連續退火爐燃燒控制優化設計

張立根，王海波，翟晨義

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

（1. 河北鋼鐵集團衡水薄板有限責任公司，衡水 053000；2. 北京機械工業自動化研究所，北京 100120）

0 引言

連續退火爐爐溫控制系統中，對于燃燒控制，由于空燃比設定不合適或由于動態空燃比近乎失控的問題，經常出現不完全燃燒而產生黑煙或空氣過剩而形成的巨大熱損失和環境污染，因此需要研究高水平的燃燒控制技術，改善系統的響應特性，維持空燃比最優，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現退火爐的燃燒控制。其控制的基本原理為：爐溫控制器的輸出信號決定燃氣流量給定值，并通過空燃比 設定計算得出空氣流量給定值，然后空氣回路和燃氣回路各成閉環調節，而在兩個閉環調節過程中燃氣流量與空氣流量相互制約，從而維持空燃比穩定，改善燃燒狀況。具體實現來說，在燃氣控制回路和空氣控制回路中均設置低選和高選的比較選擇器，比較的參考信號是根據實際空氣流量計算無欠氧燃燒時燃氣流量上限和無過氧燃燒時燃氣流量下限；根據燃氣實際流量計算無過氧燃燒時空氣流量上限和無欠氧燃燒時空氣流量下限。再與溫度控制器輸出的要求流量進行比較后組成雙交叉限幅選擇控制[1]。控制框圖如圖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不僅能在熱負荷恒定的工況下保持適當的空燃比，而且在熱負荷變化的工況下，仍能保持適當的空燃比，從而優化燃燒狀況

2.1 穩定負荷工況

假設熱負荷恒定，系統處于某一平衡狀態。此時

式(1)中：Af為空氣流量實測值；Gf為燃料流量實測值。

在這種狀態下，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氣設定值。

2.2 熱負荷增加工況

假設熱負荷增加，系統需要升溫。爐溫控制器輸出增大，系統所處平衡狀態被破壞。爐溫控制器輸出設定值A0、G0上升，從而空氣和燃氣實際流量Af、Gf也隨著增大，由于調節閥存在滯后性，非線性和慣性，空氣和燃氣流量的調節速度存在差異，一般情況下，燃氣調節閥速度較快，相應燃氣流量相對空氣流量增加速率較快，從而造成動態的空燃比降低，但此時雙交叉限幅會起調節作用。

2.3 熱負荷減小工況

根據以上分析，負荷增加升溫時即使燃氣調節閥的慣性小于空氣調節閥的慣性，但是Af的增加速率與Gf的增加速率仍可保持基本一致，不會產生空燃比過小現象，避免了空燃比過低造成的欠氧燃燒；同理負荷下降降溫時也不會產生空燃比過大現象，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定在工藝要求內，優化了燃燒狀況。

3 空燃比自尋優

雙交叉限幅可以使實際空燃比穩定在設定的范圍內。接下來空燃比設定值合適與否對燃燒效率影響巨大。分析發現，燃燒效率與空燃比之間存在極值關系。這就為空燃比的自尋優提供了前提條件。

自尋優控制器在爐溫穩定后進行工作，以燃氣消耗量最小為指標，尋找最佳的空燃比，一旦爐溫波動過大需停止尋優。

自尋優搜索的步長可以是固定的也可以是變步長。其程序框圖如圖2所示。

圖2 空燃比自尋優框圖

4 仿真與應用

為驗證雙交叉控制策略的有效性，本文采用MATLAB對其進行了仿真，仿真模型如圖3所示。仿真過程為：0S時爐溫從穩態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 空燃比自尋優曲線

從圖4中可以看出，在0-300s溫度上升時，空燃比相對偏小；在1000s-1300s溫度下降時，空燃比相對偏大，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。本例中，空燃比設定值為3，實際誤差為 ，可以滿足實際需求。這也驗證了雙交叉限幅的有效性。此期間，系統也能夠較快的升溫和降溫，滿足爐溫控制要求。

對空燃比自尋優也進行了仿真驗證，模型的最佳空燃比是3，初始設定值為2.5。爐溫穩定后1200S開始自尋優。

圖5表明自尋優可以達到預期目標，且仿真結果表明尋優過程中爐溫波動在 攝氏度以內。

由此可見雙交叉控制和空燃比自尋優不僅滿足爐溫控制需要，也能有效優化燃燒狀況，因此可以將其轉換為實際應用。目前雙交叉控制策略和空燃比自尋優已經應用于某廠連續退火爐爐溫控制中，效果良好。

[1] 湯秀琴.雙交叉燃燒控制系統的設計與實現[J].鞍山鋼鐵學院學報,2001,12(24)：422.

[2] 竇坦明.臥式連續退火爐控制系統及加熱區溫度控制優化.武漢科技大學,2006：34-35.