转炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法

技术领域

本发明属于转炉控制技术，具体是转炉空气过剩系数控制技术；本发明不涉及控制系统、控制设备及仪器仪表的选型。

背景技术

炼钢转炉是较早提出空气过剩系数概念的炉窑设施，但遗憾的是一直没有找到动态控制空气过剩系数的方法，只是在传统的领域做些极其有限的补救方法，如冶炼降罩操作、氧枪升降孔氮封、加料口氮封、管网漏风点维护等等，并未涉及到实质性控制技术。

应该指出，同其它炉窑相比，空气过剩系数对转炉的影响更大，因为除了影响热效率、环境污染、产品产量和质量、风机深度节能之外，由于转炉煤气回收具有很大的能源回收价值，所以空气过剩系数直接影响转炉负能炼钢的经济指标。空气过剩系数对转炉煤气回收具有直接影响，由于现有技术对空气过剩系数缺失控制作用，目前炼钢厂转炉煤气回收率损失低者为10％，高者为20％以上，每年转炉煤气回收损失约为数十亿元；同样，对污染排放的影响也是巨大的，煤气回收的损失也意味着污染排放的增加，未被回收的转炉煤气被燃烧放散，排放了大量的二氧化碳，未被燃烧的转炉煤气则造成一氧化碳的排放污染；因此对转炉空气过剩系数控制技术的开发和应用对节能减排意义重大。

综上所述，由于缺失对空气过剩系数的控制功能，现有技术从根本上适应不了转炉深度节能减排的需求，理论研究和应用技术亟待有所突破。

转炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法还未见到公开发表的出版物、文献或资料。

发明内容

本发明的目的是根据转炉运行工况的特点，寻求突破制约现有技术的技术瓶颈，研究开发与转炉非对称运行工况相适应的动态控制方法，以实现转炉深度节能减排的效果。

本发明的要点是研究现有技术存在的问题，突破现有技术的基础和框架，根据转炉运行工况特点及烟气管网的物理特性，创新性地确立了转炉非对称系统理论，研发了转炉外部空气进入量计算数学模型和转炉空气过剩系数计算数学模型，研发了基于转炉非对称系统理论的转炉外部空气进入量的动态控制方法，通过烟气分析检测的氦含量来计算转炉外部空气的进入量，然后根据转炉外部空气进入量设定值与转炉外部空气进入量计算值之差，对一次除尘喉口阀开度进行调节，构成了转炉外部空气进入量闭环动态调节系统，使转炉外部空气进入量始终控制在设定值范围内；根据炉口微差压对一次除尘风机风量进行调节，使炉膛压力保持在设定值范围内；尽量少的外部空气进入量、适宜的空气过剩系数获得了提高转炉热效率、减少生成烟气总量、提高一次除尘风机节能量、减少污染排放量、实现转炉全自动控制、减轻操作者劳动强度，提高生产作业率的多重效果，获得了节能减排、增产保质的多重效益。

附图说明

图1是转炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法的技术方案框图，图1中1是转炉控制系统HMI操作站，2是外部空气进入量设定值，3是一次除尘喉口阀开度调节，4是转炉外部空气进入量计算数学模型，5是管网烟气中He含量检测，6是管网烟气流量检测，7是转炉空气过剩系数计算数学模型,8是管网烟气中O

图2是转炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法的控制系统构成图，图2中1是转炉主工艺控制系统，2是转炉控制系统HMI操作站，3是外部空气进入量设定值，4是炉口微差压设定值，5是转炉及其烟气管网非对称系统动态控制器，6是管网烟气中He含量检测，7是管网烟气中O

具体实施方式

基本术语及定义：转炉系统中空气过剩系数亦称过剩空气系数或过量空气系数，定义为“从烟罩进入烟气系统的空气量与燃烧炉气中全部一氧化碳所需的空气量的比例”，用字母α表示。

根据定义，空气过剩系数是指转炉从烟罩进入烟气系统的空气量与燃烧炉气中全部一氧化碳所需的空气量的比例，而转炉外部空气进入量不仅是从烟罩进入烟气系统的空气量，还包括烟气管网的漏风空气量，所以转炉空气过剩系数和转炉外部空气进入量具有不同的含义，烟气管网中检测的氧含量既不代表空气过剩系数，也不代表外部空气进入量，该氧含量是两者混合的结果。

转炉空气过剩系数动态控制技术是典型的、长期困扰人们的工业控制疑难问题，是具有类似工况转炉的共性问题，是业内称之为复杂工业系统控制的问题，极具代表性。迄今为止现有技术还没有找到转炉空气过剩系数动态控制的方法，依然停留在控制策略并非正确的手动控制或半自动控制方式中，空气过剩系数控制在转炉领域仍是空白。

技术遭遇了瓶颈，必然存在致命的障碍。要突破技术瓶颈就必须具有不同于现有技术的思维，必须突破现有技术框架的束缚才行，重要的是有必要重新审视被控对象的实质，即需要颠覆现有技术对被控对象的不正确认知。

理论分析：

先分析一般炉窑的情况，随着工艺过程参数或生产负荷的变化，炉窑内所产生的炉气量是变化的，随着生产负荷的增加或降低，炉气量也增加或减少；但炉窑有个共同的特点是，在没有外界预先施加控制的情况下，炉气量增加时，炉膛压力将升高；当炉气量减少时，炉膛压力并不会降低，而是保持在原来的状态；炉窑的这个现象是炉窑设备本身特点和烟气管网特性共同形成的，炉窑设备是不很严密的封闭式设备，通常运行在炉膛压力为微负压状态，炉窑内生成的炉气在引风机的作用下由烟气管网排出。当炉窑负荷增加时，炉气量增加，炉膛压力变大，炉膛压力检测及调节系统控制引风机速度或引风机入口阀开度，改变烟气输出流量，使压力得到平衡；当炉窑负荷降低时，炉气量减少，但此时炉膛压力并没有变化，或者并没有显著的变化，原因是当炉气量逐渐减少时，减少的部分被炉窑外部进入的空气及其生成的烟气逐渐充填，所以炉膛压力仍处于平衡状态，此时炉膛压力检测及调节系统未启动炉膛压力调节。炉窑的这个现象，我们称之为“非对称系统”过程。

“非对称系统”具有很大的隐蔽性和欺骗性，因此蒙蔽、欺骗了现有技术。试想，现有技术采用一贯使用的对称性控制策略来控制非对称系统，根据炉膛压力检测形成压力闭环对炉膛压力进行调节，实际上造成了单边调节的现象，即实际上只对炉气量增加时有调节作用，对炉气量减少时并没有调节作用，若是系统重复几次炉气量增加和减少的过程，则炉膛压力调节系统将会崩溃，或者将进入不稳定的运行状态，这就是长期以来炉窑所遭遇的炉膛压力系统难以稳定控制的问题；对于生产负荷比较稳定的炉窑，虽然炉膛压力显示的是压力在较小的范围内波动，使人们感觉炉膛压力处于良好的控制状态，但通过烟气中检测的氧含量指标则可印证出，在炉膛压力稳定的表象下，实际上系统的氧含量指标已逐渐恶化，说明了现有技术对于外部空气进入量实际上处于失控状态。

转炉也是一种炉窑，也具有炉窑的一般特性，因此炉窑的非对称特性也存在于转炉，直接影响了转炉炉膛压力的稳定控制，转炉不同于一般炉窑之处在于它是运行工况更为特殊的一种炉窑，除了烟气净化还需进行煤气回收，系统更为复杂。

技术解决方案：

理论上说，揭示了炉窑及其烟气管网运行物理特性从而确立的炉窑非对称系统理论为实现转炉炉膛压力动态控制奠定了理论基础，接下来是具体解决现有技术没有解决或不能解决的问题。

现有技术没有解决转炉空气过剩系数动态控制问题，特别是还没有意识到转炉外部空气进入量对转炉炉膛压力控制的影响，更谈不上如何去解决该问题。由于涉及转炉煤气回收的安全防爆问题，现有技术对烟气管网中检测的氧含量，只是用来判别是否进行煤气回收，而不对其进行控制，事实上也是因为找不到办法而放弃。

解决问题的切入点就在于能否找到获取空气过剩系数的方法，烟气中检测的氧含量一部分是炉口进入空气中的氧燃烧后剩余的氧，另一部分是转炉烟气管网漏风所含有的氧；如何准确地计算出各部分的氧量是本技术方案需要解决的关键问题；要想知道与空气过剩系数相关的氧量，首先要计算出转炉外部空气进入量所含氧量，然后用烟气中检测的氧量减去转炉外部空气进入量所含氧量，就可得到与空气过剩系数相关的氧量；要计算出转炉外部空气进入量所含氧量，先要知道转炉外部空气进入量，由此产生了转炉外部空气进入量动态控制技术，这是又一项相对于现有技术质的飞越的创新技术。

为实施对外部空气进入量的控制，首先需要准确计算出外部空气进入量，对此本发明研发了转炉外部空气进入量计算数学模型式(1)：

式中：

Q

H

Q

根据惰性气体很难参与化学反应的特点，采用检测烟气中惰性气体计算转炉外部空气进入量，可保证计算的准确性，本技术方案采用了氦气作为烟气分析计算的基础，但对于实际应用中不同类型转炉的具体情况，并不限于采用氦气。

由转炉外部空气进入量计算数学模型准确计算出外部空气进入量后，则可进行关于氧量的分析和计算，根据式(1)可得出式(2)转炉外部空气进入量中的氧量计算数学模型。

式中：

Q

H

O

由式(2)数学模型计算出的外部空气进入量中的氧量减去烟气中检测的氧量，则可求得燃烧掉的氧含量实际值，该值由式(3)燃烧掉的氧含量计算数学模型进行计算；

式中：

O

H

O

将式(3)代入简化的空气过剩系数计算数学模型式(4)，则得到了式(5)转炉空气过剩系数计算数学模型；

式中：

O

α：空气过剩系数，≥1。

式中：

H

O

α：空气过剩系数，≥1。

有了式(1)、式(2)、式(3)、式(4)和式(5)数学模型，然后基于炉窑非对称系统理论及采取相应控制策略来解决转炉的动态控制问题。

图1是转炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法的技术方案框图，图1中转炉控制系统HMI操作站(1)是转炉及其烟气管网非对称特性动态控制系统的人机交互界面；外部空气进入量设定值(2)与转炉控制系统HMI操作站(1)和一次除尘喉口阀开度调节(3)相连接，该设定值由人机交互界面输入；一次除尘喉口阀开度调节(3)与外部空气进入量设定值(2)、转炉外部空气进入量计算数学模型(4)及转炉现场工艺设备(12)相连接，由外部空气进入量设定值(2)与转炉外部空气进入量计算数学模型(4)的差值对一次除尘喉口阀开度进行调节，控制流经该喉口阀的烟气流量，抑制外部空气进入，使转炉外部空气进入量控制在设定值范围内；转炉外部空气进入量计算数学模型(4)与管网烟气中He含量检测(5)、管网烟气流量检测(6)、转炉空气过剩系数计算数学模型(7)和一次除尘喉口阀开度调节(3)相连接，根据管网烟气中He含量和管网烟气流量进行转炉外部空气进入量计算，计算结果送至一次除尘喉口阀开度调节(3)和转炉空气过剩系数计算数学模型(7)；管网烟气中He含量检测(5)与转炉外部空气进入量计算数学模型(4)和转炉现场工艺设备(12)相连接；管网烟气流量检测(6)与转炉外部空气进入量计算数学模型(4)和转炉现场工艺设备(12)相连接；转炉空气过剩系数计算数学模型(7)与转炉外部空气进入量计算数学模型(4)、管网烟气中O

本技术方案通过图2所示转炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法的控制系统构成图付诸实施，图2中转炉主工艺控制系统(1)是转炉主控制系统，包括转炉本体及其附属设备的控制，与转炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(5)相连接；转炉控制系统HMI操作站(2)是计算机为基础的操作及画面显示的人机交互界面，与转炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(5)相连接；外部空气进入量设定值(3)是系统控制目标设定值，设定值来自转炉控制系统HMI操作站(2)，送至转炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(5)；炉口微差压设定值(4)是系统控制目标设定值，设定值来自转炉控制系统HMI操作站(2)，送至转炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(5)；转炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(5)是转炉及其烟气管网非对称系统动态控制的核心，由DCS或同类数字式控制器组成，本身建有转炉外部空气进入量计算数学模型、转炉空气过剩系数计算数学模型及转炉外部空气进入量闭环动态控制软件；管网烟气中He含量检测(6)是管网烟气中He含量检测实际值，送至转炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(5)，用于数学模型计算外部空气进入量；管网烟气中O

在转炉外部空气进入量计算数学模型的计算中，采取检测烟气中氦含量计算转炉外部空气进入量是非常简捷、准确、可靠的方法；根据转炉外部空气进入量设定值与计算值的偏差调节一次除尘喉口阀开度，使该喉口阀开度与转炉实际炉气量基本匹配，抑制外部空气进入，进而采取炉口微差压检测调节一次除尘风机速度，对炉口微差压进行动态控制，解决了转炉非对称系统不可控的问题，即使转炉负荷降低，由于转炉外部空气进入量动态控制系统的调节作用，调节一次除尘喉口阀减小开度，炉膛压力将会减小，炉膛压力调节系统将调节一次除尘风机速度，使炉膛压力得到新的平衡，转炉负荷变化对炉膛压力的扰动得到了有效控制，不会出现炉膛压力失控现象，一次除尘喉口阀开度与实际炉气量基本匹配时，风机管网特性也得到了良好改善，一次除尘风机的变速范围得到了很大提高，不会发生风机喘振问题，能满足一次除尘风机全工况范围节能优化的需求。

炉膛压力稳定是满足转炉正常运行的必要条件之一，只有在对转炉外部空气进入量进行了有效控制的前提下，炉口微差压才能得到稳定控制，即在物理特性上，转炉非对称特性产生的外部空气进入量严重影响了炉口微差压的稳定；在根据转炉外部空气进入量对一次除尘喉口阀开度进行控制的前提条件下，进而采取炉口微差压检测控制一次除尘风机速度是调节转炉非对称系统的关键技术。

实际工程应用中，转炉外部空气进入量不可能为0，所以设置了转炉外部空气进入量设定值，该设定值由转炉工艺工程师根据转炉具体工况确定，在转炉控制系统HMI操作站输入。

关于转炉外部空气进入量，其中管网漏风量可在系统调试阶段或设备维护维修期间通过试验方法确定，具体方法是调节转炉外部空气进入量动态控制系统，使转炉炉口微差压为0，通过烟气分析检测氦含量，计算转炉外部空气进入量，由于此时转炉炉口的外部空气进入量为0，故此时计算得出的转炉外部空气进入量即为管网漏风量；管网漏风量计算结果显示在HMI人机界面操作站上，管网漏风量用于过量空气系数计算，亦可用于设备维护指导，转炉系统对烟气管网的漏风量控制的很严格，当计算得出的管网漏风量过大时，应尽快组织进行设备维修。

由于转炉炉口烟气溢出具有增加炉内热损失、烧损炉门附属设备、增加二次除尘的烟气量、造成基于烟气分析的转炉终点碳动态控制计算困难、造成转炉空气过剩系数计算困难的危害，所以转炉不适于采取微正压控制，应采取转炉炉口微负压控制；顺便指出，由于现有技术还不具备转炉非对称系统控制技术，所以实际上也不具备转炉炉口微正压控制的基础。

转炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法的特点是科学、合理、充分、有效地发挥了转炉外部空气进入量闭环动态控制系统的作用，系统简捷，运行可靠、稳定、高效，调试也很方便，适于实现转炉动态全自动控制。

与现有技术相比，转炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法突破了技术瓶颈，为转炉实现深度节能减排、增产保质开创了全新的、广泛的视野和空间，具有突出的实质性特点和显著的进步，其有益的特征是：

(a)首次提出了转炉非对称系统理论，为突破长期困扰转炉控制的技术瓶颈奠定了理论基础；

(b)首次提出了转炉非对称系统动态控制方法，使转炉外部空气进入量可控、空气过剩系数可控；

(c)研发了转炉外部空气进入量计算数学模型和转炉外部空气进入量闭环动态控制技术；

(d)研发了转炉空气过剩系数计算数学模型；

(e)实现了转炉非对称系统的炉膛压力有效稳定控制和转炉全自动控制；

(f)由于实现了外部空气进入量的动态控制，节约了燃气消耗，减少了转炉热损失，降低了污染排放，提高了转炉热效率；

(g)由于实现了过程全自动控制，减轻了操作人员劳动强度，提高了生产作业率；

(h)风机管网特性的良好改善使一次除尘风机实现了深度节能，与此相关的转炉二次除尘风机，乃至三次除尘风机也将获得大幅度节能；

(i)外部空气进入量可控、空气过剩系数可控使作为炉窑一员的转炉烟气污染物排放得到根本性治理，可从根本上解决雾霾问题，对国家大气污染治理具有非常重要的意义。

转炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法可广泛应用于新建、扩建和改造的转炉系统；本技术方案所述仅为本发明的一个应用领域的例子，不用于限制本发明，尽管参照所述例子对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对所述例子所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；凡在本发明的控制原理和控制策略之内所做的修改、等同替换和改进均应包含在本发明的保护范围之内。