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太钢烧结主抽风机转速的智能控制研究

李强

(山西太钢不锈钢股份有限公司炼铁厂，山西 太原 030003)

摘 要：主抽风机采用变频技术后，为了通过调整主抽风机转速实现烧结过程稳定的目的，研究了主抽风机转速、烧结风量、烧结机速和垂直烧结速度之间相关关系，开发了以垂直烧结速度为判据的主抽风机转速自动控制系统。太钢烧结机应用该技术后，过程垂直烧结速度稳定性大幅提高，保证了烧结终点持续稳定在倒数第2个风箱范围内，终点稳定率为98.1%，比人工控制提高35.5%，烧结返矿率比人工控制降低3.46%。同时，该技术更好地发挥了主抽风机变频的优势，主抽电耗进一步降低，较工频运行时节省电能28.6%。

关 键 词：主抽风机；变频技术；垂直烧结速度；BTP；BRP

烧结过程影响因素较多，各因素的波动较大，往往引起了垂直烧结速度的较大波动。生产中要求烧结机速要保持稳定，需通过改变风机抽风风量来对垂直烧结速度进行控制，以保证垂直烧结速度与烧结机速的持续匹配，使得烧结终点最终达到持续稳定在倒数第2个风箱的效果，以获得优质的烧结矿[1-4]。

目前，国内外大型烧结厂的自动控制系统已成功实现碱度自动控制、焦粉配比自动控制、返矿平衡控制等功能，并取得良好应用效果[5-10]，中国部分烧结企业采用了主抽风机变频技术调节烧结风量，应用变频调速技术后，节电可达到20%～30%[11-17]。然而主抽风机转速依靠人工经验操作和调整，而经验知识的不确定性、局限性、个体差异等因素会给生产控制带来盲目性和不确定性，过程的控制能力较难达到理想水平。因此本文在此基础上建立主抽风机转速的自动控制模型，以提高其控制精度，保证垂直烧结速度的稳定性，使烧结终点能够持续稳定于理想位置。

1 主抽风机转速智能控制模型的建立

1.1 烧结废气温度的测定和烧结终点的确定

太钢特大型烧结机有效抽风长度为120m，共有31个风箱，在烧结机17号～31号风箱内，每个风箱均安装6个测温热电偶，能全面反映烧结废气温度的变化情况。图1为热电偶测得的三维废气温度场。

风箱内6个热电偶温度的平均值作为此风箱的废气温度，将风箱废气温度和风箱位置回归成三次函数，得到烧结废气的温度曲线，三次曲线回归时仅取15号风箱之后大于100℃的点进行回归，以得到能准确反映废气温度的曲线。温度曲线模型如下：

式中：Y为废气温度，℃；X为风箱位置，m；a、b、c和d为系数。

首先，求出曲线上180℃的点BRP(burning raising point，废气温度快速上升点)，见图2中的点①；然后，求出曲线上的极大值点BTP(burning through point，烧结终点)，见图2中的点②。

结终点持续稳定在倒数第2个风箱范围内时烧结控制达到最佳状态。

1.2垂直烧结速度和烧结机速度的控制

烧结过程中要求烧结终点稳定在倒数第2个风箱，此时垂直烧结速度：

式中：Vf为垂直烧结速度，mm/min；H为料层厚度，mm；t为从点火到烧结终点的时间，min。烧结机以速度V0在时间t内完成烧结，其烧结终点落在倒数第2个风箱之内。

式中：V0为烧结机速度，m/min；S为点火到倒数第2个风箱(30号风箱)的距离，m。H和S为恒定值，因此Vf和V0满足正比关系：

由于料层厚度恒定，为720mm，点火到倒数第2个风箱的距离为114m，可知烧结机速度和垂直烧结速度的比例系数保持6.32时烧结机控制达到最佳状态。

1.3 烧结机速和风机风量的关系

采集生产过程中烧结机速度和风机风量的实时数据，并对其进行相关性回归，获得烧结机速度与风量的关系。

图3为烧结机速度和风量的拟合线图及残差图。通过烧结机速度和风机风量的拟合线图可以看出，烧结机速度和风机风量有较好的线性关系。通过残差图可以看出残差的正态性良好，形状没有异常。可知风机风量和烧结机速度有较强的正比关系，关系式如下：

Q=-14.8+9082V   (5)

式中：Q为空气流量，m3/min；V为烧结机速度，m/min。

1.4 风机转速和风量的关系

采集生产过程中风机风量和风机转速的实时数据，并对其进行相关性回归，获得风量与转速的关系。

图4为风机转速和风量的拟合线图及残差图。通过风机风量和风机转速的拟合线图可以看出，风机转速和风机的风量有较好的线性关系。通过残差图可以看出残差的正态性良好，形状没有异常。可知风机风量和风机转速有较强的正比关系，关系式如下：

Q=-20900+50.38W   (6)

式中：W为风机转速，r/min。

1.5 主抽风机转速和垂直烧结速度的关系

主抽风机转速和风量有较强的线性关系，比例系数为50.38；风量和烧结机速有较强的线性关系，比例系数为9082；烧结机速和垂直烧结速度有较强的线性关系，比例系数为6.32。可知，风机转速和垂直烧结速度存在线性关系，且满足以下关系：

ΔW=K×ΔVf   (7)

式中：ΔW为转速的变化量，r/min；ΔVf为垂直烧结速度的变化量；K为系数。通过式(4)～(6)可知，比例系数K=28.52。

1.6 主抽风机转速智能控制模型

根据推导出的主抽转速和垂直烧结速度的相关关系，应用VC++.net开发了主抽转速自动控制系统，其控制流程如图5所示。

该系统主要作用是实现了主抽风机变频调速智能控制，通过改变风机风量来调整垂直烧结速度，保证了烧结终点持续稳定在倒数第2个风箱范围内。建立主抽转速自动控制系统的控制模型，具体步骤如下：

1)根据当前废气温度回归出废气温度曲线，并计算出BRP值和BTP值。

2)根据当前的BRP和BTP值分别计算出对应的垂直烧结速度。

3)判断垂直烧结速度设定值和当前值的差值是否在允许范围之内，若在允许波动范围之内则无调整；若在允许波动范围之外则根据式(7)计算出主抽转速的调整值。

4)判断调整值是否在允许范围之内，若在允许范围之内则对主抽转速进行调节；若调整值过大则只给出调整建议，由操作者自行选择。

5)调整后延迟10min进入下一调整周期。

2 烧结试验研究及其结果分析

2.1 原料性能及研究方法

太钢新烧结系统所采用的烧结原料以自产尖山铁精矿粉为主，配加进口粉矿和内部含铁杂料。试验期间匀矿成分不变，返矿和焦粉采用外配。含铁原料化学成分分析及配比见表1和表2，烧结原料配比见表3。

在太钢特大型烧结机上进行工业生产试验，烧结抽风系统由2台功率为10.760MW的风机组成，2台风机配有变频系统，可实现2台主抽风机在700～1000r/min转速范围内运转。通过转速调节风机风量，而不是采用传统的风门调节办法，控制精度有大幅提高。试验期间碱度为1.85，混合料水分为7.3%，料层厚度为720mm，烧结机速度恒定为2.2m/min。对生产过程中数据进行统计，运用minitab软件考察过程中垂直烧结速度、风机转速、烧结抽风风量、烧结机速度之间的相关性，建立以垂直烧结速度为判据的主抽风机转速自动控制模型。对风箱的废气温度进行回归分析获得废气温度曲线。在回归曲线上计算出BRP位置与BTP位置，分别进行2种主抽风机转速的自动控制试验，以BRP点计算的垂直烧结速度为判据对主抽风机转速自动控制试验和以BTP点计算的垂直烧结速度为判据对主抽风机转速自动控制试验。以人工控制为基准，将2种自动控制与人工控制进行对比，考察2种控制对烧结生产过程的影响及对烧结终点稳定性的改善作用。

2.2 试验结果

2.2.1 烧结生产指标及烧结矿质量指标对比分析

将自动控制效果与人工控制效果进行对比分析，考察自动控制模型的实际控制效果。表4为控制模型对主抽风机转速自动控制时的主要参数，表5为3种控制方式的烧结终点稳定水平。

人工控制是通过风箱内测温热电偶温度的变化，对过程垂直烧结速度的变化进行判断后，凭经验对主抽风机转速进行控制。

此试验阶段的主抽风机转速控制为人工经验调节，取生产中1000个试验点对过程控制的结果进行评价，终点的概率分布见图6。可以看出，终点基本分布在108～120m。表5中显示BRP控制的终点位置的标准差为2.331，终点112～116m的稳定率为62.6%。

BRP点过湿带完全从料层中消失，垂直烧结速度为燃烧带下移的速度，在此点燃烧带移动的距离为(料层厚度-干燥预热带的厚度)。以下为依据BRP点计算垂直烧结速度的公式：

式中：Vf，BRP为以BRP点计算的垂直烧结速度，mm/min；h为干燥预热带的厚度，mm；SBRP为点火到BRP点的距离，m；H、h为常量。

以BRP点计算的垂直烧结速度为判据对主抽风机进行自动控制，取生产中1000个试验点对过程控制的结果进行评价，终点的概率分布见图7。可以看出，终点基本分布在112～116m。表5中显示BRP控制的终点位置的标准差为0.854，终点112～116m的稳定率为98.1%。

BTP点燃烧带下移到台车底端，烧结过程结束，此点在第30号风箱。以下为依据BTP点计算垂直烧结速度的公式：

式中：Vf，BTP为以BTP点计算的垂直烧结速度，mm/min；SBTP为点火到BTP点的距离，m；H为常量。

以BTP点计算的垂直烧结速度为判据对主抽风机进行自动控制，取生产中1000个试验点对过程控制的结果进行评价，终点的概率分布见图8。可以看出，终点基本分布在110～118m。表5中显示BTP控制的终点位置的标准差为1.862，终点112～116m的稳定率为71.6%。

表6为3种控制方式的烧结矿指标。可以看出，烧结返矿率显著降低，烧结矿强度变化不大。烧结机速度、烧结矿碱度、原料结构、焦粉配比对烧结矿强度的影响较大，而这些因素在试验中保持一定是烧结矿强度变化不大的主要原因。

2.2.2 节电效果对比工

频运行时主抽风机转速恒定为1000r/min，通过调节风机风门开度控制烧结风量，主抽工频运行时主抽吨矿电耗为13.29kW·h/t。人工控制、BTP自动控制、BRP自动控制时风门开度开至100%，通过调节主抽风机转速控制烧结风量。从表7可以看出：与工频运行相比，BRP控制的主抽风机节电达到28.6%。可见，BRP自动控制更好地发挥了主抽风机的节电优势，显著降低了主抽风机的吨矿电耗。

综上所述，以BRP点计算的垂直烧结速度为判据，对主抽风机转速进行自动控制，控制效果优于以BTP点计算垂直烧结速度的自动控制。太钢特大型烧结机BRP点较BTP点提前约30m，以BRP点计算值为判据降低了过程反馈的滞后性。并且BTP点在烧结机倒数第2个风箱，1个风箱的距离为4m，此点反映出过程恶化后可供调节时间非常有限。因此，BRP的自动控制效果优于BTP的自动控制效果。

3 结论

1)主抽风机转速与垂直烧结速度有较好的正比关系，通过对试验数据的回归和理论计算，得出比例系数为28.52。

2)以BRP点计算的垂直烧结速度为判据，对主抽风机转速进行自动控制，控制效果优于以BTP点计算垂直烧结速度的自动控制。以BRP点计算值为判据降低了过程反馈的滞后性，并且BRP自动控制可供调节的时间比BTP自动控制的时间长。因此，BRP的自动控制效果优于BTP的自动控制效果。

3)以BTP点和BRP点计算的垂直烧结速度为判据，对主抽风机转速进行自动控制，2种自动控制的终点区间分别为110～118m、112～116m，较人工控制的108～120m有较大改善。终点位置的标准差也由2.331降至1.862和0.854，烧结终点的稳定率由62.6%提高到71.6%和98.1%。烧结返矿率有显著降低，从人工控制的28.57%，降至26.35%和25.11%。与主抽工频运行相比，采用BRP自动控制，主抽节电达到28.6%。

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