魚雷罐車烘干設備燃燒控制系統改造

許棟斌

（上海寶鋼工業技術服務有限公司,上海201900）

魚雷罐車烘干設備燃燒控制系統改造

許棟斌

（上海寶鋼工業技術服務有限公司,上海201900）

混鐵車烘干技術是國內外各大鋼鐵企業在混鐵車檢修過程中廣泛應用的一項技術。它是混鐵車內襯修理中的最后一道工序，也是最關鍵的一道工序。烘干質量的好壞，直接影響混鐵車內襯的使用壽命，以及鐵水的溫降程度。通過對寶鋼魚雷罐車烘干設備現存問題進行深入分析、研究后，應用PID控制與模糊控制方法，實施可行的系統改進方案。在改進設計方案實施后，收集一定量的試驗數據，并對這些數據進行處理及分析，再次對系統改進設計方案做進一步的完善。

混鐵車；烘干設備；燃燒控制；PID控制；模糊控制

1 魚雷罐車烘干設備燃燒系統改造

1.1 烘干設備現狀

為了延長魚雷罐車的使用壽命，寶鋼將混鐵車內襯耐火材料更換為使用壽命更長的不燒ASC磚（A12O3-SiC-C磚），因不燒磚（ASC）導熱系數大，升溫必須達到950℃，造成烘干所需煤氣耗量增加，最大流量上升至450m3/h。因此，2#魚雷罐車烘干設備的設計單位將煤氣管道直徑由原先的DN80更改為DN100。管徑增大至DN100的確能夠滿足最大流量達到450m3/h的要求，但是按照工藝要求的升溫曲線低溫烘干僅為100℃，最低流量需低于25m3/h，兩者的比值達1∶18。然而普通節流裝置孔板的正常測量范圍最多達到1∶10，也就是說，若要測量到450m3/h，則最小僅能測量到45m3/h的流量（或者能測量到25m3/h，但最大僅能測量到250m3/h）。控制系統無法測量到低溫度的低流量，也就無法實現升溫全過程的自動控制[1]。

1.2 燃燒系統改造方案

1.2.1 計算機集散式中央控制系統

此次控制系統改造的重點之一便是引入計算機集散式中央控制系統（見圖1）替代原先的DDZ-Ⅲ電動單元組合儀表控制系統。

圖1 計算機集散式中央控制系統

1.2.2 燃料的雙路流量控制

煤氣管路采用雙路流量測量，如圖2所示，可以使原先每路管路上的流量調節比自原單路總管的1∶18降為1∶9，由于流量調節范圍大幅度減小，不僅可以實現低溫段小流量的測量、控制，又可以實現高溫段大流量的測量、控制，從而達到了烘干工藝的要求[2]。

圖2 燃料雙路流量控制

1.2.3 串級并聯雙交叉限幅控制方式

串級并聯雙交叉限幅控制系統是以魚雷罐車罐內溫度調節回路為主環，燃料流量和空氣流量調節為副環，構成溫度調節控制系統，如圖3所示。

圖3 串級并聯雙交叉限幅控制圖

2 魚雷罐車烘干設備燃燒系統改造簡析

2.1 實施改造的成果

通過此次對魚雷罐車烘干設備燃燒系統的改造，我們在空燃比分段調節、升溫曲線優化、節能降耗等方面均取得顯著的成果。

2.1.1 空燃比的分段調節

空燃比是指空氣流量與煤氣流量之比，即

式中，μ為空燃比；n為空氣消耗系數；Vair為空氣測量實測值，m3/h；Vfue1為煤氣流量的實測值，m3/h；L0為標準燃料理論空氣需要量，m3。

通過大量的試驗及生產驗證，我們獲得了較理想的分段空燃比數據。

2.1.2 升溫曲線的優化

在控制系統改造后，通過采用先進的計算機集散式中央控制系統，改造燃料雙路流量控制管路，應用串級并聯雙交叉限幅控制方式，最終實現了在工藝要求規定的時間內順利升溫至950℃的目標，達到了魚雷罐車烘干設備控制系統改造的設計要求，如圖4所示[3]。

圖4 控制系統改造前后的升溫曲線比較

2.1.3 節能降耗的效果

魚雷罐車每次大修后的烘干時間約70h，改造后每次烘干可縮短10h，按照一個魚雷罐車烘干臺位24h不間斷連續作業，年平均工作日為350d，2個烘干臺位年燃料節約費用45.60萬元。

2.2 系統優化

2.2.1 硬件方面

一般情況下，魚雷罐車在高溫烘干中，廢氣從爐口帶走的熱量可占熱負荷的45%～55%。

結合國內外的研究與實踐經驗，可通過更改燒嘴形式、增加余熱回收、使用熱交換器等裝置便可妥善解決此方面問題。

2.2.2 軟件方面

此次改造已用先進的計算機集散式中央控制系統替代原先的DDZ-Ⅲ電動單元組合儀表控制系統，不過基本的燃燒控制原理仍是純粹的PID控制，而且還需少量人工操作才能實現整個系統的自動化控制。因此，若能應用專家PID、智能PID、神經網絡PID或者模糊控制等先進的控制方式，則能夠進一步提高魚雷罐車烘干設備燃燒控制的效率、精度、自動化程度等。

3 PlD控制與模糊控制的應用

3.1 PlD控制的應用

如前所述，魚雷罐車烘干設備的燃燒控制系統無論是改造前，還是改造后基本的控制原理就是純粹的PID控制系統，而且是串級PID控制系統。

在此套燃燒控制系統中，魚雷罐車罐內溫度調節為主回路，燃料流量與空氣流量調節為2個副回路。同時，2個副回路不是簡單的串聯或者并聯在主回路中，而是按照雙交叉限幅控制原理相互聯系、控制。串級控制系統的計算順序是先主回路（PID1）后副回路（PID2）。也就是說，先實現魚雷罐車罐內溫度調節的PID控制，然后實現燃料流量、空氣流量調節的PID控制[4]。

經過幾個月的正常生產作業，我們認為此套以計算機集散式中央控制方式構建的串級并聯雙交叉限幅PID燃燒控制系統已完全能夠滿足魚雷罐車烘干工藝要求。

3.2 模糊控制的應用

通過對魚雷罐車烘干設備燃燒控制系統的研究，我們發現雖然純粹的PID控制已能實現工藝要求的升溫曲線，不過因車體內溫度與燃料、空氣流量并沒有確定的數學控制模型，完全可以將模糊控制原理應用于魚雷罐車烘干設備的燃燒控制系統中[5]。

通過比較，我們決定在串級并聯雙交叉限幅PID控制系統中引入模糊自適應整定PID控制，提高系統的穩定性、適應性和自動化程度。

模糊自適應整定PID控制器是以誤差e和誤差變化ec作為輸入，以滿足不同時刻的誤差e和誤差變化ec對PID參數自整定的要求。利用模糊控制的規則在線實時對PID參數進行修改，構成模糊自適應整定PID控制器，如圖5所示。

圖5 模糊自適應整定PID控制

模糊自適應整定PID控制的目標是找出PID3個參數（kp、ki、kd）與誤差e和誤差變化ec之間的模糊關系，在運行中通過持續檢測誤差e和誤差變化ec，依據模糊控制原理來對3個參數進行在線修改，以滿足不同誤差e和誤差變化ec對系統控制參數的不同要求，以使被控對象有良好的動、靜態性能。控制系統運行過程中，通過對模糊邏輯規則的結果處理、查表和運算，完成對PID參數的在線實時自整定。

3.3 誤差簡析

在設備正式投入正常生產后，我們選取了某次魚雷罐車大修后烘干、烘干的溫度記錄數據進行誤差分析。

燃燒控制系統溫度變化的標準差，按照式（2）進行計算。

式中，σ為溫度變化的標準差；xi為溫度實測值；x為xi對應的溫度設定值；n為溫度測量數。

經過計算σ=0.48，所以xi=x±3σ=x±1.44℃。

在燃料煤氣熱值固定，空氣與燃料壓力、流量保持穩定的前提條件下，燃燒控制系統實現了對混鐵車烘干、烘干過程的升溫控制，燃燒溫度的控制精度小于±1.5℃。

4 結論

以寶鋼魚雷罐車烘干設備的燃燒控制系統作為研究對象，主要取得了如下成果：

1）以霍尼韋爾HC900計算機集散式中央控制系統組建的燃燒控制系統替換原先的DDZ-Ⅲ型電動單元組合儀表，提高了系統的運行速度與穩定性，優化了人機操作界面，相對提升了自動化控制程度；

2）將燃料的單路流量測量、控制方式改為并聯雙路流量測量、控制方式，在對舊管路不做大改造的情況下實現了燃料流量調節范圍的倍增；

3）串級并聯雙交叉限幅PID控制方式外加空燃比的分段設定，確保整個系統始終維持節能、環保、安全的最佳燃燒狀態，升溫過程的溫度控制精度達到滿量程的0.1%；

4）將模糊自適應整定PID控制應用于現有的控制系統，在燃料煤氣熱值不確定，空氣與燃料壓力、流量不穩定的條件下，通過對串級并聯雙交叉限幅PID控制3個參數（kp、ki、kd）的在線實時自整定，仍能實現符合工藝要求的升溫過程。

【1】吳懋林，張永宏，楊圣發，等.魚雷罐鐵水溫降分析[J].鋼鐵，2002，37 (4)：13-15.

【2】楊圣發，張曉麗，吳懋林，等.鐵水輸送過程中的在線溫度預測模型[J].控制理論與應用，2002(4)∶10-14.

【3】涂衛國，劉廣林，劉日新.高效節能型鋼包烘干器的研究和設計[J].鋼鐵，2000(7)∶48-52.

【4】張富信，潘遠革.低熱值燃料在鋼包高溫快速烘干工藝中的應用[J].工業爐，2000(2)∶48-51.

【5】向順華，周仁義，劉鐵樹，等.寶鋼鐵水輸送過程中溫度預報傳熱模型的研究[J].控制理論與應用，2002(2)∶23-26.的變異系數均不超過10%，符合《土壤環境監測技術規范》（HJ/T 166—2004）的數值為3.8%，表明檢測結果能夠滿足精度要求。這種針對Hg元素的檢測方法，具有操作簡單、結果可靠、重現性好的優點。

Reformation of Combustion Control System of the Torpedo Car Baking Equipment

XU Dong-bin
（Shanghai Baosteel Industry Technological Service Co.Ltd.,Shanghai 201900,China）

Torpedo car baking technology is widely used in the maintenance process by iron and steel enterprises at home and abroad.It is the last step in the lining maintenance of the torpedo car,as well as a key step.Baking quality directly affects the span life of the lining of the torpedo car,as well as the drop of temperature of the hot metal.Through in-depth analysis and research of the existing problems of the torpedo car baking equipment in Baosteel,a viable reformation scheme is carried out by applying PID control and fuzzy control.After the implementation of the reformation scheme,some test data are collected,and the data are processed and analyzed,to further improve the reformation design scheme.

torpedo car;baking equipment;combustion control;PID control;fuzzy control

TH165；TP273

A

1007-9467（2016）09-0085-04【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.09.036

2016-09-03

許棟斌（1980～），男，上海人，工程師，從事儀表工程技術研究。