本文作者白凤双先生，北京智能谷科技公司董事长兼总经理、北京平板玻璃集团公司副总工程师、高级工程师；马竹梧先生，北京智能谷科技公司总工程师、教授级高工；庄斌先生，副总工程师；谢小军先生，工程师。 关键词：热风炉　专家系统控制　优化控制 一 前言 鞍钢十号高炉共有4座热风炉，两炉燃烧，一炉送风，一炉预热助燃空气。煤气通过利用烟气余热的煤气预热器预热。 鞍钢十号高炉热风炉的基础自动化不完善。它本来安装有英国欧陆公司的数字仪表，但现在都已无法满足当前需求。自动控制系统仅有煤气总管压力控制、热风炉煤气支管流量控制，没有空气支管流量控制，需手动控制空气阀门，更没有自动和在线测量煤气热值的仪表，而高炉煤气热值波动很大，影响燃烧，但无法调整。 基于以上情况，本系统采用专家系统作为主要控制手段。 二 国内外热风炉优化控制技术简况 国外热风炉优化控制技术有数字模型与人工智能两种方式。 1. 数学模型方式 它开始于20世纪60年代末，从简到繁，逐步完善与提高精确度，到现在数学模型仍然是解决热风炉优化控制和良好应用的主要方法。60年代末至70年代初的实用优化控制数学模型大都较为简单，如： (1)日本川崎钢铁公司千叶厂五号高炉热风炉的优化系统。它包括热水准管理、热风炉自动换炉优化、拱顶温度和废气温度管理。热水准管理就是送风炉热水准达到零时自动换炉，以节约燃料及提高热风炉效率。由于热水准计算较为复杂，故以先送风的炉子的冷风调节阀开到某一角度时作为零值，即如果不进行换炉，热风温度就不足以维持在规定值上。热风炉是定时换炉的，时间设定得在换炉时热水准应为零，由于到达热水准为零的时间与送风温度和送风量有关，故按此而算出所需的设定时间，并考虑切换几个周期以后进行修正。它是通过修正投入燃料量数值来使换炉时热水准为零。拱顶温度管理是为了保护热风炉拱顶砌体和强化加热过程，其方法是：在加热开始，即拱顶温度未达到上限时，以最合适的空燃比使燃烧温度最高，以使拱顶温度迅速升到规定值，此后逐步改变超量空气系数以使拱顶温度不超过规定值。废气温度太高将表征热效率下降和对格子砖支承的金属会被烧坏，因此废气温度达到上限时就应停止加热(即所谓闷炉等待送风)，故需进行废气温度管理，其方法是：观察测得的废气温度上升曲线的外延趋势，如果未到换炉时间就已达到上限(均为计算得出)，就应改变燃料量使废气温度上升曲线减缓而正好在换炉时刻达到燃烧终点。 (2)德国西门子公司的热风炉优化数学模型。它有一个所谓“热流计算模型”，其原理是在保证安全的基础上取得最高效率。热风炉的操作中，在所需风温和风量的条件下，用多大煤气量加热，什么时间换炉才能获得最高效率和最经济的指标是其主要目标。该数学模型是首先把热风炉的全部热损失，包括表面、换炉和废气的热损失计算出来，再列出热风炉的工作循环式，最后求出每个循环的效率，后者可给出QH、tH与效率h的关系曲线(QH为热气体的量，tH为燃烧时间)，由此曲线可以看出有一个最高效率h的点，此点亦可由公式求出。此外，燃烧期的瞬时煤气流量要同送风的炉子的风负载(混风温度TB、空气比热CL、冷风流量QK)成正比，和煤气发热值H及效率h成反比。这就是说，瞬时输入必须以能量输出为基础，经一定的计算公式，求出最佳加热用煤气流量。 热风炉数学模型有多种，各公司观点不尽相同，但总的一点是要使送风的炉子加热到规定能量的水准而设定所需的煤气流量以获得最经济的条件。其中日本钢铁公司(新日铁)的热风炉气体流量设定数学模型使用效果不错，我国宝钢也引进该模型，并在其一、二、三号高炉使用。该模型是针对燃用高炉煤气(简称BFG或BFG与转炉煤气LDG混合的煤气称BFGM)和焦炉煤气(COG，其流量可变，且不低于其满量程的20%)以及助燃空气的三孔燃烧器的热风炉的。 此模型的设计思路是：对热风炉进行燃烧管理和设备管理。前者是根据要存储下次送风所需的恰当热量，计算燃烧过程所需的煤气流量和空气流量。后者是从热风炉设备安全管理的角度出发，管理热风炉最高温度部分，也就是筑炉结构最困难处的拱顶温度和炉篦子的温度控制，它控制高热值的COG，即改变其与BFG的混合比，从而控制拱顶温度，在废气温度管理期间，BFG的流量将逐步减小，使废气温度和金属炉篦温度不超过上限值。 2. 人工智能控制方式 以日本川崎钢铁公司千叶厂高炉的热风炉燃烧自动控制系统为代表。在热风炉作业中要保护设备而须管理格子砖温度分布，此外还因使能耗最小而需在燃烧时对煤气流量作最优设定。前者除了保护拱顶使不超上限温度外，由于硅变形点为3500℃以下，为防止达到此温度时硅砖膨胀而破裂，还须在送风末期管理这一温度。过去热风炉煤气等流量自动设定主要是按热平衡和检测数据来计算送风终了时的蓄热量，但没有足够精确度的残热推断和温度分布的数学模型，为此还需手动设定。千叶厂六号高炉把多元观测信息和操作工的经验知识结合而组成本热风炉流量设定模糊控制系统。 在实际应用中，本模糊控制系统的温度管理范围可达到360~3700℃，波动减少，结果热风炉热效率提高30%。 对热风炉优化控制技术，国内有关高等院校和研究院所都有研究，但主要是理论推导、建立数学模型以及仿真试验研究。在实际使用上，宝钢从日本钢铁公司引进了热风炉气体流量设定数学模型，并在其一、二、三号高炉使用。其他使用未见报道。
三 十号高炉热风炉优化控制系统 1. 主要功能 (1)数据采集和状态监测。它的作用是收集热风炉的主要工艺参数，主要为瞬时数据，经处理后作为优化设定专家系统、状态监控、打印报表等之用。 (2)规程查询。主要包括有关热风炉操作的安全规程等，例如鞍钢炼铁厂技术操作规程中有关热风炉部分、肉眼观察煤气燃烧(控燃比)的方法等。此部分功能可随需要不断增加。 (3)热风炉优化设定专家系统。此部分是至为关键的，其出发点是按专家知识组成知识库，按生产工艺参数得出热风炉各燃烧阶段及实际燃烧情况，并给出操作指导所须设定的煤气量，在已达充分可靠时，可以作为各热风炉支管煤气流量的设定值，实行计算机设定值控制(SPC)。 (4)技术计算。本功能将为热风炉操作所须技术计算提供方便，在本系统中只是一个举例功能，如煤气热值计算，其他计算将根据以后生产需要，按提供的“计算式集”进行编程，如果这次初步设计审查、工艺和生产方面提出计算式集，亦可提供计算程序。 (5)数据显示，它包括提供系统硬件结构、工艺流程及测量点、数据采集及状态监测、规程查询、专家系统、技术计算、报表格式及数据等画面。 (6)数据记录。主要是打印班报、日报及报警报告以及屏幕硬拷贝。打印有两种方式：定时打印(可设定)，即时打印。 (7)数据通信。本次设计主要是与下位机通信，即从基础自动化取得数据。与上位机通信将预留以后再增加。 2. 系统特点 (1)在充分考虑国内人工智能控制在钢铁工业应用经验和失败教训的基础上而提出本系统。 这些经验教训是： (a)孤零零地用微机构成的单一功能的高炉专家系统是很难成功的。这是因为高炉操作不是某一功能可解决的，会出现“上马快、进仓库也快”的现象。 (b)可维护性不好的专家系统无法成功。国外的高炉专家系统无一不是用开发工具构成，不仅可靠、省时间，而且便于维护，即易于增添、修改和删除，而国内很多是自编SHELL，不仅不可靠、费时间，不便维护，难以方便增添、修改和删除，而且往往变成逻辑系统形式而非推理，或者浪费很长时间，最后使最重要的领域知识没有增添时间了。 (c)信号获得及处理措施不力。最常见是某个信号没有了，例如某个热电偶坏了，专家系统也就不能使用了。 (d)阀值不合适。这是最困难的，因为高炉过程很复杂，阀值有其相对性，有些应与其4h前相比，当原料变化、操作条件变化(如风量、风温、顶压或喷煤量变化等)，或炉役期不同，阀值也不同，很难要求操作员把许多阀值随操作条件变化而一一变更，理论上可由神经元网络来自学习，实际上还未见成功的实用化例子。其实这是技术诀窍、专利，是可解决的，按笔者经验，解决方法之一是把阀值按操作条件变化等分成若干类，并可自动改变，当然要考虑操作条件变化等的影响滞后性等。 (2)热风炉优化控制技术方案是一个广义的专家系统，即不仅具有热风炉优化设定专家系统的功能，而且有丰富的其他功能，实质上是一个热风炉监控与优化设定专家系统，故对热风炉的全面操作很有作用。 (3)考虑到鞍钢十号高炉的情况与比较完善的高炉有所不同，为工厂修改增添容易，采用通用专家系统的概念，组成通用热风炉专家系统方式，即不用再写程序，只需用中文写前提及结论并更改知识库规则即可。 (4)由于鞍钢十号高炉的基础自动化不够完善，并受高炉和热风炉设备所限(如由于风温不够，热风温度通常不调节和混风阀开到最大等)，系统设计分两步进行，第一步将作为操作指导方式，供热风炉操作员进行决策(当然亦可按确认按钮而直接设定煤气支管流量控制系统，实行SPC控制)；第二步将实行在线控制。 (5)使用可靠的有过使用经验的专家系统开发工具，因而具有很好的可靠性、可用性和可维护性。这些开发工具由于其规模功能不同，价格差别很大，故必须妥为选择。选择原则大致如下： (a)不必追求大而全