双闭环动态优化OG法转炉煤气回收及风机节能控制方法

摘要

本发明双闭环动态优化OG法转炉煤气回收及风机节能控制方法属于OG法转炉煤气回收、风机变速节能技术，目的是根据OG法转炉煤气回收及风机变速运行的特点，研究开发与转炉煤气回收及风机变速节能工况相适应的控制方法，以提高转炉煤气回收率及实现风机变速节能优化控制，要点是根据转炉烟气量调节喉口阀的开度，根据微差压控制风机的速度，通过两者有机的结合来获得良好的煤气回收效果和风机节能效果，可广泛应用于新建、扩建或改造的各类OG法转炉除尘煤气回收系统。

说明书

技术领域

本发明属于OG法转炉煤气回收、风机变速节能技术。

背景技术

转炉煤气是钢铁企业重要的二次能源，转炉煤气回收约占整个转炉工序能源回收总量的70％～90％，是“负能炼钢”和降低工序能耗的关键环节。转炉煤气的热值较高，是较为优质的燃料，可以在钢铁企业的燃料平衡中起到重要作用，提高转炉煤气回收量，不仅能有效降低炼钢工序生产成本，而且能极大降低炼钢厂污染物排放总量，实现清洁生产。

目前转炉烟气除尘及煤气回收系统大体分为三种类型：湿法(OG法OxygenConverter Gas Recovery System)除尘、半干法除尘和LT(Lurgi-Thyssen)干法除尘。半干法除尘是从湿法(OG法)除尘演变出来的，亦属于OG法除尘，故以下将湿法和半干法统称为OG法。OG法喉口调节采用RD(Rice Damper)阀或环缝洗涤器(Ring Slit Washer简称RSW)，为叙述方便，以下将RD和RSW统称为喉口阀。此外，由于LT干法除尘与OG法除尘存在较大差异，所以LT干法除尘不在本专利讨论的范围。

关于OG法转炉烟气除尘及煤气回收控制技术，目前均采用喉口阀(RD或RSW)的开度控制，通过转炉炉口内外的压差对喉口阀的开度进行调节，即通称的炉口微差压控制。对炉口微差压控制的策略，目前多采用PID控制、PI控制、比例控制、模糊控制、神经元网络控制、滑模变结构控制、分时段微差压控制、喉口阀固定开度控制、基于状态方程的最佳控制等控制策略。

现有控制技术的核心是基于喉口阀的炉口微差压控制，控制目标是喉口阀的开度，思路是通过炉口微差压对喉口阀开度进行自动调节，使风机的抽风量与烟气的生成量保持一致，避免烟气外溢或转炉罩内吸入过多空气，希望通过喉口阀的精确定位来达到开度的最佳控制状态。

由于喉口阀固有的不适于大范围调节微差压的特性，使微差压系统存在不稳定运行的因素，特别是在出现大扰动的情况下，现有控制技术对喉口阀的调节过程非但没有解决问题，反而使运行工况更加恶化，使现有系统通常难以实现全自动控制，故现有系统多采用自动控制+手动干预的控制方式。现有控制技术的缺陷使得煤气回收率以及煤气热值指标的提升受到严重制约，是煤气回收率以及煤气热值难以提高的原因所在。

由于炉口微差压控制策略的原因，风机变速控制的功能没有得到充分发挥，风机节能效果也受到很大影响。

OG法转炉煤气回收技术自上世纪60年代应用半个多世纪以来，煤气回收工艺得到了不断的改进和完善，但煤气回收控制技术发展缓慢，特别是自上世纪90年代以来一直停滞不前，没有明显的实质性进展。

综上所述，现有控制技术从根本上适应不了转炉煤气回收和风机变速节能应用的需求，理论研究和应用技术亟待有所突破。

双闭环动态优化OG法转炉煤气回收及风机节能控制方法还未见到公开发表的出版物、文献或资料。

发明内容

本发明的目的是根据OG法转炉煤气回收及风机变速节能运行的特点，研究开发与之工况相适应的控制方法，以提高转炉煤气回收率及实现风机变速节能优化控制。

本发明的要点是研究现有控制技术存在的问题，突破现有控制技术的基础和框架，创新性地采用双闭环动态优化OG法转炉煤气回收及风机节能控制方法，根据转炉烟气量调节喉口阀的开度，构成喉口阀开度控制闭环动态系统；根据炉口微差压控制风机的速度，构成炉口微差压控制闭环动态系统；通过两个闭环动态系统有机的结合来获得良好的煤气回收效果和风机节能效果，在整个转炉冶炼期间，由于流经喉口阀的烟气流速得到有效控制，除尘效率也有所提高。

附图说明

附图中1是煤气回收及风机系统数据信息处理及控制装置，2是转炉工艺主控制系统，3是煤气回收及风机调速动态控制器，4是液压伺服器，5是执行机构，6是喉口阀，7是喉口阀开度传感器，8是风机调速装置，9是风机电动机，10是风机，11是压力检测器，12是工艺参数及设备状态信息，13是煤气回收及风机工艺过程系统。

具体实施方式

现有技术的OG法转炉煤气回收控制方式是通过炉口微差压控制喉口阀的开度来进行的自动+手动干预的控制方式，控制目标是喉口阀开度，目的是获得相应的流量变化，但因喉口阀本身固有的非线性特性及对流量调节的不敏感性，结果是通过微差压对流量的调节效果很有限，特别是出现大的干扰时，微差压系统趋于不稳定的工作状态，所以目前的微差压系统往往加有阀门开度的上下极限限制，及配有人工干预措施。从煤气回收的效果看，由于系统运行不够稳定，以及流量控制结果偏离目标值，致使煤气回收指标难以得到提高。特别是转炉冶炼后期，随着烟气量逐步降低，微差压控制显然失去了应有的控制作用，致使CO含量降低、氧含量升高，使得冶炼后期的煤气回收过程很短，这是煤气回收率受到严重制约的主要原因。

大量的实际应用结果显露了现有微差压技术的弱点，通过微差压来感知转炉冶炼过程烟气量的变化，并通过微差压调节喉口阀开度来控制烟气的流量，实际上是一种间接的、并不十分有效的控制策略。喉口阀固有的压力流量特性使其不适合完成微差压调节的功能，这是现有微差压系统难以整定、难以稳定运行的根本所在，是造成煤气回收率低下的主要原因。

本质上，喉口阀开度应与转炉内烟气发生量相适应，即喉口阀开度取决于实际的烟气量，喉口阀开度变化使管网特性曲线发生了变化，风机负荷随之变化。当转炉烟气量大时，喉口阀开大，风机负荷增加；当转炉烟气量小时，喉口阀关小，风机负荷减小。显然，根据烟气量控制喉口阀的开度是最直接的控制流量的方法，而采用微差压控制喉口阀开度是间接的控制流量的方法，且由于流量与压力的非线性变化关系及喉口阀本身的非线性特征，使得最终的通过微差压控制流量的控制结果偏离目标值，甚至引起微差压系统的不稳定运行。

对于风机节能，现有技术采取风机高低速控制方式，在煤气回收期间采取高速运行方式，在非煤气回收期间采取低速运行方式，没有根据转炉烟气量的变化来改变风机的转速，损失了不少的风机节能空间。

通过深入地分析、研究，在现有微差压技术的基础上进行修改并不是好的技术途径，因为现有微差压技术存在固有的缺陷，该缺陷不可能通过修改来克服，须创新性地另辟途径才行。解决问题的最有效手段是采用双闭环动态优化OG法转炉煤气回收及风机节能控制方法，根据该控制方法研发的系统由两个闭环动态系统组成，一个是根据转炉烟气量控制喉口阀开度的闭环动态系统，另一个是根据炉口微差压调节风机转速的闭环动态系统。根据转炉烟气量控制喉口阀的开度，可使烟气流经喉口阀的流量和流速得到最好的控制和利用，有利于提高除尘效率，有利于减少转炉冶炼过程的热散失，有利于风机的节能；根据炉口微差压控制风机的转速可使炉内压力控制在要求的范围内，减少或消除炉内烟气的外溢，减小或消除炉口空气的吸入，有利于提高回收煤气的热值，有利于减少冶炼前烧期和后烧期的氧含量，有利于延长煤气回收时间。

在根据转炉烟气量对喉口阀开度进行相应控制的前提下，采用炉口内外微差压控制风机的速度是保证转炉炉内压力的简单、有效、稳定的控制方法，管网中烟气的流速和压力得到了良好改善，风机的变速范围得到了很大提高，可以满足冶炼前烧期和后烧期煤气回收及风机节能优化的需求。众所周知，随着冶炼时间的推移，转炉炉内产生的烟气量逐渐减少，对这个过程的煤气回收和风机节能控制，现有技术显得无能为力，而采用双闭环动态优化OG法转炉煤气回收及风机节能控制方法既可以提高煤气回收率，又可以获得风机节能的效果。

双闭环动态优化OG法转炉煤气回收及风机节能控制方法是通过附图的系统实现的，附图中煤气回收及风机系统数据信息处理及控制装置[1]是双闭环动态优化OG法转炉煤气回收及风机节能控制的核心，是以计算机工作站为基础组成的数字式装置，本身建有OG法转炉烟气量数据库，并且实时从转炉工艺主控制系统[2]获取生产运行联锁信息、设备状态信息及有关系统参数，实时从煤气回收及风机调速动态控制器[3]获取煤气回收系统及风机运行的有关信息，根据这些信息、有关系统参数及烟气量相关数据来确定煤气回收及风机调速的控制参数并输出给煤气回收及风机调速动态控制器[3]；特别是通过烟气量数据库可以方便、准确地计算出喉口阀开度值，然后输出给煤气回收及风机调速动态控制器[3]，对喉口阀开度进行动态控制；煤气回收及风机调速动态控制器[3]由PLC(可编程序控制器)或其它数字式控制器组成，根据煤气回收及风机系统数据信息处理及控制装置[1]的控制参数向液压伺服器[4]输出设定值，煤气回收及风机调速动态控制器[3]、液压伺服器[4]、执行机构[5]、喉口阀[6]、喉口阀开度传感器[7]和煤气回收及风机工艺过程系统[13]构成了喉口阀开度的闭环动态调节；煤气回收及风机调速动态控制器[3]接受来自煤气回收及风机系统数据信息处理及控制装置[1]的炉口微差压设定值，输出给风机调速装置[8]，对风机转速进行调节，风机调速装置[8]为变频调速装置、液力偶合器调速装置、磁力偶合器调速装置或其它具有连续变速功能的调速装置；压力检测器[11]为多于3个压力检测器组成的一组压力检测装置，设置于转炉烟罩上的某一位置，检测信息送至煤气回收及风机调速动态控制器[3]，用于准确、可靠地测量炉内压力；煤气回收及风机调速动态控制器[3]、风机调速装置[8]、风机电动机[9]、风机[10]、压力检测器[11]和煤气回收及风机工艺过程系统[13]构成了炉口微差压的闭环动态调节；工艺参数及设备状态信息[12]与煤气回收及风机调速动态控制器[3]、煤气回收及风机工艺过程系统[13]相连接；采用这样的系统实现了喉口阀开度的闭环动态连续控制和炉口微差压的闭环动态连续控制。

关于转炉烟气量，在转炉冶炼期间，烟气量是动态变化的，影响烟气量的主要因素有吹氧量及强度、铁水装入量及成分、废钢装入量及成分、辅原料投入量及成分、合金投入量及成分、冶炼时间等等，根据相关因素可对烟气量进行离线计算及在线修正计算，大量计算数据是构成计算机工作站数据库的基础；投料时大扰动的烟气量也是通过离线计算及在线修正计算数据形成的数据库获得的；经过实际运行，当数据库的数据与实际运行情况有出入时，须根据实际值对数据库的数据进行修正、更新。转炉冶炼过程烟气量变化的一个显著特点是，随着冶炼时间的推移，烟气量是逐渐减少的，特别是冶炼后期，烟气量将减少很多，现有技术的微差压控制系统对这种烟气量变化的感知不灵敏，实际控制结果是喉口阀开度不能跟随烟气量变化而逐渐减小，致使CO含量在冶炼后期迅速降低，使煤气回收量减少。与此截然不同的是双闭环动态优化OG法转炉煤气回收及风机节能控制方法可以根据烟气量对喉口阀开度进行动态调节，随着烟气量的减少，喉口阀开度逐渐减小，同时风机转速逐渐降低，所以，即使是在冶炼后期，采用这种控制策略保证了流经喉口阀的流速变化不大，保证了CO含量变化不大，保证了氧含量变化不大，因此可以增加煤气回收的时间和煤气热值，可以提高风机的节能量。

双闭环动态优化OG法转炉煤气回收及风机节能控制方法的特点是科学、合理、充分、有效地发挥了喉口阀开度和风机调速的功能和作用，将现有技术繁杂的控制简化成根据转炉烟气量的喉口阀开度控制和根据炉口微差压调节风机速度两个闭环动态系统，系统构成简捷，运行有效、可靠、稳定，调试也极其方便，可实现无需手动干预的煤气回收及风机节能的全自动控制。

双闭环动态优化OG法转炉煤气回收及风机节能控制方法为OG法转炉煤气回收及风机变速节能应用开创了全新的、广泛的视野和空间，采用双闭环动态优化OG法转炉煤气回收及风机节能控制方法后，既能获得煤气回收率的提高，也能使风机进一步节能，预计煤气回收率将在目前不同系统的基础上提高10％～50％，风机节能指标将在现有技术的基础上提高15％～40％。

双闭环动态优化OG法转炉煤气回收及风机节能控制方法可广泛应用于新建、扩建或改造的各类OG法转炉除尘煤气回收系统。