節能燃燒控制系統在高爐熱風爐中的應用

APPLICATIONOFHIGHTEMPERATUREANDHIGH PRESSUREGASPOWERGENERATION

Zhang Haiyan Liu Wenbin Yao Zhenyu

Abstract：The energy-saving combustion control system playsa crucial role inthe blast furnace hot stove. On the one hand，itcansignificantlyimproveenergyutilizationeficiency，reduce energyconsumption，andlowerproductioncosts. At the same time，it guarantees the stable operation of the blast furnace hotstove and improves product quality. On the other hand，researching it helps promote the innovation and development of related technologies，thereby promoting the sustainabledevelopmentof thestelindustry，reducingthenegativeimpactontheenvironment，andenhancing the marketcompetitivenessof enterprises.It has great research significance in both economic and environmental aspects. Company is based on theadvanced BCS series optimized control and energy-saving patented technology. Starting fromthe mostbasic measurement andcontrolinstruments of the blastfurnace hot stove，itusesadvancedcontrol technology to realize theautomatic optimized controlof the blastfurnace hot stove.Byadopting methods such as fuzzy control，theair-fuelratioduring thefurnaceburning processisautomaticallyadjusted，whichnotonlyimproves the combustion eficiencyof thehotstove，reduces gasconsumption，butalsoreduestheadverseimpactontheenvironment.

Key words：energy-saving combustion control；environmental protection；blast furnace hot stove；coal gas; automatic optimized control

0前言

球墨鑄鐵管行業作為國家供水行業的基礎產業，在整個社會運行中占據重要地位。然而，不可忽視的是，它同時也是一個高能耗、高排放的產業領域。在當前國際形勢下，“碳達峰”“碳中和”目標的提出對各行各業的節能減排提出了更為嚴苛的要求。對于球墨鑄鐵管生產企業而言，這既是挑戰，更是機遇。在追求高效低耗生產的進程中，有效降低煉鐵工序的能源消耗意義非凡。不僅能夠直接削減球墨鑄鐵管的生產成本，增強企業在市場中的競爭力，而且對國家節能降耗政策的落實有著至關重要的推動作用。

高爐熱風爐作為煉鐵工序中的關鍵耗能設備，其能源利用效率的高低直接影響著整個煉鐵環節的能耗水平[，2]。因此，節能燃燒控制系統在高爐熱風爐中的應用研究，對于實現煉鐵工序的節能降耗目標，助力球墨鑄鐵管行業乃至整個國家的低碳發展具有不可替代的價值。

1高爐熱風爐現狀分析

高爐熱風爐在球墨鑄鐵管生產過程中消耗著大量的能源，燃料使用量大，包括煤炭、重油等。這些燃料的燃燒，一方面消耗大量能源，另一方面也引發了諸多環境問題。在環保方面，熱風爐運行會排放二氧化硫、氮氧化物、煙塵等有害氣體，不僅對大氣環境造成污染[3]，還會對生態平衡造成破壞。再者，能源的高效利用也是亟待解決的問題，高爐熱風爐運行過程中存在較為嚴重的資源浪費現象，與我國可持續發展理念嚴重相悖。因此，在高爐熱風爐的運行過程中，必須綜合考慮能源消耗與環保要求這兩個重要因素[45]，密切關注污染物生產源頭，積極采取相應措施來實現節能減排的目標，保障球墨鑄鐵管生產產業與環境協調發展。

2永通公司高爐熱風爐場景描述

永通高爐熱風爐采用煤氣燃燒，主要以高爐煤氣為主，拱頂溫度一般控制在 1310^c 、廢氣溫度控制在 350°C ，目前主要依賴操作人員頻繁地加以控制，從而引發了大量重復性勞動，其次，煤氣壓力波動會直接導致煤氣流量的改變，當煤氣壓力升高，煤氣流量增大，單位時間內進入燃燒室的煤氣量增加，在燃燒空氣量不便的情況下使得燃燒反應加劇，從而導致拱頂溫度升高。此外，煤氣壓力波動會影響煤氣和助燃空氣的混合比例失調，煤氣壓力陡然降低會導致煤氣不能充分燃燒，壓力恢復后，又會出現燃燒過度的現象，從而導致拱頂溫度波動。拱頂溫度波動較大會導致熱風爐使用壽命下降，并且浪費煤氣。

為解決以上實際問題，永通公司以先進的BCS系列優化控制節能專利技術為依托，以高爐熱風爐的基本測控儀表為基礎，運用先進的軟測量、多變量解耦、過程優化控制、故障診斷與容錯控制技術以及先進的軟件接口，實現高爐熱風爐的自動優化控制。熱風爐節能優化燃燒系統的功能在于，依據設定的燒爐時長，通過自學習、模糊控制等手段，自動對燒爐過程中的高爐煤氣流量、助燃空氣流量等參數進行調整，讓拱頂溫度和廢氣溫度的變化符合工藝設定要求，以此提高熱風爐燃燒效率、減少煤氣消耗，并降低對環境的影響。永通公司通過熱風爐節能優化燃燒系統的應用，解決了人工燒爐過程中因人為因素導致的溫度、風量等控制不準確的問題。

3高爐熱風爐技術方案

3.1熱風爐改造原理

基于先進的BCS系列優化控制節能專利技術，將BCS優化控制系統通過OPC協議與現有高爐熱風爐控制系統聯接，在系統退出時不影響原控制系統的正常操作。BCS系統與DCS系統間的通訊，采用國際標準的OPC/MODBUS通訊協議，完成兩系統間的雙向數據交換，實現高爐熱風爐的自動優化控制，使得高爐熱風爐的運行更加經濟、穩定和安全。熱風爐節能燃燒控制系統硬件系統如圖1所示。

3.2熱風爐改造內容

永通公司基于高爐熱風爐現有控制系統現狀、現場儀表和自動裝置，新增或改造現場儀表和自動裝置，增加一套BCS優化控制系統，通過OPC橋梁功能讓其與PLC系統無縫整合，在組態和下傳調試時確保PLC系統功能不受影響。

將控制模式從現有的手操器全部轉變為可手動控制與遠程PLC控制的自動控制模式，同時把反饋信號引入PLC。對3臺煤氣支管調節器、3臺空氣支管調節器、2臺空氣總管風機調節器進行調整，更換3臺煤氣總管流量計、3臺煤氣支管流量計、3臺空氣支管流量計。

此外，把每臺熱風爐燃燒閥、均壓閥、熱風閥等閥門的控制與開關反饋信號接入PLC，PLC系統需相應擴展控制模塊；將每臺熱風爐的煤氣支管調節閥、空氣支管調節閥、空氣總管調節閥的給定命令和反饋信號以及冷風流量接入PLC系統，PLC也需擴展相應控制模塊，而且這些信號要在上位系統中顯示且可操控。

3.3熱風爐數據采集與監測

主要采集熱風爐數據參數如表1所示。

1）全面的數據采集：熱風爐關鍵位置安裝各類高精度傳感器，如溫度傳感器（包括拱頂溫度、廢氣溫度、熱風溫度等）、壓力傳感器（煤氣壓力、空氣壓力等），煤氣總管流量計、煤氣支管流量計、空氣支管流量計實時采集這些關鍵參數的數據，為后續的分析與控制提供基礎。

2）數據的實時傳輸與存儲：建立高效的數據傳輸網絡，確保傳感器采集到的數據能夠及時、準確地傳輸到BCS系統的數據存儲中心，供客戶端查詢。

3.4熱風爐通訊技術改造

BCS系統與DCS系統間的通訊通過國際標準的OPC/MODBUS通訊協議實現，完成二者雙向數據交換，通訊結構見圖2。BCS系統專門設計了通訊狀態診斷功能，當OPC通訊異常時，BCS系統會自動無擾地將控制權切換至DCS系統，并發出語音報警。

4高爐熱風爐BCS技術改造方案

4.1模型設計方案

模型主要包含拱頂溫度上升期和廢氣溫度管理期兩個階段。在拱頂溫度上升階段，模型會對歷史最優空燃比進行自學習，并將其設為本次燒爐的初始值，隨后保持高爐煤氣流量與助燃空氣量恒定來持續燒爐。當拱頂溫度達到目標值或者燃燒時長滿足拱頂溫度上升階段的設定值時，該階段結束。完成拱頂溫度上升期后便進入廢氣溫度管理期，此階段在熱風爐燃燒周期中占比較大。在此期間，需要在維持拱頂溫度穩定的情況下，對廢氣溫升速度進行自動調控，以保證在燒爐結束時廢氣溫度能精準達到目標值。

4.2熱風爐主流程操作

圖3為熱風爐主操作流程界面，此界面為熱風爐全自動優化燃燒操作帶來了極大便捷性。采用此界面，基本風燃比（或初始風燃比）設定輕松易行，只需給定一個經驗數，并啟動優化算法，此系統便會自動優化。燃氣閥和空氣閥的手／自動操作也十分方便，操作人員能迅速點出軟手操器進行操作，而且當執行優化操作時，兩個閥門會自動切換至“自動”位置，無需復雜步驟。

燃燒制度的修改也極為靈活，操作人員可根據實際情況隨時調整，即便處于全自動模式下也毫無障礙。對于有經驗的操作人員而言，可在全自動狀態下便捷地對煤氣、空氣的控制點實施手動干預，輕松實現人工優化的效果。此外，通過此界面，一鍵即可完成全自動燒爐、閉爐、送風這些關鍵操作，同時還能實時觀察到熱風爐運行與操作的所有動態參數，并且可隨心所欲地切換至其他功能、畫面，真正實現了操作的高效與便捷。

4.3煤氣/空氣支管閥控制邏輯框圖

在熱風爐煤氣/空氣支管閥控制邏輯框圖中，各種燃燒制度下的煤氣量控制點發出指令，這些指令傳遞到PID控制器進行處理和調整。經過PID控制器的運算，輸出信號被安全限幅進行限制，以確保在安全范圍內。隨后，信號傳遞到智能軟伺服，智能軟伺服精準地將信號轉化并傳遞到煤氣閥。煤氣閥根據接收到的信號，精確地調整開度，從而實現對煤氣流量的有效控制，以適應不同燃燒制度的需求，保障熱風爐的穩定運行。通過BCS技術來達成風煤配比自尋優與滾動尋優功能，確保在燒爐過程中熱風爐的風煤配比處于最優狀態。這樣做的好處是，既能提升拱頂溫度，又能減少煤氣消耗。在調節閥的控制中，均運用“智能軟伺服”功能模塊。該模塊在對被控變量進行有效管控時，能最大程度降低調節閥的動作頻率與幅度。相較于常規自動控制，這種方式可使調節閥的使用壽命延長十倍有余。

5 應用成效

5.1節約煤氣量，降低設備故障率

BCS系統應用通過三個方面節約煤氣量：首先，在燃燒期間拱頂溫度保持在目標值，防止較大波動；其次，通過規劃廢氣溫升曲線防止熱風爐提前悶爐而造成不必要的熱量損失；第三，通過多段式燒爐，讓單位煤氣的熱值達到最大燃燒效率的同時提高格子磚溫度達到提高風溫的目的，得到最優的煤氣流量控制策略。此外，該系統還能夠實時監測和調整煤氣流量，確保在不同工況下都能保持最佳的燃燒狀態。通過對煤氣量的精確控制，不僅有效降低了生產成本，還減少了對環境的負面影響。同時，熱風爐BCS系統的應用還提高了整個高爐系統的穩定性和可靠性，減少了因煤氣供應不穩定而導致的生產波動和設備故障。這進一步提升了公司的生產效率和經濟效益，為公司的可持續發展奠定了堅實基礎。

5.2穩定拱頂溫度，廢氣溫度準時達標

受到外界多種因素影響，在廢氣溫度管理期拱頂溫度會產生比較大的波動，廢氣溫度也很難按照預先的設定的時間到達目標溫度，本模型通過多種方式對煤氣流量和空氣流量進行實時調節，達到理想的效果。

5.3實現燒爐過程的安全與環保

熱風爐通常是以高爐煤氣為燃燒介質，這一過程排放的主要污染物是 SO₂ 、 NO₂ 、顆粒物以及CO等廢氣。熱風爐產生的廢氣應執行《鍋爐大氣污染物排放標準》。通過在熱風爐煙道上安裝一套在線分析系統來連續檢測煙氣中的CO和 0₂ 濃度，從而達到監控熱風爐燃燒工況和優化燃燒效率，隨時校正空燃比提供依據，達到節能降耗的目的。能夠提高熱風爐燃燒效率，降低煙氣中污染物的排放。

6能效分析

公司通過引進先進的智能化技術及設備，自動化程度顯著提升。由表2數據可知，手動單位風溫風量煤氣消耗平均值0.00586，自動單位風溫風量煤氣消耗平均值0.00564，節能率達到 3.86% ，自控率平均值達到 99.79% 。自動控制狀態下熱風爐風溫風量煤氣消耗平均值偏低，生產過程中消耗的能源（煤氣）更少，能源利用效率取得了顯著提升。

7結論

在鑄管企業中，熱風爐作為關鍵設備，其能源消耗在企業總能耗中占據較大比重。BCS系列節能優化燃燒技術的應用，為鑄管企業帶來諸多顯著優勢與潛在效益。節能燃燒控制系統在高爐熱風爐中的成功應用成效斐然。借助先進技術手段，實現了對燃燒過程的精準把控，極大地提高了能源利用效率，有效降低了能源消耗與生產成本。與此同時，該系統顯著減少了污染物排放，契合環保要求，為鋼鐵企業的可持續發展提供了堅實保障。此外，其應用還大幅提升了高爐熱風爐的運行穩定性與可靠性，進一步強化了企業的市場競爭力。節能燃燒控制系統在高爐熱風爐中的應用是技術發展上的重大突破，具有重要的現實意義與廣闊的應用前景。

參考文獻

[2]董建民，張全一.熱風爐蓄熱設計及優化[J].中國冶金，2023，33（12）：97-106.

[3]張華峰.大氣污染的預防治理措施分析[J].環境與發展，2020，32（3）：48-50.

[1]胡許磊.安鋼2號高爐熱風爐“高顯熱 + 富氧”助燃風技術的探索[J].河南冶金，2024，32（1）：12-14

[4]王海風，平曉東，周繼程，等.中國鋼鐵工業綠色發展回顧及展望[J].鋼鐵，2023，58（2）：8-18.

[5]周旭朋，梁慶峰，谷莉，等.安鋼 2800m3 高爐熱風爐燒爐自動控制系統的改造[J].河南冶金，2020，28（5）：32-35.

[6]GB13271-2014 鍋爐大氣污染物排放標準[S].