智能控制在軋鋼加熱爐上的節(jié)能應(yīng)用

張永全，李 鵬

（1.河鋼股份有限公司 承德分公司，河北 承德 067000；2.北京和隆優(yōu)化科技股份有限公司，北京 100096）

河鋼承鋼棒材事業(yè)部一棒加熱爐，爐型為三段步進(jìn)雙蓄熱式加熱爐，改造前各爐溫控制段均為人工手動(dòng)調(diào)節(jié)，操作人員需要一直監(jiān)控各段溫度變化，煤氣壓力波動(dòng)、煤氣熱值波動(dòng)、熱冷混裝坯等變工況，如果操作人員未及時(shí)處理，會(huì)造成各段溫度超出設(shè)定工藝范圍影響鋼坯的加熱質(zhì)量、空燃比無(wú)法精準(zhǔn)控制造成能源浪費(fèi)和爐內(nèi)氣氛不穩(wěn)定，進(jìn)一步加劇坯料的氧化燒損，爐壓波動(dòng)較大，爐壓過大造成熱量外泄，爐壓過低會(huì)吸入冷風(fēng)，造成能耗升高。

為減少燃料消耗，降低氧化燒損，提高加熱質(zhì)量，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，2019年采用北京和隆優(yōu)化科技股份有限公司優(yōu)化控制系統(tǒng)對(duì)加熱爐燃燒部分進(jìn)行了技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)了加熱爐燃燒優(yōu)化控制，優(yōu)化空燃比、鋼坯加熱質(zhì)量、爐內(nèi)溫度、爐內(nèi)氣氛（空燃比）、爐壓、排煙溫度等工藝參數(shù)，從而達(dá)到節(jié)約燃?xì)庀?、減少氧化燒損目的。

1 優(yōu)化控制系統(tǒng)技術(shù)原理與實(shí)現(xiàn)方法

1.1 自尋優(yōu)及滾動(dòng)優(yōu)化控制技術(shù)原理概述

自尋優(yōu)算法思想起源于著名數(shù)學(xué)家華羅庚《優(yōu)選學(xué)》中的瞎子爬山法。將這一思想用在尋找最佳空燃比上可以按如下步驟進(jìn)行：先試著小幅度改變空燃比，再根據(jù)加熱爐運(yùn)行情況判定燃燒效果是否改進(jìn)，直至最佳。如果改變后效果較差，則試著反方向改變空燃比并重復(fù)上面步驟。根據(jù)“瞎子爬山法”優(yōu)化策略為加熱爐設(shè)計(jì)一套自尋優(yōu)程序，如圖1所示。

圖1 自尋優(yōu)程序示意圖

1.2 加熱爐優(yōu)化控制技術(shù)節(jié)能原理

（1）在保證加熱爐裝置輸出負(fù)荷穩(wěn)定的前提下，優(yōu)化控制系統(tǒng)始終尋找并嵌位于最少的燃料量消耗（優(yōu)化燃料量）。

（2）當(dāng)燃料質(zhì)量（低位發(fā)熱值、揮發(fā)分、含水等）發(fā)生變化時(shí)，優(yōu)化控制系統(tǒng)始終尋找并嵌位于與之最匹配的助燃風(fēng)量以進(jìn)一步減少燃料量消耗（優(yōu)化空燃比）。

（3）當(dāng)負(fù)荷、裝鋼情況等發(fā)生變化時(shí)，優(yōu)化控制系統(tǒng)始終尋找并嵌位于與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行始終匹配的最佳控制點(diǎn)（優(yōu)化控制點(diǎn)）。

1.3 優(yōu)化控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法

優(yōu)化控制系統(tǒng)的功能在于實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)控制，通過準(zhǔn)確的空燃配比調(diào)控，降低燃料消耗量，降低氧化燒損。根據(jù)加熱爐燃燒制度設(shè)定的爐膛溫度，自動(dòng)調(diào)節(jié)煤氣、空氣支管閥門，穩(wěn)定爐膛溫度在精度范圍內(nèi)；同時(shí)在蓄熱體允許范圍內(nèi)盡可能地提高煙溫，增大煙氣的熱量利用率，提高空氣和煤氣入爐的溫度；控制爐膛壓力在微正壓，減少能量在爐門口的泄漏浪費(fèi)。綜合如上幾個(gè)方面，實(shí)現(xiàn)單耗的降低。

在穩(wěn)定燒爐的過程中，通過自尋優(yōu)，實(shí)現(xiàn)空燃比的優(yōu)化，尋找最適合的空燃比，每次優(yōu)化都是基于上次優(yōu)化結(jié)果的再優(yōu)化，人工經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化也被自動(dòng)加載進(jìn)優(yōu)化模型，通過滾動(dòng)優(yōu)化使各種燃燒裝置達(dá)到越燒越好的運(yùn)行狀態(tài)。在穩(wěn)定爐膛溫度的前提下，降低含氧量；同時(shí)穩(wěn)定的爐膛溫度，便于提高出鋼溫度的精度，縮短在爐時(shí)間，降低超標(biāo)的出鋼溫度，從而實(shí)現(xiàn)氧化燒損的降低。優(yōu)化算法模塊設(shè)計(jì)圖見圖2。

圖2 優(yōu)化算法模塊設(shè)計(jì)示意圖

優(yōu)化算法模塊中的三個(gè)初始參數(shù)TOP（優(yōu)化計(jì)算周期）、SOP（優(yōu)化步長(zhǎng)）和EOP（優(yōu)化精度）是決定優(yōu)化模塊能否正常工作、能否達(dá)到最理想優(yōu)化效果的關(guān)鍵。不同的爐型、不同的燃料、不同的規(guī)模，這三個(gè)數(shù)據(jù)的大小會(huì)有所不同，正常投運(yùn)后這三個(gè)參數(shù)一般就固定了，決定了優(yōu)化的速度、精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。“過程輸入變量”指的是進(jìn)入加熱爐的煤氣、空氣等物料、能量的測(cè)控參數(shù)；“過程內(nèi)循環(huán)變量”在加熱爐中不涉及；“過程輸出變量”指的是加熱爐的各種輸出物料如鋼坯溫度、廢氣溫度等的測(cè)控參數(shù)。不同的燃燒器這三類過程測(cè)控參數(shù)的多少、種類都不是固定的，也可以不是準(zhǔn)確的，只要控制變量與測(cè)量變量能正常相關(guān)即可，本算法最大的一個(gè)特點(diǎn)就是它可以根據(jù)工況的趨勢(shì)決定操作的趨勢(shì)。模塊中的輸出“優(yōu)化煤氣量增量”、“優(yōu)化風(fēng)量增量”是每一個(gè)TOP結(jié)束后都比前一個(gè)周期增加或減少了一個(gè)SOP，它是在每一個(gè)周期都對(duì)燃燒系統(tǒng)施加的一個(gè)影響，代表向最大點(diǎn)前進(jìn)的一步。每次優(yōu)化結(jié)束后，優(yōu)化增量便進(jìn)行整理——改變相應(yīng)控制回路的控制點(diǎn)后清零；“最優(yōu)風(fēng)燃比”則是優(yōu)化結(jié)束后而滾動(dòng)優(yōu)化運(yùn)行下去的最優(yōu)結(jié)果，直至工況有了大的改變使燃燒偏移了最佳點(diǎn)且超過允許的偏移量EOP。

2 優(yōu)化控制系統(tǒng)在棒材加熱爐應(yīng)用設(shè)計(jì)方案

2.1 優(yōu)化控制系統(tǒng)組成

加熱爐增加一套北京和隆優(yōu)化控制系統(tǒng)（見圖3），采用西門子TCP/IP通訊協(xié)議采集原系統(tǒng)數(shù)據(jù)，經(jīng)過優(yōu)化控制系統(tǒng)模型計(jì)算再送回原系統(tǒng)各執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使燃燒優(yōu)化系統(tǒng)與原系統(tǒng)無(wú)縫整合到一起，在調(diào)試與運(yùn)行過程中不影響原系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

圖3 優(yōu)化控制系統(tǒng)組成示意圖

2.2 加熱爐各回路優(yōu)化控制方案設(shè)計(jì)

2.2.1 爐膛溫度控制回路

燃燒制度設(shè)定功能：根據(jù)軋制工藝要求、熱裝情況，設(shè)定加熱爐各段溫度控制點(diǎn)，同時(shí)加熱爐根據(jù)各段溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)煤氣閥和空氣閥，同時(shí)對(duì)各控制點(diǎn)（排煙溫度、爐膛負(fù)壓等）進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)。

溫度擾動(dòng)觀測(cè)器模型：它通過計(jì)算爐內(nèi)溫度變化趨勢(shì)來(lái)提前調(diào)整煤氣量和風(fēng)量，以保證爐內(nèi)溫度的穩(wěn)定性，模型輸出同時(shí)會(huì)調(diào)整煤氣量控制點(diǎn)、煤氣閥位和空氣閥位以提高調(diào)節(jié)的快速性。

圖4為爐膛控制圖。其中K*是空燃比，這是一個(gè)可變的比值，通過自尋優(yōu)算法計(jì)算得出，當(dāng)煤氣熱值、煤氣壓力、生產(chǎn)負(fù)荷甚至儀表性能等發(fā)生改變時(shí)，它都會(huì)被煤氣、空氣優(yōu)化功能所自動(dòng)改變。

圖4 爐膛溫度控制框圖

空氣量?jī)?yōu)化模型：由于煤氣質(zhì)量的頻繁波動(dòng)以及前一級(jí)燃燒效果的影響，造成在該點(diǎn)與等量煤氣相對(duì)應(yīng)的空氣量也是不固定的，它應(yīng)根據(jù)煤氣熱值等變化而變化，最終目標(biāo)是讓所配風(fēng)量能讓進(jìn)爐煤氣完全燃燒，當(dāng)燃燒最完全時(shí)，會(huì)造成該段溫度有所上升，溫度優(yōu)化控制回路就會(huì)相應(yīng)降低煤氣量控制點(diǎn)，這樣就完成了又一次的優(yōu)化節(jié)能。

智能手操：由于煤氣閥、空氣閥使用久了閥門的性能變差，如空行程大、死區(qū)大等，在控制指令送出之前，要經(jīng)過該智能手操，它能克服調(diào)節(jié)閥的這些約束而保證爐內(nèi)溫度的穩(wěn)定性。

閥位安全限幅與聯(lián)鎖功能：通過設(shè)置合理的上限或下限來(lái)保證生產(chǎn)安全。

2.2.2 爐膛壓力控制回路

爐膛壓力控制回路如圖5所示。

圖5 爐膛壓力控制框圖

爐膛負(fù)壓前饋調(diào)節(jié)器：當(dāng)進(jìn)爐煤氣/空氣流量變大或變小，提前正作用煤煙/空煙引風(fēng)機(jī)動(dòng)作，輸出到“爐壓智能調(diào)節(jié)器”模塊，穩(wěn)定爐膛壓力作用。

爐壓智能調(diào)節(jié)器：處理后的爐壓測(cè)量值與爐壓設(shè)定值比較，經(jīng)該模塊計(jì)算輸出開度到智能軟手操；該調(diào)節(jié)器采用區(qū)間控制，在爐膛壓力高或低的情況下，優(yōu)先調(diào)整各段煤煙/空煙閥位，超限后則提高或降低煤煙/空煙引風(fēng)機(jī)頻率。

閥位安全限幅與聯(lián)鎖功能：通過設(shè)置合理的上限或下限來(lái)保證生產(chǎn)安全。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，在爐膛壓力超標(biāo)的情況下，優(yōu)先提高煙溫的閥位，在排除換向的特殊情況下，持續(xù)過高的壓力，則提高引風(fēng)機(jī)的頻率；為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的爐膛壓力控制，在空氣總管、煤氣總管的壓力及流量變化時(shí)，引風(fēng)機(jī)提前動(dòng)作。在負(fù)壓調(diào)節(jié)回路上增加前饋調(diào)節(jié)器用于改善調(diào)節(jié)品質(zhì)，前饋調(diào)節(jié)解決的是當(dāng)進(jìn)爐煤氣、空氣發(fā)生量變化時(shí)提前給煙道閥一個(gè)改變量。

2.2.3 煙溫控制回路

根據(jù)對(duì)應(yīng)的支管流量來(lái)前饋控制煙溫閥門的動(dòng)作。同時(shí)采用軟伺服技術(shù)、擾動(dòng)觀察器、重疊控制技術(shù)等先進(jìn)控制算法，提高煙溫的控制精度；擾動(dòng)觀測(cè)器模型將被控變量的變化趨勢(shì)、幅度以及干擾來(lái)源進(jìn)行智能計(jì)算，作為智能控制器的前饋輸入而很好地提高了控制品質(zhì)；由于燃燒裝置的控制系統(tǒng)復(fù)雜，耦合性、時(shí)變性和非線性嚴(yán)重，執(zhí)行機(jī)構(gòu)性能差等原因，常規(guī)PID算法是無(wú)法讓人滿意的。智能控制器的設(shè)計(jì)則充分考慮了這些因素，把人的操作經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)代控制理論結(jié)合在了一起，達(dá)到了非常理想的控制效果。

2.2.4 爐膛壓力與煙溫協(xié)調(diào)控制設(shè)計(jì)

爐膛壓力與煙溫協(xié)調(diào)控制主要在保證爐膛微正壓的情況下，根據(jù)壓力情況調(diào)整煙溫的控制點(diǎn)，當(dāng)爐膛壓力過高造成高溫?zé)煔獾男孤焕跓煔鉄崃康挠行Ю?；?shí)現(xiàn)空煙溫度和煤煙溫度的均衡控制，保證由于溫度偏差大造成煙氣熱量利用率低和高溫?zé)煔馀懦龅呐艧煖囟鹊脑龃蟆?/p>

2.2.5 加熱爐安全運(yùn)行控制功能設(shè)計(jì)

加熱爐的安全運(yùn)行控制功能有五種：智能語(yǔ)音報(bào)警功能、通訊故障自動(dòng)切換功能、安全限幅與聯(lián)鎖功能、儀表故障的自動(dòng)處理功能和故障診斷與容錯(cuò)控制功能。

（1）智能語(yǔ)音報(bào)警功能

優(yōu)化控制系統(tǒng)將加熱爐的主要運(yùn)行故障都納進(jìn)了智能語(yǔ)音報(bào)警模型，當(dāng)某種故障發(fā)生或?qū)⒁l(fā)生，優(yōu)化控制系統(tǒng)會(huì)以不同的模仿真人聲音進(jìn)行報(bào)警，直接定位到點(diǎn)。

如果優(yōu)化控制系統(tǒng)處于全面自動(dòng)優(yōu)化狀態(tài)，操作人員只在報(bào)警出現(xiàn)時(shí)進(jìn)行干預(yù)，這就是我們所說的“準(zhǔn)無(wú)人化操作”。

（2）通訊故障自動(dòng)切換功能

當(dāng)優(yōu)化控制系統(tǒng)與PLC系統(tǒng)的DB通訊出現(xiàn)異常且在一定時(shí)間沒有自動(dòng)恢復(fù)時(shí)，優(yōu)化控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將控制權(quán)無(wú)擾切換到PLC側(cè)并報(bào)警。

（3）軟測(cè)量模型——部分儀表故障的自動(dòng)處理

主要有三種情形：一是測(cè)量?jī)x表不準(zhǔn)確，優(yōu)化控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)其變化趨勢(shì)實(shí)施有效的優(yōu)化操作；二是優(yōu)化控制系統(tǒng)可以自動(dòng)剔除完全損壞的儀表，如煤氣流量，并自動(dòng)消除由此帶來(lái)的突變影響或可切換至軟測(cè)量模型；三是設(shè)計(jì)了智能控制器用于對(duì)付那些特性不好的閥門或液力耦合器等。

（4）部分工藝故障的自動(dòng)處理

優(yōu)化控制系統(tǒng)已完成了如下工藝故障的自動(dòng)處理模型：一是預(yù)防不完全燃燒控制模型，二是爐膛溫度梯度不平衡處理模型。

（5）智能閥門軟伺服模型

該功能模塊僅用來(lái)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)閥門情況，設(shè)定閥門動(dòng)作幅度和頻次，延長(zhǎng)閥門使用壽命。該模型與控制功能中的擾動(dòng)觀察器模型配合使用，在不降低控制精度的情況下，最大程度地保證閥門動(dòng)作符合操作習(xí)慣，保護(hù)閥門壽命。

（6）高抗干擾能力

系統(tǒng)的諸多數(shù)據(jù)處理和控制方案中，涉及到煤氣壓力波動(dòng)和煤氣熱值波動(dòng)的處理，使得系統(tǒng)在煤氣壓力波動(dòng)和煤氣熱值波動(dòng)時(shí)候，依然能夠穩(wěn)定地、安全地、經(jīng)濟(jì)地運(yùn)行。

2.2.6 加熱爐經(jīng)濟(jì)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)與考核功能

針對(duì)每一個(gè)班的主要運(yùn)行參數(shù)以及噸鋼煤氣消耗、運(yùn)行穩(wěn)定性等關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯示，同時(shí)還對(duì)本班的各個(gè)回路的自控率及總自控率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以直觀地顯示本班、上班及本月的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，讓運(yùn)行人員能夠了解上班及以前的操作水平，為其運(yùn)行提供參考。

3 優(yōu)化控制系統(tǒng)應(yīng)用案例分析

一棒加熱爐優(yōu)化控制系統(tǒng)經(jīng)過優(yōu)化改造，對(duì)比測(cè)試應(yīng)用效果如下：

（1）投入自動(dòng)的回路有：各段爐膛溫度控制回路、各加熱段煤煙溫度控制回路、各加熱段空煙溫度控制回路、爐膛壓力控制回路、助燃風(fēng)壓力控制回路、運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)技術(shù)及考核功能、安全控制功能（語(yǔ)音報(bào)警、安全限幅）、HeroRTS遠(yuǎn)程服務(wù)功能；加熱爐二級(jí)系統(tǒng)（根據(jù)入爐溫度、出鋼溫度預(yù)測(cè)各段爐膛溫度設(shè)定）。

（2）在上述自動(dòng)控制回路的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了煤氣、助燃風(fēng)和控制點(diǎn)的三維優(yōu)化，在同等工況下優(yōu)化控制系統(tǒng)運(yùn)行較原系統(tǒng)手動(dòng)操作降低煤氣消耗5.8%。

（3）加熱爐穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)（熱裝率、生產(chǎn)節(jié)奏基本不變），均熱段溫度控制精度、爐膛壓力控制精度穩(wěn)定，滿足生產(chǎn)運(yùn)行參數(shù)的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

加熱爐優(yōu)化控制技術(shù)在一棒加熱爐上應(yīng)用已有一年時(shí)間，提高了加熱爐燃燒系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，使加熱爐軋鋼溫度運(yùn)行更加平穩(wěn)，生產(chǎn)更安全，降低了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，在相同鋼種、相同生產(chǎn)節(jié)奏下優(yōu)化控制系統(tǒng)較改造前各段爐膛溫度、排煙溫度波動(dòng)明顯減小，能耗顯著下降，減少氧化燒損，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。該技術(shù)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的硬件設(shè)備要求較低，非常適合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)情況，具有良好的推廣價(jià)值。