收稿日期:2002-04-04
作者简介：马竹梧(1931-)，男，广东广州人，教授级高工，大学本科，主要从事工业自动化及人工智能应用等方面的研究工作。
控制工程
Control Engineering of China J ul.2002Vol.9,No.4
2002年7月第9卷第4期
文章编号:100523662(2002)0420057206
马竹梧
(冶金自动化研究设计院，北京 100071)
摘 要：叙述高炉热风炉的流量及自动换炉的优化设定专家系统，其特点是不要求完善的基础自动化和
复杂、昂贵的分析器。根据实际情况，设置专家系统自动设定热风炉各加热期的煤气和空气流量，在达到废气温度管理期时，自动计算剩余加热时间和按此自动修正设定的流量，系统还按实际预热煤气和空气温度与预定值之间的偏差和换炉的剩余蓄热量以及使用热风温度和流量，自动修正所设定热风炉的各加热期的流量或换炉时间。此外还能在预热空气压力变化时自动修正空气阀门位置。本系统在实际应用中，取得了良好效果。关 键 词：高炉；热风炉；智能控制；设定；自动换炉；专家系统中图分类号:TP 182 文献标识码:A 1 引 言
高炉是钢铁工业生产生铁的机组，它需要鼓进热风来燃烧焦炭以把铁矿石还原成铁水，热风炉的作用是把鼓风加热到要求的温度，它是按“蓄热”原理工作的热交换器。在燃烧室里燃烧煤气，高温废气通过格子砖并使之蓄热，当格子砖充分加热后，热风炉就可改为送风，冷风经格子砖被加热并送出。高炉一般装有3～4座热风炉，在“单炉送风”时，一座在送风，其余在加热(又称燃烧或烧炉)，轮流更换，在“并联送风”时，两座在加热。由于刚送风的热风炉，输出的热风温度较高，然后逐渐下降，为保持输出的热风温度恒定，故利用旁通的热风温度调节阀，控制混入的冷风量以使热风温度恒定，对于热并联的“并联送风”，其热风温度恒定是借助于控制先行炉和后行炉的风量比例(控制其冷风调节阀开度)来达到的。
现代高炉都是大型化高炉，如宝钢，高炉容积超过4000m 3，每昼夜生产生铁达10000t ，要求热风炉稳定地提供规定风温和风量的热风，热风炉也是耗能大的设备，故其有效操作是至关重要的。
热风炉的操作主要包括两大部分，即燃烧控制和自动换炉。这两部分操作，国内外的大中型高炉的热风炉都已部分自动化了，但主要是基础自动化。20世纪70年代末，由于高炉大型化，需要高风温和较大风量，因此要求热风炉提供稳定
的、满足高炉生产需要的、具有一定温度和流量的热风，而且要节省能源,
故发达国家的热风炉都装有完善的自动化系统，即完善的基础自动化系统，带有数学模型并对基础自动化系统进行优化设定的过程自动化。
2 工艺及自动化系统简述
有关燃烧控制的工艺过程如图1所示。在热风炉燃烧初期是以较大的煤气量和合适的空燃比(最好还设有燃烧废气成分分析，按残氧量来修正空燃比)实行快速加热，使拱顶温度迅速达到规定值，然后逐步增加空气量以保持拱顶温度为规定值，在废气温度管理期，即温度达到某一规定值时，需要减少煤气及空气量以维持废气温度为设定值。故其基础自动化系统对于燃烧混合煤气或燃烧预热的高炉煤气和预热空气的热风炉来说将
图1 热风炉燃烧控制原理图
包括：煤气流量控制、空气流量控制、空燃比控制、拱顶温度控制和废气温度控制，对于燃烧高炉煤气和焦炉煤气具有三眼燃烧器的热风炉来说，由于高炉煤气和焦炉煤气分别送入，而需分别设置
高炉煤气和焦炉煤气流量控制，且高炉煤气和焦
炉煤气流量比和空燃比要分别适应高炉煤气和焦炉煤气需要，而使系统回路更多和更复杂。
典型的高炉热风炉布置图如图2所示
。
1—混风切断阀;2—热风温度调节阀;3—烟道阀;4—冷风切断阀;5—冷风旁通阀;6—冷风调节阀;7—排风阀;8—废气阀;9—助燃空气燃烧阀;10—助燃空气调节阀;11—热风阀;12—煤气燃烧阀;13—煤气切断阀;14—煤气调节阀;15—煤气放散阀;16—倒流休风阀;17—放风阀;18—烟气进预热器阀;19—烟气进烟道阀;20—助燃空气阀;21—预热器进口切断阀;22—预热器出口切断阀;23—助燃空气旁通阀
图2 热风炉布置图
热风炉换炉要按规定顺序进行。例如，由“燃烧”转为“送风”的顺序为关煤气、空气切断阀和燃烧阀，开
煤气放散阀并延时若干秒后关闭，关烟道阀(“闷炉状态”)→开冷风旁通阀灌入冷风→延时若干秒后开热风阀→开冷风阀→关冷风旁通阀。而“送风”转“燃烧”的顺序则为：关冷风阀→关热风阀→开废气阀→延时若干秒波并均压后开烟道阀→关废气阀→开煤气切断阀、燃烧阀(煤气调节阀微开，点火后全开)→开空气燃烧阀。各阀顺序动作，并有联锁，特别要防止各燃烧阀未全关时开启与送风有关各阀或其相反动作。现代大中型高炉的热风炉都是自动进行的，是基础自动化的一部分，一般是使用可编程序逻辑控制器(PLC )来定时自动驱动各阀门的电动机来执行。
上述基础自动化，其烧炉控制的煤气流量是根据高炉所需风量风温及炉子热状态而需人工设定和变化的，换炉时间也是由人工设定，并按热风炉蓄热情况及高炉炉况和需要来修正换炉时间，这样，不仅耗费人力，且难以在热风炉整个燃烧时期各个阶段及时设定煤气和助燃空气流量并在热风炉蓄热量尚有富裕时，一一及时修正热风炉加热的煤气和空气量，因而达不到节能和优化热风炉操作以及节省煤气和更好的满足高炉生产的需要。因此,20世纪80年代中期开始使用数学模
型进行优化。
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适合于加热鼓风到生产所需的热风温度和流量而需要的热量来设定烧炉所需的煤气流量，自动换炉一般是定时进行的，其时间的设定是根据热风炉蓄热情况，即热风炉输出风温不足以维持到高炉生产所需的热风温度就需要换另一烧
好的炉子来送风。目前，大多数的数学模型如日本热风炉的数学模型都是主要考虑热风炉流量设定并以换炉时间固定为基础而制定的。德国西门子公司的数学模型考虑的比较完善，它包括了换炉时间和烧炉煤气流量的优化。它首先把热风炉的全部热损失，包括表面、换炉和废气的损失计算出来，再列出热风炉工作循环，最后求得每个循环的效率η如下:
η=1-α0-(α1/Q H )-(α2/Q H t H )-α3Q H t H 式中,α0=K X T A 0/H ;α1=(A 0/H )×N /(N -1);α2=(V V /H )+(A 0t V /H )×(N /(N -1));α3=K X (K/2)/H ;K 为比例系数(因炉而异);
T A 0为废气起始温度;H 为煤气发热值;K X 为系
数，考虑煤气发热值，空气和废气比热;A 0为平均表面常数;N 为热风炉个数;Q H 为热气体流量;
V V 为换炉损失常数;t V 为换炉时间;t H 为燃烧
・85・控 制 工 程 第9卷
时间。
顶喷由上式可得出图3的Q H t H 与η关系曲线，由该图可看出有一个(Q H t H )最佳点，此时效率最高，该点可依下式求出:
(Q H t H )最佳=(α2/α3)
1
2
图3 热风炉效率曲线
每个热风炉，不论其燃烧负荷是什么，如果总是用最佳数量的煤气，那么就可以得出最佳经济条件。
此外，燃烧的瞬时煤气流量要同正在送风的炉子的瞬时负载(T B C L Q K )成比例，和煤气发热值H 及
效率成反比(Q K 为冷风流量;C L 为空气比热;T B 为混风温度)。这就是说，瞬时输入必须以能量为基础，并考虑到全部热损失(但t V 忽略不计)，即:
Q H =(T B C L Q K )/H
η从上面公式就可求出在高炉送风流量和温度
下获得最佳经济条件所需的燃烧煤气流量和燃烧时间。
根据实践结果，使用这种模型可使热风炉效率增加1%～2%，热风温度平均可提高5～8℃。
上述模型的叙述只是原理上的，实际公式和运算较复杂，特别涉及热值测量，这就需要使用实时分析煤气各种成分的分析仪表，因而近年来国外开始研究使用模糊控制来取代数学模型，日本川崎钢铁公司就是其中一例。
3 问题的提出
如上所述，国际上通用的热风炉全自动化系统是以完善的基础自动化加上数学模型或智能控制组成的，但基础自动化所设置的仪表和控制回路较多，特别是要在4个(或3个)热风炉中设置，故投资相当大。此外，目前由于耐火材料的进步，耐温增高，热风炉拱顶不会烧坏，故拱顶没有限温的必要，所以这种基础自动化系统大都不好用，许
多工厂，包括鞍钢大型高炉大都使用较简单的系统，即只有煤气总管压力控制和煤气及空气调节阀位或流量自动控制，然后人工控制阀位或流量的设定值或开度。至于设定的数学模型，除了相当复杂外，更需设置自动分析加热煤气各种成分的分析器，这种仪器除了昂贵以外，还需良好的维护，很多工厂难以实现。要使数学模型有效，还要求良好的完善基础自动化。因此，这数学模型虽然有效但在国内除宝钢以外，很少有工厂设置并得到应用的。
低频振荡当然，人工控制，不但需要专人操作，且难以在热风炉整个燃烧时期各个阶段及时设定煤气和助燃空气流量(鞍钢10号大型高炉的热风炉在整个燃烧时期煤气和助燃空气流量均不变)，也难以在预热煤气和空气温度变化时、高炉所需鼓风温度和流量变化时、助燃空气压力变化时、热风炉蓄热量尚有富裕时，一一及时修正热风炉加热的煤气和空气量，因而达不到节能和优化热风炉操作的目的。故要面对我国的操作和自动化以及维护水平的实况，而需要开发适合于我国的实际情况的、且需低成本和便于推广的热风炉全自动化专家系统。
4 热风炉全自动化专家系统依据与功能
本系统的依据主要是:
①根据工艺要求。②根据工厂的实践。③高炉热风炉操作方法及操作规程规范。④全面考虑热风炉自动化，即不仅包括自动换炉，还须考虑自动燃烧及两者的关系。⑤从剩余蓄热量出发，考虑优化与降
低能耗。⑥参考国外热风炉设定数学模型的出发点。⑦考虑热风炉的加热和送风的热传导、热交换等工艺理论。⑧为节能和提高风温创造条件而需考虑各种影响因素。⑨考虑减轻劳动强度而需全自动化控制。
据此，系统是按下列原理与功能组成的。①由有经验的操作员或专家设定换炉周期，包括热风炉的燃烧时间和送风时间。
②热风炉的燃烧时间和送风时间是成组的，即不同的风温和风量(或冶炼不同的铁种)而有不同的换炉周期，组数不多，以利于选用。
③按照快速烧炉的原则，组成如图4所示的基本煤气、空气流量设定图。它是在快速加热期及拱顶温度管理期按5段时间(t 1～t 5)进行预设
・
95・第4期 马竹梧：高炉热风炉全自动控制专家系统
定所需的不同的煤气流量和空气流量。到达烟气
温度管理期，分3段(T 1～T 3)设定所需的不同的煤气流量和空气流量，这3段除设定外还根据下节所述的计算燃烧剩余时间来决定是否减少或增加所设定的煤气流量和空气流量
。
图4 热风炉燃烧设定及控制原理图
④废气温度太高将表征热效率下降和使格子砖支承的金属被烧损，因此废气温度达到上限就应停止加热。利用废气管理如图5所示，如果按曲线1上升，则未到换炉时间t r 就已达到上限,
因此在校核点开始运算，计算是否如点线所示到达燃烧终点尚有剩余时间，如果有剩余时间则需减少煤气及空气流量，以改变烟气温度上升速度，使燃烧终点与规定的燃烧时间重合。剩余时间t s 的计算公式为:
t s =t r -t j -(350-T 1)/烟气升温速度
1—不控制时预计温度;2—控制后预计温度
图5 变化废气量以控制废气温度
为使剩余时间为零，应减少煤气及空气流量，其应减少煤气流量Q T 1的计算公式为:
Q T 1=K G ×t s
应减少空气流量V T 1计算公式为:
V
T 1
=K A ×t s
式中,K G 为煤气流量减少系数;K A 为空气流量减少系数，其余如图5所示。
⑤由于输入热风炉的能量，即所需的蓄热量，除了与输入煤气流量有关外，还与高炉所需的鼓风流量Q 热风和温度T 热风及使用的燃烧时间
t 燃烧有关。煤气燃烧所带入的热量还与煤气热值K 热值、预热后煤气温度T 煤气和预热后空气温度T 空气有关，故所需煤气量可用下式表示。Q 实际需要量=f (Q 煤,Q 空,T 煤气,T 空气,
K 热值,K 空燃比,Q 热风,t 燃烧,T 热风…
)故图4在各个时间内设定的煤气量还需按上式一一补正为实际需要的煤气量，才能有效节能。当然实
际需要的空气量也要补正。
⑥设有过程信息的判断。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。按送风终了时炉热
售检票系统
水准现在值(残余量)、过去几个周期到现在的变化、送风的热风炉出口的风温等进行判断。由于炉热无法直接测定，而以混风阀(即图1中的热风温度调节阀2)开度进行评价。炉热不足时将在送风结束前，阀门即已开到下限值而无法再控制温度。故在送风终了前达到下限值的程度就可表示炉热水准，并用过去3个周期的阀2开度来评价炉热水准的增减趋势。把上述信息按人工判定“高”、“中”、“低”等。对于没有装设混风阀位置检测的炉子，可测量热风炉送风末期、换炉之前的热风炉出口的风温与高炉所需的设定的风温进行比较，在单炉送风时，若热风炉出口的风温等于或低于高炉所需的设定的风温，自然无法控制温度，就需要换炉，故其差值可作为热水准判断。在热并联送风时，先行炉出口风温将低于高炉所需的设定的风温，此时可用冷风调节阀位置或先行炉出口风温作为热水准判断。
⑦经过两三个周期，热水准仍超过规定的剩余数值，就发出“变更”信号，经操作员认可后将改变基础自动化的设定值，它有两种选择，即改变热风炉燃烧控制系统的煤气流量设定或改变换炉时间。
⑧“变更”信号的大小，可以是专家知识，即经验值或按一定公式运算。对于煤气流量设定，在热水准有富裕，可降低所设定的煤气量，反之，应增加所设定的煤气量。由于熟练操作工人或专家设定的各
个时期的煤气和助燃空气流量都是标准情况下(规定的预热煤气和助燃空气等)的数值。当偏
・06・控 制 工 程 第9卷
离标准情况时应予以补偿，有关公式如下:
Q 补偿后=Q 原始[1-K B K X (X 规定-X 实际)]式中,Q 补偿后为补偿后的煤气或助燃空气流量;Q 原始为未补偿的煤气或助燃空气流量;K B 为补偿系数，其值为0～1，可设定,0为不补偿,1为全补偿;K X 为标度系数或函数;X 规定为煤气和助燃空气流量设定时有关参数标准值;X 实际为煤气和助燃空气流量设定时有关参数实际值。
对于换炉时间设定的自动修正也和煤气流量设定修正方法类似，也是简单的比例公式。
⑨如果由于高炉操作，改变风温风量而导致未达到规定的换炉时间，热水准就已不足，此时也将报警，由高炉工长确认后将进行自动换炉。
⑩其他。为了适合实际情况(即只有简单基础自动化，一般是热风炉煤气总管设有煤气压力控制，每个热风炉只设煤气、助燃空气阀位控制或流量控制)且使之能全自动控制，且低成本而便于推广，故系统还包括一些其他控制功能，如煤气和空气压力过低时报警、空气煤气阀门限位，燃烧到时、空气阀门未打开时煤气阀门也不能开启、助燃空气压力下降时自动补偿其阀门开度等。
5 热风炉全自动化专家系统的结构和实
现
1)总方框图 按照上节所述的原理组成混
合型专家系统，其方框图如图6所示。
图6 热风炉烧炉流量设定及自动控制专家系统方框图
2)系统配置 硬件：基础自动化级(执行自
动换炉和数据采集等用)使用德国西门子公司的S52115U 型或其他型号的PLC 。过程自动化级(执行优化设定用)使用工控机(或品牌机)，带Pentium 2ⅢCPU ，内存128MB ，硬盘10G B 以上。黄秋葵软胶囊
软件:Windows 2N T 操作系统,Visual Basic 610,MAES 2J T 专家系统开发工具。
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3)专家系统 由于使用商品的专家系统开发工具，故修改、删除、增添容易，且可靠性和可维护性良好，编制规则容易。它采用产生式规则，即If...形式。本系统共设有80多条规则。由于热风炉要求实时在线控制，要求专家系统为确定性输出(MAES 2J T 专家系统开发工具的推理有3种方式。即可信度为独立的、按一定公式综合的；可信度为平均的；可信度为“是”或“否”的)，为此不能有多个可信度不同的输出，而应为单可供控制的输出，故在规则编制上应在If...项加上某些否定的条件。本系统共设规则100多条。
由于本系统除了属于过程自动化性质的流量
设定外，还由于要适合工厂实况(只有简单的基础自动化)，故本系统还负责执行许多属于基础自动化性质的功能。原则上所有基础自动化性质的功能都可用规则实现，但为减少规则数量、增加实时性以及简化起见，采用混合系统的方法，即某些简单功能，如煤气或空气压力过低时报警是使用常规程序来实现的。
4)综合显示 综合显示图如图7所示。为便于热风炉操作员的操作，要求有一个综合显示画面，借此画面操作员可得到热风炉操作所需的主要信息，一般无须再观看其他画面而方便操作。如图7所示，它不但显示热风炉燃烧到达什么时间，输出控制的各个炉子的煤气空气阀位(或流量)等信息，而且显示各热风炉的工作状态(红表示“烧炉”,“白”表示送风,“浅蓝”表示空气预热，这种工艺是鞍钢10号高炉
拳击架
的情况)、各热风炉的目前的主要工艺参数(已燃烧时间、烟气温度、拱顶温度等，见图7右上表)，此外还能在此进行手动干预或操作。
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16・第4期 马竹梧：高炉热风炉全自动控制专家系统
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