讯。协调优化燃烧控制器主要实现三个功能，一是热风炉燃烧过程的自动控制；二是不同炉间的协调换炉控制；三是不同高炉间热风炉运行信息的互通共享。

2．2 热风炉协调换炉功能

2．2．1 热风炉工艺状态计算

实时采集热风阀开关状态、冷风阀开关状态、煤气与助燃空气阀开关状态、拱顶温度、废气温度、废气差压和冷风差压等数据，结合热风炉工艺，准确识别热风炉燃烧、燃烧转焖炉、焖炉、焖炉转送风、送风、送风转焖炉、焖炉转燃烧、休风、凉炉等运行状态。

2．2．2 热风炉错峰换炉制度

错峰换炉的核心原则是保证热风炉总煤气用量稳定，减少煤气用量的波动，在此基础上结合现场实际运行情况，设计错峰换炉制度。永锋钢铁 3＃、 4＃、 5＃高炉均为 1 080 m³ 高炉，三座高炉的9 座热风炉煤气用量相差不大，且均为两烧一送，因此在设计时主要考虑使 9 座热风炉间不产生重叠换炉。对于存在两烧两送以及单个热风炉用气量不同的情况，则在错峰换炉的时需考虑不同热风炉用气量的大小，以及各热风炉烧炉时间的长短，进行合理规划烧炉节奏，以保证煤气总用气量不变。

具体永锋热风炉协调换炉制度设计如图 2 所示。

1 ）高炉内：每座热风炉燃烧－换炉－送风－换炉－燃烧循环设计为 3 小时一个周期，保证每小时内存在一座热风炉进行换炉。

2 ）高炉间：每座高炉在单个小时内均存在需换炉的热风炉，因此在考虑热风炉能力的情况下，将每座高炉的换炉时间错开，在单个小时时间段内，不存在两座高炉换炉的情况。每小时中， 5高在 0～20 min 期间进行换炉； 4 高在 20～40 min 期间进行换炉； 3 高在 40～60 min 期间进行换炉。

3 ）通过上面两条的设计，除休风等特殊工况外，每座热风炉的运行时间非常规律，时间固化。因此，需同时强调： ① 每座高炉的换炉时间严格控制在 20 min ，开始换炉的时间不能提前，开始烧炉的时间不能延后； ② 在 0 、 20 、 40 这几个时间跨界点时，各岗位间相互沟通确认，实行高炉间换炉和烧炉同时进行操作；③ 如存在高炉休风等特殊情况，待情况处理完成后，热风炉仍调整至原设计制度进行运行。

2．2．3 热风炉运行状态预测

实时预测各热风炉运行状态： ① 各热风炉送风结束时间、燃烧结束时间； ② 对所有处于燃烧状态的热风炉按照最先开始焖炉的时间排序； ③ 计算目前出现同时换炉的可能性； ④ 评价各热风炉节奏是否准确； ⑤ 计算各热风炉需提前或延后焖炉时间； ⑥考虑高炉休风时可能造成的换炉效应叠加，对未休风的热风炉错开换炉。

2．2．4 协调换炉指标

设计两个统计分析指标，用于分析指导实际协调换炉运行情况。

1 ）协调换炉重叠率。从图 2 可以看出，任意时刻， 9 个热风炉 1 个处于换炉状态， 3 个处于送风， 5 个处于烧炉状态。当某个高炉处于换炉，中间会出现短暂的两个热风炉送风状态，但不影响热风炉燃烧个数。因此以热风炉燃烧数判断热风炉换炉重叠情况。重叠换炉统计方法：当燃烧数为 5 时，说明不存在换炉重叠情况；燃烧数不为 5 时，则存在重叠换炉。

2 ）协调换炉误差时间。设计换炉误差时间用于评价换炉准点情况，误差时间越小，则重叠越少，对压力波动影响越小。换炉误差时间定义（以永锋 5 高为例）：当时间处于 0～20 min 时，应为一个炉燃烧，当出现 2 个炉烧炉时，则统计此误差时间；当时间处于 20～60 min 时，应为 2 个炉烧炉，若出现 1 个炉烧炉，则统计此误差时间。换炉误差时间应控制在一定范围之内。

2．3 热风炉自动燃烧优化控制

热风炉自动燃烧优化控制为实施协调换炉的基础，作用是使热风炉在保证拱顶温度的情况下，在规定的时间内燃烧至所需的烟道温度，保障热风炉蓄热量。同时可实现减小操作人员工作强度和降低煤气消耗。

2．3．1 自动燃烧指标

1 ）通过自动控制系统，可实现热风炉准确的在协调换炉制度规定的时间节点，完成对热风炉拱顶温度、废气温度、助燃风总管压力的自动控制。

2 ）实现热风炉烧炉自动化运行，长期自动率大于 95％。

3 ）优化空燃比，实现煤气流量和助燃风流量的合理调节，在满足送风温度的条件下，提高烟道温度，减少煤气消耗。

2．3．2 控制策略

永锋热风炉自动控制策略如图 3 所示，图中虚线框部分为废气温度管理期单独考虑的策略。在整个自动烧炉过程中通过自适应技术，不断深化记忆各热风炉的特性，建立针对各热风炉特点不断优化的知识库，同时判断不同的参数变化和烧炉情况，利用模糊控制、自学习等控制技术，实现烧炉全过程自动优化控制。

2．3．3 安全策略

实际运行过程中，除考虑拱顶安全温度、废气安全温度、助燃风压力范围、阀开范围外，还需考虑自动优化控制与原系统无扰切换等安全情况。永锋热风炉自动安全策略如图 4 所示，热风炉自动燃烧优化控制器与热风炉原 PLC 系统相互独立， PLC 原系统保持原有控制逻辑不变，优化控制器负责优化燃烧状态下煤气、空气流量的调节，并通过原 PLC 系统进行执行控制。两者通过控制开关进行切换控制操作，在发生特殊情况时，进行无扰切换。

3 应用效果

结合永锋钢铁生产过程中遇到的实际问题，对上述提到的方法策略进行了实际的应用和验证，具体效果如下。

3．1 烟道温度控制

烟道温度控制效果如图 5 所示，图中分别为 4 高的 1＃、 2＃、3＃热风炉烟道温度。从图中可以看出： ① 不同热风炉的烟道温度均严格控制在烧炉需求的 390℃ ，偏差在 ±1℃ 左右，不但满足热风炉蓄热目标，而且无波动，明显优于操作员控制； ② 各热风炉均严格按照协调换炉制度规定的时间节点（ 40 min 时刻），烧到目标温度，较为精确，较好地保证了热风炉错峰换炉的运行。