基于殘基在線檢測(cè)的燃燒優(yōu)化控制

劉振興，何 峰,2

(1 武漢科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，武漢 430223；2 湖南華菱湘潭鋼鐵有限公司 能源環(huán)保部，湘潭 411101)

燃燒反應(yīng)存在最佳燃燒帶，在較高殘氧條件下易造成NOx排放增加及板坯質(zhì)量缺陷，在低殘氧水平又會(huì)造成燃料不完全燃燒及空氣污染.常規(guī)加熱爐由預(yù)熱段、加熱段和均熱段組成，各爐段分別通過(guò)空氣和燃?xì)夥种Ч艿肋M(jìn)行區(qū)域性控制.傳統(tǒng)的控制調(diào)節(jié)為雙交叉限幅調(diào)節(jié)和比例調(diào)節(jié)兩種方式.具體加熱爐通過(guò)常規(guī)PID控制進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)于加熱爐燃?xì)饨橘|(zhì)品質(zhì)(包括熱值和壓力參數(shù))參數(shù)穩(wěn)定狀態(tài)控制系統(tǒng)控制效果較好.對(duì)于燃?xì)馄芳?jí)參數(shù)頻繁波動(dòng)情況，常規(guī)控制系統(tǒng)很難實(shí)現(xiàn)最佳控制[1,2].而軋鋼加熱爐燃燒過(guò)程自身具有慣性大、滯后性強(qiáng)等特點(diǎn)[3,4]，很難人工準(zhǔn)確地控制燃燒過(guò)程，常導(dǎo)致?tīng)t溫控制穩(wěn)定性不佳，空燃比盲目性控制調(diào)節(jié)，甚至出現(xiàn)過(guò)氧燃燒和欠氧燃燒等，影響加熱爐生產(chǎn)質(zhì)量和能耗污染水平等[5-7].軋鋼加熱爐最佳燃燒區(qū)殘氧量范圍在0.7%～2%[8,9]，考慮到燃盡率等，空燃比應(yīng)控制在2%～3%.而目前國(guó)內(nèi)軋鋼加熱爐煙氣殘氧量普遍高達(dá)4%～5%以上[10,11].

基于此，為在線準(zhǔn)確檢測(cè)加熱爐殘氧量，將空燃比在線調(diào)節(jié)和爐溫控制調(diào)節(jié)充分耦合，實(shí)現(xiàn)加熱爐燃燒優(yōu)化控制對(duì)提高軋鋼工序能耗水平至關(guān)重要.

1 殘氧量在線監(jiān)測(cè)技術(shù)及設(shè)備選擇分析

含氧量在線檢測(cè)技術(shù)包括氧化鋯和激光氣體分析儀兩種[12-15]，其檢測(cè)原理存在根本性差異.圖1所示為氧化鋯設(shè)備結(jié)構(gòu)圖，其中ZrO2主要檢測(cè)氧含量，尤其對(duì)含量較低工況，利用ZrO2氧離子導(dǎo)電特性，通過(guò)氧電勢(shì)進(jìn)行檢測(cè).激光氣體分析儀是利用激光發(fā)射能量被測(cè)試氣體吸收產(chǎn)生吸收光譜方式進(jìn)行濃度測(cè)試，設(shè)備投入成本較高，對(duì)于發(fā)射端和接收端安裝精度要求較高.綜上分析，本文提出采用氧化鋯傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)殘氧量的在線檢測(cè)，基于加熱爐在線檢測(cè)的及時(shí)性和靈敏性等需求特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)論證采用OxyFire氧傳感器實(shí)現(xiàn)加熱爐各爐段殘氧量檢測(cè)，具體技術(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示.

圖1 氧化鋯設(shè)備結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Zirconia equipment structure

參數(shù)參數(shù)范圍或性能方式O2氧氣測(cè)量范圍～21%精度測(cè)量工藝變量的1.5%或0.05%的O2百分比響應(yīng)時(shí)間1秒鐘達(dá)到最終值的98%穩(wěn)定性傳感器服役壽命內(nèi),輸出信號(hào)偏差低于1%溫度范圍工藝溫度:550～1600 ℃; 接線端溫度:室溫～149℃安裝固定方式垂直或水平

2 基于殘氧量在線檢測(cè)的燃燒優(yōu)化控制技術(shù)

分散式殘氧在線檢測(cè)技術(shù)為全面實(shí)時(shí)反映加熱爐各爐段空燃比調(diào)節(jié)實(shí)效奠定了硬件基礎(chǔ)，要實(shí)現(xiàn)加熱爐的在線優(yōu)化調(diào)節(jié)，最大程度節(jié)能降耗，需要建立一套基于殘氧量在線檢測(cè)的燃燒優(yōu)化控制技術(shù).圖2為結(jié)合加熱爐特點(diǎn)建立的控制技術(shù)策略系統(tǒng)圖，該技術(shù)采用“帶交叉限制”和“殘氧在線修正”實(shí)現(xiàn)爐溫優(yōu)化控制.在帶交叉限制和殘氧修正的閉環(huán)溫度控制過(guò)程中，需要合理控制動(dòng)作頻率，避免引起震蕩.當(dāng)檢測(cè)與設(shè)定值偏差小于不靈敏死區(qū)則不進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，當(dāng)大于不靈敏死區(qū)則進(jìn)行PID控制.

圖2 帶交叉限制和殘氧修正的溫度控制系統(tǒng)圖 Fig.2 Temperature control system diagram with cross-limiting and residual oxygen correction

為適應(yīng)加熱爐大滯后性的特點(diǎn)，本文將模糊自適應(yīng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆辨識(shí)控制技術(shù)應(yīng)用于加熱爐燃燒過(guò)程控制.圖3為智能燃燒控制組件的系統(tǒng)框圖.系統(tǒng)應(yīng)用基于聚類(lèi)方法實(shí)現(xiàn)的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)求取被控對(duì)象逆辨識(shí)模型，用聚類(lèi)方法動(dòng)態(tài)獲取隱節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、寬度、中心值和權(quán)系數(shù).針對(duì)加熱爐自身慣性大、滯后性強(qiáng)、非線性的特點(diǎn)，以加熱爐生產(chǎn)工序中的燃燒過(guò)程作為研究對(duì)象，智能燃燒組件克服常規(guī)PID在加熱爐爐溫對(duì)象上控制響應(yīng)慢，超調(diào)較大，調(diào)節(jié)時(shí)間長(zhǎng)的缺點(diǎn)，改善控制品質(zhì)，優(yōu)化加熱爐生產(chǎn)工藝過(guò)程中的燃燒效率.

圖3 智能燃燒控制組件的系統(tǒng)Fig.3 Intelligent combustion control components of the system

在模糊系統(tǒng)中引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力，充分利用分布式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方式，將模糊系統(tǒng)的處理、推理、精確化計(jì)算進(jìn)行自組織和自學(xué)習(xí).通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出節(jié)點(diǎn)表示模糊系統(tǒng)中的輸入和輸出信號(hào)，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱含節(jié)點(diǎn)表示相關(guān)隸屬函數(shù)和模糊的規(guī)則，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自身的并行處理能力大大提升模糊系統(tǒng)的推理能力.

3 應(yīng)用效果分析

應(yīng)用于湘鋼寬厚板1#加熱爐的燃燒優(yōu)化控制圖見(jiàn)圖4.如圖4所示，對(duì)一加熱段、二加熱段和均熱段均形成了相應(yīng)的燃燒優(yōu)化控制模塊.

3.1 煤氣效益分析

1#加熱爐4～7月份煤氣單耗指標(biāo)及投用前后節(jié)能率如表2.通過(guò)直接統(tǒng)計(jì)和對(duì)比投用前后1#加熱爐煤氣單耗數(shù)據(jù)，按照節(jié)能量=(改造前煤氣單耗-改造后煤氣單耗)/改造前煤氣單耗×100%，算得單耗指標(biāo)下降率為2.84%.

a)一加熱段; b) 二加熱段; c) 均熱段圖4 空燃比燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)投入效果Fig.4 Optimization control system input effect of air-fuel vs. combustion

項(xiàng)目月份煤氣消耗量/m3塊數(shù)/塊產(chǎn)量/ t 煤氣單耗/(m3?t-1)投用前4月690586868147302594.575月766251876908131694.23投用后6月737191278247938792.867月816944677609019890.57

3.2 氧化燒損指標(biāo)

1#和2#加熱爐氧化燒損統(tǒng)計(jì)表結(jié)果見(jiàn)表3.由表3可見(jiàn)，氧化燒損指標(biāo)波動(dòng)較大，對(duì)爐時(shí)間、爐內(nèi)氣氛及裝爐狀態(tài)均有影響，經(jīng)計(jì)算，統(tǒng)計(jì)平均指標(biāo)下降0.121%.

3.3 殘氧量指標(biāo)

優(yōu)化系統(tǒng)安裝完畢后，對(duì)1#加熱爐和2#加熱爐排產(chǎn)相同情況下，分時(shí)段進(jìn)行了殘氧量控制水平值的記錄，如表4所示，1#加熱爐預(yù)熱段殘氧量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)明顯小于2#加熱爐，統(tǒng)計(jì)結(jié)果殘氧量平均降低1.6%以上.

表3 1#和2#加熱爐氧化燒損統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of 1# and 2# heating furnace oxidation burning loss

Tab.4 Statistics of 1#and 2#heating furnace residule oxygen consumption

日期預(yù)熱段殘氧量/ %1#加熱爐2#加熱爐差6月4日2.013.701.696月5日1.183.121.946月20日1.623.351.736月21日1.503.121.62

4 結(jié)語(yǔ)

為適應(yīng)高溫的氧化鋯殘氧測(cè)試儀，通過(guò)加熱爐分布式殘氧在線檢測(cè)布置方式實(shí)現(xiàn)各爐段的在線檢測(cè)；將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和逆辨識(shí)技術(shù)引入爐溫優(yōu)化調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)加熱爐在線的爐溫設(shè)定優(yōu)化.將殘氧量在線檢測(cè)技術(shù)與爐溫優(yōu)化設(shè)定技術(shù)結(jié)合，提出了一套帶交叉限制和殘氧修正的溫度控制系統(tǒng).通過(guò)湘鋼寬厚板1#加熱爐在線應(yīng)用效果證明，基于殘氧量在線檢測(cè)的燃燒優(yōu)化控制技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)加熱爐煤耗降低、氧化燒損減少.其中燃料消耗可以降低2%以上，殘氧量控制在2%～3%，氧化燒損控制在1%以?xún)?nèi).以年加熱鋼坯100萬(wàn)t計(jì)可產(chǎn)生年綜合經(jīng)濟(jì)效益人民幣400～500萬(wàn)元,其良好的應(yīng)用效果值得在加熱爐領(lǐng)域推廣運(yùn)用.