蓄熱式加熱爐燃燒控制系統(tǒng)策略及優(yōu)化

譚志春

（漣源鋼鐵公司2250 熱軋廠，湖南 婁底 417009）

華菱漣源鋼鐵有限公司軋鋼加熱爐節(jié)能技術(shù)改造工程，生產(chǎn)規(guī)模為年產(chǎn)熱軋鋼卷441 萬噸。配置兩座蓄熱加熱爐，一期先上一座蓄熱加熱爐，二期再上一座蓄熱加熱爐，預(yù)留一座生產(chǎn)取向硅鋼加熱爐。一期和二期工程分別于2009年和2010年相繼竣工投產(chǎn)。投產(chǎn)以來，運(yùn)行情況一直良好，蓄熱式加熱爐，顧名思義，就是利用蓄熱式燒嘴，通過煙氣和空氣的熱交換，對空氣進(jìn)行預(yù)熱，提高燃燒前空氣的溫度，從而降低排煙溫度。此法明顯的提高了熱利用率，達(dá)到了節(jié)能減排的效果。

1 加熱爐工藝參數(shù)

漣鋼2250熱軋板廠兩座蓄熱式加熱爐均為板坯加熱爐，加熱能力為390t/h，燃料采用高、焦、轉(zhuǎn)爐混合煤氣，其煤氣熱值為6500～8500kJ/m3,低發(fā)熱值時煤氣流量正常72700 N·m3/h，最大85000N·m3/h；煤氣節(jié)點壓力在10kPa左右，此加熱爐采用端裝、端出的部分采用空氣單蓄熱式燒嘴加煤氣換熱器的組合空氣單蓄熱爐型，分八段進(jìn)行控制，為了提高爐寬方向的溫度均勻性、降低氧化燒損和穩(wěn)定爐壓，上均熱段設(shè)32個常規(guī)平焰燒嘴，其中空氣預(yù)熱520℃，煤氣預(yù)熱300℃；其余七段采用74個蓄熱式燒嘴，空氣通過換向蓄熱，煤氣預(yù)熱300℃；

2 控制系統(tǒng)組成

系統(tǒng)硬件配置簡圖如下圖1所示，加熱爐自動控制系統(tǒng)采用德國西門子公司S7-400PLC控制系統(tǒng)， 因為現(xiàn)場控制點多且分布范圍廣，系統(tǒng)采用分布式Ι/O設(shè)備控制方式，即所有的輸入和輸出信號通過分布式ET200M站上的輸入和輸出模塊從Profibus- DP網(wǎng)絡(luò)上傳到CPU中進(jìn)行信號處理。其中，儀表PLC的CPU416-2DP的網(wǎng)絡(luò)上共掛有12個ET200M分布式控制單元，分別安裝在現(xiàn)場8個PLC控制柜中，包含信號模塊75塊。

圖1 系統(tǒng)硬件配置簡圖

控制系統(tǒng)上位機(jī)采用西門子公司的Wincc6.2 HMΙ畫面軟件，特別方便和西門子PLC的接口連接，以及具備非常友好的畫面組態(tài)、趨勢數(shù)據(jù)記錄和報警記錄系統(tǒng)。

編程軟件采用西門子公司的Step7 V5.4+ CFC6.0，其中CFC非常便于燃燒控制系統(tǒng)編程。

3 換向控制

3.1 換向控制系統(tǒng)概述

加熱爐共有7個蓄熱段，每段由一套單獨的換向裝置組成，以均熱段下部來為例，此段共有10個燒嘴，分成A、B兩組，每組由5個燒嘴組成，分別分布在加熱爐均熱段下部軋機(jī)側(cè)和非軋機(jī)側(cè)，每個燒嘴連接煤/煙三通換向閥、和煤氣切斷閥，當(dāng)A組燒嘴煙氣閥關(guān)閉，煤氣切斷閥和空氣閥打開，處于燃燒狀態(tài)時，B組的煤氣切斷閥處于關(guān)閉狀態(tài)，煙氣經(jīng)排煙風(fēng)機(jī)抽出并在燒嘴內(nèi)對蓄熱體進(jìn)行熱交換，同時由助燃風(fēng)機(jī)輸送過來的冷空氣進(jìn)入燒嘴蓄熱，經(jīng)過設(shè)定的時間當(dāng)空氣蓄熱到一定溫度后，B側(cè)的燒嘴側(cè)開始燃燒，而A側(cè)的燒嘴開始對空氣進(jìn)行蓄熱，并且A、B兩側(cè)燒嘴反復(fù)如此循環(huán)下去。為保證燒嘴換向時爐壓波動大的影響，采取每隔2s對一對燒嘴進(jìn)行換向，由預(yù)熱段一直換到均熱段。

3.2 換向控制系統(tǒng)策略

燒嘴換向時，如圖2所示，為了保證設(shè)備安全運(yùn)行，燃燒時，煙氣閥關(guān)閥到位后，空氣閥才打開，空氣閥打開1s后再打開煤氣閥，燒嘴排煙時，煤氣閥先關(guān)閉，1s后再關(guān)閉空氣閥，空氣閥和煤氣閥關(guān)閉到位后煙氣閥才打開。換向時，只要任何一個閥出現(xiàn)開關(guān)不到位的現(xiàn)象，燒嘴立即切斷一段時間后恢復(fù)到常規(guī)燃燒狀態(tài)，另外，在每一個燒嘴的煙氣管道上裝有溫度傳感器，當(dāng)排煙溫度高于250℃時，為了保證設(shè)備安全運(yùn)行，立即切斷此燒嘴。投產(chǎn)以來，因操作工發(fā)現(xiàn)不及時，多次出現(xiàn)換向時煙氣閥關(guān)不到位故障，導(dǎo)致煙氣溫度高而使燒嘴上的設(shè)備燒壞，為此，通過做了一個HMΙ彈出畫面報警改造，兩座爐子共148個燒嘴，其中任何一個煙氣溫度大于300℃，就彈出一個HMΙ畫面報此燒嘴煙氣溫度高，改造后，設(shè)備因此原因燒壞的現(xiàn)象再沒發(fā)生。

圖2 成對燒嘴換向時序圖

4 燃燒控制系統(tǒng)策略

4.1 燃燒控制系統(tǒng)概述

加熱爐燃燒系統(tǒng)劃分為9 個段，其中8 個燃燒控制段（Z01—Z08）和1 個熱回收段。Z01—Z08每段設(shè)有1 個空氣流量調(diào)節(jié)閥和1 個煤氣流量調(diào)節(jié)切斷閥，除Z07（上均熱段）為常規(guī)燃燒控制外，其余各段為蓄熱式燃燒控制。7 個蓄熱段每段設(shè)有1個排煙溫度調(diào)節(jié)閥，總共74 個蓄熱燒嘴前管道上均設(shè)有煤氣切斷閥和空氣/煙氣三通換向閥。

各燃燒控制段采用常規(guī)帶溫度前饋功能的雙交叉限幅燃燒控制，同時蓄熱段還帶燒嘴換向控制功能。連續(xù)燃燒控制采用PΙD 控制算法。各燃燒控制段分別設(shè)置有2 支熱電偶進(jìn)行爐溫檢測，爐溫控制是取其中的高值進(jìn)行，當(dāng)其中1 支熱電偶出現(xiàn)故障時報警并自動切換到另1 支熱電偶作為溫度調(diào)節(jié)器的測量。

4.2 溫度前饋雙交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)

眾所周知，加熱爐在燃燒過程中，熱損失和空氣過剩系數(shù)有著密切的關(guān)系。空氣量不足，就會產(chǎn)生黑煙,浪費燃料，熱效率降低,并且排放的CO污染環(huán)境；空氣過剩,不僅會帶走大量熱能,浪費熱能,同時,過量的空氣還會加劇被加熱鋼坯的氧化燒損,降低成品率。

實踐證明熱軋加熱爐的燃燒過程空氣過剩系數(shù)控制在1.0～1.1 的范圍內(nèi)，可以達(dá)到最佳燃燒效果，但隨著熱負(fù)荷的變化．燃燒受到干擾，難以保證加熱爐的合理燃燒，而采用常規(guī)帶溫度前饋功能雙交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)，則提高了過渡空燃比的控制能力，提高了燃燒效率，節(jié)省燃料，防止冒黑煙，進(jìn)一步改善系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)特性，最終保證加熱爐生產(chǎn)穩(wěn)定，減少了氧化鐵皮燒損，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

4.3 控制策略

如下圖3所示， 其中a為空氣過剩系數(shù)，b為理想空燃比，K1、K4為正偏置系數(shù)，K2、K3為負(fù)偏置系數(shù)，爐溫調(diào)節(jié)器通過溫度測量值與溫度設(shè)定值的偏差進(jìn)行連續(xù)PΙD 調(diào)節(jié)，把爐溫調(diào)節(jié)器的輸出信號與空氣流量實測值經(jīng)過溫壓補(bǔ)正后信號換算成煤氣流量信號負(fù)偏置后的值進(jìn)行比較，由高選器選中其中的高者，此值再與通過空氣流量實測值經(jīng)過溫壓補(bǔ)正后換算出來的煤氣信號正偏置后進(jìn)行比較，由低選器選中其中的低者，然后再通過溫度前饋系數(shù)補(bǔ)正后作為煤氣流量的設(shè)定值，同樣，把爐溫調(diào)節(jié)器的輸出信號與煤氣流量實側(cè)值經(jīng)過溫壓補(bǔ)正后信號正偏置后進(jìn)行比較，由低選器選中其中的低者，此值再與通過空氣流量實測值經(jīng)過溫壓補(bǔ)正后換算出來的煤氣信號正偏置后的值進(jìn)行比較，由高選器選中其中的高者，然后再通過溫度前饋系數(shù)補(bǔ)正后作為空氣氣流量的設(shè)定值。

圖3 溫度前饋雙交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)

4.4 溫度前饋雙交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)特點

當(dāng)現(xiàn)有溫度控制的平衡被打破時，不管溫度調(diào)節(jié)器的輸出是增加或者減少，負(fù)荷增加時，這時可選K4＞K1，所以保證了空氣流量都會比煤氣的流量多增加一些，防止了燃料供應(yīng)過多冒黑煙的現(xiàn)象；同時，煤氣和空氣的交叉限幅保證了流量的交替上升，同樣，負(fù)荷下降時，這時可選K3＞K2，所以保證了煤氣流量都會比空氣流量多減少一些，并且空氣流量設(shè)定不會超過高選器選擇出來的高者，因而限制了負(fù)荷急劇下降時剩余空氣系數(shù)的上限值。同時，煤氣和空氣的交叉限幅保證了流量的交替下降，此時，再加入溫度前饋控制，在系統(tǒng)平衡被打破時，保證了更快的響應(yīng)速度，偏差越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，雙交叉限幅燃燒控制能夠既在靜態(tài)又在動態(tài)過程中始終保持空燃比在最佳范圍內(nèi),無論負(fù)荷如何變化,剩余空氣系數(shù)總能控制在確定的范圍內(nèi),在最佳的低氧燃燒區(qū)，既達(dá)到了節(jié)能環(huán)保的目的，又保證了高質(zhì)量的板坯加熱質(zhì)量。

4.5 燃燒控制系統(tǒng)優(yōu)化

根據(jù)上述控制系統(tǒng)，原理想空燃比b是通過操作人員在根據(jù)爐內(nèi)火焰狀況和經(jīng)驗在HMΙ 畫面上手動進(jìn)行設(shè)定的，然而因為煤氣熱值的波動，實際運(yùn)行起來操作人員的操作往往滯后爐內(nèi)情況的變化，且存在操作頻繁、難度大等特點，為此進(jìn)行了多項改造，首先從把煤氣熱值信號接入加熱爐3#爐燃燒PLC，并用通信方式送給2#加熱爐燃燒PLC，然后根據(jù)煤氣熱值的大小自動計算空燃比值，并用殘氧分析裝置測得的爐內(nèi)的含氧量參數(shù)對此空燃比進(jìn)行修正，得到一個計算出來的理想空燃比進(jìn)行燃燒，此改造投入后，2#爐和3#爐的含氧量基本上控制在2%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于沒有投入此改造前的6%～10%，并且非常接近理想值。

5 結(jié)論

漣鋼2250 熱軋廠步進(jìn)式蓄熱加熱爐投產(chǎn)2年以來，自動化系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，溫度前饋雙交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)的采用，特別是自動空燃比設(shè)定改造投入后，保證了高精度的空氣過剩率，既達(dá)到高效、節(jié)能、有利于環(huán)保的目的，又保證了加熱爐的生產(chǎn)穩(wěn)定和產(chǎn)品質(zhì)量。

[1] 馬翠紅,張涌濤,紀(jì)玉榮.基于組態(tài)軟件的加熱爐生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控系統(tǒng)[J].自動化儀表,2004,25(11): 61-62,77.

[2] 賈定,衛(wèi)恩澤.蓄熱式加熱爐的自動燃燒控制技術(shù)[J].冶金自動化,22007,31(4): 32-37.