基于輻射能信號的加熱爐空燃比優化控制研究

摘 要：加熱爐燃燒過程中，只有當空氣與燃料配比恰當（最優空燃比）時，才能實現高效低排放燃燒。文章提出了一種基于輻射能信號的加熱爐空燃比優化控制方法，通過對輻射能信號的尋優，在線搜尋匹配于燃料量的最佳風量。該控制方式與傳統的基于熱電偶測溫的空燃比優化控制策略相比，信號變化靈敏，響應速度快，能夠減小燃燒調整的時間，減小爐溫波動。

關鍵詞：加熱爐；輻射能；空燃比；優化控制

1 前言

加熱爐是具有強耦合，純滯后，大慣性及慢時變等特點的典型非線性系統。目前我國大型鋼鐵企業的軋鋼加熱爐大多實行了燃燒自動控制，通過爐溫控制燃料和熱風的供給量，空燃比一般在初始設計的基礎上人工進行調整，極少數情況根據爐子的殘氧量進行修正。由于軋制節奏變化、燃料熱值波動、風溫變化等影響，空燃比的控制往往難以達到最佳狀態，導致加熱爐燃耗高、氧化燒損增加等問題。

加熱爐實現安全和經濟運行的前提，取決于能否正確的組織燃燒過程。為提高燃燒的熱效率，必須從降低燃料未完全燃燒和排熱損失著手。燃燒控制是實現工業爐優化控制的基礎，而燃燒控制的核心是空燃比控制。但煤氣熱值的波動、流量測量不準確等因素會影響空燃比的準確性。北京科技大學的謝勵人[1]以上海寶鋼集團的一臺均熱爐為研究對象，從理論上分析了影響空燃比的諸多因素，通過對寶鋼初軋廠均熱爐過程的分析，最終確定混合煤氣熱值、鋼的氧化、爐子的自然狀況及生產中的異常情況等4個方面作為影響空燃比的主要因素。根據這四個影響因素的特點，綜合運用專家系統等方面的知識，開發建立了寶鋼初軋廠均熱爐群最佳空燃比尋優控制系統，在現場實際運行了6個月，實踐表明空燃比尋優結果合理，實現了均熱爐綜合節能大于3%，氧化燒損平均減少0.3%的控制目標。劉超明工程師[2]根據多年的工業窯爐優化燃燒控制系統設計、施工和運行的經驗，介紹了工業窯爐優化燃燒控制系統的設計過程，控制流程、控制系統的工作原理及在DCS中的實現方法。張元福[3]根據燃燒溫度與過量空氣系數呈現一個凸函數關系，求最佳的燃燒溫度就轉變成了求凸函數的極值問題，采用模糊的控制方法來尋找最優的空燃比值，通過自尋優模糊控制器就可以自動控制最佳空燃比。開發了空燃比自尋優模糊控制器，有效的克服了傳統控制中的特點，具有搜索速度快，收斂性好等優點。馬翠紅[4]在加熱爐的燃燒自動控制系統中，在采用雙交叉限幅控制的基礎上，然而由于流量測量裝置的測量誤差、控制器參數的調整偏差、燒嘴特性變化以及裝出料時可能從爐外吸入空氣等原因，可能導致空燃比不能保持在最佳值上，為了解決這個問題，在雙交叉限幅燃燒控制的基礎上，引入排煙含氧量對空氣過剩系數進行校正，實現氧含量閉環控制。結果表明把殘氧量引入加熱爐的燃燒控制，可明顯提高控制性能，節能降耗。葛蘆生[5]將模糊控制器引入燃料回路，克服了要求系統響應速度較快的工業生產過程不能滿足要求的交叉限幅方法，讓燃料回路跟隨空氣回路動作，使系統整體響應速度提高，同時動態空燃比保持恒定。將模糊控制器引入到燃燒控制系統，通過仿真結果分析，在保證動態空燃比穩定的前提下，系統總體響應速度比雙交叉限幅控制系統有明顯提高。

本文所述的加熱爐燃燒優化控制系統主要由八支CCD高溫火焰圖像探測器和高性能工業控制計算機實時監控系統組成。如圖1所示，系統所監視的爐內燃燒空間為鋼坯上表面到燃燒室頂部之間的區域。八支火焰圖像探測器全部布置在爐膛南北側墻上。八支火焰圖像探測器從不同爐室觀測爐膛，得到的多幅火焰輻射圖像經過視頻分隔器合成一幅圖像，進入工控機的圖像采集卡中，合成的火焰圖像在工控機進行處理，然后將檢測的爐膛燃燒輻射能信號送入加熱爐上位計算機控制系統，完成匹配于燃料量的最佳風量的在線搜尋，從而實現提高爐膛熱效率和鋼坯加熱質量的目的。

2 控制原理

定義r是空燃比，由下式確定：

（1）

Fa和Famax分別是空氣流量的測量值以及最大值。

Ff和Ffmax分別是煤氣流量的測量值以及最大值。

由于Famx及Ffmax 一般為定值，為分析方便，空燃比 直接可由下式確定：

（2）

燃燒過程質量的好壞與爐膛空燃比有著明顯的關系。在實際的燃燒過程中，當空氣不足以及空氣過剩系數較小時，會發生燃料不完全燃燒的現象，此時的熱損失比較大，而且會產生大量黑煙。當處于高過剩空氣燃燒區，此時由于煙氣含氧量過高，使得鋼坯表面氧化現象嚴重，給鋼坯加熱的質量帶來不利影響，并且由于產生大量的煙氣使得整個爐膛的燃燒效率過低，同時，由于O2含量過高會產生大量的NOx和SOx，對環境造成污染。加熱爐燃燒過程中，只有當空氣與燃料配比恰當（最優空燃比）時，才能實現高效低排放燃燒，怎樣提高加熱爐燃燒過程的熱效率就轉化為尋找最佳空燃比的問題。

然而在加熱爐實際運行過程中，當燃料配比變化很大，或者軋制要求變化時，最佳過剩空氣系數在變化，出口煙氣最佳含氧量也在變化，要隨時保持燃料和空氣的恰當配比并不容易。

輻射能信號從現場安裝的8支火焰探測器拍攝的火焰圖像中提取。首先，通過計算機將輸入的火焰圖像轉化為數字圖像；然后由計算機通過視屏采集卡提取轉化后的每幅圖像中各個像素點的紅綠藍顏色值ri，j，gi，j，bi，j；其中i是各個像素點在數字圖像里面的橫坐標，j為每個像素點在數字圖像里的縱坐標；最后輻射能信號的計算步驟如下：

（3）

（4）

（5）

式中，Gi，j是每個像素的灰度值，Gtotal是N幅圖像所包含的所有像素點的總灰度值，Gave是N幅圖像的平均灰度值。N是爐內探頭的數量，即N幅火焰圖像，k代表的是第k幅圖像，每一幅圖像都是由M×R個像素組成，M和R代表的是每個圖像沿縱向和橫向的像素點的個數。λk是將不同的快門計算下的輻射能信號轉化為同一個快門下的值，當快門速度不變時，λk=1。

基于輻射能信號的加熱爐空燃比優化控制系統將輻射能信號引入爐膛風量控制。輻射能信號作為爐膛燃燒強度的直接反映，其最優值體現了燃料完全燃燒、火焰溫度及輻射加熱能力達到最大的燃燒最優化結果，其最優點即為空氣與燃料達到最佳配比的工況。因此，可通過對輻射能信號的尋優，在線搜尋匹配于燃料量的最佳風量和煙氣含氧量。

輻射能信號在線尋優的基本原理如圖2所示，在軋制要求不變、燃料量保持不變的情況下，給予送風量一個小幅度的擾動（如總風量減少2%），對整個爐內燃燒過程不會造成明顯的影響，但卻會使輻射能信號發生變化。如果輻射能信號上升，燃燒工況發生圖2中從B向C點的變化，這是燃燒優化變化的方向，是應該實現燃燒調整的方向，可繼續按相同的方向搜索燃燒優化工況。如果輻射能信號下降，燃燒工況發生圖2中從C向A點的變化，這是偏離燃燒優化變化的方向，不能繼續在這個方向搜索。如果輻射能信號變化不大，則表明此時燃燒工況已基本處于優化狀況（C點附近），不必改變。

圖2輻射能E-NOx-O2關系示意圖 圖3輻射能信號與煤氣流量的關系

當燃燒工況已經優化到最佳點C附近的較小范圍，如圖2中的A至B點之間，從經濟性角度看，A至C點之間和C至B點之間沒有明顯差異，都比較理想。但從氮氧化物排放的角度，顯然，A至C點之間的工況明顯比C至B點之間的工況有更低的氮氧化物排放水平，同時，A至C點之間的工況能實現更小的氧化燒損，是燃燒優化最理想的運行區間。

3 輻射能信號分析

實驗在武鋼集團某熱軋廠一臺步進式加熱爐上完成。該爐子為四段步進式加熱爐，沿著爐內鋼坯的運動方向，可以將加熱爐分為預熱段、第一加熱段、第二加熱段、均熱段。由于各加熱段燃燒采用獨立控制方式，這里分別對每個加熱段進行輻射能信號的采集及分析，每段的輻射能信號由布置在該段的兩支探測器檢測的輻射能信號取平均值得到，每段的爐膛溫度由布置在該段南北側墻上的熱電偶測量值取平均得到。

首先分析爐膛溫度、輻射能信號與煤氣流量的關系，如圖3所示。可以發現，在煤氣熱值基本不變的情況下，隨著煤氣流量的增加，爐膛溫度、輻射能信號均逐步增加，爐膛溫度、輻射能信號與煤氣流量三者之間呈現很好的相關性，表明煤氣流量控制將是各加熱段爐溫控制的主要手段。進一步可以發現，隨著煤氣流量的變化，熱電偶測溫結果波動很小，特別是煤氣流量小幅變化時，熱電偶測溫結果基本沒有變化，這是由熱電偶測溫的熱慣性所決定的。而輻射能信號則對煤氣量變化更加敏感，能夠響應煤氣流量的小幅調整，這是由其光學測量的特性所決定的。

煤氣流量的大小決定了爐膛溫度的基本水平，但是在燃燒調整的局部階段，合適的空燃比將對爐膛熱效率有顯著的影響。如圖4中區域1所示，該時間段內煤氣流量基本不變，只調整空氣流量。可以發現，當空氣流量先減小后增加時，爐膛溫度呈現先增加后減小的變化趨勢，爐膛溫度變化的拐點表明該時刻對應的空氣流量最匹配煤氣流量，空燃比達到最佳。研究該時間段的輻射能變化如圖5所示，可以發現輻射能與爐膛溫度一樣呈現先增加后減小的變化趨勢，有所不同的是，輻射能變化與空氣流量變化的拐點位置基本一致，而爐膛溫度變化的拐點位置則延遲約30s左右，這同樣是由熱電偶測溫的熱慣性所決定的。

研究圖4及圖5中的區域2可以發現，當煤氣流量繼續增加時，爐膛溫度及輻射能基本不變，這主要是由于該時間段內空氣流量在下降，爐內氧氣不足，燃料發生不完全燃燒，導致送入爐膛的煤氣沒有發生燃燒即被煙氣帶走，造成了燃料的浪費。

圖6至圖9給出了預熱段，一加熱段，二加熱段以及均熱段輻射能-爐膛溫度-空燃比的變化曲線。首先分析圖6中的紅色區域，空燃比在快速小幅變化時，熱電偶測量溫度值基本不發生變化，而輻射能則表現出跟空燃比一致的變化規律。圖7中的紅色區域則反映出當空燃比出現拐點，爐內燃燒狀況發生改變時，輻射能信號迅速響應了這一過程，而熱電偶測溫信號直到燃燒過程結束，熱量傳導完成后才顯示同樣地變化趨勢。

目前很多研究中提到采用爐膛溫度來進行最佳空燃比的控制，以上的分析也證明了該種控制策略的可行性，但同時我們也發現，利用幾個熱電偶測量點的平均值來反映全爐膛的燃燒溫度，信息不夠充分，誤差也較大。同時由于熱電偶測溫的熱慣性，將很難反映空燃比快速調整過程中的爐膛燃燒狀況的變化。輻射能信號由火焰圖像直接轉換得到，反映了全爐膛燃燒強度的變化，具有變化靈敏，響應速度快等優點，適合用于空燃比的在線調整。

4 實驗結果及分析

通過分析輻射能，爐膛溫度及空燃比三者之間的關系我們可以發現，輻射能信號與爐膛溫度呈現基本一致的變化趨勢，能夠反映出空燃比變化下爐膛燃燒狀況的改變。在煤氣量保持不變的情況下，可通過對輻射能信號的尋優，在線搜尋燃料量與風量的最佳配比。

在空燃比尋優過程中，我們只需要關注輻射能信號的變化量而不是其絕對數值，可采用模糊控制的方法進行輻射能信號的在線尋優。空燃比自尋優模糊控制系統如圖10所示，所設計的空燃比自尋優模糊控制器是一個兩輸入單輸出的控制器，輸入量是爐膛輻射能的增量△R（△R=R（i）-R（i-1））以及上一周期的尋優步長？駐u（i-1），輸出是本次的尋優步長？駐u（i）。空燃比尋優的基本邏輯是，當生產節奏、燃料配比保持穩定工況下，通過改變空氣流量以改變空燃比，根據輻射能的特性，此時的輻射能將響應變化。尋優邏輯根據兩個信號的同向性或背離性，分別判斷加熱爐配風應適當增加或減少，從而達到燃燒最佳空燃比。

圖10 空燃比尋優邏輯原理圖

試驗在加熱爐的第一加熱段上完成，取該加熱段兩支熱電偶測量結果的平均值作為爐膛特征溫度，將安裝在該加熱段的兩支火焰探測器檢測到的輻射能的平均值引入空燃比在線尋優控制系統。初始工況下，空燃比r=2.55，保持燃料量不變，以2%的幅度增加（減小）空氣流量，記錄輻射能及爐膛溫度的變化，如圖11所示，不同空燃比下拍攝的火焰圖像如圖12所示。由圖11及12可以發現，空燃比從r=2.55增加時，輻射能及爐膛溫度均降低，爐內火焰圖像變暗，表明該調整方向與最優化方向相反；當空氣流量減小2%，空燃比從r=2.55減小到r=2.5時，輻射能及爐膛溫度均增加，爐內火焰圖像變亮，表明爐內燃燒強度得到增強，燃燒得到優化。繼續減小空燃比，輻射能及爐膛溫度均減小，爐內火焰圖像變暗，調整方向與最優化方向相反。因此，在該工況對應的煤氣流量下，保持空燃比r=2.5時，燃料量與空氣量實現最佳配比，爐內燃燒強度最大，輻射能及爐膛溫度達到最大。

比較空燃比r=2.5與r=2.4下的爐膛溫度可以發現，在同樣的煤氣流量下，合適的風量調整將能夠使爐膛溫度凈增加20℃，其意義在于，當我們將爐膛溫度作為控制目標時，通過基于輻射能信號的空燃比調整，就能夠實現用更少的煤氣量達到要求的加熱溫度，從而實現加熱爐的節能減排。

圖11 空燃比調整下輻射能及爐膛溫度變化曲線

5 結束語

在一臺步進式加熱爐的四個加熱段各布置兩支火焰探測器，拍攝爐內火焰圖像，提取火焰輻射能信號，并將其用于空燃比的在線尋優控制中。實驗結果表明， 輻射能信號達到最優點時，爐膛溫度最高，爐內燃燒強度最大，燃燒達到最優化的狀態，對應的燃料量及空氣量實現最佳配比。因此，在煤氣量保持不變的情況下，可通過對輻射能信號的尋優，在線搜尋匹配于燃料量的最佳風量，實現爐膛的優化燃燒，提高加熱爐熱效率。與傳統的基于熱電偶測溫的空燃比優化控制策略相比，采用輻射能信號控制方式變化靈敏，響應速度快，能夠減小燃燒調整的時間，減小爐膛溫度波動，提高鋼坯加熱質量。

參考文獻

[1]謝勵人，韓麗輝，溫治等.寶鋼初軋廠均熱爐群最佳空燃比尋優控制系統[J].控制理論應用.

[2]劉超明.工業爐窯優化燃燒控制系統中的設計及其在DCS中的實現方法[J].石油化工自動化，2008，2：22.

[3]張元福.加熱爐空/燃比自尋優模糊控制器研究[J].山東冶金，Vol.22，NO.50ctober2000.

[4]馬翠紅，楊友良.加熱爐燃燒系統殘氧量的模糊預測控制[J].河北理工學院學報，Vol.5NO.2May2005

[5]葛蘆生.燃燒系統巔峰FUZZY控制方案研究[J].華東冶金學院學報，第12卷第1期1995年1月

作者簡介：陶茂鋼（1972，2-），男，碩士，湖北武漢人，高級工程師，長期從事工業爐燃燒控制工程技術工作。