专利名称：煤粉/空气固气两相流相关流量中非可燃性流量补偿方法
技术领域：
本发明为一种煤粉/空气两相流相关流量中非可燃性流量补偿方法，属于燃煤粉加热炉窑的控制技术。
国内在燃煤粉加热炉窑的控制中，已有有关煤粉/空气固气两相流相关流量的测量的报道，如《湖南电力技术》89年第3期中的文章“煤粉炉煤粉计量探讨”和《国外钢铁》90年中的文章“高炉喷吹煤粉流量计”中均有报导。但因不同煤质发热值不同、煤粉中灰分波动10～20%，水分波动4～14%，造成炉温波动大，控制精度低。如何对影响炉温控制精度的不同煤质的煤粉/空气固气两相流相关流量中，灰分、水分等非可燃性相关流量的波动进行自动补偿的方法未见报道，成了长期以来燃煤粉加热炉窑控制技术中需要突破的技术难题与技术关键。
本发明目的是为了提高燃煤粉加热炉窑的炉温控制精度，而对不同煤质的煤粉/空气固气两相流中非可燃的灰分、水分相关流量进行在线补偿，使喷入炉内燃烧的可燃性相关流量稳定，达到提高炉温控制精度、提高烧钢质量目的。
本发明采用的方法采用计算机控制技术对燃煤粉加热炉的炉温、炉压、风量、煤粉/空气固气两相流相关流量施行闭环控制，采用自动寻优极值控制，自动寻找适于当前含有一定灰分、水分的煤粉的最佳燃烧配风量。根据寻优的最佳风量与当前的煤粉/空气固气两相流相关流量之比计算出配风系数S。根据煤粉中灰分、水分百分比含量化验分析与相应的配风系数数据统计，配风系数S与煤中灰分、水分大小成近似线性反比关系，将此配风系数S引入原煤粉/空气固气两相流控制模型，对煤粉中灰分、水分进行补偿，达到稳定煤粉中可燃性流量的目的，进而提高炉温控制精度。
下面结合附图对本发明分几部分进行描述
图1是本发明的控制结构图。
图2是本发明的控制系统原理图。
图3是本发明的正向寻优控制原理图。
图4是本发明的反向寻优控制原理图。
图5是本发明的控制程序主框图。
图3、图4中T为炉温;M为煤粉/空气相关流量;F为寻优初始风量;A为炉温极大值时风量;△F1～△Fn为寻优时风量增值;t为时间。
1、控制装置装置由以下几部分组成，检测炉温的测量热电偶，一、二次风温，炉压测量压力变送器，进风阀位位置检测，进风流量计，煤粉/空气固气两相流相关流量测量单元，烟道闸板控制单元，前置小信号放大板、A/D、D/A、D/O接口板，计算机主机，煤粉振动给料单元，煤粉机，加热炉，及进风阀门控制器。
炉温、一、二次风温测量信号，炉压、风量、煤粉/空气固气两相流相关流量、进风阀位信号经放大后引至计算机的A/D(模/数)转换接口板，以上信号经A/D变换后为相应量纲数字量，做为计算机的输入信号。计算机的输出模拟控制信号经D/A(数/模)转换后，由数字量变换为模拟电压信号，控制1＃，2＃给料单元控制2台煤粉机的给煤量大小，实现计算机控制喷入加热炉内煤粉量的大小。计算机的开关量输出控制烟道闸板升降、风机进风阀门开度，实现烟道闸板与炉头压力闭环控制和进风量闭环控制。控制结构见图1。
2、控制方法①炉温控制方法
由人工根据轧制节奏和出炉钢温设定炉温控制给定值，与炉温测量值相减后得出炉温控制偏差值，经非线性+模糊控制模块计算出煤粉机煤粉/空气固气两相流相关流量给定值，该给定值与实测煤粉机煤粉/空气相关流量值相减求出煤粉/空气固气两相流相关流量偏差控制值，经比例运算，D/A数模转换输出模拟控制电压，控制煤粉机电磁振动给料器，实现喷入加热炉煤粉/空气固气两相流相关流量闭环控制，进而达到炉温控制闭环。内环为煤粉/空气相关流量控制，外环为炉温闭环控制。
②炉压控制方法炉头微正压设定为33Pa，与检测炉头压力信号相减后得出炉头压力偏差控制信号，此偏差信号控制烟道闸板开、关，烟道闸板控制是由计算机的D/O开关量输出控制信号控制烟道闸板升、降，使得炉头压力维持在33±3Pa微正压范围内。
③风量控制方法风量控制值是由1＃、2＃煤粉机总煤粉/空气总相关流量乘配风系数S得出，由此配风量控制值计算出进风阀位控制值，与进风阀位检测值相减求出阀位动作值，由计算机接口D/O输出控制信号控制风机进风阀门开、关，直到进风阀位达到要求的控制值。系统原理见图2计算机开机时，使用的配风系数S是总结现场操作工人经验形成的专家系统导出的S值，半小时后，自动投入自动寻优配风，自动寻找适于不同煤质、不同灰分水分、不同炉容下的最佳燃烧状态时的配风系数S。
配风系数S＝ (风机进风阀位值)/(煤粉/空气相关流量总和)开机半个小时后，当炉温进入给定炉温控制值±10℃时，此时炉温波动较小，易寻出真实的最佳燃烧配风系数。此时计算机控制系统自动引入配风量寻优极值控制，采用以当前的1＃、2＃煤粉机煤粉/空气固气两相流相关流量总和M值为寻优时的煤粉/空气相关流量控制值，且在寻优过程中M值不变。以当前进风阀位值F为基础，以炉温出现极大值(1＃、2＃煤粉机所对应的炉温值总和)为目标，对风量进行增风或减风操作，风量增减为阶梯状，为阀门开度3%(阀门全开为100%)，风量增量△F1＝±3。
在寻优开始时，本发明方法特点是首先在当前风量F值基础上做增风△F1＝±3操作，经过一个控制周期后，炉温若增加，则进入正向寻优。若炉温降低，则进入反向寻优。
正向寻优若炉温增加则进入正向寻优，每下一步的增风量由炉温增加的幅度大小来决定下一步增风量的大小，当炉温增加幅度＞5℃时，增风量为△F＝4，当炉温增加幅度＜5℃时，增风量△F＝3。在寻优中，只要炉温增加，则风量不断递增，形成阶梯状。当炉温上升到极值点处dT/dt＝0时，风量值为A，为最大风量值，上一次的增风量为△Fn，由于加热炉是大惯性系统，炉温极大值dT/dt＝0处的风量对应值应是A-△Fn，若按最大风量A值配风必将出现dT/dt＜0，这是不希望出现的炉温降(过风量造成)，所以当前煤粉/空气相关流量的最佳燃烧风量应该是A-△Fn，配风系数S＝ (A-△Fn)/(M) ，至此系统完成正向寻优，退出寻优控制，实现了自动寻找当前煤质，灰分、水分、当前炉容、当前炉温控制段的最佳燃烧配风系数。其控制原理见图3。
反向寻优当开始进入寻优时，炉温在风量增加3%时出现降温时，计算机系统自动进入反向寻优控制。与正向寻优相反，反向寻优是以阶梯方式递减风量，其中△F1＝+3，△F2＝-5，△F3＝-3，△F4＝-3，……△Fn＝-3。△F1为寻优初始的增加风量，△F2为减风量5%，△F3～△Fn均为减风3%，反向寻优时炉温从降温→最低炉温→升温→炉温极大值→结束反向寻优。当出现炉温极大值时，dT/dt＝0处风量值为A，最后一次减风量△Fn＝-3，由于加热炉为滞后系统，当炉温出现极大值时，其对应的最佳燃烧风量值应为A+︱△Fn︱，配风系数S＝ (A+△Fn)/(M) 。当寻出最佳燃烧状态时，系统计算S并停止寻优进入正常控制，寻优以后风煤比就按寻优求出的配风系数来计算，使得加热炉内燃烧状态处于最佳燃烧状态。反向寻优控制原理图见图4。
根据现场数据统计，S值在0.17～0.24之间变化，根据煤的灰分、水分百分比含量化验结果，并在烧炉时记录相应灰分、水分百分比含量的煤相对应的S值，经现场二十次试验，发现S值与煤粉中灰分、水分百分比含量总合成近似线性的反比例关系。下面的表给出实验数据
h煤粉中灰分百分比含量，L煤分中水分百分比含量S配风系数S＝ (最佳燃烧状态时进风阀位值)/(1＃、2＃煤粉机煤粉/空气相关流量和)配风系数S与灰分、水分之间的关系成反比关系符合常规燃烧理论。当煤质不变时，这种关系较简单，当煤质有变化时配风系数S将受到煤质、灰分、水分三方面的影响，根据实验，煤质变化的影响远较灰分、水分变化的影响小，所以主要矛盾仍是灰分、水分波动的影响。关于煤粉燃烧理论的专著很多，本发明不涉及燃烧理论突破，只是通过寻找最佳燃烧状态时的配风系数，通过实验出现了配风系数与煤中灰分、水分大小成反比关系。
自动寻优操作一般间隔一小时做一次，这样既能跟踪煤质、灰分、水分变化，又可减少由于寻优频繁而带来的不必要的寻优损失，一般间隔时间由换煤种的最小时间来决定。
3、对煤粉中非可燃性相关流量(灰分、水分)的补偿由于煤粉/空气固气两相流相关流量中有一部分非可燃的灰分、水分(重量百分比)相关流量，这一部分非可燃性相关流量经常处于波动状态，使得煤粉/空气固气两相流相关流量中可燃性相关流量也处于受灰分、水分波动的影响而不稳定，虽然计算机控制系统已对煤粉/空气因气两相流相关流量实现闭环控制，但在该流量闭环控制中必须实现对有效的可燃的相关流量闭环控制，这就必须对非可燃的相关流量的波动进行动态补偿，才能达到较高的炉温控制精度。
本发明方法就是利用最佳燃烧状态时的配风系数(也称风煤比值)与煤中的灰分、水分大小或近似线性反比关系在原煤粉/空气固气两相流相关流量闭环控制数学模型中引入一部分补偿量，实现煤粉/空气固气两相流相关流量中可燃性相关流量相对稳定的补偿控制。
未补偿前，煤粉/空气固气两相流相关流量闭环控制数学模型为L控＝P1［L给+2(L给-L测)］经过补偿后的数学模型为L控＝P1｛L给(1+ (1-4S)/(4S) )＋2［L给(1+ (1-4S)/(4S) )-L测其中L控煤粉/空气固气两相流相关流量控制值。
L给煤粉/空气固气两相流相关流量给定值，一般在0～400公斤/分钟。
L测煤粉/空气固气两相流相关流量测量值，一般在0～400公斤/分钟。
P1比例常数。
S配风系数(或称风煤比参数)。一般在0.17～0.24间随煤中灰分、水分大小成反比例变化。
当煤粉中灰分、水分大时，S值变小， (1-4S)/(4S) 值增大，补偿量大，L控中灰分、水分补偿量部分增大。当煤粉中灰分、水分小时，S值增大， (1-4S)/(4S) 值减小，补偿量减小，L控中灰分、水分补偿量部分减小。实现了灰分，水分的相关流量补偿。使得煤粉/空气固气两相流相关流量中可燃性相关流量相对稳定。炉温控制受灰分、水分波动的影响大大减小，炉温控制精度提高了约一倍。程序主框图见图5。
由于目前应用燃煤粉的炉窑很多，煤中的灰分、水分经常变化。如果采用离线测量煤中灰分、水分重量百分比的方法，不适于连续的补偿控制，往往本批煤数据刚测出来，本批煤已快烧完了，来不及补偿，若采用在线测量煤中灰分、水分的仪器仪表，需花费十几万元，而且不适于现场粉尘大，维修技术跟不上的实际情况。
本发明方法，是在保证煤粉处于最佳燃烧状态的同时又可对灰分、水分补偿，从而使炉温控制精度提高，一举两得。而且不需要增加在线检测煤粉中灰分、水分的仪器、仪表、节省十几万元投资。
实施例本发明方法已应用在宣化钢铁公司轧钢厂热带车间燃煤粉加热炉计算机控制中，使用至今已一年多，计算机主机为研华386工业控制主机(其它机型也可)，A/D、D/A、I/O板选用研华公司PCL812模/数，数/模、开关量入/出可编程接口板、热电偶毫伏级信号放大板选用研华公司PCL0789。软件采用C语言编程。该计算机系统实现了燃煤粉加热炉的煤粉/空气固气两相流相关流量、炉温、炉压、风煤比闭环控制。在没有采用灰分、水分等非可燃性相关流量补偿发明方法时，炉温控制在＞±30℃，达不到工艺要求的炉温控制±20℃，粘钢事故时有发生。采用本发明方法后，炉温控制在±5～17℃，平均±10℃，粘钢事故很少发生，作业率提高3.5%，机时产量提高6.33吨/小时，取得了好的经济效益，由于炉温稳定，因此在不粘钢情况下提高了炉温，钢锭温度在1200℃±15℃范围内，钢温稳定性、一致性提高，黑钢事故很少发生，使得轧机负荷均匀，易轧制，热带成形好，全轧线受益。煤耗降低10kg/吨带，成材率提高0.4%，轧甩烧损减少0.138吨/百吨带。达到轧钢工艺对炉温控制精度、出钢钢温1200℃±20℃的要求，年创纯利367万元。
权利要求
1.一种对不同煤质的煤粉/空气固气两相流相关流量中所含灰分，水分非可燃性相关流量在线补偿的方法，其特征是采用自动寻优方式，自动寻找含有一定重量百分比的灰分，水分的煤粉的最佳燃烧状态，并根据最佳燃烧状态下的风煤比值S对煤粉/空气固气两相流相关流量中非可燃性的灰分，水分相关流量进行补偿，使得可燃性相关流量相对稳定，提高炉温控制精度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所说的自动寻找能反映当前煤粉/空气固气两相流相关流量中灰分、水分大小的相关量是控制炉温在给定炉温范围内时，在一定量煤粉/空气固气两相流相关流量情况下，对风量以炉温极大值为目标进行阶梯式增风或减风搜索，寻找喷入炉内的煤粉的最佳燃烧状态，完成寻优极值控制，找出炉温极值点处的风量A，将风量A减去上次增风值△Fn，与当前定量的煤粉/空气固气两相流相关流量值M之比，作为最佳配风系数S＝ (A-△Fn)/(M) ，将此配风系数S作为当前煤粉/空气固气两相流量相关流量中非可燃的灰分，水分相关流量大小的相关量。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于根据配风系数S对煤粉/空气固气两相流相关流量中非可燃性相关流量进行补偿，采用配风数对煤粉/空气固气两相流相关流量控制值进行补偿，其补偿控制数学模型为L控＝P1｛L给(1+ (1-4S)/(4S) )+2［L给(1+ (1-4S)/(4S) -L测］｝式中L控煤粉/空气固气两相流相关流量控制值。L给煤粉/空气固气两相流相关流量给定值。L测煤粉/空气固气两相流相关流量测量值。P1比例常数。S配风系数，或称风煤比值。
4.如权利要求1、2所述的方法，其特征在于所说的采用自动寻优方法对风量以炉温极大值为目标进行阶梯式增风量或减风量搜索控制，是以进入寻优时的当前风量值为基值，首先做增加3个单位风量值，即进风阀位值△F1＝3%，经过一个控制周期后，根据炉温升则进入正向寻优，即不断增风操作，炉温降则进入反向寻优，即不断减风量减风搜索寻优操作。
5.如权利要求1、2所述的方法，其特征在于所说的风煤比参数S的计算，是在正向寻优状态时S＝ (A-△Fn)/(M) ，反向寻优状态时S＝ (A+(△Fn))/(M)式中S风煤比参数或称配风系数。A炉温极大值处风量进风阀位值。△Fn炉温极值点出现时前次增风阀位值。M寻优时一定量的煤粉/空气固气两相流相关流量控制值。
全文摘要
本发明为一种煤粉/空气固气两相流相关流量中非可燃性流量补偿方法，属于燃煤粉加热炉窑的控制技术。本发明是利用计算机控制技术采用自动寻优方式，自动寻找含有一定重量百分比的灰分、水分的煤粉的最优燃烧状态，并根据最佳燃烧状态下的风煤比值(即配风系数)对煤粉/空气固气两相流相关流量中非可燃性的灰分、水分相关流量进行补偿，使得可燃性相关流量相对稳定，提高炉温控制精度，以及提高烧钢质量。
文档编号F23N1/00GK1102873SQ9411697
公开日1995年5月24日 申请日期1994年10月21日 优先权日1994年10月21日
发明者杨全德 申请人:宣化钢铁公司