1 前言
傳統(tǒng)的完善的高爐熱風(fēng)爐燃燒自動化系統(tǒng)都是具有完善的基礎(chǔ)自動化和使用數(shù)學(xué)模型計算所需的加熱煤氣流量和助燃空氣流量，并對基礎(chǔ)自動化的熱風(fēng)爐燃燒自動控制系統(tǒng)進行有關(guān)的設(shè)定。完善的基礎(chǔ)自動化對于燃燒混合煤氣或燃燒預(yù)熱的高爐煤氣和預(yù)熱空氣的熱風(fēng)爐來說包括：煤氣流量控制、空氣流量控制、空燃比控制、拱頂溫度控制和廢氣溫度控制。如圖1所示，在熱風(fēng)爐燃燒初期是以較大的煤氣量和合適的空燃比（最好還設(shè)有燃燒廢氣成分分析，按殘氧量來修正空燃比），以實行快速加熱，使拱頂溫度迅速達到規(guī)定值，然后逐步增加空氣量以保持拱頂溫度為規(guī)定值，當(dāng)達到廢氣溫度管理期，即溫度達到某一規(guī)定值時，需要減少煤氣及空氣量以維持廢氣溫度為設(shè)定值。對于燃燒高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣具有三眼燃燒器的熱風(fēng)爐來說，由于高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣分別送入，需分別設(shè)置其流量控制，該流量比例控制和空燃比要分別適應(yīng)高爐煤氣和焦?fàn)t煤氣需要，因此使系統(tǒng)回路更多、更復(fù)雜。熱風(fēng)爐流量設(shè)定數(shù)學(xué)模型的基本原理是使燃燒時熱風(fēng)爐格子磚的蓄熱量適合于加熱鼓風(fēng)到生產(chǎn)所需的熱風(fēng)溫度和流量而需要的熱量。除了數(shù)學(xué)模型相當(dāng)復(fù)雜外，更需設(shè)置自動分析加熱煤氣的各種成分的分析器，這種儀器不僅昂貴，還需良好的維護，此外要使數(shù)學(xué)模型有效，必須依靠完善的基礎(chǔ)自動化。因此，在國內(nèi)除寶鋼以外，很少被采用。
在國外，已經(jīng)使用人工智能的方式來代替數(shù)學(xué)模型，如日本川崎鋼鐵公司就開發(fā)了模糊控制系統(tǒng)取代數(shù)學(xué)模型。日本鋼鐵公司（新日鐵）也使用專家系統(tǒng)來取代數(shù)學(xué)模型。
由于上述完善的基礎(chǔ)自動化所設(shè)的儀表和控制回路較多，特別是要在三座或四座熱風(fēng)爐都設(shè)置，故投資相當(dāng)大。此外，這種只有基礎(chǔ)自動化的系統(tǒng)，在實際操作中還需人工對熱風(fēng)爐的流量進行設(shè)定，而且目前由于耐火材料的進步，耐溫增高，熱風(fēng)爐拱頂不易燒壞，故拱頂沒有限溫的必要，故這種基礎(chǔ)自動化并不適用，許多工廠，包括如鞍鋼10#高爐那樣的大型高爐大都使用較簡單的系統(tǒng)，即只有煤氣總管壓力控制、煤氣及空氣流量或閥位自動控制，然后人工控制流量或閥位的設(shè)定值或開度。
圖1 熱風(fēng)爐燃燒控制原理圖
由于人工控制難以在預(yù)熱煤氣和空氣溫度變化時、高爐所需鼓風(fēng)溫度和流量變化時、助燃空氣壓力變化時、熱風(fēng)爐蓄熱量尚有富裕時，修正熱風(fēng)爐加熱的煤氣和空氣量，因而達不到節(jié)能和優(yōu)化熱風(fēng)爐操作的目的。下面介紹的高爐熱風(fēng)爐流量設(shè)定及控制的專家系統(tǒng)，可以解決上述問題，實現(xiàn)了熱風(fēng)爐燃燒控制的全自動化，并可為高爐提高風(fēng)溫創(chuàng)造條件。
2 系統(tǒng)原理
系統(tǒng)是考慮以下幾點來構(gòu)成的：
① 根據(jù)工藝要求；
② 根據(jù)工廠的實踐；
③ 參考國外流量設(shè)定數(shù)學(xué)模型的出發(fā)點；
④ 考慮熱風(fēng)爐的加熱和送風(fēng)的熱傳導(dǎo)、熱交換等工藝?yán)碚摚?BR>
⑤ 考慮節(jié)能和可為提高風(fēng)溫創(chuàng)造條件的各種影響因素；
⑥ 考慮減輕勞動強度而需采用全自動化控制。
國內(nèi)熱風(fēng)爐燃燒（又稱燒爐）大都采用快速燒爐方法。即在燃燒初期用最大的煤氣量與小的超量空氣系數(shù)相配合，進行強化加熱，在最短時間內(nèi)，使拱頂溫度迅速升到規(guī)定值，這一階段燒爐稱為加熱期。此后逐步改變超量空氣系數(shù)以小的煤氣量維持拱頂溫度，逐步提高煙道溫度至界限值，使整個熱風(fēng)爐充分蓄熱，這一階段稱為保溫蓄熱期。根據(jù)不同的設(shè)備條件實現(xiàn)快速燒爐有三種方法：
① 固定煤氣調(diào)節(jié)助燃空氣量。它一直是使用最大煤氣量，當(dāng)拱頂溫度迅速升到規(guī)定值后，增加助燃空氣量，因而廢氣量增加，流速增大，有利于對流傳熱，從而強化熱風(fēng)爐中、下部的熱交換作用，它適用于助燃風(fēng)機有余力的熱風(fēng)爐
② 固定空氣量調(diào)節(jié)煤氣量。它在保溫蓄熱期減少煤氣量，因而不如第一種好，但調(diào)節(jié)方便，適用于助燃風(fēng)機無余力的熱風(fēng)爐；
③ 煤氣量與助燃空氣量都不固定。它在加熱期用最大的煤氣量與小的超量空氣系數(shù)相配合，進行強化加熱，當(dāng)拱頂溫度達到規(guī)定值后，同時減少煤氣量與助燃空氣量，在拱頂溫度不變的情況下來加熱熱風(fēng)爐中、下部，這種方法難以掌握兩者同時變化的比例，故除了煤氣壓力波動大的熱風(fēng)爐和用以控制廢氣溫度外，很少采用。此外還利用廢氣分析和火焰來判斷合理的燃燒溫度。后者是適合于沒有在線廢氣分析的中小高爐的熱風(fēng)爐，主要是靠觀察火焰顏色來判斷。
一般高爐設(shè)有三座或四座熱風(fēng)爐，兩爐燃燒，單爐送風(fēng)或兩爐并聯(lián)，燃燒所用煤氣有混合煤氣或高爐煤氣，并利用煙氣余熱的預(yù)熱器來預(yù)熱煤氣和空氣。目前國內(nèi)高爐熱風(fēng)爐的儀表及自動化的狀況為：除少數(shù)工廠外，基礎(chǔ)自動化不完善或雖有如圖1所示的自動化系統(tǒng)，但為了滿足高爐高風(fēng)溫的要求，往往盡量燃燒而不限制拱頂溫度，結(jié)果只使用煤氣流量和空氣流量控制。考慮這種情況，可按如圖2所示進行系統(tǒng)的開發(fā)。即按5段時間進行預(yù)設(shè)定所需的煤氣流量和空氣流量。其中t1是到達規(guī)定拱頂溫度的時間，t2、t3、t4、t5分別為逐步要減小的煤氣和空氣量，它由熱風(fēng)爐操作員憑自己或他人的豐富經(jīng)驗進行設(shè)定，使沒有經(jīng)驗的操作員也可達到專家水平，設(shè)定后熱風(fēng)爐即自動按此流量進行燒爐。
圖2 熱風(fēng)爐燒爐流量設(shè)定原理圖
按工藝要求，當(dāng)煙氣溫度達到熱風(fēng)爐格子磚支承的金屬允許的上限時，應(yīng)恰好到達規(guī)定的燃燒時間。如圖3所示，如果煙氣溫度到達規(guī)定允許的上限（假設(shè)為350℃）而尚未到達燃燒終點，即尚有剩余時間才到達規(guī)定的燃燒時間，這就意味著廢氣溫度太高，導(dǎo)致熱效率下降，格子磚支承的金屬被燒損，故需進行校正，即到達校正點時，計算是否如虛線所示到達燃燒終點尚有剩余時間，如果有剩余時間則需減少煤氣及空氣流量，以改變煙氣溫度上升速度，使燃燒終點與規(guī)定的燃燒時間重合。剩余時間ts計算公式為：
1―不控制時預(yù)測溫度；2―控制后預(yù)測溫度
圖3 煙氣控制溫度圖
ts = tr
