連續(xù)退火爐燃燒控制優(yōu)化設(shè)計(jì)

張立根，王海波，翟晨義

ZHANG Li-gen1,WANG Hai-bo2,ZHAI Chen-yi2

（1. 河北鋼鐵集團(tuán)衡水薄板有限責(zé)任公司，衡水 053000；2. 北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120）

0 引言

連續(xù)退火爐爐溫控制系統(tǒng)中，對(duì)于燃燒控制，由于空燃比設(shè)定不合適或由于動(dòng)態(tài)空燃比近乎失控的問題，經(jīng)常出現(xiàn)不完全燃燒而產(chǎn)生黑煙或空氣過剩而形成的巨大熱損失和環(huán)境污染，因此需要研究高水平的燃燒控制技術(shù)，改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性，維持空燃比最優(yōu)，提高控制器的控制效果。

1 雙交叉燃燒控制基本原理

本文中采用雙交叉控制實(shí)現(xiàn)退火爐的燃燒控制。其控制的基本原理為：爐溫控制器的輸出信號(hào)決定燃?xì)饬髁拷o定值，并通過空燃比 設(shè)定計(jì)算得出空氣流量給定值，然后空氣回路和燃?xì)饣芈犯鞒砷]環(huán)調(diào)節(jié)，而在兩個(gè)閉環(huán)調(diào)節(jié)過程中燃?xì)饬髁颗c空氣流量相互制約，從而維持空燃比穩(wěn)定，改善燃燒狀況。具體實(shí)現(xiàn)來說，在燃?xì)饪刂苹芈泛涂諝饪刂苹芈分芯O(shè)置低選和高選的比較選擇器，比較的參考信號(hào)是根據(jù)實(shí)際空氣流量計(jì)算無欠氧燃燒時(shí)燃?xì)饬髁可舷藓蜔o過氧燃燒時(shí)燃?xì)饬髁肯孪?；根?jù)燃?xì)鈱?shí)際流量計(jì)算無過氧燃燒時(shí)空氣流量上限和無欠氧燃燒時(shí)空氣流量下限。再與溫度控制器輸出的要求流量進(jìn)行比較后組成雙交叉限幅選擇控制[1]?？刂瓶驁D如圖1所示。

2 雙交叉燃燒控制過程分析[2]

雙交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)不僅能在熱負(fù)荷恒定的工況下保持適當(dāng)?shù)目杖急?，而且在熱?fù)荷變化的工況下，仍能保持適當(dāng)?shù)目杖急?，從而?yōu)化燃燒狀況

2.1 穩(wěn)定負(fù)荷工況

假設(shè)熱負(fù)荷恒定，系統(tǒng)處于某一平衡狀態(tài)。此時(shí)

式(1)中：Af為空氣流量實(shí)測(cè)值；Gf為燃料流量實(shí)測(cè)值。

在這種狀態(tài)下，下列條件成立：

圖1 雙交叉爐溫控制框圖

式(2)(3)中：A0、G0為爐溫控制器輸出的空氣和燃?xì)庠O(shè)定值。

2.2 熱負(fù)荷增加工況

假設(shè)熱負(fù)荷增加，系統(tǒng)需要升溫。爐溫控制器輸出增大，系統(tǒng)所處平衡狀態(tài)被破壞。爐溫控制器輸出設(shè)定值A(chǔ)0、G0上升，從而空氣和燃?xì)鈱?shí)際流量Af、Gf也隨著增大，由于調(diào)節(jié)閥存在滯后性，非線性和慣性，空氣和燃?xì)饬髁康恼{(diào)節(jié)速度存在差異，一般情況下，燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥速度較快，相應(yīng)燃?xì)饬髁肯鄬?duì)空氣流量增加速率較快，從而造成動(dòng)態(tài)的空燃比降低，但此時(shí)雙交叉限幅會(huì)起調(diào)節(jié)作用。

2.3 熱負(fù)荷減小工況

根據(jù)以上分析，負(fù)荷增加升溫時(shí)即使燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥的慣性小于空氣調(diào)節(jié)閥的慣性，但是Af的增加速率與Gf的增加速率仍可保持基本一致，不會(huì)產(chǎn)生空燃比過小現(xiàn)象，避免了空燃比過低造成的欠氧燃燒；同理負(fù)荷下降降溫時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生空燃比過大現(xiàn)象，避免了空燃比過大造成的過氧燃燒和熱損失。從而維持了空燃比穩(wěn)定在工藝要求內(nèi)，優(yōu)化了燃燒狀況。

3 空燃比自尋優(yōu)

雙交叉限幅可以使實(shí)際空燃比穩(wěn)定在設(shè)定的范圍內(nèi)。接下來空燃比設(shè)定值合適與否對(duì)燃燒效率影響巨大。分析發(fā)現(xiàn)，燃燒效率與空燃比之間存在極值關(guān)系。這就為空燃比的自尋優(yōu)提供了前提條件。

自尋優(yōu)控制器在爐溫穩(wěn)定后進(jìn)行工作，以燃?xì)庀牧孔钚橹笜?biāo)，尋找最佳的空燃比，一旦爐溫波動(dòng)過大需停止尋優(yōu)。

自尋優(yōu)搜索的步長(zhǎng)可以是固定的也可以是變步長(zhǎng)。其程序框圖如圖2所示。

圖2 空燃比自尋優(yōu)框圖

4 仿真與應(yīng)用

為驗(yàn)證雙交叉控制策略的有效性，本文采用MATLAB對(duì)其進(jìn)行了仿真，仿真模型如圖3所示。仿真過程為：0S時(shí)爐溫從穩(wěn)態(tài)700℃升到1000℃，1000S后，再降到700℃。

圖3 雙交叉仿真模型

圖4 雙交叉仿真空燃比曲線

圖5 空燃比自尋優(yōu)曲線

從圖4中可以看出，在0-300s溫度上升時(shí)，空燃比相對(duì)偏??；在1000s-1300s溫度下降時(shí)，空燃比相對(duì)偏大，與分析吻合。但由于雙交叉限幅控制，空燃比偏差在可控范圍內(nèi)。本例中，空燃比設(shè)定值為3，實(shí)際誤差為 ，可以滿足實(shí)際需求。這也驗(yàn)證了雙交叉限幅的有效性。此期間，系統(tǒng)也能夠較快的升溫和降溫，滿足爐溫控制要求。

對(duì)空燃比自尋優(yōu)也進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，模型的最佳空燃比是3，初始設(shè)定值為2.5。爐溫穩(wěn)定后1200S開始自尋優(yōu)。

圖5表明自尋優(yōu)可以達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，且仿真結(jié)果表明尋優(yōu)過程中爐溫波動(dòng)在 攝氏度以內(nèi)。

由此可見雙交叉控制和空燃比自尋優(yōu)不僅滿足爐溫控制需要，也能有效優(yōu)化燃燒狀況，因此可以將其轉(zhuǎn)換為實(shí)際應(yīng)用。目前雙交叉控制策略和空燃比自尋優(yōu)已經(jīng)應(yīng)用于某廠連續(xù)退火爐爐溫控制中，效果良好。

[1] 湯秀琴.雙交叉燃燒控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].鞍山鋼鐵學(xué)院學(xué)報(bào),2001,12(24)：422.

[2] 竇坦明.臥式連續(xù)退火爐控制系統(tǒng)及加熱區(qū)溫度控制優(yōu)化.武漢科技大學(xué),2006：34-35.