軋鋼加熱爐綜合節能改造與效果分析

周 楓 張晟昊

上海市質量監督檢驗技術研究院

0 引言

加熱爐是鋼鐵企業軋鋼生產的主要工藝設備，其能耗占軋鋼工序總能耗的75%～80%。軋鋼加熱爐的質量控制直接關系到經濟效益，并對提高加熱爐壽命、降低鋼坯燒損、提高成材率、節能降耗等有重要意義。本文以軋鋼加熱爐智能燃燒控制和配套風機系統節能改造為背景，介紹了項目改造方案和技術原理，并對節能效果進行驗證。

1 加熱爐現狀及改造目標

加熱爐的任務是按軋機的軋制節奏將鋼坯加熱到工藝要求的溫度水平，鋼坯經過加熱爐加熱（加熱爐對壓力、溫度和空燃比等具有一定要求），達到出鋼溫度后即可出爐。并在保證優質、高產的前提下，盡可能地降低燃料消耗、減少氧化燒損。

1.1 現有加熱爐存在的問題

1)燃燒控制以手動為主，無法保證控制精度。

加熱爐系統鼓風機和煤氣加壓機將空氣和煤氣送至蓄熱箱預熱至900℃以上噴入爐膛。加熱爐分為四個供熱段，兩側上下有空氣和煤氣蓄熱燒嘴供熱，采用各段爐溫制度；空氣和煤氣側引風機將低于150℃的煙塵排入空中，手動調節各供熱段的流量和空燃比，通過上下燒嘴的能力和煤嘴前閥門手動調節供熱量，出鋼溫度波動較大。

2)加熱爐鼓風機主要是將空氣送入加熱爐內，起到混合、擾動和加強燃燒的作用。

空氣引風機和煤氣引風機將加熱爐內燃燒后的氣體排入大氣，并保證爐內壓力維持在工藝需求范圍內。改造前供風調節、爐壓控制、排煙量通過閥門調整，因此風機系統的能耗較高。

1.2 加熱爐綜合節能改造目標

1)通過智能燃燒控制系統改造，提供更合理的爐溫制度和供熱制度，確保滿足各類鋼種、規格和產能情況下的加熱質量要求。

2)在燃燒控制上，采用模糊算法和改進的PID控制技術，實現全爐鋼坯溫度的準確計算，使鋼坯出爐溫度更易達到目標溫度的合適范圍，使軋制線的各種工藝技術得以可靠實現。

3)滿足加熱質量前提下的鋼溫允許工藝范圍的低限供熱，最大限度降低燃耗，實現節能、降低氧化燒損、減小脫碳層厚度的綜合效果。

4)提供更多的鋼坯加熱統計分析數據，例如鋼坯出爐溫度、各段在爐時間、各段加熱爐溫、出爐溫度等，為管理者的科學管理、科學決策提供可靠依據。

5)將鼓風機、引風機系統的連接方式由原來的電機+風機改為電機+永磁調速裝置+風機；閥門全開，工藝參數通過永磁調速裝置調節風機的工作轉速實現。

2 項目改造技術方案

2.1 智能燃燒控制系統

2.1.1 爐溫控制

對于每段爐溫的控制回路，由爐頂的2支熱電偶測得溫度值參與爐溫調節，操作員可在HMI上任意選擇。

1)改進型雙交叉限幅控制方法

相對于串級比值方法，為了更精細地控制空燃比，出現了帶有雙交叉限幅的串級比值控制方法，簡稱雙交叉控制方法。優點是能有效控制動態空燃比，缺點是限幅犧牲了系統跟蹤負荷變化的速度，降低了系統的響應速度。控制原理如圖1所示。為進一步提高響應速度，改進型雙交叉方法將限幅系數設為可根據溫度偏差自動修正，以便在溫度偏差較大時減弱或取消限幅功能，即限幅系數是動態的，將大幅提高控制系統的響應速度。

圖1 控制原理圖

2)空氣過剩系數u自動修正策略

根據燃燒理論，理論空氣過剩率與燒嘴負荷之間的關系如圖2所示。隨著生產負荷的變化，理論空氣過剩系數也應隨之變化。這種變化的空氣過剩系數修正策略有利于提高燃燒效率，降低氧化燒損。此外，在常規控制的低負荷狀態時，為了保證在小流量情況下使空氣和煤氣能充分地混合燃燒，必須在相應的煤氣流量的情況下，適當加大空氣流量，以保證在小流量情況下的合理燃燒。

圖2

3)爐溫模糊控制技術

鑒于溫度對象的大滯后，僅靠常規PID控制調整造成響應速度慢，超調量大。一方面通過供熱需求分析建立燃料的消耗量與生產能力（生產率）之間的基本函數關系；另一方面，根據操作經驗將加熱爐分為幾種典型工況，制定相應的決策規則。在此基礎上，建立爐溫模糊控制器。為了保證系統運行的可靠性，模糊控制器采用前饋結構實現，既保證了根據生產情況模糊決策對流量控制的作用，又兼顧了PID的控制作用。實際上，生產比較平穩時，爐溫模糊控制器輸出基本沒有變化，PID起主要作用；當生產率變化時，往往是在溫度發生波動前，模糊控制器會超前PID起作用，且直接作用流量改變。這種控制技術可以起到提前修正作用，從而提高控制系統的響應速度。

2.1.2 爐膛壓力的調節

引入風機永磁調速技術自動調整排煙量，根據煤氣供應量參數，系統設定引風機轉速，實現風機永磁調速閉環設定，保持一定風機總管壓力。

爐膛壓力主要通過設于排煙管道上調節閥的開度進行調節，正常情況下應保持爐膛微正壓20Pa,以防止外部冷氣侵入和火焰外逸。以均熱段爐壓測點為被控參數，以各段電動調節閥為操縱量。從爐氣平衡出發，煙道排煙量應與供風量相平衡，故采用前饋－反饋控制方式，見圖3。

圖3 爐膛壓力調節控制系統

由于爐門經常開關，會引起爐膛內壓力頻繁波動。在測量值經常變化的情況下煙道擋板易產生振蕩，不能進行有效的控制。為此，設計開關爐門時控制輸出鎖定保持功能，即開關爐門時，位置保持不變，到位后恢復調節功能。

2.1.3 供風壓力調節

人工HMI設定鼓風機總管系統壓力，系統實現風機轉速閉環控制，保持供風系統壓力。

2.2 永磁調速系統

永磁調速裝置的控制方式分為現場手動、遠程手動和DCS自動,見圖4。在風機調速應用中，參與閥門聯動，配合現場控制系統，滿足現場連鎖要求。

圖4 PLC系統控制柜控制/直接控制永磁調速裝置

3 項目節能效果分析

3.1 智能燃燒控制系統的改造效果

3．1．1 合理空燃比，控制殘氧量

加熱爐采用高爐煤氣做燃料，空氣助燃，控制好空燃比（空氣流量與煤氣流量之比），將加熱爐內氣氛的殘氧量控制在≤2%范圍內。

3．1．2 調節爐溫，優化出鋼溫度

根據鋼坯加載量、燃料壓力和爐膛壓力等因素自動調節爐溫，使各段溫度穩定在燒制要求的范圍內，可適應不同的軋鋼節奏、給料變化，優化目標出鋼溫度，自動調節爐溫，使溫度制度達到最佳。

3．1．3 動態調節，熱效率最佳

動態調節爐壓、蓄熱體和排煙溫度，使加熱爐熱效率達到最佳。基于目標出鋼溫度、爐內溫度、壓力、空燃比、軋制節奏、給料變化的動態優化模型，構建相應的控制算法，實現最佳燃燒工況。

3．1．4加熱爐燃燒自動控制系統除了最直接的節電效益外，還能實現以下效益。

1)減少煤氣消耗，降低生產成本；

2)降低氧化燒損，提高產品成材率，增加直接效益；

3)減少氧化皮，成品品相改善，提升產品質量；

4)降低鋼脫碳層的厚度；

5)減少硫化物、氮氧化物排放，緩解公司環保方面壓力；

6)優化裝置運行工況，設備故障率和維護成本下降（例如蓄熱體、軋線設備壽命延長）；

7)裝置運行自動化程度提高，降低工人工作強度，避免發生操作失誤。

3.2 永磁調速系統的改造效果

改造后的供風調節、爐壓控制、排煙量是通過永磁調速裝置調整風機轉速，在相同的工藝要求下，加熱爐的鼓、引風機系統有明顯的節電效果。鼓風機改造前最小工作電流13A～14A，改造后工作電流為8．6A。煤引風機改造前最小工作電流13A～14A，改造后工作電流為9A。空引風機改造前最小工作電流為11A～12A，改造后工作電流為8A。

3.3 項目改造節能計算

1)項目能源消耗數據收集

項目改造過程對相關能源計量進行了完善，煤氣和電力均配備單獨計量，為驗證項目節能量，在正常生產情況下，改造前后各選取一個月的運行數據進行統計，見表1。

表1 改造前后1個月的運行數據

2)節能率計算

節能量計算涉及的能源品種為電力和高爐煤氣。電力的等價值折標準煤系數按上海統計局規定的0．288kgce/kWh，高爐煤氣的熱值采用現場熱值分析儀表采集數據742kcal/Nm3，因此高爐煤氣折標準煤系數＝742÷7 000=0．106 kgce/Nm3

改造前單位產品綜合能耗=4．48×0．288+341．57×0．106=37．50 kgce/t

改造后單位產品綜合能耗=3．10×0．288+322．21×0．106=35．05 kgce/t

項目綜合節能率=（37．50-35．05）÷37．50×100%=6．53%

通過測算，噸鋼能耗降低6．53%，達到了預期節能效果。

4 結論

該項目改造后已進入運行階段，目前加熱爐的爐況穩定，溫度控制精度高，鋼錠和鋼坯加熱均勻，加熱質量好，不僅減少了氧化燒損，而且噸鋼能耗降低。因此，提高軋鋼加熱爐的能耗水平對鋼鐵企業的節能有著重要意義。