PDF《高炉布料设定值优化控制》

第32 卷第

12 期2015 年12 月控制理论与应用Control Theory &

Applications Vol.

32 No.

12 Dec.

2015 高高高炉 炉 炉布 布 布料 料 料设 设 设定 定 定值 值 值优 优 优化 化 化控 控 控制 制制DOI: 10.7641/CTA.2015.40856 李晓理1? , 刘德馨2 , 周翔2 , 陈先中2 (1. 北京工业大学 电子信息与控制工程学院, 北京 100124;

2. 北京科技大学 自动化学院;

北京科技大学 钢铁流程先进控制教育部重点实验室, 北京 100083) 摘要: 高炉炼铁是钢铁生产中的重要能耗因素. 为了实现生产的节能降耗, 布料策略显得极为重要. 本文针对某 钢铁厂高炉的无料钟布料系统, 基于现场采集的数据, 建立了以铁水质量和经济效益为变量的指标效益评价函数, 给出了最优设定料面的推理机制. 针对不同运行环境, 建立不同的料面优化设定值, 构成多模型集合. 当工况环境发 生大的变化时, 采用切换机制, 对比多模型集合, 选择最优料面设定值, 并在此基础上对布料进行自适应控制, 计算 布料矩阵, 提高布料过程的快速性和准确性. 最后对整个高炉动态优化控制系统做了总体分析, 基于现场数据, 对 高炉布料模型进行了仿真和验证. 关键词: 布料;

优化设定值;

多模型;

自适应控制 中图分类号: TP273 文献标识码: A Setting value optimal control for blast furnace burden distribution LI Xiao-li1?, LIU De-xin2, ZHOU Xiang2, CHEN Xian-zhong2 (1. College of Electronic Information &

Control Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;

2. School of Automation and Electrical Engineering, University of Science and Technology Beijing;

Key Laboratory of Advanced Control of Iron and Steel Process (Ministry of Education), University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China) Abstract: Iron-making in blast furnace plays an important role in the energy consumption of steel production. To re- alize the energy-saving and consumption-reducing, the strategy for load-distribution is of key importance. According to the collected ?eld data, we propose a performance-evaluation function with molten iron quality and economic ef?ciency as variables;

develop the principle for designing the optimal burden surface;

buildup optimal setting-values for various burden surfaces to constitute the multi-model set in different operation environments. When a large change in the operation environment is occurred, a switching device is operated to select the setting value of the optimal burden surface from the multi-model set. By this time, an adaptive controller will be put into operation to control the process of burden distribution, to adaptively calculate the burden distribution matrix and to enhance the accuracies and rapidity of process of burden distri- bution. Finally, a complete analysis is carried out for the dynamic control system with the furnace as a whole. Simulation based on the ?eld data has been carried out;

the results validate the effectiveness of the proposed strategy. Key words: burden distribution;

optimal setting value;

multiple models;

adaptive control

1 引引引言 言言(Introduction) 钢铁行业是一个国家的国民经济命脉, 2013年我 国的钢铁产量占全世界的50.84%, 但是我国生产高品 质钢铁以及在冶炼过程中的吨钢能耗相对于先进国 家仍比较落后. 因此, 提高设备水平, 实现高产低耗的 目标, 是我国钢铁工业首要解决的问题. 对提高我国 整个钢铁工业的技术水平和促进可持续发展具有重 要的意义[1C3] . 钢铁生产过程包括炼铁、 炼钢、 金属加 工和成型等工艺, 其中高炉炼铁是首要环节, 占总能 耗的70%, 是节能降耗的关键因素, 也是技术进步与 创新的重要领域. 研究结果表明, 合理的炉料分布可 以形成理想的气流条件, 充分利用煤气获得最低燃料 消耗, 进而大大的提高焦炭的利用率[4] . 因此, 根据布 料规律来调整装料的顺序和质量, 获得合理快速的布 料方式[5] , 可以达到稳定生产、 顺行炉况、 提高能源利 用率和工业产出的效果. 近些年来, 国内外专家学者对于合理的布料分布 越来越重视, 这方面的研究结果也越来越多, 在布料 仿真模型方面的研究尤为突出. Hinnela等[6] 用神经网 络建立了高炉混合模型, 解决了边界条件影响下的料 收稿日期: 2014?09?12;

录用日期: 2015?05?25. ?通信作者. E-mail: [email protected];

Tel.: +86 10-62332926. 国家自然科学基金项目(61473034), 高等学校博士学科点专项科研基金(博导类)(20130006110008)资助. Supported by National Natural Science Foundation of China (61074055) and Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education (20130006110008). 第12 期 李晓理等: 高炉布料设定值优化控制

1661 面变化;

Zhang等[7] 建立了高炉数值模型, 主要对煤气 流和料面坍塌进行分析;

Nogami等[8] 从流体学角度对 高炉软熔带模型进行了研究;

毕学工在著作[9]中详细 论述了无钟高炉的布料过程及计算机的控制实现;

陈 令坤等[10] 采用摄像设备摄取料流轨迹和料面图像建 立了高炉布料控制模型. 目前大部分高炉已采用了无 料钟炉顶, 相应的高炉布料设备也在逐渐的改善, 但 由于高炉内部复杂的物理、化学反应和高温、 高压环 境, 高炉炼铁过程中料面的实时变化很难监测和估计, 造成冶金行业已有的布料理论和实际情况具有一定 的差距, 很难达到理想料面. 近些年来, 智能控制理论发展迅速. 其主要面向工 程技术领域, 研究开发大规模复杂控制与管理系统的 建模、 分析和设计, 是控制论向复杂大系统广度发展 的新分支, 为复杂系统建模、 优化和控制提供了理论 基础[11C12] . 高炉布料系统外部环境多变, 系统模型复 杂, 控制目标不确定. 因此, 可采用智能控制理论中的 自寻优控制方案来解决问题. 而多模型自适应控制[13] 针对复杂工况 分而治之 的思想, 更是为工程师提 供了一种简单可行的控制方法. 为解决此类问题, 本 文研究工作在

863 项目的支持下进行大胆的尝试, 将合理的布料分布归纳为控制问题. 基于实时获得的 多雷达料面数据[14] , 采用控制工程界的热点多模型自 适应控制的思想, 针对不同工作环境建立多模型集合, 通过环境参数对比快速设置料面设定值, 在设定值附 近, 根据优化生产指标获得最优的布料矩阵, 对高炉 料面进行自适应控制, 保证高炉的顺产和优产. 本文结构如下, 首先建立高炉布料的数学模型, 然 后在模型的基础上提出布料多模型自适应控制系统, 最后列举了实例图片, 给出了仿真研究结果.

2 高高高炉 炉 炉布 布 布料 料 料模 模 模型 型型(Blast furnace burden distri- bution model) 目前我国高炉采用的多数为无料钟炉顶布料. 根 据布料溜槽旋转倾角的不同, 可实现多环、 定点、 螺旋 及扇形等多种布料方式, 有效地保证了煤气流的合理 分布和炉料的顺行, 是重要上部调节手段. 2.1 炉炉炉料 料 料轨 轨 轨迹 迹 迹模 模 模型 型型(Burden trajectory model) 布料溜槽末端下缘到料面之间的区域, 叫做高炉 空区. 炉料离开溜槽在空区的运动轨迹, 叫做料流轨 迹. 设高炉料面是中心对称的, 通过对料流轨迹的分 析, 可以得到炉料落点与高炉中心的距离[15] . 炉料在空区中的运动如图1所示. 在空区中建立 Oxyz直角坐标系. 设溜槽长度为l0, 倾动轴中心线到 溜槽底部的距离为b, 倾角为α, 摩擦系数为?, 旋转速 度为ω, 炉料质量为m, 下落高度为h0. 令炉料在溜槽 上运动的初速度为v0, 末速度为v, 末端切线方向的速 度为v1, 轴线方向的速度为v2. 实际落点与料面中心 的距离为r. 可看出炉料离开溜槽的实际速度v = √ v2

1 + v2 2, 其中: v1为ω, l0和α的函数, v2为溜槽摩擦系数?, v0, l0和α的函数[16] . 图1炉料运动过程 Fig.

1 Burden moving process 炉料在空区的运动过程中, 除了受到重力的作用, 还有煤气阻力. 通过分析炉料运动方程中煤气阻力对 运动方程的影响, 推导出炉料堆尖离高炉中心距离, 并根据运动模型对布料进行优化, 减少布料控制误差. 在求解过程中, 设煤气阻力P的方向与炉料离开溜槽 末端时的速度v方向相反, 且方向不变. 炉料在空区所 受到的力如图2所示. 图2炉料在空区受力情况 Fig.

2 Load on burden in gas 可看........