魏敬忠
(江苏金恒信息科技股份有限公司)
摘 要：近些年来，伴随着我国经济发展速度的不断提高以及科学技术水平的显著进步，我国各个领域上都有了不同程度的进步。其中，作为我国炼铁厂高炉的主要配套设备之一，目前最先进的高炉热风炉风温可达1300摄氏度。本文中，笔者从高炉热风炉自动优化炉的角度出发，结合高炉热风炉自动优化烧炉专家系统这一设计方案进行分析。在介绍了基本的研究背景之后，笔者将针对高炉热风炉自动优化炉专家系统的相关问题以及热风炉的改造方案进行分析，力求让本次研究发挥出预期的效果。
关键词：高炉；热风炉；自动换炉；专家系统；自动优化
本次高炉热风炉自动优化烧炉专家系统方案，结合了生产现场当中的基本数据资料、现场调研实情以及用户的具体要求进行设计。在本次改造方案当中，从原有工艺与设备的角度出发，对其进行了细致化的梳理，并针对原有系统的运行现状等问题进行了详细分析与整理。本次设计描述了包括现有构架、改造范围、方法、设备配置以及具体施工内容等多方面，通过本次论述，希望能够在满足用户基本需求、为用户的决策提供参考的基础之上，为炼铁厂后续项目的高效、高质量执行提供依据。
一、研究背景
现阶段，在我国炼铁厂当中，高炉热风炉烧炉工作绝大部分采用的方式都是人工煤气调节或者半自动煤气调节、空气阀门开度进行配比燃烧等。因此为了进一步降低生产过程中的能源消耗，进行高炉热风炉自动优化烧炉专家系统的改造势在必行，同时也能够促使全生产过程自动化的实现，大大的降低煤气消耗量，提高风温，以及对全厂煤气管网的压力起到稳定作用，从根本上改善高炉经济技术指标。由此可见，本文中，针对高炉热风炉自动优化烧炉专家系统的相关问题，提出具体的改造方案，是新时期科学技术水平发展对高炉炼铁行业提出的全新要求。
二、高炉热风炉自动优化炉专家系统相关问题
(一)换炉指令
通过换炉指令，既能够确保高炉从热风炉获取生产需要的温度，也能够获取到生产需要风量的热风，也就是说，一旦热风炉供给的热风量无法确保高炉生产需要的实际风量温度，就必须要及时更换能够完成任务的热风炉。在实际生产过程中，我们能够借助于下面几种换炉指令来确定热风炉是否需要更换，即旁通混风阀开度、格子砖温度下降范围、送风时长以及热风炉拱顶温度下降幅度。其中，在旁通混风阀开度处于全闭合状态下，此时热风炉输送热风不再需要与冷风混合，而是能够直接满足高炉生产需要温度，一旦继续送风就会导致温度变化较大，无法满足生产需要，这时需要换炉。而格子砖与热风炉拱顶的温度一旦下降强烈，也说明需要换炉。在实际生产过程中，这两种换炉指令的应用还需要结合生产实际情况，所以不但不能够对加热模型优化的基本需求进行满足，同时也不能够确定所需时间，因此不论对于热风炉来说还是对于高炉来说都十分不利，会直接导致换炉频繁，进而加大损失。根据分析总结来说，为降低频繁换炉带来的经济损失，可以采取定时换炉的方式。
(二)换炉顺序及关键问题
现阶段，换炉系统大多采用手动或者半自动的工作方式，只有定时换炉这种方式为全自动的工作方式，不同阀门的工作顺序会伴随着操作方式的不同而变化。在换炉过程中，为了避免热风炉在刚刚投入使用之后瞬间温度超高，可以借助于强制前馈的方法来将混风阀提前进行开大处理，从而实现扰动补偿作用。在换炉过程中，还需要将定风量控制转变为定风压控制。与此同时，为了确保换炉工作的安全性，避免高压风涌进煤气管道造成爆炸事件，需要确保送风炉与燃烧相关的阀门严格关闭，同时各个燃烧炉与送风相关的阀门坚决不能打开。但是目前的自动换炉工作绝大部分控制方式都是PLC，所以这种问题更加严重，这主要是由于软件规定在燃烧过程中，与送风相关的阀门必须关闭，但是用来控制送风的不同阀门PLC输出管道一旦被击穿，就会导致磁力启动器瞬间开启，从而造成危险事故的发生。因此，除了软件规定的连锁之外，必须要有硬件规定的连锁，具体就是将与送风相关的阀门全部串联，将同一继电器当中的控制闭合节点当做燃烧各个阀门的供电节点，从而确保送风与换炉安全。
(三)无波动换炉
在换炉过程中，不可避免会发生压力波动与温度波动。一般来说，温度波动的幅度不会很大，因此主要的问题为压力波动，这也是困扰相关工作人员的首要问题。最常见的换炉方式为：将烧好炉子与燃烧相关的各个阀门全部关闭，之后将冷风均压阀门打开，待均压完成之后再将冷风与热风阀门打开，将烧好的炉子变为送风炉，最终再将原本进行送风工作的热风炉变为燃烧。在换炉工作开始之前，需要通过充风的方式将风量划分为两路，也就是说要将原本进行送风工作的热风炉送到充压的风或者高炉的风，同时为了保障风量不变，必须要使用定风压这种控制手段。通常情况下，实现无波动换炉可以采用俄罗斯方块、日本新日铁方式以及废风压前馈或之后补偿这三种方式。根据相关调查与经验来看，俄罗斯方块这种方式程序比较复杂，使用难度较大；日本新铁方式则比较简单，能够针对现有系统进行改造。同时，应用这种方式的过程中，需要额外注意电动式以及液压式这两种驱动方式，在电动式之下，因为电动机大多为恒速，因此机械运转情况无异常，就说明不需要进行系统改造，而在液压驱动下，一般只有增加限位开关这一种方式。
(四)恒量风换炉
在进行热风流量测量与控制过程中，因为主要的测量方式为热风炉后进高炉之前，所以在换炉工作中基本不会受到充风的影响，换炉过程中也就不需要转变为风压控制。如果补偿到位，就可以将换炉过程中的压力与流量的波动降至最低。另外，由于热风炉在送风过程中难免会出现漏风的现象，冷风流量在测量过程中一定会出现不同程度的误差，因此应当针对热风流量进行测量与控制，同时这也是炼铁工作人员最喜爱的方式之一，既能够让整个系统得到简化，同时也能够使系统达到理想中的运行状态。需要注意的是，不论采用流量控制，还是采用恒风量自动换炉这种方式，都需要将热风流量在线测量这个首要问题进行解决。在世界范围内，各国都一直在努力的研究相关装置，其中文丘利管就是一个质量极佳的耐火材料，但同时也有着尺寸过大、对直线段要求严格以及安装困难等劣势。反之，弯头流量计这种方式则更为可靠，尤其是在热风管道的自然弯曲部位，能够直接用作弯曲流量计的压力提取点，而不需要对管道与设备进行更改。通过这种方式的应用，能够有效提高换炉的效率。
(五)协调与集中控制
在绝大部分炼铁企业当中，高炉的数量都不止一座，而每一座高炉又可以包含三个或者四个热风炉，因此多个热风炉在同一时间进行换炉，导致煤气管网当中压力波动过大的情况时有发生，从而直接影响到用户的煤气使用安全以及煤气利用率的提高。由此可见，在换炉过程中，协调控制的作用非同寻常。另外，当前我国的高炉一般都具有独立的控制室，而每一个控制室内可以安置两名值班人员，因此在多个高炉的条件下，值班工作人员也更多，控制室的占地面积也更大。与此同时，大部分炼铁厂的热风炉都需要有专业的技术人员进行管理，所以集中控制与协同控制同样不可缺少。在协调控制与集中控制应用过程中，需要考虑以下几点问题：第一，管理体制类型；第二，如何选择集中地点；第三，集中形式属于相对还是完全；第四，集中过后的换炉顺序以及集中之后的手动干预等主要协调问题。
三、热风炉改造方案分析
(一)控制系统架构
其一，系统安装连接。在不对原有设备进行改变的基础上，将生产现场所有的热风炉借助于通信的方式连接到热风炉专家系统当中。其二，在原本的操作计算机上，为实现控制权限的切换，设置一个自动烧炉专家系统以及原有的PLC控制系统。其三，热风炉专家系统当中的人机界面和主要的控制策略、自学习数据库等软件系统，分别安装在操作计算机内和专用智能多功能控制器。其四，专家系统输入输出信号与原PLC系统的关系。专家系统所需要的过程参数和非过程变量信号，同原PLC控制系统在线并行；而经专家系统的专用智能多功能控制器进行信号处理及运算后的控制信号，通过通信方式经原PLC系统送给煤、空气控制阀。其五，热风炉专家系统连接流程。其六，系统安装后日常操作与系统切换。系统正常运行后，日常烧炉过程的控制由热风炉自动优化烧炉专家系统完成；当专家系统故障或异常时，可通过控制权切换按钮切换回原 PLC 系统；工况和其他设备异常而影响烧炉效果时，人工可或需及时切换回原PLC系统进行操作。其七，热风炉自动优化烧炉专家系统使用精确的燃烧过程数学模型，使得不论热风炉在强化燃烧期或蓄热燃烧期都能保证90%以上时间都处于最佳配比燃烧状态。(见图1)。
(二)专家系统工作特点及技术分析
第一，采用拱顶温度，废气温度、煤气流量、煤气压力、空气流量等非易损量及煤气阀位反馈信号和空气阀位信号作为系统的输入变量，具有更高的燃烧精度、更好的长期稳定性和可靠性。第二，热风炉自动优化烧炉专家系统软件是在通用监控组态软件的基础上，专门开发的专用软件界面，其特点是界面友好直观，操作简单方便、安全可靠。是基于Windows的监控和数据采集应用的开发工具和运行平台，它可以对网络上的或单机的智能多功能控制器等进行离线组态，其丰富的算法功能块及可任意控制的数据流，能按照系统的要求，随意地构造控制方案，满足用户对最复杂控制方案的控制算法的要求。第三，自动优化烧炉专家系统的控制策略及相关软件程序，保存在智能多功能控制器内，通过Modbus与人机操作计算机连接。智能多功能控制器集成了各种数字、模拟和开关量的信号处理系统，可很方便地组成热风炉自动优化烧炉专家控制系统。第四，系统安装后，由乙方根据甲方提供的工艺技术条件和操作要求，以及现场具体工艺和设备情况，进行系统的程序编制及调试，并由智能多功能控制器实现对数据的采集处理，在控制运行过程中通过系统的自学习功能，不断深化记忆各热风炉的特性，建立针对各热风炉的专家知识库，通过判断不同的参数变化和烧炉情况，利用专家系统技术，不断计算出最佳空燃比，实现烧炉全过程最佳燃烧和自动控制。
四、结束语
综上所述，本次设计内容从根本上说就是为了强化炼铁厂的生产效率与质量。
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