加熱爐智能燃燒控制技術(shù)應(yīng)用

畢英軍 梁慶峰 張軍 周旭朋

摘 要：在加熱爐原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加智能優(yōu)化燃燒控制系統(tǒng)完成對(duì)加熱爐的節(jié)能優(yōu)化控制。通過增加殘氧、CO檢測(cè)分析設(shè)備、燃燒式（測(cè)量殘氧含量）熱值儀及相應(yīng)的軟件計(jì)算，實(shí)現(xiàn)燃料和助燃空氣的自動(dòng)調(diào)節(jié)，進(jìn)行爐溫控制。

關(guān)鍵詞：智能燃燒;分析設(shè)備;自動(dòng)調(diào)節(jié)

安鋼260機(jī)組使用一座步進(jìn)式加熱爐，來料為150mm2斷面6-12米連鑄坯。燃料采用安鋼南三管網(wǎng)的高、焦、轉(zhuǎn)混合煤氣。該加熱爐于2011年建成，在生產(chǎn)運(yùn)行中主要存在以下問題：在實(shí)際生產(chǎn)中，由于煤氣發(fā)生量和使用量的變化、導(dǎo)致高焦轉(zhuǎn)混合煤氣使用配比不穩(wěn)定等因素會(huì)影響煤氣熱值的大幅度波動(dòng)。而加熱爐完全靠人工經(jīng)驗(yàn)和人工觀測(cè)到的爐況進(jìn)行調(diào)整，爐溫穩(wěn)定性差，燃料和助燃空氣的調(diào)節(jié)完全靠人工調(diào)節(jié)，加熱爐的生產(chǎn)率和熱效率不高。同時(shí)隨著生產(chǎn)工藝的提高，要求加熱爐出鋼溫度在長(zhǎng)度、斷面上進(jìn)行精準(zhǔn)控制，使得該加熱爐燃燒系統(tǒng)手工調(diào)火已經(jīng)不能滿足工藝需求。

1 加熱爐情況簡(jiǎn)介

該加熱爐為直進(jìn)側(cè)出步進(jìn)梁式加熱爐，采用單排布料。加熱爐爐長(zhǎng)23m，寬13m，分為四段，即預(yù)熱段、加熱I段、加熱II段和均熱段。加熱爐的預(yù)熱段不設(shè)燒嘴，在加熱段和均熱段上部都為平焰燒嘴，下部為直焰燒嘴。

煤氣分支總管上裝有調(diào)節(jié)閥及壓力計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)通過手動(dòng)調(diào)節(jié)閥后壓力，無法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)，無法保證煤氣分支總管閥后壓力穩(wěn)定。

煤氣分支總管經(jīng)8個(gè)支管向燒嘴輸送煤氣，且每個(gè)煤氣支管上都安裝有調(diào)節(jié)閥和流量計(jì)，現(xiàn)場(chǎng)操作是通過人工觀察各控制段檢測(cè)溫度，手動(dòng)調(diào)節(jié)各段空氣、煤氣閥門開度，控制精度低，反應(yīng)遲緩，并且無法保證合理的空燃比，無法保證充分燃燒。煤氣熱值變化較大，且無熱值儀，無法檢測(cè)熱值的變化并作出相應(yīng)的控制措施。

2 工藝需求

加熱爐的生產(chǎn)任務(wù)是將鋼坯加熱到軋鋼工藝要求的溫度范圍，以保證正常軋制。保證鋼坯加熱質(zhì)量，使鋼坯出爐溫度達(dá)到目標(biāo)，滿足軋制要求;實(shí)現(xiàn)燃料的合理燃燒，提高燃料利用率，降低能耗。

3 控制目標(biāo)

通過煤氣分支總管壓力控制系統(tǒng)，達(dá)到煤氣分支總管壓力的穩(wěn)定;通過實(shí)現(xiàn)煤氣流量與爐溫的串級(jí)控制、煤氣流量與空氣流量的比值控制，實(shí)現(xiàn)燃燒系統(tǒng)的自動(dòng)控制，確保加熱爐可以長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行;通過熱值補(bǔ)償控制系統(tǒng)，對(duì)閥門開度進(jìn)行有效補(bǔ)償;通過殘氧控制，確定實(shí)時(shí)最優(yōu)空燃比，使系統(tǒng)始終運(yùn)行在最佳燃燒區(qū)，在提高加熱爐的加熱效率的同時(shí)減少氧化燒損，達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

4 總體方案

系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則是在加熱爐原系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過外接熱備控制系統(tǒng)完成對(duì)加熱爐的節(jié)能優(yōu)化控制。通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器，與原PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，爐溫預(yù)設(shè)定優(yōu)化系統(tǒng)是通過讀取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)服務(wù)器數(shù)據(jù)和紅外溫度檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)到的鋼坯表面溫度，得到最優(yōu)爐溫設(shè)定值，并發(fā)給燃燒控制系統(tǒng)，計(jì)算得到流量的閥門開度下發(fā)給原PLC控制系統(tǒng)。燃燒控制系統(tǒng)是通過分支總管煤氣壓力控制系統(tǒng)保持煤氣壓力穩(wěn)定;并采用爐溫—煤氣流量串級(jí)控制、煤氣流量—空氣流量比值控制，殘氧控制調(diào)節(jié)最佳空燃比，根據(jù)煤氣熱值的波動(dòng)對(duì)煤氣閥門進(jìn)行補(bǔ)償?shù)木C合控制系統(tǒng)。

（1）煤氣分支總管壓力控制系統(tǒng)。現(xiàn)場(chǎng)通過手動(dòng)調(diào)節(jié)閥后壓力，且一般處于全開狀態(tài)，為了保證閥后的壓力穩(wěn)定，對(duì)分支總管的煤氣壓力調(diào)節(jié)閥進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。

（2）溫度—流量串級(jí)比值控制。各回路采用溫度—流量串級(jí)比值控制。

（3）殘氧尋優(yōu)控制。根據(jù)預(yù)熱段檢測(cè)的殘氧信號(hào)，首先優(yōu)化整體空燃比系數(shù)，根據(jù)各回路的煤氣流量采用專家自尋優(yōu)確定各回路的空燃比系數(shù)分配。

（4）煤氣熱值補(bǔ)償系統(tǒng)。通過歷史數(shù)據(jù)，對(duì)煤氣熱值偏差、煤氣閥門開度補(bǔ)償量，采用數(shù)據(jù)挖掘的方式，建立熱值補(bǔ)償模型。當(dāng)煤氣熱值存在偏差時(shí)，通過模型輸出煤氣閥門補(bǔ)償量。考慮其他因素的影響，微調(diào)模型參數(shù)。空燃比尋優(yōu)控制模塊為雙閉環(huán)串級(jí)控制，提供最佳空燃比，煤氣熱值補(bǔ)償模塊根據(jù)熱值波動(dòng)對(duì)煤氣閥門進(jìn)行補(bǔ)償。

5 爐溫預(yù)設(shè)定優(yōu)化系統(tǒng)

爐溫預(yù)設(shè)定優(yōu)化系統(tǒng)主要完成對(duì)爐內(nèi)鋼坯溫度分布的實(shí)時(shí)跟蹤與爐溫的在線優(yōu)化，實(shí)時(shí)為燃燒系統(tǒng)提供最佳的爐溫設(shè)定值。

（1）爐溫?cái)M合。鋼坯的升溫過程由爐溫來決定，鋼坯進(jìn)入加熱爐后，以一定的速度在爐內(nèi)移動(dòng)，所以進(jìn)行鋼坯溫度計(jì)算時(shí)需要首先確定鋼坯所在位置的爐溫。因此需要根據(jù)熱電偶分布狀況和實(shí)時(shí)測(cè)得的爐溫，擬合得到沿爐長(zhǎng)方向的爐溫分布曲線。

（2）鋼坯跟蹤模型。該模型實(shí)時(shí)跟蹤每塊入爐鋼坯的位置與該位置的鋼坯溫度分布。并可預(yù)測(cè)在當(dāng)前爐溫分布條件下，到達(dá)出爐位置時(shí)該鋼坯內(nèi)部溫度分布，以給出鋼坯表面預(yù)測(cè)溫度、鋼芯預(yù)測(cè)溫度及鋼坯斷面溫差。

6 硬件、軟件方案

采用上、下位機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)模式。在主控機(jī)上，完成兩部分工作，第一部分為主程序邏輯，包括：系統(tǒng)與原系統(tǒng)的切換邏輯、數(shù)據(jù)采集及存取、數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)與更新、專家策略的實(shí)時(shí)生成、人機(jī)界面交互等。第二部分為：加熱爐燃燒控制系統(tǒng)的控制策略計(jì)算。在上位機(jī)中，主要完成爐內(nèi)鋼坯溫度跟蹤模型及爐溫設(shè)定值優(yōu)化模型的在線尋優(yōu)。

7 結(jié)論

綜上所述，通過對(duì)安鋼260機(jī)組加熱爐進(jìn)行智能燃燒改造，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該加熱爐煤氣熱值和全爐燃燒狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過對(duì)各段燃燒進(jìn)行控制、自動(dòng)調(diào)節(jié)各段空燃比例，克服煤氣熱值波動(dòng)帶來的爐溫、鋼溫的波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)合理的空燃比和低氧燃燒，提高了加熱爐的生產(chǎn)率和熱效率，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗，經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益顯著。

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