顶燃式热风炉自动化控制

刘芳

（山东省冶金设计院股份有限公司，山东济南250101）

顶燃式热风炉自动化控制

刘芳

（山东省冶金设计院股份有限公司，山东济南250101）

以山西通才工贸有限公司淘汰落后炼铁设备技术改造工程高炉项目1 080 m3高炉热风炉工程为例，介绍了顶燃式热风炉自动化控制，包括仪表选型、控制系统及控制原理、系统功能及系统调试等内容。

顶燃式；热风炉；送风温度；系统控制

热风炉是给高炉燃烧提供热风以助燃的设备，是一种储热型热交换器，在高炉系统的生产工艺中热风炉的燃烧控制是一个相当重要的部分。

国内大部分高炉均采用每座高炉带3～4台热风炉并联轮流送风方式，保证任何瞬时都有一座热风炉给高炉送风，而每座热风炉都按燃烧—休止—送风—休止—燃烧的顺序循环生产。当一座或多座热风炉送风时，另外的热风炉处于燃烧或休止状态。送风中的热风炉温度降低后，处于休止状态的热风炉投入送风，原送风热风炉即停止送风并开始燃烧、蓄热直至温度达到要求后，转入休止状态等待下一次送风。

传统的高炉热风炉燃烧自动化系统采用数学模型计算所需的加热煤气流量和助燃空气流量，并计算出空燃比。热风炉流量设定数学模型的基本原理是使燃烧时热风炉格子砖的蓄热量能够满足热风温度和流量的要求，以获得最佳经济效益。由于热风炉的燃烧过程是一个连续的动态变化过程，控制的主要困难是不能及时得到控制作用的反馈信息，等到控制效果能通过输出测量体现时，此时的控制作用强度往往已过头了。因此，欲实现燃烧过程的实时控制，所需的数学模型相当复杂。

1　工程概况

山西通才工贸有限公司淘汰落后炼铁设备技术改造1 080 m3高炉热风炉工程，每座高炉配套3座改进型顶燃式热风炉。热风炉烧炉采用纯高炉煤气，应用热管换热器的余热回收系统，将助燃空气预热到180～200℃，高炉煤气预热到180～200℃，送风温度达1 200℃。仪表自动化设计过程中采用现场总线和PLC系统控制方式。主要检测控制为热风总管混风前、混风后温度压力检测，冷风总管的温度压力检测，预热器前后高炉煤气压力流量调节控制，预热器前后空气总管压力流量温度检测控制，烟气支管温度及含氧量控制，拱位温度检测，格子砖、预燃室顶部温度控制等。

2　仪表选型

仪表的选型以经济、适用、先进、安全为原则，充分考虑生产环境的实际需要。煤气区域采用防爆仪表。煤气、空气流量测量选用V型锥流量计，氮气的流量测量选用涡街流量计。热风炉预热室温度测量选用红外测温装置，温度检测以热电阻、热电偶为主。压力及差压检测选用智能型压力变送器或差压变送器。水流量检测采用电磁流量计为主。调节阀采用电动执行机构。

3　控制系统概要

本控制系统主要控制热风炉的生产过程，使其达到工艺所要求的热风温度。主要分为以下几个系统：

（1）助燃风系统

助燃风系统负责向各炉供应助燃空气，助燃空气经调节阀、助燃风机、换热器，然后按控制要求进入热风炉，参与燃烧。在总管检测温度、压力值及其换热器前后差值。

（2）煤气系统

高炉煤气由外部接入，经调节阀、节流装置、换热器，然后按控制要求进入热风炉，参与燃烧。在总管检测温度、压力及其换热器前后差值、流量，进行计量（温差补偿）。

（3）烟气系统

燃烧后的高温烟气，首先对助燃空气和高炉煤气进行预热，然后由烟囱排出，只监视其温度、压力。

（4）冷风系统

冷风系统由鼓风机站送至，在总管检测温度、压力、流量，流量进行计量（温差补偿）。然后根据各炉工长要求而入炉，入炉风量根据工长要求进行控制（同时控制冷风放散阀）。

（5）热风系统

根据各炉的工作要求分别依次向高炉提供热风，根据工长的要求进行控制。在热风管道混风前后分别设置了一点、两点测温，以减少休风时间。

（6）氮气系统

根据工艺的要求，本热风炉设置了氮气系统，并设一个稳压罐，在每座热风炉进行燃烧前和燃烧结束后均应进行氮气吹扫保护，在稳压罐前分别检测了压力和流量，稳压罐后检测了压力，稳压罐前的流量和稳压罐后的压力均参与联锁控制。

（7）水系统

根据工艺的要求，设置了热风炉冷却系统，在汽包上设置了汽包水位和压力检测。

4　自动化系统

自动化系统根据热风炉工艺以及工艺过程对自动控制系统的要求，主要采用PLC实现控制。该控制系统主要完成数据采集、数据处理、资料显示、超限报警、实时趋势、历史曲线及生产过程中的循序控制等功能。自动化控制系统针对本工程的特点，并结合热风炉的具体情况，拟采用一级计算机控制系统，并在配置上留有与二级计算机联网的接口。它们之间的数据通讯采用TCP/IP协议。工程设置了一套PLC+现场总线，在高炉主控室设置两台HMI监控站与PLC均挂在100 M以太网上。以太网交换机设有光纤接口与高炉系统环网通讯。

5　过程控制原理

热风炉燃烧自动化控制以双交叉限幅原理为基础，以热风炉拱顶温度与烟气温度作为目标值，对煤气与助燃风的流量进行控制，助燃风与煤气的空燃比由系统设定。首先以热风炉拱顶温度为目标值，达到该值后进行切换，再以烟气温度为目标值，当也达到该值后，表示该炉的燃烧过程可以结束。

热风炉送风温度控制按单炉送风作业制度控制风温，送风时根据热风围管前的温度来调节混风阀进行控制，此值显示和控制以及热风炉入炉冷风支管流量的控制均在高炉PLC上进行，权限只有高炉工长才有，但可以在热风炉PLC上进行显示。

顺序控制内容各阀门按照燃烧→焖炉→送风→焖炉→燃烧，循环的工作过程，自动或手动进行换炉切换工作。由PLC和继电器联锁完成。正常工作时为两烧一送或半交叉并联送风，两种工作制度，非正常操作为一烧一送制度。

（1）自动换炉：根据时间自动换炉，完成送风转燃烧、燃烧转送风。

（2）半自动换炉：由操作室发出换炉指令，实现单炉操作，适用于热风炉工作状态的调整或一烧一送工作制。

分析值处理按照单炉送风制度控制风温，送风时根据热风围管前的温度来调节混风阀进行控制，混风阀实现自动控制，根据设定的风温自动调节，保持输出风温的稳定性和连续性。包括助燃风机连锁控制，高炉煤气量流量控制，助燃空气流量控制，助燃风机入口空气流量控制，助燃（燃料/空气）比控制，助燃空气放散控制，冷风风量控制，收集过程数据，分析值处理等。控制器可以在不中断正在运行的程序情况下，具有在线编程和修改的能力。

6　系统功能

所有工艺参数视其重要程度分别在监控站上进行操作、记录、报警等，参与经济核算的参数可以在计算机上进行累积。在操作站上可以显示组态画面、趋势画面、报警画面、流程图画面等各种画面。报警事件发生后除在屏幕上显示同时发出声光信号。计算机人机接口可以为操作员提供网络上有关生产工艺状态的各种画面，对热风炉生产的全过程进行监控，随时调整生产状况，控制必要的生产环节，使产品生产处于最佳状态。监控站主要有：

（1）主工艺画面：显示系统各设备、装置、区域的运行状态及过程参数变量的状态、测量值、手/自动状态、高低报警等信息。

（2）分组画面：按工艺要求分组显示某段工艺、某几个回路的信息，如某段生产工艺流程图、过程参数变量的测量值、调节器的设定值、输出值、控制方式及离散量的运行、报警、状态等信息。

（3）趋势画面：可显示多点测量数据的实时趋势和历史趋势值，其历史数据可自动存放在硬盘上。

（4）报警画面：按优先级显示当前正在进行的过程参数，报警和系统硬件报警，并提供对应的语音报警功能。

（5）棒状图：以水平或垂直方式多点显示过程变量的变化。

整套系统采用以太网完成PLC之间、PLC与监控站之间以及监控站与监控站之间的数据通信，本工程配置管理型交换机一台，预留两个多模千兆光纤以太网接口，一个RJ45接口，为了便于热风炉系统与高炉系统通讯及现场监控维护。

7　系统的试验与调试

在试验调试期间我们首先对单参数调节系统进行PID参数整定，温度在工艺要求的参数值上，然后我们对煤气、空气量的燃烧进行调整，将煤气量调整到98 000～110 000 m3/h，空气量调整到60 000～76 000 m3/h，使拱顶在燃烧期间达到最佳温度，废气温度也维持在200℃以下。

8　结论

为提高生产安全性，要保证基本联锁要求。高炉热风炉系统过程控制技术主要作用是节能降耗、改善环境、提高效率，高炉热风炉自动控制系统的设计及应用应成为高炉热风炉技术发展方向之一。

［1］王锦标.过程计算机控制［M］.北京:清华大学出版社，2005.

［2］西门子（中国）有限公司.自动化与驱动集团 S7-300可编程控制器［R］.2010.

Automatic Control of Top Combustion Hot Blast Stove

LIU Fang
（Shandong Province Metallurgical Design Institute Co.，Ltd，Jinan 250101，China）

Taking the backward technical transformation project of blast furnace iron making equipment 1 080 m3blast furnace hot blast stove engineering in Shanxi Generalist Industry&Trade Co Ltd as the example，the automatic control of top combustion type hot blast stove was introduced，including the instrument selection，control system and the control principle，system function and system debugging，etc

top combustion；hot blast stove；supply air temperature；system control

TF578；TP273

B

1001-6988（2016）04-0061-03

2016-03-31

刘芳（1981—），女，工程师，主要从事仪表自动化设计工作.