鐘式高爐爐頂壓力控制模型研究與應用

呂勇，李蘋

（攀枝花鋼釩有限公司能源動力中心，四川攀枝花617000）

燃氣

鐘式高爐爐頂壓力控制模型研究與應用

呂勇，李蘋

（攀枝花鋼釩有限公司能源動力中心，四川攀枝花617000）

通過自主研發鐘式高爐爐頂壓力控制模型，解決鐘式高爐控制系統存在突變和疊加調節的技術難題，實現鐘式高爐爐頂壓力的穩定控制，在滿足高爐對爐頂壓力精度需求的同時實現了二次能源的高效利用。

高爐；爐頂壓力；控制模式

1 前言

高爐產生的荒高爐煤氣進入重力除塵器粗除塵后，進入散熱器溫度控制在200℃以下，然后進入布袋干式除塵器（簡稱BDC）進行精除塵，除塵后的凈煤氣經過TRT發電或者減壓閥組減壓后一部分直接送高爐熱風爐使用，另一部分進入冷卻塔冷卻后進入高爐煤氣主管網。

2 傳統頂壓控制模式

攀鋼能源動力中心從1998年在4#高爐引進、吸收日本反吹布袋除塵及TRT工藝的基礎上結合攀鋼地理環境、場地布置及高爐冶煉特點，對整個工藝系統進行改進、優化，形成獨具特點的反吹布袋除塵的全干式煤氣凈化除塵工藝技術。目前共有3座高爐均為無鐘式高爐，在TRT不運行時高爐爐頂壓力控制主要由減壓閥組的四閥調節系統控制；在TRT運行時高爐爐頂壓力控制主要由TRT靜葉的開關進行控制，減壓閥組全部關閉，只有當爐頂壓力升高到設定值+0.8 kPa時，減壓閥組的四閥調節系統的隨動閥（單一PID參數）參與控制。

經過多年運行，無鐘式高爐TRT運行時爐頂壓力能夠控制在設定值的-5~+1 kPa，最大偏差為-8~+3 kPa，基本能夠滿足高爐對爐頂壓力的控制精度要求。

3 鐘式高爐TRT系統爐頂壓力控制存在的問題分析

攀鋼2#、3#高爐為鐘式高爐。在設計鐘式高爐TRT系統時，沒有考慮鐘式高爐與無鐘式高爐的區別，遵循無鐘式高爐爐頂壓力控制原理進行設計，但引進了高爐均壓閥、料流閥、入爐風量等信號。

2009年10月26日，2#高爐TRT系統建成，進行負荷試車，當TRT并網運行后，爐頂壓力控制精度不能滿足高爐需求，出現高爐爐頂壓力波動達到設定值的-20~+20 kPa，嚴重影響到高爐的生產，TRT系統不得不停運，無法實現余壓余能的利用。如果不能解決鐘式高爐爐頂壓力的控制問題，其TRT系統只能是擺設。

針對上述問題，開展專題分析，其原因如下：

3.1 鐘式高爐與無鐘式高爐均壓、上料時對煤氣的需求存在較大的區別

攀鋼2#、3#高爐是1200 m3的鐘式高爐，1#高爐是1200 m3的無鐘式高爐，4#高爐是1350 m3的無鐘式高爐，新3#高爐是1350 m3的無鐘式高爐，主要區別是：

2#、3#高爐的大鐘容積為33.5 m3，每一批料重量在21~22 t，在其料流閥打開時礦石等原料大約3 s中全部進入爐內；1#高爐氣密箱容積為18 m3，每一批料重量在22~23 t，在其料流閥打開時礦石等原料通過旋轉溜槽經過60 s左右進入爐內；4#高爐氣密箱容積為24 m3，每一批料重量在25~26 t，在其料流閥打開時礦石等原料通過旋轉溜槽經過60 s左右進入爐內；新3#高爐氣密箱容積為40 m3，每一批料重量在40~42 t，在其料流閥打開時礦石等原料通過旋轉溜槽經過60 s左右進入爐內。每次上料間隔3~8 min，根據爐況的變化，上料時間間隔不同，而且每次間隔不一。料堆比重約為1.8 t/m3。

無鐘式高爐上料通過布料器布料，每一批料，對高爐爐內來說基本上是不間斷上料，上料比較均勻。而鐘式高爐是集中上料，每一批料直接通過高爐大鐘料流閥開直接放入高爐爐內，上料相對集中，布料不均勻。

根據上述資料計算，2#、3#高爐均壓時因有22 t的料，余下的體積為：33.5-22/1.8=21.3 m3；大鐘料流閥開，需要的體積為12.2 m3。在高爐爐頂壓力為120 kPa，煤氣溫度變化不考慮時，需要的煤氣量分別是：

根據公式P1×V1=P2×V2，均壓時V1=P2×V2/P1=（88.9+120）×21.3/88.9=50.1 m3，按照15 s均壓完成，折合為小時流量為：12012 m3/h；上料時V1=P2× V2/P1=（88.9+120）×12.2/88.9=28.67 m3，按照2 s上料完成，折合為小時流量為：51602 m3/h。

1#高爐均壓時因有23 t的料，余下的體積為：18-23/1.8=5.2 m3；大鐘料流閥開，需要的體積為1.28 m3。在高爐爐頂壓力為120 kPa，煤氣溫度變化不考慮時，需要的煤氣量分別是：

根據公式P1×V1=P2×V2，均壓時V1=P2×V2/P1=（88.9+120）×5.2/88.9=12.2 m3，按照15 s均壓完成，折合為小時流量為：2932 m3/h；上料時V1=P2× V2/P1=（88.9+120）×12.8/88.9=30.08 m3，按照60 s上料完成，折合為小時流量為：1804 m3/h。

從上述鐘式高爐與無鐘式高爐的計算結果對比來看，需要的煤氣體積不同，特別是折合為小時流量后變化區別較大，相應經過TRT的煤氣流量變化也非常大，相應TRT對爐頂壓力調節難度增加。

3.2 鐘式高爐對高爐煤氣全干式除塵及TRT系統帶來的影響

由于上述鐘式高爐與無鐘式高爐設備結構形式及上料制度的不同，給高爐煤氣全干式除塵及TRT系統帶來以下新問題：

3.2.1 高爐均壓、開大鐘上料時需要的煤氣量較大，此時經過TRT的煤氣量會突然減少，要求TRT靜葉能夠快速關閉；均壓完成和上料完成時，經過TRT的煤氣量會突然增加，要求TRT靜葉能夠快速開，以實現對高爐爐頂壓力的控制精度。因此每次上料經過五次突變過程，突變為：均壓、均壓完成、等待、上料、上料完成，上述時間在30~80 s內完成。由于上述突變的存在，鐘式高爐爐頂壓力的控制模型與無鐘式高爐爐頂壓力的控制模型存在較大的區別，采用無鐘式高爐爐頂壓力的控制模型不能適應鐘式高爐的生產，達不到高爐爐頂壓力控制精度（要求在設定值的-4~+2 kPa）。

3.2.2 TRT和減壓閥組均為高爐爐頂壓力控制設備，兩者并聯運行。在TRT運行時主要由TRT靜葉實現高爐爐頂壓力控制，在TRT不運行時主要由減壓閥組實現高爐爐頂壓力控制。減壓閥組的調節精度高、靈敏性高，其PID設置為：P=12；I=6；D=2，動作非常靈敏，稍微爐頂壓力發生變化，減壓閥組的跟蹤閥就會跟蹤。如果，TRT靜葉調節速度慢，減壓閥組會隨時跟蹤，首先影響高爐爐頂壓力的調節精度，從而影響高爐生產，其次影響TRT發電量和發電負荷，從而影響公司生產效益，因此TRT靜葉調節速度必須快于減壓閥組調節速度。由于TRT靜葉調節速度的加快，并且減壓閥組調節速度也非常快，兩者調節容易產生重疊，互相爭奪高爐爐頂壓力的控制權，產生系統振蕩和干擾，靜葉開度就會在0~100%范圍內開關，減壓閥組跟蹤閥也會在0~100%范圍內開關，在2009年10月26日~11月18日2#高爐TRT試車過程中，2#高爐爐頂壓力每次試車均出現-20~+20 kPa波動，造成兩個后果：（1）不能滿足高爐爐頂壓力控制精度，TRT不得不停運，因此無法發電或者發電量極低；（2）造成高爐爐況失常，被迫減風，以恢復爐況，嚴重影響到高爐的生產。

4 攀鋼鐘式高爐爐頂壓力控制模型研究和措施

由于高爐的結構形式和上料制度是不可能短時間改變的，并且高爐生產是第一位，如果不能解決高爐爐頂壓力調節精度問題，新建設的TRT就成為擺設，二次能源無法回收利用，投資效益無法體現，嚴重影響公司效益。因此，如何適應高爐生產，研究保證TRT系統運行時爐頂壓力的控制模型就是必須解決的問題。經過多次技術分析、研究和溝通，形成如下技術方案和措施：

4.1 鐘式高爐爐頂壓力的控制模型的建立

針對2009年10月26日~11月20日TRT試車中先后出現的問題，提出了以下鐘式高爐爐頂壓力的控制模型：

首先，確立正常情況鐘式高爐爐頂壓力的控制模型：以高爐爐頂壓力設定值減去0.8~1.5 kPa作為TRT控制高爐爐頂壓力的設定值，優化TRT靜葉PID調節參數，使其能夠滿足正常情況下對高爐爐頂壓力的控制要求。

其次，引入高爐爐頂均壓閥動作信號到鐘式高爐爐頂壓力的控制模型，進行爐頂壓力的TRT靜葉開度補償，在高爐爐頂均壓閥動作信號發出后，對TRT靜葉開度在一定時間內進行斜率補償，到設定時間后自動按照一定的斜率恢復。

再次，引入高爐爐頂上料用料流閥動作信號到鐘式高爐爐頂壓力的控制模型，進行爐頂壓力的TRT靜葉開度補償，在料流閥動作信號發出后，對TRT靜葉開度在一定時間內進行斜率補償，到設定時間后自動按照一定的斜率恢復。

最后，在鐘式高爐爐頂壓力的控制模型中增加爐頂壓力偏差值補償，當爐頂壓力偏差值大于一定值時，進行爐頂壓力的TRT靜葉開度補償。當爐頂壓力偏差值小于一定值時，進行爐頂壓力的TRT靜葉開度補償恢復。

目前主要采用前三項進行爐頂壓力的控制，最后一項作為備用措施，有效確保鐘式爐頂壓力得到有效的控制，保證高爐順利生產。

4.2 關于TRT靜葉和減壓閥組互相爭奪爐頂壓力控制權，重疊調節爐頂壓力，造成高爐爐頂壓力波動大的問題，提出以下解決方案

將減壓閥組的PID設置為雙PID調節參數。以TRT運行模式為區別，設置減壓閥組的PID設置為雙PID調節參數。當TRT運行時，減壓閥組跟蹤閥自動轉入一套PID調節參數，此時減壓閥組跟蹤閥調節和反應速度、調節精度自動降低，基本不參與高爐爐頂壓力的調節，只有在高爐爐頂壓力實際值大大高于高爐爐頂壓力設定值（如+3 kPa、+5 kPa）時，才參與高爐爐頂壓力的調節；當TRT不運行時，減壓閥組跟蹤閥自動轉入另一套PID調節參數，此時減壓閥組跟蹤閥調節和反應速度、調節精度自動增加，進行高爐爐頂壓力的調節。

5 具體實施方案和措施

5.1 鐘式高爐爐頂壓力自動控制原理圖（見圖1）

圖1 鐘式高爐爐頂壓力自動控制原理圖

可以看出，鐘式爐頂壓力自動控制程序是在無鐘式爐頂壓力自動控制程序中增加了前饋斜率邏輯控制程序。該程序在出現爐頂壓力變化前的事先控制，確保爐頂壓力在各種突變因數作用下不出現波動，不產生系統振蕩，保證系統調節的穩定性。

5.2 針對TRT靜葉和減壓閥組調節爐頂壓力重疊，造成高爐爐頂壓力波動大的問題，以TRT運行模式為區別，將減壓閥組頂壓調節的PID設置為雙PID調節參數。TRT模式時，高爐減壓閥組調節采用弱PID，高爐模式時，高爐減壓閥組調節采用強PID。該措施主要是消除疊加調節，不使疊加調節現象出現。

5.3 將高爐爐頂均壓閥動作信號、高爐爐頂料流閥動作信號引入鐘式高爐TRT爐頂壓力的控制模型。具體如下：

5.3.1 當高爐均壓信號到，選擇均壓信號到的那一刻靜葉開度的30%開始補償；當高爐均壓信號到后，持續20 s后高爐料流信號仍未到時，則只補償均壓信號到的那一刻靜葉開度的30%，補償時間為20 s。

5.3.2 當高爐料流信號到時，按靜葉開度2%/s（可調）的速率補償，補償時間為6 s（時間根據工藝情況可調整）。

以上的補償量均在頂壓調節常規PID輸出的基礎上疊加。

5.3.3 從以上任一發生補償的條件開始計時35 s（時間可調）時間到，按0.45%/s(可調)的速率釋放補償量。

5.3.4 考慮到信號的真實問題，如果均壓信號和料流信號從高爐傳遞過來均正常，按以上方案進行補償；如果均壓信號正常，料流信號故障，則只補償20 s；如果均壓信號失常，則只補償料流信號。

6 攀鋼鐘式爐頂壓力控制模型研究運行效果

6.1 達到了穩定控制鐘式高爐爐頂壓力的目的，爐頂壓力控制在設定值的-3~+1 kPa之間，保證了高爐的運行穩定，同時從原來每天專業技術人員現場守護，一旦超過一定的爐頂壓力偏差值TRT被迫下網，每天發電僅僅4~6 h，2009年11月發電量僅僅176.19萬kW·h，改變為不需要專業技術人員現場守護TRT能夠24 h穩定運行，2#TRT達到了長期穩定運行，為公司生產創造了可觀的經濟效益。

6.2 2#鐘式高爐爐頂壓力控制模型研究和對凈煤氣減壓閥組實行雙PID調節參數措施的成功開發，在3#高爐推廣使用，實現了2009年12月31日3#高爐TRT一次試車成功，爐頂壓力控制穩定，確保了高爐及全干式除塵及TRT系統的安全、穩定生產，實現了公司經濟效益最大化。

6.3 減少由于爐頂壓力控制難度大，波動范圍大，造成高爐爐況失常引發的高爐減風、休風次數，保證了高爐正常生產的同時，其TRT穩定運行，實現了二次能源的高效穩定利用，為攀鋼的節能降耗和提高經濟效益做出了顯著的貢獻。

7 結論

通過自主研發鐘式高爐爐頂壓力控制模型，解決了控制系統存在突變和疊加調節的技術難題，實現了鐘式高爐爐頂壓力的穩定控制，滿足了高爐生產需求的同時，保證了TRT的運行，年創經濟效益971.5萬元，實現了二次能源的高效穩定利用，為攀鋼的節能降耗和提高經濟效益做出了顯著的貢獻。同時該模型已經推廣到新3#無鐘式高爐的爐頂壓力控制系統中，取得了較好的效果，在西昌分公司高爐中也可以推廣使用。

Research and Application of BF Top Pressure Control Model of Clock Type

LV Yong，LI Ping
(The Energy and Power Center of Pangang Group V-Ti Co.,Ltd.,Panzhihua,Sichuan 617000,China)

Through independent research and development of blast furnace top pressure control model of clock type,the hard technical problem of sudden change and overlaid adjustment in the clock-type blast furnace control system was solved,realizing stable control of blast furnace top pressure and high-efficiency utilization of secondary energy while satisfying the precision requirement of furnace top pressure.

blast furnace;top pressure;control model

TF083.4

B

1006-6764(2014)01-0015-03

2013－08－22

呂勇（1970-)，男，1993年畢業于山東礦業學院濟南分院，燃氣專業首席工程師，現從事燃氣運行技術工作。