天然氣氣氛無氧化爐燃燒控制策略研究

汪 洋，鄒漢強，張興輝

（武漢鋼鐵有限公司，湖北武漢 430083）

0 引言

某硅鋼廠CP6 機組無氧化爐（NOF）在建設之初，采用煤氣作為燃燒介質，焦爐煤氣熱值約16 726～17 081 kJ/m（34000～4300 kcal/m3）。在2019 年，為了延長設備壽命和加熱能力和提高生產質量和成材率，將CP6 機組改用比煤氣熱值更高的天然氣作為無氧化爐的燃燒介質。由于天然氣熱值比較高，約35 544 kJ/m（38500 kcal/m3），流量的變化對爐溫的變化影響非常大；且NOF 分為多段，段與段之間是連通的，各爐段間的溫度變化相互影響，每段支路采用雙交叉控制策略單獨控制時，在變換工藝或作業時，整個NOF 的爐溫波動非常大（±100 ℃），且達到穩態的時間非常長（約2 h），大大降低了成材率和生產效率。

1 NOF 燃燒現狀

硅比鐵更易氧化，因此硅鋼在氧化氣氛（含有O2、CO2、H2O等）氣體中極易氧化，且其反應是不可逆的。硅鋼板帶表面一旦形成SiO 膜，便成為阻礙層。基體中碳元素無法向表面擴散，后面均熱爐段內脫碳反應也將停止，造成碳含量超標，磁性劣化。因此，取向硅鋼脫碳退火通常采用輻射管隔焰加熱方式，將帶鋼加熱到退火溫度，保證硅鋼加熱過程中不會發生超標的外氧化。王杰教授[1-2]在武鋼硅鋼改擴建工程時通過試驗論證了PH/NO 爐溫度控制在700 ℃以下，取向硅鋼脫碳合格率為100%；若將爐溫升高，板溫控制在350～400 ℃，仍能獲得質量良好的產品，認為通過合理控制無氧化爐的控制參數，機組改造為取向硅鋼脫碳退火機組時完全可以保留無氧化爐。

宋曉娜等[3]模擬研究了PH/NOF 爐的輻射傳熱過程，得到爐長方向帶鋼溫度、爐壁溫度、帶鋼表面熱流等方面的結果，為指導PH/NOF 爐設計給出了依據。戴方欽等[4]以三元模型[5]模擬了某鋼廠高牌號無取向硅鋼生產線的PH/NOF 爐爐內綜合傳熱，計算了帶鋼在爐內溫度變化過程，得出帶鋼溫度分布曲線，并與實際生產時工藝要求帶鋼溫度進行對比，驗證了模型的合理性。賈麗娣等[6]根據熱鍍鋅帶鋼對退火過程的工藝要求，分析了燃料爐內無氧化氣氛形成機理及在實際煤氣成分波動對爐內氣氛的影響，提出了無氧化段明火燒嘴工藝參數合理控制方法。

馮樹森[7]、王能旺[8]等針對加熱爐燃燒系統，采用了模糊PID（比例、積分和微分）控制算法，用模糊推理方式自整定PID控制參數，用于加熱爐控制系統。陳發廣[9]在雙蓄熱步進式加熱爐蓄熱式燃燒控制中，在雙交叉限幅控制策略的基礎上，提出了溫度前饋型雙交叉限幅控制策略，取得了較好的控制效果。陶麗杰等[10]利用監測煙氣中氧含量動態改變空燃比，采用雙交叉限幅控制原理，構建了蓄熱式加熱爐控制系統。

但上述研究主要針對的是采用煤氣作為燃燒介質的情況，分析了NOF 內部溫度分布，或蓄熱式加熱爐的控制方法。采用天然氣后，由于天然氣的熱值更高，加熱速率更快；且采用熱值更高的天然氣后，NOF 各段之間溫度變化對相鄰爐段溫度穩定性影響更為突出。但從目前所掌握的文獻來看，針對天然氣的無氧化爐，目前國內外也未見相關的研究報道。而帶鋼在溫度達到750 ℃時極易氧化，無氧化段的微氧化性氣氛也會使帶鋼發生快速氧化，使帶鋼磁性降低，因此，控制帶鋼在無氧化段的出口溫度非常關鍵。

基于以上原因，本文以天然氣為燃燒介質的NOF 進行研究，優化控制策略，將雙交叉控制算法改變為單交叉算法與雙交叉算法聯合的控制策略，降低工藝變化時爐溫穩定時間、爐溫波動及相鄰段間的溫度影響。

2 NOF 配置及傳統控制算法

2.1 硅鋼NOF 配置

硅鋼廠NOF 一共有6 段，6 段NOF 的燃氣與助燃氣體由各自的單獨管道供給，燃氣與助燃氣體管道分別設置有流量控制總閥（圖1）。燃氣和助燃空氣通過各自的總控制閥后送入NOF各段，每一段作為一個單獨的支路，其燃氣和空氣分別由流量閥單獨控制，燃氣和助燃氣體通過各段的控制閥后通過多點送入爐內（圖2）。

圖1 硅鋼廠NOF 配置

圖2 NOF 單段配置

工作時，根據工藝要求設定的空氣和燃氣流量要求，首先調整總控制閥流量，然后根據各段的溫度設置要求，設置各段的流量。在每個爐段均設置有2 個熱電偶傳感器，一個工作、一個備用。熱電偶傳感器實時采集爐段溫度，作為控制系統的輸入參數，根據各段的爐溫變化，采用PID 控制算法，調整各爐段助燃氣體與燃燒氣體的流量，通過流量控制燃燒，進而實現對爐溫的控制。

2.2 煤氣燃燒下的控制算法

在硅鋼廠改建之初，保留的NOF 采用煤氣作為燃氣，空氣作為助燃氣體。由于煤氣熱值比較低，因此僅靠雙交叉限幅控制算法就能實現很好的控制效果（圖3）[10]。

圖3 雙交叉控制算法

PID 溫度調節器的溫度設定值SP 由計算機或人機界面（HMI）人工手動設定；每個控制區的測溫熱電偶采集的溫度信號為溫度測量值PV。PID 溫度調節器的輸出為A，在平衡狀態下，煤氣和空氣側的流量調節器的設定值均由PID 溫度調節器的輸出A 決定。但在非平衡狀態下進行的雙交叉限幅調節過程中的煤氣和空氣側的流量調節器設定值不完全由A 決定：當溫度測量值小于爐溫設定值時，大幅增加PID 調節器的輸出A；當溫度測量值大于爐溫設定值時，減小PID 溫度調節器的輸出A 值。升溫時，煤氣和空氣同時取上限限幅值，溫度升高，A 值逐漸變小；降溫時，煤氣和空氣同時取下限限幅值，溫度降低，A 值逐漸增大。當溫度達到設定值時，雙交叉限幅過程結束，進入平衡狀態。

3 天然氣燃燒條件下的控制策略

為了降低排放、延長設備壽命和加熱能力、提高生產質量和成材率，硅鋼廠將CP6 機組改用比煤氣熱值更高的天然氣作為無氧化爐的燃燒介質。天然氣的燃燒熱值高于煤氣，因此，燃燒過程中流量的變化對溫度的影響更為劇烈；同時，NOF 各爐段之間是互通的，相鄰爐段溫度之間的影響也更為明顯。而硅鋼生產過程中對溫度的要求極為嚴格，對爐溫控制提出了更嚴格的要求。

當采用熱值更高的天然氣作為燃燒氣體時，由于流量的變化對溫度影響劇烈，每段支路在采用雙交叉控制算法時，當變換工藝或變換作業時，表現出明顯不足：①從流量切換到整個爐溫穩定在預設值附近，往往需要2 h 甚至更長時間，降低了生產節奏與效率；②爐溫波動較大，約±100 ℃的溫度波動不利于產品質量的提升。這樣大大降低了成材率和生產效率，說明雙交叉控制策略并不適用于單位流量下溫度變化大和爐段間溫度相互影響比較大的爐況，開發爐溫模型以減小爐溫波動及縮短穩態時間的計劃應運而生。

為了探索天然氣作為燃氣條件下NOF 的控制參數，項目實施之初，首先針對幾種典型產品，通過反復調試得到不同溫度工藝下穩態時的參數（溫度調節器的輸出值、空氣流量、空氣/煤氣調節器輸出值等），并依此建立了樣本參數庫。由于存在很多不同的工藝和未來還未新增的工藝，不可能短時間內建立所有工藝的樣本庫。因此，項目設計了樣本匹配算法，即通過樣本庫中已經存在的樣本建立的樣本區間，搜索與當前工藝最接近的樣本作為模型的輸出樣本。以輸出樣本作為新工藝的初步控制參數，建立單交叉控制算法，即將輸出樣本中的空氣/煤氣調節器輸出值賦值給空氣/煤氣調節器，并將空氣流量賦值給空氣流量調節器的設定值，并按照空氣流量（依據預設的空燃比設定）作為煤氣流量調節器的設定值，這樣既可以實現空氣/煤氣流量的快速調節，又可以保證空氣流量和煤氣流量按照預設空燃比進行流量控制。

進行單交叉控制時，結合所建立的穩態判定算法，即通過判定各段實際爐溫與設定值之間偏差的絕對值小于10 ℃，則認為系統達到穩態，此時再恢復雙交叉控制進行精調。由于爐溫模型采用了先粗調后精調的策略，相比原來雙交叉控制策略，爐溫模型融合了大數據及單交叉的控制策略，使系統能夠快速響應的同時又能保證空燃比的精確控制。

經過兩年多的在線測試，當變換工藝的時候爐溫波動不超過±25 ℃，最小穩態時間縮短至15 min 左右，滿足了生產工藝要求。通過多年連續有效的運行，說明本控制策略對采用天然氣作為燃燒介質的無氧化爐具有很好的適用性，且提高了生產節奏及爐溫控制精度，為提速增產增效打下了堅實的基礎。

4 結語

針對某硅鋼廠采用天然氣作為燃燒介質的無氧化退火爐在生產工藝發生變化，需要調整爐溫時，爐溫穩定時間長、波動大的問題，提出了單交叉控制算法結合雙交叉控制算法的新的控制策略，替代原有單一的雙交叉控制算法，實現了工藝調整時，爐溫的快速穩定及穩定時較高的精度。實踐結果顯示，采用新的控制策略后，爐溫穩定時間由原來控制算法下的2～3 h，下降到約0.25 h，爐溫波動由原來的±100 ℃左右降到±25 ℃。

經過兩年多時間的運行，運行效果證明了本控制策略對于天然氣氣氛的無氧化爐具有很好的適用性。后期研究中會根據現有的歷史數據，采用人工智能算法訓練爐溫預測模型，在新的控制策略下，根據預測模型得到的控制參數，并結合現有改進算法，精確控制爐溫并降低其波動。