智能燃燒技術(shù)在蓄熱式加熱爐的應(yīng)用

河鋼集團(tuán)唐鋼公司信息自動(dòng)化部 王偉偉

1 引言

在蓄熱式軋鋼加熱爐的燃燒控制，目前國(guó)內(nèi)廠家普遍采用人工控制，依靠燒火工的人工經(jīng)驗(yàn)對(duì)空/燃?xì)庹{(diào)節(jié)閥的開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，不僅勞動(dòng)強(qiáng)度大，溫度波動(dòng)變化大，直接影響到鋼坯的加熱質(zhì)量，是目前熱軋生產(chǎn)線自動(dòng)化控制方面亟待解決的主要問(wèn)題之一。加熱爐智能燃燒系統(tǒng)是一種新型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，采用先進(jìn)的人工智能技術(shù)，克服了常規(guī)自動(dòng)控制方式的缺陷，具有安全可靠、控制準(zhǔn)確、無(wú)人干預(yù)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，可有效地改善加熱質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率、提高成材率和降低能耗水平。

2 一級(jí)燃燒智能控制手段

2.1 爐內(nèi)壓力控制

爐內(nèi)壓力主要通過(guò)調(diào)節(jié)排煙管道閥門開(kāi)度進(jìn)行控制，通常保持爐內(nèi)微正壓20Pa，防止外部冷氣進(jìn)入和火焰外逸。以均熱段爐壓為被控參數(shù)，以各段電動(dòng)調(diào)節(jié)閥為操縱量。從爐氣平衡出發(fā)，采用前饋－反饋控制方式保障煙道排煙量與供風(fēng)量相平衡。

圖1

爐門頻繁開(kāi)關(guān)，會(huì)導(dǎo)致?tīng)t內(nèi)壓力頻繁波動(dòng)。測(cè)量值頻繁變化會(huì)造成煙道擋板產(chǎn)生振動(dòng)，無(wú)法進(jìn)行有效控制。因此增加爐門開(kāi)關(guān)輸出鎖定保持功。

2.2 排煙溫度控制

2.2.1 控制內(nèi)容

●各段排煙調(diào)節(jié)閥的動(dòng)作命令信號(hào)。

●各段蓄熱體兩側(cè)排煙管道排煙溫度檢測(cè)信號(hào)。

2.2.2 控制方式

●自動(dòng)方式：按照預(yù)先設(shè)定的排煙溫度自動(dòng)進(jìn)行調(diào)節(jié)排煙調(diào)節(jié)閥大小，控制蓄熱體回收熱量大小。

●手動(dòng)方式：在畫面上由操作員人為操作換向單元的開(kāi)閉。

2.2.3 安全報(bào)警自鎖功能

●排煙溫度超溫報(bào)警，換向系統(tǒng)強(qiáng)制自動(dòng)換向。

●排煙溫度超超溫報(bào)警，上位機(jī)控制畫面發(fā)出報(bào)警，并自動(dòng)指出故障點(diǎn)。若高高報(bào)警，自動(dòng)觸發(fā)安全連鎖，切斷該段燒嘴。

2.3 安全保護(hù)系統(tǒng)

為確保加熱爐的穩(wěn)定運(yùn)行增加以下幾項(xiàng)聯(lián)鎖邏輯控制；

●空燃?xì)鈮毫Π踩B鎖

●蓄熱體排煙溫度安全連鎖

●爐溫安全連鎖

●爐壓安全連鎖

3 爐溫智能動(dòng)態(tài)設(shè)定技術(shù)

3.1 改進(jìn)型雙交叉限幅控制方法

采用雙交叉限幅的串級(jí)比值控制方法。有效控制了動(dòng)態(tài)空燃比，但是限幅降低了系統(tǒng)的響應(yīng)速率。控制原理如圖2所示。而改進(jìn)型雙交叉法的限幅系數(shù)可以自動(dòng)根據(jù)溫度偏差修正，在溫度偏差較大時(shí)降低或取消限幅功能，提高了系統(tǒng)的相應(yīng)速率。

3.2 空氣過(guò)剩率u自動(dòng)調(diào)節(jié)

根據(jù)燃燒理論，理論空氣過(guò)剩率與燒嘴負(fù)荷之間的關(guān)系如上圖所示。根據(jù)生產(chǎn)負(fù)荷的變化，理論空氣過(guò)剩系數(shù)也會(huì)隨之變化。這種變化的空氣過(guò)剩系數(shù)修正策略對(duì)提高燃燒效率，降低氧化燒損有好處。此外，為了確保小流量情況下的合理燃燒，必須在相應(yīng)的煤氣流量，適當(dāng)加大空氣流量。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員根據(jù)設(shè)計(jì)資料設(shè)定理論空燃比，系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)負(fù)荷情況和煤氣熱值、殘氧含量自動(dòng)計(jì)算過(guò)剩系數(shù)，求出空燃比。

圖2

3.3 爐溫模糊控制技術(shù)

由于溫度對(duì)象的大滯后，僅靠常規(guī)PID控制來(lái)調(diào)整會(huì)造成響應(yīng)速度慢，超調(diào)量大。通過(guò)供熱需求分析建立燃料的消耗量與生產(chǎn)能力之間的函數(shù)關(guān)系；同時(shí)，根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)把加熱爐不同的工況，對(duì)應(yīng)的方案制定出來(lái)。在此基礎(chǔ)上，建立爐溫模糊控制系統(tǒng)。為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，模糊控制系統(tǒng)采用前饋結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。該控制技術(shù)能起到提前修正作用，從而提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

3.4 鋼坯加熱數(shù)學(xué)模型

鋼坯加熱數(shù)學(xué)模型是加熱爐智能燃燒自動(dòng)控制的核心部分。主要是根據(jù)爐內(nèi)實(shí)時(shí)的爐溫情況和由物料跟蹤提供的位置信息，利用鋼坯加熱過(guò)程傳熱數(shù)學(xué)模型，以一定的頻率計(jì)算爐內(nèi)每根鋼坯的溫度分布，實(shí)現(xiàn)全爐鋼坯溫度的在線動(dòng)態(tài)跟蹤，為爐溫的動(dòng)態(tài)設(shè)定提供直接依據(jù)。同時(shí)在二級(jí)畫面上以直觀動(dòng)態(tài)地顯示鋼溫變化情況，便于在線監(jiān)控。

鋼坯的溫度計(jì)算從鋼坯入爐時(shí)開(kāi)始，至鋼坯出爐結(jié)束。為了保證模型計(jì)算的準(zhǔn)確性，模型還具有自學(xué)習(xí)功能，它能夠根據(jù)出爐溫度和終軋溫度的實(shí)際值反饋調(diào)整模型參數(shù)，提高模型準(zhǔn)確性。

鋼坯加熱所涉及的數(shù)學(xué)模型一般包括爐膛傳熱模型、鋼坯內(nèi)部導(dǎo)熱模型、熱物性計(jì)算模型、燃燒設(shè)定模型等。

A.爐膛傳熱模型

爐膛綜合傳熱系數(shù)法是計(jì)算爐膛傳熱過(guò)程的一種簡(jiǎn)化計(jì)算方法，它將被加熱物料的表面熱流密度描述為爐溫與物料表面溫度的黑體輻射之差乘以綜合傳熱系數(shù)的形式。該方法對(duì)要求計(jì)算速度的在線傳熱模型來(lái)說(shuō)，是一種行之有效的處理方法。

式中，qsur為鋼坯表面輻射熱流密度，W·m-2；ΦCG為總括熱吸收率；σ為黑體輻射常數(shù)（5.67×10-8），W·m-2·K-4；Tg為計(jì)算位置的爐氣溫度，K。

在具體應(yīng)用中，由于爐膛內(nèi)部煙氣流動(dòng)方式、溫度水平、爐型結(jié)構(gòu)、燒嘴布置方式不同，沿爐長(zhǎng)方向各位置的傳熱參數(shù)是不同的，本系統(tǒng)采用一維長(zhǎng)爐模型，爐長(zhǎng)方向不同位置設(shè)定不同的爐膛傳熱系數(shù)，并利用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量的一些溫度參數(shù)（如出爐鋼坯表面溫度、黑匣子實(shí)驗(yàn)等），對(duì)各位置的傳熱參數(shù)進(jìn)行修正，以適應(yīng)流場(chǎng)、溫度場(chǎng)變化導(dǎo)致的爐內(nèi)傳熱條件的變化。

B.鋼坯導(dǎo)熱模型

采用二維計(jì)算模型，以鋼坯橫截面為研究對(duì)象。鋼坯二維導(dǎo)熱微分方程為：

其中x、y構(gòu)成二維直角坐標(biāo)系，x為鋼坯寬度方向，y為鋼坯厚度方向，T為溫度值，τ為時(shí)間值，λ為導(dǎo)熱系數(shù)，ρ為密度，Cp為比熱容。

模型的初始條件為：

模型的邊界條件為：

式中，L為鋼坯寬度，m；H為鋼坯厚度，m；τ為加熱時(shí)間，s；T0(x, y)為整個(gè)鋼坯橫截面的初始溫度分布，℃；為鋼坯左側(cè)面的表面熱流密度分布，W·m-2；為鋼坯右側(cè)面的表面熱流密度分布，W·m-2；為鋼坯下表面熱流密度分布，W·m-2；為鋼坯上表面熱流密度分布，W·m-2。

C.鋼材熱物性的計(jì)算模型

不同鋼種的熱物性（熱導(dǎo)率、比熱、密度等）是隨著溫度的變化而不同的，它是確定熱處理工藝的重要依據(jù)，也是進(jìn)行加熱計(jì)算的依據(jù)。

一般碳素鋼的熱導(dǎo)率隨溫度的升高而減少，溫度大于900℃后略微上升。常溫下碳素鋼的熱導(dǎo)率一般按下式計(jì)算：

鋼的比熱決定于自身的成分和溫度，特別是溫度的影響較大。在實(shí)際計(jì)算中，可根據(jù)溫度和成分，查詢相關(guān)比熱表得出。在20～100℃內(nèi)，鋼的比熱可按下式計(jì)算：

鋼的密度與化學(xué)成分和溫度密切相關(guān)。不同溫度下鋼的密度按下式計(jì)算：

式中：

x——鋼中各合金元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；

β——鋼的線膨脹率；

D.燃燒設(shè)定模型

燃燒設(shè)定模型主要包括空燃比設(shè)定和脈沖燃燒設(shè)定兩部分。

加熱爐蓄熱式燃燒過(guò)程中由于煤氣成分波動(dòng)、熱值變化、管道壓力變化等因素影響，不能保證燃?xì)饽軌蚝侠淼爻浞秩紵?，需要調(diào)整燃燒空燃比。燃燒設(shè)定模型根據(jù)燃?xì)鉄嶂涤?jì)算得出的合理的空燃比值，同時(shí)也可根據(jù)煙氣的殘氧量反饋，修正各段空燃比配置，提高燃料燃燒效率。一般情況下高溫段的空燃比相對(duì)低溫段要稍小，以保證高溫段較好的還原性爐膛氣氛，實(shí)現(xiàn)降低氧化燒損的目的。

3.5 爐溫智能設(shè)定

智能燃燒控制系統(tǒng)的決策核心是爐溫智能設(shè)定模塊。它根據(jù)裝鋼情況的變化，依據(jù)鋼溫計(jì)算模型提供的鋼坯溫度分布情況、出爐溫度實(shí)際值、終軋溫度實(shí)際值等信息，動(dòng)態(tài)調(diào)整各加熱段的爐溫，實(shí)現(xiàn)智能燒鋼，節(jié)約能耗。

生產(chǎn)節(jié)奏可分為升溫、降溫、保溫、正常生產(chǎn)四種模式，采用以下三種方式獲取：手動(dòng)設(shè)定、從軋線系統(tǒng)獲取、自動(dòng)本地獲取。其中自動(dòng)本地獲取方式是連續(xù)跟蹤記錄最近幾次步進(jìn)梁運(yùn)動(dòng)時(shí)間、鋼坯的出爐時(shí)間等，自動(dòng)計(jì)算生產(chǎn)節(jié)奏。

爐溫優(yōu)化設(shè)定程序是定時(shí)啟動(dòng)的，每次計(jì)算完成后向一級(jí)基礎(chǔ)燃燒系統(tǒng)發(fā)送設(shè)定值。

3.6 混合加熱管理

混合加熱分為：不同規(guī)格、不同鋼種、冷熱混裝等不同類型。系統(tǒng)能根據(jù)不同種類鋼坯的標(biāo)準(zhǔn)加熱制度偏差，決定裝爐時(shí)前后空位大小。若前后兩種鋼坯的標(biāo)準(zhǔn)加熱制度偏差不大，則不留空位。加熱制度偏差越大、空越長(zhǎng)?？瘴婚L(zhǎng)度一般設(shè)有上限，不會(huì)過(guò)長(zhǎng)。

對(duì)于每個(gè)加熱段，該段加熱不同種類鋼坯，系統(tǒng)將統(tǒng)籌分析各鋼坯的標(biāo)準(zhǔn)加熱制度和實(shí)際鋼溫水平，加權(quán)計(jì)算出該段的爐溫設(shè)定值。

同時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別各段相鄰鋼坯的鋼種變化和入爐時(shí)間間隔變化，判斷換輥坯的位置，進(jìn)行獨(dú)立的針對(duì)性操作，在保證換輥坯前面的鋼坯滿足出爐溫度的要求，降低當(dāng)前換輥坯后面鋼坯的加熱溫度，有效利用換輥待軋加熱時(shí)間進(jìn)行合理加熱。

4 總結(jié)

通過(guò)對(duì)蓄熱式加熱爐的實(shí)現(xiàn)燃燒的自動(dòng)控制，包括爐溫、排煙、爐壓、等熱工參數(shù)的自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)各段爐溫對(duì)該段鋼坯種類變化、待軋換輥、產(chǎn)品規(guī)格變化、出鋼節(jié)奏變化等因素的自適應(yīng)，實(shí)現(xiàn)加熱爐的節(jié)能降耗和加熱質(zhì)量提高。