加熱爐智能燃燒控制技術應用

畢英軍 梁慶峰 張軍 周旭朋

摘 要：在加熱爐原系統(tǒng)的基礎上，增加智能優(yōu)化燃燒控制系統(tǒng)完成對加熱爐的節(jié)能優(yōu)化控制。通過增加殘氧、CO檢測分析設備、燃燒式（測量殘氧含量）熱值儀及相應的軟件計算，實現(xiàn)燃料和助燃空氣的自動調節(jié)，進行爐溫控制。

關鍵詞：智能燃燒;分析設備;自動調節(jié)

安鋼260機組使用一座步進式加熱爐，來料為150mm2斷面6-12米連鑄坯。燃料采用安鋼南三管網(wǎng)的高、焦、轉混合煤氣。該加熱爐于2011年建成，在生產(chǎn)運行中主要存在以下問題：在實際生產(chǎn)中，由于煤氣發(fā)生量和使用量的變化、導致高焦轉混合煤氣使用配比不穩(wěn)定等因素會影響煤氣熱值的大幅度波動。而加熱爐完全靠人工經(jīng)驗和人工觀測到的爐況進行調整，爐溫穩(wěn)定性差，燃料和助燃空氣的調節(jié)完全靠人工調節(jié)，加熱爐的生產(chǎn)率和熱效率不高。同時隨著生產(chǎn)工藝的提高，要求加熱爐出鋼溫度在長度、斷面上進行精準控制，使得該加熱爐燃燒系統(tǒng)手工調火已經(jīng)不能滿足工藝需求。

1 加熱爐情況簡介

該加熱爐為直進側出步進梁式加熱爐，采用單排布料。加熱爐爐長23m，寬13m，分為四段，即預熱段、加熱I段、加熱II段和均熱段。加熱爐的預熱段不設燒嘴，在加熱段和均熱段上部都為平焰燒嘴，下部為直焰燒嘴。

煤氣分支總管上裝有調節(jié)閥及壓力計，現(xiàn)場通過手動調節(jié)閥后壓力，無法實現(xiàn)自動調節(jié)，無法保證煤氣分支總管閥后壓力穩(wěn)定。

煤氣分支總管經(jīng)8個支管向燒嘴輸送煤氣，且每個煤氣支管上都安裝有調節(jié)閥和流量計，現(xiàn)場操作是通過人工觀察各控制段檢測溫度，手動調節(jié)各段空氣、煤氣閥門開度，控制精度低，反應遲緩，并且無法保證合理的空燃比，無法保證充分燃燒。煤氣熱值變化較大，且無熱值儀，無法檢測熱值的變化并作出相應的控制措施。

2 工藝需求

加熱爐的生產(chǎn)任務是將鋼坯加熱到軋鋼工藝要求的溫度范圍，以保證正常軋制。保證鋼坯加熱質量，使鋼坯出爐溫度達到目標，滿足軋制要求;實現(xiàn)燃料的合理燃燒，提高燃料利用率，降低能耗。

3 控制目標

通過煤氣分支總管壓力控制系統(tǒng)，達到煤氣分支總管壓力的穩(wěn)定;通過實現(xiàn)煤氣流量與爐溫的串級控制、煤氣流量與空氣流量的比值控制，實現(xiàn)燃燒系統(tǒng)的自動控制，確保加熱爐可以長期穩(wěn)定運行;通過熱值補償控制系統(tǒng)，對閥門開度進行有效補償;通過殘氧控制，確定實時最優(yōu)空燃比，使系統(tǒng)始終運行在最佳燃燒區(qū)，在提高加熱爐的加熱效率的同時減少氧化燒損，達到節(jié)能降耗的目的。

4 總體方案

系統(tǒng)設計原則是在加熱爐原系統(tǒng)的基礎上，通過外接熱備控制系統(tǒng)完成對加熱爐的節(jié)能優(yōu)化控制。通過實時數(shù)據(jù)服務器，與原PLC控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交換，爐溫預設定優(yōu)化系統(tǒng)是通過讀取實時數(shù)據(jù)服務器數(shù)據(jù)和紅外溫度檢測系統(tǒng)，檢測到的鋼坯表面溫度，得到最優(yōu)爐溫設定值，并發(fā)給燃燒控制系統(tǒng)，計算得到流量的閥門開度下發(fā)給原PLC控制系統(tǒng)。燃燒控制系統(tǒng)是通過分支總管煤氣壓力控制系統(tǒng)保持煤氣壓力穩(wěn)定;并采用爐溫—煤氣流量串級控制、煤氣流量—空氣流量比值控制，殘氧控制調節(jié)最佳空燃比，根據(jù)煤氣熱值的波動對煤氣閥門進行補償?shù)木C合控制系統(tǒng)。

（1）煤氣分支總管壓力控制系統(tǒng)?，F(xiàn)場通過手動調節(jié)閥后壓力，且一般處于全開狀態(tài)，為了保證閥后的壓力穩(wěn)定，對分支總管的煤氣壓力調節(jié)閥進行自動調節(jié)。

（2）溫度—流量串級比值控制。各回路采用溫度—流量串級比值控制。

（3）殘氧尋優(yōu)控制。根據(jù)預熱段檢測的殘氧信號，首先優(yōu)化整體空燃比系數(shù)，根據(jù)各回路的煤氣流量采用專家自尋優(yōu)確定各回路的空燃比系數(shù)分配。

（4）煤氣熱值補償系統(tǒng)。通過歷史數(shù)據(jù)，對煤氣熱值偏差、煤氣閥門開度補償量，采用數(shù)據(jù)挖掘的方式，建立熱值補償模型。當煤氣熱值存在偏差時，通過模型輸出煤氣閥門補償量?？紤]其他因素的影響，微調模型參數(shù)。空燃比尋優(yōu)控制模塊為雙閉環(huán)串級控制，提供最佳空燃比，煤氣熱值補償模塊根據(jù)熱值波動對煤氣閥門進行補償。

5 爐溫預設定優(yōu)化系統(tǒng)

爐溫預設定優(yōu)化系統(tǒng)主要完成對爐內鋼坯溫度分布的實時跟蹤與爐溫的在線優(yōu)化，實時為燃燒系統(tǒng)提供最佳的爐溫設定值。

（1）爐溫擬合。鋼坯的升溫過程由爐溫來決定，鋼坯進入加熱爐后，以一定的速度在爐內移動，所以進行鋼坯溫度計算時需要首先確定鋼坯所在位置的爐溫。因此需要根據(jù)熱電偶分布狀況和實時測得的爐溫，擬合得到沿爐長方向的爐溫分布曲線。

（2）鋼坯跟蹤模型。該模型實時跟蹤每塊入爐鋼坯的位置與該位置的鋼坯溫度分布。并可預測在當前爐溫分布條件下，到達出爐位置時該鋼坯內部溫度分布，以給出鋼坯表面預測溫度、鋼芯預測溫度及鋼坯斷面溫差。

6 硬件、軟件方案

采用上、下位機的硬件結構模式。在主控機上，完成兩部分工作，第一部分為主程序邏輯，包括：系統(tǒng)與原系統(tǒng)的切換邏輯、數(shù)據(jù)采集及存取、數(shù)據(jù)庫維護與更新、專家策略的實時生成、人機界面交互等。第二部分為：加熱爐燃燒控制系統(tǒng)的控制策略計算。在上位機中，主要完成爐內鋼坯溫度跟蹤模型及爐溫設定值優(yōu)化模型的在線尋優(yōu)。

7 結論

綜上所述，通過對安鋼260機組加熱爐進行智能燃燒改造，實現(xiàn)了對該加熱爐煤氣熱值和全爐燃燒狀況進行實時監(jiān)控，通過對各段燃燒進行控制、自動調節(jié)各段空燃比例，克服煤氣熱值波動帶來的爐溫、鋼溫的波動，實現(xiàn)合理的空燃比和低氧燃燒，提高了加熱爐的生產(chǎn)率和熱效率，實現(xiàn)了節(jié)能降耗，經(jīng)濟和環(huán)保效益顯著。

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