郑跃龙

（河北钢铁股份有限公司  河北 邯郸 056009）

1  背景和意义

随着炼铁高炉设备的大型化、智能化，高炉的装备水平、上料水平以及布料技术得到了巨大的发展，与中小高炉相比，大型高炉具有高产量、高质量、低消耗的显著优点，在高炉炉顶控制方面，传统高炉采用减压阀组控制顶压，带来的主要影响是：一、造成大量的能源浪费与噪声污染；二、不能满足高炉的生产要求。因此国内从国外引进了高炉炉顶煤气余压回收透平发电装置，简称TRT。TRT是一种利用高炉炉顶煤气的压力能和热能，通过透平膨胀驱动发电机或其它设备进行能量回收的装置，TRT 系统对降低高炉能耗，提高能量利用率具有重要意义，同时还起到稳定高炉顶压的作用。TRT作为一种高效的二次能源回收装置，运行的前提是必须确保高炉顶压的稳定性，国内高炉顶压控制精度高的可以达到-2.5kpa~+2.5kpa；邯钢老区高炉（以7高炉顶压调节为研究目标）控制精度在-5kpa~+5kpa，有进一步的优化空间。

7高炉的顶压控制是通过TRT静叶和减压阀组的普通PID调节形式，这样会带来一个问题是：当TRT静叶调不过来时，就需要减压阀组的参与，然而当减压阀组参与调节时，就会使煤气绕过TRT直接进入官网，降低煤气利用率。因此，优化高炉顶压控制系统的运行对稳定邯钢高炉炉顶压力、提高高炉生产的产量、质量和提高煤气利用率具有重要意义，也是当今TRT技术中的一个重要课题。

2  高炉顶压控制对象分析

                                    图1

1、鼓风机送风系统，一般都是电动风机（干净、事故少、维护方便）。把风送到热风炉进行加热。

2、鼓风机的风经过热风炉进行加热（1000—1300度）。通常所说的几烧几送，指的就是几个燃烧炉和几个送风炉，当燃烧炉转化成送风炉的时候，由于燃烧炉的压力是大气压，需要进行冲压，直到压力到达冷风压力后，才能转化成送风炉为高炉送风。冲压过程采用的是小流量冲压，对高炉炉内压力影响不大。

 3、原料系统，把原料（焦炭、烧结矿、球团矿、块况）分批次通过料罐（串罐、并罐），一批焦炭，一批矿批交替通过布料溜槽下料。因为料层的阻力对料速、气流分布不均，导致高炉顶压波动。比如下焦炭的时候由于焦炭的透气性好，对气流阻力影响小，顶压波动就小；矿批透气性差，对气流阻力影响大，顶压波动就大；

 4、炉内的燃烧发生化学反应。高炉煤气的主要成分是CO、CO2、和H2，炼铁过程中空气通过热风炉加热后进入高炉，这种热风和焦炭助燃（产生CO2、CO），CO2又和炙热的焦炭产生CO ， CO在上升过程中，还原了铁矿石，使之生成生铁。铁水通过出铁口流出，剩下的大部分CO和其它气体称为高炉煤气。

3  分析影响因素

通过对TRT静叶变化趋势和高炉顶压的变化，结合现场工艺特点，初步判断出影响高炉顶压的因素主要是：1、高炉下料；2、布料系统；2、料罐均压；

                                        图2

4  采集数据

针对以上提出的主要影响因素，我们通过数据采集相关的数据进行详细研究和确认。通过建立7高炉的数据标签如图1。包括采集数据的名称，对应在程序中所用到的位号，然后在SQL SERVER分配相对应的数据库地址，其中包括模拟量：7#高炉TRT高炉炉顶压力测量值、7#高炉TRT高炉炉顶压力设定值、7#高炉TRT高炉炉顶压力设定偏差值、7#高炉TRT1#减压阀组开度、7#高炉TRT2#减压阀组开度、7#高炉TRT3#减压阀组开度、7#高炉TRT4#减压阀组开度、7#高炉TRT静叶开度、7#高炉布袋除尘后煤气产量。开关量包括：7#高炉南料罐矿、7#高炉南料罐焦、7#高炉北料罐矿、7#高炉北料罐焦、7#高炉南料罐均压OK、7#高炉北料罐均压OK、7#高炉南料流快开、7#高炉南料流关、7#高炉南料流慢开、7#高炉北料流快开、7#高炉北料流关、7#高炉北料流慢开、7#高炉南料罐一均开、7#高炉南料罐一均关、7#高炉南料罐二均开、7#高炉南料罐二均关、7#高炉北料罐一均开、7#高炉北料罐一均关、7#高炉北料罐二均开、7#高炉北料罐二均关。

1、建立相应标签，并把相关数据从PLC中取出并通过西门子（TCP/IP协议）把PLC上的数据采集到采集机（RTU）上。如图3

2、通过光缆把数据从采集机上传到数据服务器上（IFIX）。

3、KEPWARE通过OPC协议从数据服务器（IFIX）上取数，然后存储到-SQL SERVER上。

根据以上采集的数据大致确认了影响顶压波动大的几个因素：1、下料系统；2、布料系统；3、料罐均压系统。

                                图3

5  数据分析和解决方案

炉顶料罐系统前馈调节复合控制流程如下图4，在收到自动化布料信号后，系统开始读取料罐压力和净煤气压力，两个压力进行比较并通过公式可以知道煤气的变化量Fg，利用煤气的减少量与静叶开度的关系并于PID输出信号叠加控制静叶的开度，直到煤气的减少量Fg为0时，均压前馈调节完成。

炉顶压力布料系统前馈调节复合控制流程如下图4，在收到自动化布料信号后，系统开始读取料灌的料种信息，以及布料挡位和布料圈数，利用布料煤气减少的推倒公式计算出煤气的减少量F，利用煤气的减少量与静叶开度的关系并于PID输出信号叠加控制静叶的开度，直到煤气的减少量F为0时，布料前馈调节完成。

根据数据库所存储高炉生产和TRT发电过程的所需信息员，是管理、技术分析和决策的原始依据，包括实时采集的数据和手动录入的数据如上面已经介绍数据实时采集，并把这些采集上来的数进行归类和分析，并通过大数据进行分析和解决顶压的问题（图5），把采集上的数模拟化，利用顶压的偏差变化，以及偏差的变化率，决定了煤气的变化率，煤气的变化率与静叶的变化开度和变化频率成正比例关系。

煤气的变化率             

根据这个比例关系确定静叶的开度和变化频率，从而实现前馈控制，减少顶压的波动频率和波动范围。

  图4 

图5

参考文献

[1]  盛钢，柳黎光，TRT顶压稳定技术研究与实践[J],通用机械，2005（8）：96-99.

[2]  陈奇福，吴敏，等，模糊PID控制在高炉炉顶压力控制系统中的应用[J]，冶金自动化，2010，34（2）：10-14.

[3]  任长青，王宏华，一种改进的Fuzzy-PID复合控制研究 [J]，电气技术与自动化，2007，36（5）：137-139.

[4]  印建安，高炉煤气余压发电装置中炉顶压力稳定性分析与控制试验研究[D]，浙江大学博士学位论文，2003

[5]  刘金花，TRT高炉顶压前馈PID复合控制系统研究与应用[D]，湖南大学硕士学位论文，2016