热风炉自动寻优燃烧智能控制系统.pdf

本发明提供了一种热风炉自动寻优燃烧智能控制系统，它包括混合煤气流量调节器(FIC-101)、拱顶温度调节器(TIC-101)、助燃空气流量调节器(FIC-102)、供热量调节器(QX-102)、废气温度调节器(TIC-102)和空燃比模糊控制器。本发明能提高热风炉的燃烧控制水平，燃烧效率高，能源利用充分，蓄热能力强。

1.  热风炉自动寻优燃烧智能控制系统，其特征在于：它包括混合煤气流量调节器(FIC-101)、拱顶温度调节器(TIC-101)、助燃空气流量调节器(FIC-102)、供热量调节器(QX-102)、废气温度调节器(TIC-102)和空燃比模糊控制器；它们之间的连接关系是：热风炉上设置有煤气调节阀和空气调节阀，煤气调节阀通过混合煤气流量调节器(FIC-101)进行控制，混合煤气流量调节器(FIC-101)接收煤气流量的反馈信号和计算器一的控制信号，计算器一接收拱顶温度调节器(TIC-101)的控制信号、空燃比模糊控制器的控制信号和空气流量的反馈信号，拱顶温度调节器(TIC-101)接收拱顶温度的设定值和反馈信号；空气调节阀由助燃空气流量调节器(FIC-102)进行控制，助燃空气流量调节器(FIC-102)接收供热量调节器(QX-102)的控制信号和空气流量的反馈信号，供热量调节器(QX-102)接收计算器二、三的控制信号，计算器二接收拱顶温度调节器(TIC-101)控制信号和总供热量的计算值，计算器三接收煤气流量的反馈信号和煤气热值，废气温度调节器(TIC-102)接收废气温度的设定值和反馈信号。

热风炉自动寻优燃烧智能控制系统
技术领域
本发明用于冶金行业炼铁高炉热风炉系统燃烧控制。
背景技术
热风炉是高炉炼铁生产过程中的重要配套设备，其主要作用就是把鼓风加热到要求的温度，向高炉提供高温热风。高炉一般由3～4座热风炉交替送风，每座热风炉的工作过程是燃烧、送风的重复过程。煤气和助燃空气在燃烧器内混合后，在燃烧室里燃烧，产生高温烟气。蓄热室的格子砖是热量传递的载体，它在燃烧期间吸收热量，送风期间又将热量传递给冷空气，从而加热冷空气。
为了节约能源、实现热风炉稳定的最佳化操作，需要提高热风炉的燃烧控制水平。实现煤气的合理燃烧，才能将其能量充分利用，热风炉才有可能在消耗同样煤气量情况下，蓄到更多的热量，为提高送风温度创造条件。由于高炉的操作或炉况等种种原因，造成煤气压力不稳定，煤气热值也往往存在波动，因而热风炉燃烧控制是热风炉最难、最关键的控制环节之一，燃烧控制得好坏将直接影响到热风炉的拱顶温度及燃烧的热效率。
传统的热风炉燃烧控制方法有比例极值调节法、烟气含氧量串级比例控制法等。比例极值调节法不能在煤气热值变化时及时改变空燃比，不容易实现热风炉的最佳燃烧。烟气氧含量串级比例控制法是以比例调节作为粗调，以烟气中氧气含量反馈控制作为细调，对空气、煤气量进行控制，该法能够实现热风炉的较合理的燃烧，但由于测氧仪表寿命有限，加上管理及维护的不到位，很多企业的测氧仪表不能长期稳定的工作，因此，这种方法应用效果不太理想。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种热风炉自动寻优燃烧智能控制系统及其控制方法，本发明能提高热风炉的燃烧控制水平，燃烧效率高，能源利用充分，蓄热能力强。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：控制系统包括混合煤气流量调节器、拱顶温度调节器、助燃空气流量调节器、供热量调节器、废气温度调节器和空燃比模糊控制器；它们之间的连接关系是：热风炉上设置有煤气调节阀和空气调节阀，煤气调节阀通过混合煤气流量调节器进行控制，混合煤气流量调节器接收煤气流量的反馈信号和计算器一的控制信号，计算器一接收拱顶温度调节器的控制信号、空燃比模糊控制器的控制信号和空气流量的反馈信号，拱顶温度调节器接收拱顶温度的设定值和反馈信号；空气调节阀由助燃空气调节器进行控制，助燃空气调节器接收供热量调节器的控制信号和空气流量的反馈信号，供热量调节器接收计算器二、三的控制信号，计算器二接收拱顶温度调节器控制信号和总供热量的计算值，计算器三接收煤气流量的反馈信号和煤气热值，废气温度调节器接收废气温度的设定值和反馈信号。
本发明具有以下主要的优点：本发明能提高热风炉的燃烧控制水平，燃烧效率高，能源利用充分，蓄热能力强。
附图说明
图1是控制系统结构框图。
图2是燃烧初期最佳空燃比模糊控制器示意图。
图3是拱顶温度管理期最佳空燃比模糊控制器。
控制系统主要包括以下五个调节器及一个模糊控制器，如图1所示：
·供热量调节器QX-102
·混合煤气流量调节器FIC-101
·助燃空气流量调节器FIC-102
·拱顶温度调节器TIC-101
·废气温度调节器TIC-102
·空燃比模糊控制器
具体实施方式
助燃空气与混合煤气之比(即空燃比)是热风炉燃烧过程中的重要参数。如果混合煤气过量，则燃烧不充分，多余的煤气随燃烧废气排放到大气中，既是一种浪费，也是对大气的一种污染；如果混合煤气不足，又无法保证热风炉炉顶温度达到设定值，即热风炉储蓄的热量不足，无法满足高炉正常生产。因此，如何在保证高炉正常生产的前提下，最大限度地提高煤气的燃烧率有着巨大的意义，这就要求最佳空燃比控制。但无论什么情况下都不能使煤气过量。换言之，达到最佳空燃比时的空气仍然是过量的。
初期拱顶温度的上升速率和进入拱顶温度管理期废气温度的上升速率，主要取决于燃烧过程的空燃比和煤气流量，同时还受煤气、空气质量波动和压力波动的影响。所以，实现热风炉燃烧过程自动控制的关键是随着煤气、空气压力和质量的波动，并根据热风炉不同的燃烧状态进行煤气流量和空气流量的实时调整，即对空燃比的调整。因此，在燃烧初期，我们以最大煤气量进行加热，并调整合适的空燃比，迅速提高拱顶温度；到达拱顶温度管理期，适当减小煤气流量，并调整合适的空燃比，保证拱顶温度不变的情况下，提高废气的升温速率。燃烧终点由废气温度确定，当废气温度上升到上限时，停止加热。
燃烧过程就是蓄热室的蓄热过程，它分为两个基本阶段。燃烧初期，蓄热室拱顶的温度很低，废气的热量大部分被拱顶吸收，拱顶的温度上升较快，蓄热室中、下部的温度则上升很慢；随着拱顶温度的升高，拱顶与废气的温差逐渐减小。当拱顶温度上升到一定值后，其温度几乎不再上升，废气所带的热量主要被蓄热室中、下部吸收，使蓄热室中、下部格子砖的温度迅速上升。在整个燃烧期，蓄热室上部格子砖的传热方式是以一种不稳定的热流进行传热，热流速率随时间的增加而降低。中、下部格子砖几乎以一种稳定的热流传热，温差几乎不变化。因此，要强化中、下部的热交换，就需要尽快提高上部的温度。只有通过热交换，使中、下部转变为稳定的热流传热时，经过中、下部的废气温度才能提高，从而相应提高这部分的温差，强化与格子砖的传热。排放的蓄热室废气(烟气)的温度随时间的延长而增加。废气温度低时说明炉内热交换的能力强，废气温度超过规定温度时，说明炉内热交换能力减弱。因此，为保证热交换的效率，废气温度不能长期保持在380℃以上，否则将造成热量的浪费；该温度值亦不可超过400℃，否则会烧坏耐火砖。故拱顶温度达到一定范围后，废气的升温速率是个很重要的因素。
本控制系统基于热风炉燃烧控制模型及模糊控制理论。控制模型在全炉热平衡计算基础上建立，符合生产实际，能够对燃烧速率进行控制，大大地提高了热风炉燃烧效率。热风炉是一个具有本质非线性、大滞后、慢时变特性的复杂被控对象，随着燃烧工作环境的变化其特性也在不断发生变化，要准确地掌握热风炉的运行状态是很困难的。模糊控制的优点是不必建立被控系统的数学模型，它能将操作者或专家的控制经验和知识表示成语言变量描述的控制规则，然后用这些规则去控制系统，给出短期的控制信号，具有较强的鲁棒性。两者结合，能够有效的提高热风炉燃烧效率，稳定热风炉燃烧过程。
下面结合附图详述本发明，但不限定本发明。
如图1所示，基于热风炉热平衡燃烧控制模型及模糊控制理论，本发明的控制系统包括混合煤气流量调节器FIC-101、拱顶温度调节器TIC-101、助燃空气流量调节器FIC-102、供热量调节器QX-102、废气温度调节器TIC-102和空燃比模糊控制器；它们之间的连接关系是：热风炉上设置有煤气调节阀和空气调节阀，煤气调节阀通过混合煤气流量调节器FIC-101进行控制，混合煤气流量调节器FIC-101接收煤气流量的反馈信号和计算器一的控制信号，计算器一接收拱顶温度调节器TIC-101的控制信号、空燃比模糊控制器的控制信号和空气流量的反馈信号，拱顶温度调节器TIC-101接收拱顶温度的设定值和反馈信号；空气调节阀由助燃空气流量调节器FIC-102进行控制，助燃空气流量调节器FIC-102接收供热量调节器QX-102的控制信号和空气流量的反馈信号，供热量调节器QX-102接收计算器二、三的控制信号，计算器二接收拱顶温度调节器TIC-101控制信号和总供热量的计算值，计算器三接收煤气流量的反馈信号和煤气热值，废气温度调节器TIC-102接收废气温度的设定值和反馈信号。
空燃比模糊控制器在燃烧周期各阶段自动寻优修正空燃比系数，实时空燃比系数与拱顶温度调节器TIC-101及助燃空气流量运算后，所得值作为混合煤气流量调节器FIC-101输入设定值，调节煤气流量；废气温度调节器输出与燃烧所需总供热量计算所得值作为供热量调节器输入设定值，与煤气实时热值通过供热量调节器，所得输出作为助燃空气流量调节器的设定输入值，调节助燃空气流量。
本发明的控制方法是基于总供热量计算，通过设定燃烧拱顶温度及废气温度目标值，空燃比模糊控制器在燃烧周期内实时寻优最佳空燃比系数，对助燃空气流量及混合煤气流量实时调节；助燃空气流量的控制由废气温度调节器、供热量调节器及助燃空气调节器完成；混合煤气流量的控制由拱顶温度调节器和混合煤气调节器完成；空燃比控制由空燃比模糊控制器完成。
根据热风炉的燃烧特性，热风炉的燃烧过程大致可分为三个阶段：
第一阶段：燃烧过程刚开始，热风炉的拱顶温度与废气温度都比较低，供热量的计算值可作为供热量调节器QX-102的设定置，混合煤气流量基本为一常数，助燃空气流量根据空燃比系数确定。
第二阶段：热风炉的废气温度仍偏离设定值较远，供热量的设定值也保持不变。随着拱顶温度的不断上升，混合煤气流量需逐渐减少，但为了使废气温度不断升高，必须保持一定的供热量。
第三阶段：热风炉的废气温度已上升至设定置，应使供热量的设定值逐渐减少，从而使助燃空气流量和混合煤气流量均减少至零，结束燃烧过程。
其中第一阶段也称为燃烧前期(也就是在拱顶温度及烟道废气温度没有达到管理温度之前的这一期间)，后两个阶段称为控制管理期(也就是当拱顶温度达到管理温度时到这个燃烧周期结束为止)。
本燃烧控制系统基于全炉热平衡计算基础建立数学模型，以供热量为主调参数，是一套完整的复杂的供热量-温度-流量多回路的串级调节回路，根据前一次送风周期和燃烧周期的工况计算出本次燃烧周期所需的供热量，然后先确定助燃空气流量，混合煤气流量根据助燃空气流量确定。燃烧过程中空燃比系数的确定基于模糊控制理论，将操作者或专家的控制经验和知识表示成语言变量描述的控制规则，然后用这些规则去控制系统，给出短期的控制信号。
1.总供热量计算
为了有效利用热风炉的蓄热量，应该使送风时从热风炉带走的热量正好等于烧炉时的蓄热量，而蓄热量大小由所设定的供热量值决定。总供热量值是通过计算整个送风期间所耗去的热量、燃烧时间及其他一些参数得出的。其目的是使燃烧周期的蓄热量和送风周期的耗热量达到基本平衡，以实现热风炉的高效节能。
总供热量计算的步骤如下：
1)计算单位体积的热风(混风)所需要的热量q，由下式进行计算：
q＝c_m·t_m-c_c·t_c      Kcal/Nm³    (1)
式中：c_m，c_c分别为混风温度和冷风温度对应的比热；t_m，t_c分别为混风温度和冷风温度；
2)计算送风期间单位时间所消耗的热量：
Q₁＝q·F_C   Kcal/min        (2)
式中：F_c为冷风流量；
3)计算在整个送风期间所消耗的热量Q₂：
Q2=K·η∫T0T1Q1dt Kcal---(3)]]>
K为热风炉常数；η为热风炉工作制度效率；kη对于单炉循环送风制度时为0.79；T0、T1分别为送风起始时间及完成时间。
4)计算在整个燃烧周期的供热量Q：
Q＝Q₂/T_H      Kcal/min      (4)
式中：T_G为燃烧周期的总时间；
由于供热量无法直接测量，上述所计算值为一个粗糙值，供操作者在确定供热量时参考，可以用送风期间混风调节阀开度进行评价。由于炉热(即蓄热量)不足时，在送风结束前阀门即已开到下限值而无法再控制温度，故在送风终了前阀门开度就可表示炉热水准，如果阀门未全关，可适当减少所设定的供热量，反之，应增加。
2.空燃比模糊控制器
空燃比模糊控制器的设计分为快速加热期最佳空燃比模糊控制器和拱顶温度管理期最佳空燃比模糊控制器。
2.1第一阶段快速加热期最佳空燃比模糊控制器的设计
Step1：确定模糊控制器的输入变量和输出变量
模糊控制器的输入是模糊控制器的输入是拱顶温度当前时间段和上一时间段上升速率的差值e和空燃比变化的方向a，模糊控制器的输出是空燃比增量u，快速加热期最佳空燃比模糊控制器示意图如图2所示。
Step2：设计模糊控制器的控制规则
温度上升速率差值e具体划分为7个等级：高速上升(PB)、中速上升(PM)、低速上升(PS)、零(ZO)、低速下降(NS)、中速下降(NM)、高速下降(NB)；空燃比变化方向分为两个方向：变大(P)、变小(N)，空燃比调节增量划分为7级：快速加大(PB)、中速加大(PM)、低速加大(PS)、不变(ZO)、低速减小(NS)、中速减小(NM)、高速减小(NB)。
温度上升速率差值e的模糊变量词集选择为7个：{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，其论域E为：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。空燃比变化方向a的模糊变量的词集选择为2个：{N，P}，其论域A为：{-1，1}。空燃比增量u的模糊变量的词集选择为：{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，其论域U为：{-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}。
由控制经验可总结出模糊控制规则，如表2-1所示。
这些控制规则可用14条模糊语句来描述：
(1)IF E＝NB and A＝P THEN U＝NB
(2)IF E＝NM and A＝N THEN U＝NM
……
(14)IF E＝PB and A＝P THEN U＝NB
表2-1快速加热期最佳空燃比寻优模糊控制规则表

Step3：模糊控制器参数设定
根据经验和现场调试结果，快速加热器最佳空燃比模糊控制器的各项参数如下所示。
拱顶温升速度差范围[e_L，e_H]为[-6，6]，拱顶温升速度差e到其论域E的映射式为：
E=6×e-(eL+eH)/2(eH-eL)/2---(5)]]>
空燃比变化的范围[r_L，r_H]为[-1，1]，空燃比变化方向a到其论域A的映射式为：
A=1×r-(rL+rH)/2(rH-rL)/2---(6)]]>
Step4：模糊推理、解模糊并计算模糊控制查询表
在模糊控制中，对建立的模糊规则要经过模糊推理才能决策出控制变量，本系统采用了Mamdani推理法，其实质就是加权平均法。
表2-2快速加热期最佳空燃比寻优控制查询表

通过模糊控制器，将拱顶温度当前时间段和上一时间段上升速率的差值差值e和空燃比变化的方向a模糊化后根据(5)、(6)式求得E、A，通过查询表2-2，得到控制输出u，并将此值经过清晰化接口，求得空燃比的增量Δu_k。将Δu_k加上当前空燃比的实际值u_k实，即可得到空燃比优化设定值u_k设定＝u_k实+Δu_k。
2.2第二、第三阶段拱顶温度管理期最佳空燃比模糊控制器的设计
与初期最佳空燃比模糊控制器相同，这里的控制器也采用双输入单输出的控制结构，但是输入量和控制规则是不同的，将拱顶温度偏差和温升速率作为控制输入，空燃比的调节增量u作为控制输出，拱顶温度管理期最佳空燃比模糊控制器示意图如图3所示。拱顶温度偏差分为5个等级的模糊量级，温度上升速率分为5个等级，空燃比调节增量分为5个等级。
Step1：确定模糊控制器的输入变量和输出变量
模糊控制器的输入是模糊控制器的输入是拱顶温度的偏差e和偏差变化率ec，模糊控制器的输出是空燃比增量u。
Step2：设计模糊控制器的控制规则
e’和ec的模糊变量的词集选择为5个：{NB，NM，ZO，PM，PB}，分别表示负大、负中、零、正中、正大，其论域E’为：{-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5}。u的模糊变量的词集选择为：{NB，NM，NS，ZO，PS，PM，PB}，分别表示负大、负中、负小、零、正小、正中、正大，其论域为：{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。
由控制经验可总结出模糊控制规则，如表2-3所示。
这些控制规则可用25条模糊语句来描述：
(1)IF E’＝NB and EC＝NB THEN U＝NB
(2)IF E’＝NM and EC＝NB THEN U＝NB
......
(25)IF E’＝PB and EC＝PB THEN U＝PB
表2-3拱顶温度管理期最佳空燃比寻优模糊控制规则表

Step3：模糊控制器参数设定
根据经验和现场调试结果，拱顶温度管理期最佳空燃比模糊控制器的各项参数如下所示。
拱顶温度偏差范围[e′_L，e′_H]为[-5，5]，拱顶温度偏差e到其论域E的映射式为：
E′=5×e′-(eL′+eH′)/2(eH′-eL′)/2---(7)]]>
拱顶温度变化率范围[ec_L，ec_H]为[-5，5]，拱顶温度偏差变化率ec到其论域EC的映射式为：
EC=5×e-(ecL+ecH)/2(ecH-ecL)/2---(8)]]>
Step4：模糊推理、解模糊并计算模糊控制查询表
采用在控制技术中常用的面积重心法进行解模糊运算。首先用MATLAB编制程序根据模糊逻辑运算规则离线算出模糊查询表，同时结合实际调试，在线修改该模糊查询表，得出拱顶温度管理期最佳空燃比控制器的模糊查询如表2-4所示。
表2-4拱顶温度管理期最佳空燃比寻优模糊控制查询表

通过模糊控制器，将拱顶拱顶温度的偏差e’和偏差变化率ec模糊化后根据(7)、(8)式求得E’、EC，通过查询表2-4，得到控制输出u，并将此值经过清晰化接口，求得空燃比的增量Δu_k，将Δu_k加上当前空燃比的实际值u_k实，即可得到空燃比优化设定值u_k设定＝u_k实+Δu_k。
3.助燃空气流量控制回路
助燃空气流量控制回路由废气温度调节器TIC-102、供热量调节器QX-102及助燃空气调节器FIC-102组成。
废气温度调节器TIC-102的设定值，由操作者从上位机操作站输入，调节器的输出是一个0.0～1.0的实数值，当废气温度较低时，输出为1，随着温度逐渐临近或超过设定值，输出值缓慢减小；总供热量值与废气温度调节器TIC-102的输出两者相乘后，作为供热量调节器QX-102的设定值；供热量调节器QX-102的测量值是煤气实时流量与煤气实时热值相乘的计算值，即混合煤气的实时热量。供热量调节器QX-102输出范围根据供热量计算值及空燃比系数变化调整，输出值作为助燃空气流量调节器FIC-102的设定值，经温度、压力补正计算后的助燃空气实时流量值作为助燃空气流量调节器FIC-102的过程值，助燃空气调节器FIC-102的输出信号则控制助燃空气调节阀的开度。所以废气温度调节器TIC-102、供热量调节器QX-102和助燃空气调节器FIC-102构成了一个串级调节回路，控制燃烧过程中助燃空气的流量值。
助燃空气流量的控制步骤包括：
1)当热风炉处于第一阶段燃烧初期时，废气温度较低，废气温度调节器TIC-102的输出近似等于1，因此供热量调节器QX-102的输出即是总供热量设定值，供热量调节器QX-102的输出值，作为助燃空气调节器的FIC-102的设定值；
在燃烧初期，助燃空气调节器器FIC-102的设定值计算如下：
F_air-SP＝K1×K2×Q/W_gas     Nm³/min
K1：为燃烧前期空燃比值。K2：为空气过剩系数。Q为总共热量。W_gas为混合煤气的热值，单位为Kcal/Nm³。若煤气热值改变，相应的空气、煤气流量也随之改变，以保证烧炉所需的合适的蓄热量。
在燃烧管理期，废气温度调节器TIC-102的输出逐渐减少(＜1)，从而使供热量调节器QX-102的设定值小于操作者输入的设定值。供热量调节器QX-102的测量值是燃烧实时过程中混合煤气的发热量。废气温度调节器TIC-102的设定值，操作者可以从上位机操作站输入。燃烧管理器的具体见步骤2)和3)。
2)在第二阶段的燃烧管理期，拱顶温度趋近设定值，废气温度尚未达到要求，根据工艺要求，应减少煤气量，但仍需保持一定供热量保证废气温度上升，同时适当增大空气量；在此阶段，煤气流量减少，供热量调节器QX-102的输出增大，相应助燃空气流量增加。
3)当燃烧第三阶段拱顶温度和废气温度均达到设定值时，废气温度调节器TIC-102的输出减为零，在没有送风命令的条件下，热风炉进入保温期，空气流量和煤气流量值均为零；一旦废气温度降至设定值以下，废气温度调节器TIC-102输出大于零，热风炉自动进行小供热量燃烧，以保持炉体温度恒定。
4.混合煤气流量控制回路
混合煤气流量控制回路由拱顶温度调节器和混合煤气调节器组成。
拱顶温度调节器TIC-101的设定值由操作者从上位机操作站输入；当拱顶温度较低时，拱顶温度调节器TIC-101输出为1.0，随着温度逐渐临近或超过设定值，输出值缓慢减小至0.0；混合煤气流量调节器FIC-101的设定值由助燃空气流量信号与调节器TIC-101输出信号及空燃比系数计算得出，煤气流量设定值受助燃空气实际流量控制，保证热风炉燃烧过程中空气相对煤气始终充足；混合煤气流量检测值经温度、压力补正作为混合煤气流量调节器FIC-101的过程值；混合煤气调节器FIC-101的输出信号控制混合煤气调节阀的开度；混合煤气流量的控制步骤包括：
1)当第一阶段燃烧过程刚开始时，拱顶温度较低，与拱顶温度调节器TIC-101的设定值的偏差较大，使拱顶温度调节器TIC-101输出信号约等于1，此时混合煤气流量调节器FIC-101的设定值即为与助燃空气流量信号的配比值，即按热风炉所需要的供热量进行燃烧；
2)进入第二阶段后，随着燃烧过程的进行，拱顶温度不断地升高，已接近或达到设定值，拱顶温度调节器TIC-101输出信号逐渐减少，即按需要适当地减少一些混合煤气量；
3)进入第三阶段后，煤气流量同时随助燃空气配比量的减少而减少，并在废气温度达到设定值后，随空气流量同时减为零，结束燃烧过程。