热风炉的优化控制研究

摘要

我国能源开发利用率低，耗能水平高于世界平均水平，能源结构亟待优化。2015年我国已经探明的煤炭储量为15663.1亿吨，仅次于美国和俄罗斯，可供开采200多年。我国的二氧化碳、二氧化硫排放量相当高，据统计居世界首位。积极应对能源、环境问题，各工业、企业需做到能源开发与能源节约并举，提高能源的开发利用效率，能源的利用应从粗放型转向集约高效型，能源的配置方式应由平衡型向大范围优化转型，坚持科技创新与体制机制创新并举，激发能源可持续发展的内在动力。
　　高炉是工业中最大、最复杂的单体生产设备。高炉热风炉是为高炉提供热风的装置，其以高炉煤气（高炉炼铁过程中产生的副产煤气）为燃料，空气、高炉煤气在燃烧室中混合燃烧，加热蓄热室内的格子砖，冷风经过格子砖，温度升高到一定值后送入高炉，用于高炉冶炼过程，这一系列燃烧-闷炉-送风过程将消耗大量高炉煤气。为了响应国家节能减排政策，经过对包钢高炉热风炉实际燃烧状况的研究，针对其燃耗问题，积极研发新产品，寻找新方法、新技术，以期达到降低燃耗，减少二氧化碳排放的目的。本文在课题组其他成员研究的基础上，根据高炉热风炉现场运行数据进行数据分析及建模预测，在成本及温度预测两方面说明最佳空燃比优化燃气设备燃烧过程的可行性，并将残氧-空燃比控制器嵌入到一单体仪器中，设计出一款新型燃气分析仪，拟将其用于热风炉、加热炉等燃气设备的燃烧过程，优化空气、煤气配比，使煤气高效、充分燃烧，释放出全部热量。
　　基于上述研究目的，本文主要完成了以下几个工作。
　　（1）对包钢高炉热风炉现场数据进行分析，深入挖掘数据间的内在联系，并建立基于BP神经网路的温度预测模型，通过预测拱顶温度、废气温度、热风温度，对比空燃比优化前后的温度曲线，验证空燃比优化的科学性和重要性；
　　（2）设计一种新型热值分析仪，该分析仪将残氧修正空燃比方法嵌入其中，计算出最佳煤气燃烧区间对应的最佳残氧范围为1%~2%，氧含量检测传感器测出烟气中的残氧，当残氧偏离最佳范围时，残氧信号通过模糊控制器输出空燃比修正值，调整空气量，保证燃烧器内始终燃烧最佳，将该仪器的空燃比在线传输给热风炉，指导燃烧；
　　（3）分别采用PD控制及模糊控制两种方法设计残氧-空燃比控制器，并在MATLAB SIMULINK中进行了仿真验证，比较了三种方法的控制效果。
　　经统计分析知，在同等送风效果下，按一炉平均用时235.7min，四座热风炉一天共烧24炉，煤气价格按0.2元/m3计算，优化空燃比后四座热风炉一天共可节省31.44万元的煤气，这从成本上间接的提高了经济效益；根据建立的热风炉拱顶温度、废气温度、热风温度预测模型，预测优化空燃比后各温度的大小，经过对比各温度曲线知，动态优化热风炉燃烧过程的空燃比可以降低燃耗，提高热效率；SIMULINK仿真结果表明，设计的残氧-空燃比模糊控制器具有更好的控制效果，能够实现修正空燃比，优化燃烧的目的。本文完成了热风炉燃烧过程空燃比优化的验证及设计，结果表明此方法具有实际应用价值。

目录

声明

1 引言

1.1 课题研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究内容

2 热风炉概述

2.1 热风炉组成结构

2.2 热风炉的操作

2.3 热风炉燃烧过程

2.4 热风炉传热过程

2.5 煤气的种类及煤气热值

2.6 包钢6号高炉热风炉

2.7 本章小结

3 热风炉数据分析及预处理

3.1 异常数据剔除

3.2 缺失数据修补

3.3 数据归一化

3.4 相关分析法

3.5 本章小结

4 燃气分析仪的设计思想提出与验证

4.1 空燃比寻优策略

4.2 新型燃气分析仪设计思路

4.3 统计分析优化空燃比的可行性

4.4 基于BP神经网络热风炉的温度预测模型

4.5 本章小结

5 燃气分析仪控制器设计及仿真

5.1 残氧-空燃比控制器

5.2 仿真结果

5.3 本章小结

结论

参考文献

附录A 部分建模数据

附录B MATLAB仿真部分程序

在学研究成果

致谢