摘要：在我国快速发展的过程中，我国的综合国力在快速的发展，社会在不断的进步，针对加热炉燃烧系统中燃烧效率低、环境污染大的问题，设计了1套基于某钢铁企业自动控制系统的工业加热炉燃烧策略，针对加热炉燃烧控制中的主要参数:空煤配比系数、空气流量、煤气流量和残氧数据等，设计了利用高、焦炉煤气流量进行混合煤气热值计算的控制系统，从硬件和软件上对传统人工设定空煤配比系数的控制进行改进，并成功投入现场运行。运行跟踪效果表明，系统控制效果优良，有效改善了加热炉燃烧效率低下及环境污染大的问题。
关键词：空煤配比系数；空气流量；煤气流量；煤气热值；残氧分析仪；串级双交叉限幅控制
引言
加热炉在燃烧过程中，由于燃料(煤气)压力和热值波动、轧制节奏变化频繁，加之燃烧控制为工人手动调节，炉中的气氛和温度系统未被自动优化，所以导致加热炉燃烧效率低，能耗和氧化烧损高。随着能源管理的精细化以及产品质量要求的不断提升，人工手动控制加热炉的燃烧及钢坯的加热过程已不能满足现状，炉膛燃烧的自动控制势在必行。但炉膛燃烧过程是个典型的复杂系统，受随机因素干扰，具有大惯性、纯滞后、多变量、强耦合、非线性的特征，如采用传统的控制算法，难以投入全自动运行方式。高级过程控制(APC)是控制策略的总称，与传统的PID单回路控制不同，这类技术要求有高级工业过程控制的数学描述，并带有人工智能的性质。目前，已有数千个APC项目在各国投入运行，其可观的经济效益得到了全世界的认可。例如，杜邦每年可以通过改进APC来节省5亿美元;马来西亚石油公司的一家炼油厂实施了APC改造，年收益为570万美元;美国SimSci公司投入的适用于石化常压和减压蒸馏装置的在线优化系统，协同价值高达每年500万美元。本文主要介绍的为APC在加热炉燃烧过程中的应用，分析了其对钢坯氧化烧损的影响。
1加热炉自动化控制系统架构描述
加热炉自动化控制系统的控制范围从连铸运输辊道开始，包括4座加热炉每座加热炉，直到除磷前最后一根辊道。主要包括：板坯库辊道，4座步进梁式炉前、炉后辊道，加热炉本体设备及其液压站、汽化冷却系统、干油及其它辅助生产设备的电气仪表设备（包括仪表燃烧系统、汽化冷却系统、基础自动化系统硬设备及配套软件等）。加热炉自动化控制系统由两部分组成：基础自动化系统（L1）与自动化控制计算机系统（L2）。1）基础自动化系统（L1级）L1级：即基础自动化系统，主要实现以下功能：信号采集及处理、板坯库辊道控制、装炉辊道的控制、板坯在核对和装炉辊道上定位、板坯称重测长、对中测宽、装钢机位置及行程控制、加热炉装出料侧的炉门控制、步进机械控制、出钢机前进、后退行程设定及位置控制、液压站设备控制、干油站设备控制、出炉辊道控制、返回辊道控制及数据采集、数据管理、参数设定等。2）自动化控制计算机系统（L2级）L2级：即自动化控制计算机系统，主要完成加热炉炉内的坯料跟踪、板坯温度计算，优化温度设定和数据处理及数据通讯，负责接收由三级管理计算机传送的轧制计划和轧制顺序，从辊道开始对核对完成的板坯进行跟踪，分别接收一级传送的板坯进入炉前辊道、板坯吊销、板坯入炉、步进梁移动、板坯出炉等信号，并向一级PLC发出炉前板坯定位的炉列号和抽钢指令，向模型程序提供所需的数据；给轧线二级提供抽钢顺序、炉内板坯的温度和时间信息，以及轧线二级的板坯粗轧测量信息和轧制节奏信息。
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2方案设计及改进
2.1热值仪方案
针对以上问题进行研究分析后，课题组对加热炉燃烧控制回路进行了技术改进，在传统的串级双交叉限幅控制回路中引入煤气热值检测环节，并把热值信号加入到空煤配比系数的计算中，将其值由操作工手动设定改为自动设定，使得空煤配比系数动态反映热值信号的变化，从而有效降低混合煤气热值波动因素导致炉温控制不稳定的情况发生。与传统串级双交叉限幅控制不同的是引入了热值仪来检测混合煤气的热值，并用热值信号来对人工设定的空煤气配比系数进行修正，从而得到适应热值变化的动态空煤气配比系数δ'，再对空气或者煤气流量进行配比计算，最终得到动态的上、下限幅值，从而实现动态双交叉限幅控制，使得工业加热炉传统的串级双交叉限幅控制系统更能适应加热炉热值信号的波动。引入热值仪检测的方案经某企业加热炉试运行，初期产生了非常明显的效果，但是在运行一段时间后，炉温控制又发生了不稳定的情况，对现场实际情况分析后，发现问题的根本原因在于热值仪不能很好地适应加热炉的实际情况。因为热值仪的检测原理是:在混合煤气管道上通过取样管道将被测煤气接到热值仪燃烧室中，点燃样气燃烧，测量出燃烧温度，然后根据热值仪内部的计算模型，最终得到混合煤气的热值。受热值仪工艺限制，热值仪中的煤气管道非常细，直径约5mm，而混合煤气受上道工序的影响，存在很多冶炼粉尘和焦油，在热值仪燃烧的高温环境下，这些杂质非常容易凝结成块，造成热值仪煤气管道堵塞，取样管道一旦堵塞，就会出现热值仪信号检测失真的问题，从而出现在线运行时温度控制不稳定甚至失控的严重后果。因此，解决热值仪故障就成了加热炉温度控制中一个附加的难题。这个难题最直接的解决办法就是在煤气取样管道上加装净化装置，使进入热值仪燃烧室的煤气尽可能纯净。
2.2初步测试与离线仿真
为确保安全性，APC运行前需要进行初步测试和离线仿真，包括以下几个方面:(1)检查和调整操作变量(MV)的PID回路;(2)确定变送器和控制阀的问题;(3)估计达到稳态所需的时间;(4)确定模型识别实验的适当信号幅度;(5)估算出长时延值;(6)调整设备运行所需的相关参数，如运行值的上限、下限、变化率等;(7)选择合适的数据预处理方式。投运前，APC会根据实时采集上来的装置运行状态参数，进行离线仿真运行，以检验其控制性能。如果控制性能达到预期，就可将控制器通过OPC与DCS/PLC连接，逐步将APC投入运行。在过程中，可进行“无扰切换”组态改造，将APC控制器通过切换开关与DCS/PLC隔离，随时将它设置为仿真或离线模式。在离线模式下，APC控制器将读取装置的相关实际测量值，模拟被控变量的变化规律，同时显示操作变量的期望动作值。这样，工程师就可以对模型的预测精度以及控制动作的合理性做评判和检验。
2.3混合煤气热值计算方案
燃烧废气中的残氧量受燃烧负荷及其成分的影响，当空煤配比系数过大时，残氧量偏高;反之，当空煤配比系数过小时，残氧量偏低。加热炉燃烧控制一般要保持低过剩空气的燃烧，以减少热损失，提高燃烧效率。用残氧量对空煤配比系数进行闭环修正，以保持最佳燃烧状态。除此之外，保持低过剩空气的燃烧还可以降低钢坯在炉内的氧化烧损，提高成品率，因此利用残氧量闭环修正空煤配比系数成了最佳燃烧控制又一个不可缺少的组成部分。
结语
加热炉自动化控制系统采用先进、实用、可靠的基础自动化控制系统（L1）和自动化计算机控制系统（L2），对不同钢种、不同产量、不同装钢温度条件下的炉内板坯温度进行计算和准确跟踪，并自动对炉内温度进行设定，实现加热炉全自动控制，有效提高了热轧2250mm生产节奏，使生产效益得到明显提高。
参考文献
[1]赖胜，孙德敏，吴刚，等.常压加热炉的在线燃烧优化[J].石油化工自动化，2003(2):23.
[2]张晶涛，钱晓龙，王伟，等.步进式加热炉燃烧控制的新方法[J].控制与决策，2001，16(3):269.
论文作者:毛建昆
论文发表刊物:《基层建设》2019年第16期
论文发表时间:2019/9/16
标签：加热炉论文; 热值论文; 煤气论文; 系数论文; 离线论文; 步进论文; 信号论文; 《基层建设》2019年第16期论文;