一种热风炉自动节能燃烧控制系统及设备的制作方法

本发明涉及热风炉技术领域，尤其涉及一种热风炉自动节能燃烧控制系统及设备。

背景技术：

目前中小型高炉热风炉大多使用人工烧炉调节，操作人员的水平直接影响热风炉燃烧质量，且部分高炉煤气不经过煤气柜，也造成煤气压力波动频繁。对于煤气压力的波动，人工烧炉不能做到准确及时的判断和调整，难以避免煤气的浪费。这种背景下，实现自动燃烧，将大大降低操作人员的劳动强度，减少人员的配置。在自动燃烧的基础上，实现节能燃烧，将为企业创造极为可观的经济效益。

现有的热风炉自动燃烧技术有以下几类，第一类根据基于机理模型的高炉热平衡计算，通过计算输入的燃料的热值和流量和输出的热风热量的平衡，计算煤气和空气流量。第二类是基于煤气燃烧的交叉限幅控制或者模糊控制的煤气和空气流量比例控制算法。第三类也有基于神经网络的历史学习模型。其中第一类和第二类对硬件要求严格，需要完善的仪表检测系统，如流量计、热值仪、残氧分析仪等检测仪表。第三类系统仅仅作为研究内容，实际应用效果不够理想。

对大多数中小型高炉，热风炉燃烧相关硬件设备配置及其简单，大多仅有高温计测量拱顶温度和烟道温度。不会配置流量计、热值仪、残氧分析仪等检测仪表，现有的流量控制不具备实现条件。

目前中小型高炉的热风炉燃烧控制主要依靠操作人员手动完成，由于高炉煤气热值、压力随炉况影响很大。热风炉燃烧状态变化时，操作人员难以及时调整，会出现以下问题：

1、拱顶温度难以控制到目标温度：1)透气性较差的热风炉对煤气压力和热值异常敏感，煤气压力波动造成拱顶温度剧烈波动，操作人员很难及时调整温度到目标值；2)距离总管较远的热风炉与它之前热风炉的调节关系很大，需要联动控制；3)较远的热风炉对自动阀门调节不敏感，调节效果不明显。

2、拱顶温度和烟道温度没有保护：拱顶温度和烟道温度经常有超出极限值情况，当操作人员没有及时发现和调整，容易造成耐材的烧损损耗。

3、煤气燃烧效率较低：煤气压力、热值波动后，不能及时调整空煤比，煤气过量时造成浪费；空气过量时，热效率降低，达到相同蓄热量需要消耗更多的煤气。

对于当前的自动烧炉技术中，现有的热风炉自动燃烧系统也有结合模糊控制的实例，但是存在以下一些问题：

煤气燃烧存在最佳空燃比，确定最佳空燃比需要精准的流量控制，传统的热风炉基于流量的模糊控制模型，在不存在流量计的现状下不可行。

传统的温度模糊控制规则中，通过煤气流量和温度建立模糊关系。温度越低，增加煤气流量；温度越高，减小煤气流量。但是这种控制逻辑只有在空气过剩的工况下才成立，在外界煤气压力波动大的情况下，无法判断空气和煤气过剩情况。仅依靠模糊控制，效率低且浪费煤气。

换炉或者其他燃烧工况剧烈变化时，系统稳定性大大降低。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术中的不足，本发明提供一种稳定性高，提高热风炉的燃烧效率，降低岗位人员的劳动强度的热风炉自动节能燃烧控制系统，包括：数据采集模块、专家控制模块、人机交互模块、通信模块以及数据库；

数据采集模块、专家控制模块、人机交互模块以及数据库之间通过通信模块通信连接；

数据采集模块用于采集热风炉当前的拱顶温度、拱顶温升以及热风炉工况调节数据信息，并将上述数据信息传输给专家控制模块；

专家控制模块根据实时获取的当前拱顶温度判断是否在预设阈值范围内；判断拱顶温升过程是否在预设阈值范围内；判断热风炉工况调节数据信息是否在预设阈值范围内；

当当前拱顶温度超出预设阈值范围，调节当前拱顶温度使其在预设阈值范围内；

当拱顶温升过程超出预设阈值范围，调节拱顶温升过程使其在预设阈值范围内；

当热风炉工况调节数据信息超出预设阈值范围，调节热风炉工况调节数据信息使其在预设阈值范围内；

专家控制模块还将上述数据信息储存到数据库中，供监控人员对数据信息进行增删改查；

人机交互模块用于向监控人员提供操作端口，获取监控人员输入的数据信息及控制指令，还用于输出及展示当前数据信息。

优选地，热风炉工况调节数据信息包括：煤气压力f1、空气压力f2、空煤压力差f3、煤气阀开度f4、空气阀开度f5以及空燃比α。

优选地，专家控制模块还用于调节热风炉工况调节数据信息对拱顶温度进行调节；

拱顶温度t＝(k1*f1+k2*f2+k3*f3+k4*f4+k5*f5)*α

其中，

k1——煤气压力权重系数；k1取值为0.34至0.53；

k2——空气压力权重系数；k2取值为0.473至0.621；

k3——空煤压力差权重系数；k3取值为0.037至0.059；

k4——煤气阀开度权重系数；k4取值为0.057至0.086；

k5——空气阀开度权重系数；k5取值为0.125至0.139；

α为8至12。

优选地，专家控制模块还用于对拱顶温度、拱顶温升以及热风炉工况调节数据信息通过表格及图形的形式进行整合，对热风炉的运行状态及运行参数进行可视化展示，使热风炉的运行状态及运行参数显示在显示屏上，监控人员实时获取热风炉的运行状态及运行参数，对热风炉运行进行跟踪；

将拱顶温度、拱顶温升以及热风炉工况调节数据信息分别对应与预设阈值范围进行比较，当上述数据超出阈值范围时，进行报警提示；

专家控制模块将采集的拱顶温度、拱顶温升以及热风炉工况调节数据信息与往期的采集数据进行对比，将当前拱顶温度、拱顶温升以及热风炉工况调节数据信息与往期数据进行比较，波动超出阈值范围时进行报警提示。

优选地，专家控制模块还用于对拱顶温度、拱顶温升以及热风炉工况调节数据信息在数据库中单独储存，将拱顶温度、拱顶温升以及热风炉工况调节数据信息设置获取起始时间和终止时间，并对任一时间阶段的拱顶温度、拱顶温升以及热风炉工况调节数据信息进行整合，分别整合形成拱顶温度、拱顶温升以及热风炉工况调节数据信息的整体数据信息，按照采集时间段形成一体系报告，通过梯形图、或曲线图、或图表显示在监控显示器上。

优选地，还包括：热风炉运行共享模块；

热风炉运行共享模块用于将数据库储存的拱顶温度、拱顶温升以及热风炉工况调节数据信息进行共享；

为监控人员和操作人员提供热风炉运行数据，支持热风炉运行数据查询，基于手机和pc机在线监控；

向手机和pc机热风炉运行数据，并对热风炉运行数据出现超预设阈值范围时进行预警，提供热风炉运行数据进行查询和统计的端口。

优选地，还包括：热风炉数据交互平台；

热风炉数据交互平台用于提供热风炉数据平台，通过通信网络将采集、统计，分析，处理的拱顶温度、拱顶温升以及热风炉工况调节数据信息上传至热风炉数据平台；

热风炉数据交互平台提供操作人员或工艺技术专家给定数据端口，调节总管煤气和空气的阀门开度实现压差控制操作端口，对拱顶温度、拱顶温升以及热风炉工况调节数据信息进行归类、展示，方便监控人员和操作人员查阅，实现热风炉自动控制数据文档管理、热风炉自动控制数据搜集与指导；

还获取热风炉自动控制数据问题，并标识问题类别、提交时间、解决时间角度进行统计汇总，使操作人员或工艺技术专家进行分析解决。

本发明还提供一种实现热风炉自动节能燃烧控制系统的设备，包括：

存储器，用于存储计算机程序及热风炉自动节能燃烧控制系统；

处理器，用于执行所述计算机程序及热风炉自动节能燃烧控制系统，以实现热风炉自动节能燃烧控制系统的步骤。

从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：

本发明的系统基于现状且不增加设备改造投入前提下，为了提高热风炉的燃烧效率，降低岗位人员的劳动强度，以当前的压力、温度、阀门开度作为参考值，将数据进行收集、汇总，对烟道温度、拱顶温度的变化作为考量数据的指标，使用专家系统提炼出针对生产状况快速响应的空煤比控制策略，来快速响应煤气压力的波动，保证拱顶温度的稳定，达到蓄热体持续高效蓄热的目的。无需流量计、热值仪、残氧仪等精确仪表的自动热风炉燃烧控制系统燃烧过程操作人员零干预，极大解放操作人员。同等工况下，温度控制命中率达到95％以上，燃烧节能率3％以上。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为热风炉自动节能燃烧控制系统示意图。

具体实施方式

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

本发明提供一种热风炉自动节能燃烧控制系统，如图1所示，包括：数据采集模块1、专家控制模块2、人机交互模块3、通信模块7以及数据库4；

数据采集模块1、专家控制模块2、人机交互模块3以及数据库4之间通过通信模块7通信连接；数据采集模块1用于采集热风炉当前的拱顶温度、拱顶温升以及热风炉工况调节数据信息，并将上述数据信息传输给专家控制模块2；专家控制模块2根据实时获取的当前拱顶温度判断是否在预设阈值范围内；判断拱顶温升过程是否在预设阈值范围内；判断热风炉工况调节数据信息是否在预设阈值范围内；

当当前拱顶温度超出预设阈值范围，调节当前拱顶温度使其在预设阈值范围内；当拱顶温升过程超出预设阈值范围，调节拱顶温升过程使其在预设阈值范围内；当热风炉工况调节数据信息超出预设阈值范围，调节热风炉工况调节数据信息使其在预设阈值范围内；专家控制模块2还将上述数据信息储存到数据库4中，供监控人员对数据信息进行增删改查；人机交互模块3用于向监控人员提供操作端口，获取监控人员输入的数据信息及控制指令，还用于输出及展示当前数据信息。

作为本发明的实施例，系统实现自动燃烧的技术，系统是实现节能燃烧的技术，系统是提高系统稳定的技术。

系统分阶段模糊控制器为主，案例推理辅助判断。快速加热期自动控制：

作为本系统中推理自学习，在燃烧初始的最优空燃比由案例推理自学习计算，直接定位最佳空燃比位置。

拱顶温度管理期自动控制的改进技术是基于现有理论的传统的模糊关系成立的前提是：当前空燃比大于最佳空燃比。仅仅使用这一模糊关系，在燃烧工况波动较大时，控制效果差甚至失稳。为解决此问题，由历史案例推理辅助判断当前空燃比是否大于最佳空燃比值。如成立使用模糊控制，否则使用专家策略。

本发明中，优选的方式为烟道温度管理期自动控制：现有理论：烟道温度与燃烧产物气体流量正相关，通过控制气体流量可控制燃烧终点烟道温度；建立烟道温度与煤气流量的模糊关系：烟道温度低时加大煤气流量，烟道温度高时减小煤气流量。

改进技术：烟道温度与燃烧产物气体流量非线性关系，且烟道升温存在很长的滞后性。仅依靠模糊关系控制的烟道升温曲线及不平滑，针对此线性，结合专家规则进行综合判断，减少烟道温度控制的频次。

本发明采用节能燃烧：节能规则和策略：节能规则和策略获取主要通过在调试过程中，根据炉况燃烧反应现象，创造性的总结出一系列的规则和策略。主要创造性的技术如下：

1)空燃比快速寻优：通过分阶段模糊控制器能实现热风炉燃烧的初步自动控制，但是煤气燃烧过程存在着一个最佳的空燃配比，在此区域附近煤气燃烧的热效率最高，所以快速的定位最佳空燃比是节能的关键技术之一。

为了解决空燃比快速寻优，保持持续的高效燃烧，本系统结合基于以往数据进行处理，对当前工况下的最佳空燃比快速定位。案例推理算法的条件属性和决策如下：

为提高案例推理的准确性，对案例库的重要条件进行分档多级索引，分档因素为热风炉燃烧组合、空煤压力差等级，另外考虑到不同燃烧阀门的特性各异，把煤气阀和空气阀开度。

本发明中涉及的拱顶控制温度策略：拱顶温度对热风炉蓄热效率直接相关，辐射换热强度与气体温度呈四次关系。拱顶温度越高，辐射换热强度越大，废气与蓄热体换热效率更高。维持在一个较高的拱顶温度下，有利于减小煤气消耗。由于拱顶材料的耐热极限限制，提高拱顶温度控制精度，使拱顶温度保持在工艺目标值附近，既不会损坏拱顶耐火材料，又能维持较高的换热效率。

本发明中涉及的烟道升温曲线策略：与热风炉蓄热效率直接相关的还有废气流量，废气流量越大，与蓄热体对流换热越明显。蓄热前期使用较大的流量，强化对流换热使蓄热体快速蓄热；蓄热后期，逐渐减少废气流量，减少高温废气损失的大量热量。通过优化烟道升温曲线，使用先快速升温后缓慢升温的加热策略，有利于提高热效率。

为保证模糊控制和案例推理的有机结合，需要结合现场操作人员和工艺技术专家的经验，控制方式为：空煤压力差控制：由于阀门自身磨损和特性曲线的不一致，最佳的空煤压差根据现场有着丰富经验的操作人员或工艺技术专家给定，调节总管煤气和空气的阀门开度实现压差控制。

阀门特性曲线优化：根据阀门调节后拱顶温度的变化，修正空气和煤气阀门的对应曲线。

其中最佳案例寻优条件：根据当前拱顶温度、拱顶温升、拱顶温升的变化率以及当前的工况条件，综合判断当前燃烧周期是否在最佳燃烧区域内。

基于加权平均值，推理方向相反时根据工况、前一步调节方向、拱顶温升变化综合判断取不同权重值。

作为本发明优选的实施方式中，热风炉工况调节数据信息包括：煤气压力f1、空气压力f2、空煤压力差f3、煤气阀开度f4、空气阀开度f5以及空燃比α。

专家控制模块2还用于调节热风炉工况调节数据信息对拱顶温度进行调节；

拱顶温度t＝(k1*f1+k2*f2+k3*f3+k4*f4+k5*f5)*α

其中，

k1——煤气压力权重系数；k1取值为0.34至0.53；

k2——空气压力权重系数；k2取值为0.473至0.621；

k3——空煤压力差权重系数；k3取值为0.037至0.059；

k4——煤气阀开度权重系数；k4取值为0.057至0.086；

k5——空气阀开度权重系数；k5取值为0.125至0.139；

α为8至12。

作为本发明提到的示例，专家控制模块2还用于对拱顶温度、拱顶温升以及热风炉工况调节数据信息通过表格及图形的形式进行整合，对热风炉的运行状态及运行参数进行可视化展示，使热风炉的运行状态及运行参数显示在显示屏上，监控人员实时获取热风炉的运行状态及运行参数，对热风炉运行进行跟踪；

将拱顶温度、拱顶温升以及热风炉工况调节数据信息分别对应与预设阈值范围进行比较，当上述数据超出阈值范围时，进行报警提示；

专家控制模块2将采集的拱顶温度、拱顶温升以及热风炉工况调节数据信息与往期的采集数据进行对比，将当前拱顶温度、拱顶温升以及热风炉工况调节数据信息与往期数据进行比较，波动超出阈值范围时进行报警提示。

专家控制模块2还用于对拱顶温度、拱顶温升以及热风炉工况调节数据信息在数据库4中单独储存，将拱顶温度、拱顶温升以及热风炉工况调节数据信息设置获取起始时间和终止时间，并对任一时间阶段的拱顶温度、拱顶温升以及热风炉工况调节数据信息进行整合，分别整合形成拱顶温度、拱顶温升以及热风炉工况调节数据信息的整体数据信息，按照采集时间段形成一体系报告，通过梯形图、或曲线图、或图表显示在监控显示器上。

作为本发明提到的示例，还包括：热风炉运行共享模块5；

热风炉运行共享模块5用于将数据库4储存的拱顶温度、拱顶温升以及热风炉工况调节数据信息进行共享；为监控人员和操作人员提供热风炉运行数据，支持热风炉运行数据查询，基于手机和pc机在线监控；向手机和pc机热风炉运行数据，并对热风炉运行数据出现超预设阈值范围时进行预警，提供热风炉运行数据进行查询和统计的端口。

作为本发明提到的示例，还包括：热风炉数据交互平台6；热风炉数据交互平台6用于提供热风炉数据平台，通过通信网络将采集、统计，分析，处理的拱顶温度、拱顶温升以及热风炉工况调节数据信息上传至热风炉数据平台；热风炉数据交互平台6提供操作人员或工艺技术专家给定数据端口，调节总管煤气和空气的阀门开度实现压差控制操作端口，对拱顶温度、拱顶温升以及热风炉工况调节数据信息进行归类、展示，方便监控人员和操作人员查阅，实现热风炉自动控制数据文档管理、热风炉自动控制数据搜集与指导；还获取热风炉自动控制数据问题，并标识问题类别、提交时间、解决时间角度进行统计汇总，使操作人员或工艺技术专家进行分析解决。

基于上述系统本发明还提供一种实现热风炉自动节能燃烧控制系统的设备，包括：存储器，用于存储计算机程序及热风炉自动节能燃烧控制系统；处理器，用于执行所述计算机程序及热风炉自动节能燃烧控制系统，以实现热风炉自动节能燃烧控制系统的步骤。

基于本发明提供的系统及设备，此热风炉燃烧专家推理系统目前成功应用于日照钢铁13#与14#高炉，选取各个系统运行相对稳定，且高炉工况相当的一段时期，通过比较人工烧炉数据、自立自动烧炉数据进行比较，主要比较参数有平均风温、日累计平均煤气消耗；辅助比较参数有拱顶温度、烟道温度等指标。另外，为保证统计数据的客观性，统计数据工作由生产制造部人员完成。统计结果如下：

效益计算：

取13#和14#高炉的煤气节约率的平均值作为参考，效益计算如下：

13#高炉热风炉经济效益：

q13＝g*d*γ*η＝1531188*365*0.12*0.0298＝200万元

其中：g为煤气日累计量，取1531188；

d为一年天数，取365天

γ为高炉煤气价格，一般为0.1～0.15元/立方米。取中间值0.12元/立方米

η为日平均煤气节能率，取0.0298

14#高炉热风炉经济效益：q14＝1439139*365*0.12*0.0438＝276万元

单个高炉年平均经济效益为：(q13+q14)/2＝238万元

由此可知，本发明的有益效果为：

1、无需流量计、热值仪、残氧仪的基于阀门特性曲线的阀门控制策略2、结合模糊推理和案例推理自学习的快速空燃比寻优技术

3、高蓄热效率的拱顶和烟道温度专家控制策略

4、总管煤气空气压力差控制技术，快速响应外界波动对热风炉影响

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。