鏈—回—環球團生產冷卻系統優化控制研究

孫彥強 果乃濤

(北京中冶設備研究設計總院有限公司 北京100029)

鏈—回—環球團生產冷卻系統優化控制研究

孫彥強①果乃濤

(北京中冶設備研究設計總院有限公司 北京100029)

鏈篦機—回轉窯—環冷機球團生產工藝具有變量多、長滯后、非線性及強耦合的特點。利用鏈—回—環系統仿真模型，建立正交回歸實驗分析得到球團溫度與影響因素之間的關系式；結合鏈—回—環系統熱工特點，根據分布式系統優化結構思路，建立以球團溫度為目標的系統優化調控模型，優化調控模型主要包括三大主要設備機速調控、風量調控及燃料供給量。根據優化調控模型調控過程，利用VB語言開發鏈—回—環系統優化調控程序，并利用OPC技術解決與現場設備通訊問題，為該控制軟件在生產線應用提供了基礎；對鏈—回—環系統的研究成果，對提高球團生產工藝自動化水平有較高參考價值。

鏈篦機—回轉窯—環冷機 球團 優化控制

1 引言

鏈—回—環球團生產系統能夠連續生產球團[2]，系統優化控制難點是鏈篦機、回轉窯和環冷機的機速協調配合和各生產工藝段熱工參數的優化設置。鏈—回—環系統機速調節的目的是為保證三大主體設備能夠連續正常生產，保證物料的穩定運輸，為熱工參數優化提供基礎；系統熱工制度的優劣決定了球團質量和產品能耗水平。本文結合作者利用課題研究及課題組研究成果，提出一種基于鏈—回—環系統生產工況的優化控制思路，并以某球團廠的實際生產條件為基礎，建立鏈—回—環系統優化調控模型，為提高球團生產控制水平提供參考。

2 鏈篦機—回轉窯—環冷機系統熱工特性分析

鏈篦機—回轉窯—環冷機系統球團工藝主要流程如圖1所示。

2.1 鏈—回—環系統熱工模型及仿真軟件開發

本課題組經過幾年的研究，結合熱工測試分析，利用Visual Basic程序語言及Fluent軟件模擬鏈—回—環生產過程，建立了完整、準確的鏈—回—環系統熱工模型，并開發出系統仿真軟件；利用實驗測量數據與軟件計算結果進行比較分析，

圖1 鏈—回—環系統工藝流程簡圖

軟件計算結果與實驗測量數據偏差完全滿足工業應用要求，結果顯示軟件計算結果可靠；應用該軟件可以分析不同工藝參數和操作參數對球團生產的影響，從而為球團生產實踐提供指導。

本文鏈—回—環生產工藝均以某鋼鐵廠實際生產設備為基礎，針對不同生產設備仿真結果及優化控制方程會有所區別。

2.2 鏈—回—環系統熱工制度

鏈—回—環球團生產系統根據其工藝和熱工設備分布可分成若干子工藝段，每一個工藝段都有其獨立的特點及工藝要求。鏈—回—環系統可調控設備主要為：鼓風機、主抽風機、回熱風機、燃料量及環冷機1#、2#、3#鼓風機，鏈篦機機速、回轉窯轉速和環冷機機速。

鏈—回—環系球團生產系統的三大主要設備是緊密相連的，系統熱工調控的目標是根據生產情況合理配置三臺主要設備的熱工參數，保證球團加熱質量并使系統總的能耗水平保持在較低水平。

3 優化控制模型開發

3.1 鏈—回—環系統參數優化

鏈—回—環系統可調節參數主要包括各設備機速調節和風量分配調節(調節各風機參數)。

3.1.1 球團產量計算

鏈—回—環系統中，由于回轉窯與環冷機球團入口的高溫環境限制，球團產量難以稱量，但球團產量是確定設備機速及熱工參數的重要參數。

鏈—回—環系統球團質量可以根據表1的關系式計算。

3.1.2 機速調節方案

鏈篦機—回轉窯—環冷機系統各熱工設備的球團質量流量是控制三大主要熱工設備的基礎，鏈篦機、回轉窯和環冷機的速度調節便是以球團質量流量為依據進行的。

表1 鏈—回—環系統質量總表

注：M0為造球皮帶稱量值。

3.1.3 鏈—回—環系統熱工參數優化

鏈—回—環系統熱工參數的優化需要參考本實驗室已有研究成果，本研究課題已經建模模擬鏈—回—環系統加熱過程，并且利用正交回歸分析，得到球團加熱終溫與影響因素之間的關系。因此，熱工參數優化可利用相關回歸關系方程。

根據正交試驗結果分析[8]，鏈篦機球團最終預熱溫度主要與鏈篦機料厚、鏈篦機機速、回轉窯煙氣的溫度、風速(風量)相關。正交試驗擬合關系式如下：

(1)

式中y—球出該段的溫度，℃；z1為料層厚度，m；z2—風速，m/s；z3—機速，m/s；z4—風溫，℃。

在影響預熱二段球團預熱溫度的四個因素中，鏈篦機料厚和鏈篦機機速是鏈篦機部分的參數，回轉窯煙氣的溫度和風速是回轉窯相關工藝參數，由回轉窯的熱工制度決定。

首先分析鏈篦機部分參數優化計算。假定回轉窯煙氣溫度為1000℃，且風速為2m/s，并將鏈篦機機速與料厚關系式代入，可得：

(2)

式中Wg—鏈篦機寬度，m。

根據式(2)，鏈篦機料厚z1范圍設定為[0.15m，0.25m]，球團產量M1′的范圍為[50kg/s,100kg/s]，利用Matlab繪制出料溫度與鏈篦機料層厚度和鏈篦機進料量之間關系的三維直觀圖，如圖2所示。

圖2 出料溫度與料厚和進料量三維關系圖

從圖2可以看出，在鏈篦機進料量一定的情況下，球團最終預熱溫度隨著球團料層厚度的增加而增大。鏈篦機應該盡量增加布料厚度，以提高球團預熱終溫。

鏈篦機機速優化設定之后，球團出料溫度在不改變回轉窯煙氣的條件下，是所能達到的極值溫度，因此，如果球團出料溫度不能達到要求的出料溫度，可以適當提高回轉窯煙氣溫度來補充。

根據回歸方程，鏈篦機機速、料層厚度及預熱煙氣速度均為已知，球團預熱終溫與回轉窯煙氣溫度的關系可表示如下：

(3)

式中A0、A1和A2—與z1、z2、z3相關參數，均為已知值。

此時，可以利用上式計算出預熱二段需要高溫氣體滿足球團預熱條件的最低溫度T’，則回轉窯的窯尾煙氣溫度需要從目前溫度T提高到T’。

在回轉窯當前工況條件下，為滿足預熱二段的加熱要求，燃料增加量可以根據下式計算：

ΔM=(c′×T′-c×T)×V/QDWy

(4)

式中QDWy—燃料的低位發熱量，kJ/kg；ΔM—燃料增加量，kg；c′—煙氣在T′時的比熱；c—煙氣在T時的比熱；V—回轉窯進去預熱二段煙氣量，m3。

預熱一段球團出料溫度設定值為T。鏈篦機球團預熱一段進口料溫z1、鏈篦機機速z2和預熱氣體溫度z3均可計算或根據現場儀表監控得到，則鏈篦機預熱一段需要氣體量可以根據下式計算：

V=l×Wg×z4min

(5)

鼓風干燥段調控重點是使環冷三段輸送的熱氣體保持在風溫200℃且風速為2.5m/s的最佳設定值。如果風溫過高可以兌入冷風進行調節。

兌入冷風量依據質量守恒和能量守恒定律求解，計算如下：

(6)

式中c0—氣體在T0時的比熱，kJ/kg·K；c1—氣體在T1時的比熱，kJ/kg·K；c2—氣體在T2時比熱，kJ/kg·K；c3—氣體在T3時的比熱，kJ/kg·K；T1—環冷三段熱風溫度，℃；T2—兌入冷空氣溫度，℃；T3—混合后鼓風干燥段風溫，℃。

根據當前時刻工況參數，來自環冷機的助燃風風溫z1、助燃風風速z2及產量z4均可計算[9]，則回轉窯球團焙燒終溫y與燃料量z3的關系可以由下式形式表示：

(7)

式中A0、A1、A2—與z1、z2、z4相關參數，均已知參數。

因此，可以計算滿足回轉窯球團焙燒要求y的最低燃料消耗量z3。

根據環冷機工況情況，焙燒終了溫度z1由回轉窯相關公式計算得到；環冷機進料量z3根據鏈—回—環系統質量延遲效應計算得到；環冷機臺車料厚z4根據環冷機臺車基本尺寸確定，因此，環冷機球團冷卻終溫計算公式[10]可以轉化為下式形式：

(8)

因此，可以計算滿足環冷機球團冷卻要求y的最低鼓入料層風速z3，進而可以確定每臺鼓風機的鼓風量。

3.1.4 鏈—回—環系統優化調控步驟

根據現場實際考察情況及對系統工藝流程的分析，鏈—回—環系統在線控制研究優化控制步驟是：

步驟1：初始化和通信。在每個調控周期開始時刻，每個控制子系統讀取當前測量狀態參數，求解優化問題，并得到局部優化問題的標稱解ui；與相關子系統共享優化參數，迭代次數為0；

步驟4：賦值與實現。將優化控制參數輸出到各子系統，進行調控。

4 優化控制軟件開發

根據前章建立的鏈—回—環系統優化調控模型，本文利用VB編程語言開發了鏈—回—環系統優化控制軟件。

程序框圖如圖3。

圖3 程序結構框圖

程序主要實現以下功能：

1)利用OPC技術實現與現場設備監控無隙連接，讀取現場工況參數數據及將優化調控指令返回到現場設備的功能。

2)根據現場工藝情況對系統熱工參數進行優化調整，使系統連續、穩定、高效運行，減少人為調控引起的誤差及調控延遲。

3)利用VB語言編寫程序界面，清晰、簡單，便于指導生產實際。

5 結論

鏈篦機—回轉窯—環冷機系統是涉及到傳熱、傳質和復雜化學反應的工業過程，其調控對象具有大慣性、多變量、參數分布廣、時滯性長的特點，為合理高效調控鏈—回—環系統工藝參數，本文利用課題組已有研究成果，開發出以球團終溫為目標的優化控制模型，并利用VB程序語言開發出系統優化調控程序，為提高鏈—回—環系統自動化水平起到參考作用。

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Research of Optimal Control of Iron Pellets in Grate-Kiln-Cooler System

Sun Yanqiang1Guo Naitao

(Beijing Metallurgical Equipment Research & Design Co., Ltd. of MCC Group, Beijing 100029)

The grate-kiln-cooler system of iron pellets has the characteristic of variables process, long delay, nonlinear and strong coupling. Basing on the existed research results of the items, the thermal characteristic of grate-kiln-cooler system is analyzed, combining the simulation results, and the optimization control model is established. The grate-kiln-cooler system optimal control software is developed by using Visual Basic programming tools, which has the value to take the grate-kiln-cooler system’s automation to the higher level.

Grate-kiln-cooler system Pellet Optimal control

孫彥強，男，1978年出生，畢業于河北理工大學，工程師，就職于北京中冶設備研究設計總院有限公司

TF046

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2015.05.005

2015-04-07)