智能燃燒技術在蓄熱式加熱爐的應用

河鋼集團唐鋼公司信息自動化部 王偉偉

1 引言

在蓄熱式軋鋼加熱爐的燃燒控制，目前國內廠家普遍采用人工控制，依靠燒火工的人工經驗對空/燃氣調節閥的開度進行調節，不僅勞動強度大，溫度波動變化大，直接影響到鋼坯的加熱質量，是目前熱軋生產線自動化控制方面亟待解決的主要問題之一。加熱爐智能燃燒系統是一種新型計算機控制技術，采用先進的人工智能技術，克服了常規自動控制方式的缺陷，具有安全可靠、控制準確、無人干預運行時間長等獨特的優點，可有效地改善加熱質量、提高生產效率、提高成材率和降低能耗水平。

2 一級燃燒智能控制手段

2.1 爐內壓力控制

爐內壓力主要通過調節排煙管道閥門開度進行控制，通常保持爐內微正壓20Pa，防止外部冷氣進入和火焰外逸。以均熱段爐壓為被控參數，以各段電動調節閥為操縱量。從爐氣平衡出發，采用前饋－反饋控制方式保障煙道排煙量與供風量相平衡。

圖1

爐門頻繁開關，會導致爐內壓力頻繁波動。測量值頻繁變化會造成煙道擋板產生振動，無法進行有效控制。因此增加爐門開關輸出鎖定保持功。

2.2 排煙溫度控制

2.2.1 控制內容

●各段排煙調節閥的動作命令信號。

●各段蓄熱體兩側排煙管道排煙溫度檢測信號。

2.2.2 控制方式

●自動方式：按照預先設定的排煙溫度自動進行調節排煙調節閥大小，控制蓄熱體回收熱量大小。

●手動方式：在畫面上由操作員人為操作換向單元的開閉。

2.2.3 安全報警自鎖功能

●排煙溫度超溫報警，換向系統強制自動換向。

●排煙溫度超超溫報警，上位機控制畫面發出報警，并自動指出故障點。若高高報警，自動觸發安全連鎖，切斷該段燒嘴。

2.3 安全保護系統

為確保加熱爐的穩定運行增加以下幾項聯鎖邏輯控制；

●空燃氣壓力安全連鎖

●蓄熱體排煙溫度安全連鎖

●爐溫安全連鎖

●爐壓安全連鎖

3 爐溫智能動態設定技術

3.1 改進型雙交叉限幅控制方法

采用雙交叉限幅的串級比值控制方法。有效控制了動態空燃比，但是限幅降低了系統的響應速率。控制原理如圖2所示。而改進型雙交叉法的限幅系數可以自動根據溫度偏差修正，在溫度偏差較大時降低或取消限幅功能，提高了系統的相應速率。

3.2 空氣過剩率u自動調節

根據燃燒理論，理論空氣過剩率與燒嘴負荷之間的關系如上圖所示。根據生產負荷的變化，理論空氣過剩系數也會隨之變化。這種變化的空氣過剩系數修正策略對提高燃燒效率，降低氧化燒損有好處。此外，為了確保小流量情況下的合理燃燒，必須在相應的煤氣流量，適當加大空氣流量。系統設計人員根據設計資料設定理論空燃比，系統就會根據負荷情況和煤氣熱值、殘氧含量自動計算過剩系數，求出空燃比。

圖2

3.3 爐溫模糊控制技術

由于溫度對象的大滯后，僅靠常規PID控制來調整會造成響應速度慢，超調量大。通過供熱需求分析建立燃料的消耗量與生產能力之間的函數關系；同時，根據生產經驗把加熱爐不同的工況，對應的方案制定出來。在此基礎上，建立爐溫模糊控制系統。為了保證系統運行的可靠性，模糊控制系統采用前饋結構實現。該控制技術能起到提前修正作用，從而提高控制系統的響應速度。

3.4 鋼坯加熱數學模型

鋼坯加熱數學模型是加熱爐智能燃燒自動控制的核心部分。主要是根據爐內實時的爐溫情況和由物料跟蹤提供的位置信息，利用鋼坯加熱過程傳熱數學模型，以一定的頻率計算爐內每根鋼坯的溫度分布，實現全爐鋼坯溫度的在線動態跟蹤，為爐溫的動態設定提供直接依據。同時在二級畫面上以直觀動態地顯示鋼溫變化情況，便于在線監控。

鋼坯的溫度計算從鋼坯入爐時開始，至鋼坯出爐結束。為了保證模型計算的準確性，模型還具有自學習功能，它能夠根據出爐溫度和終軋溫度的實際值反饋調整模型參數，提高模型準確性。

鋼坯加熱所涉及的數學模型一般包括爐膛傳熱模型、鋼坯內部導熱模型、熱物性計算模型、燃燒設定模型等。

A.爐膛傳熱模型

爐膛綜合傳熱系數法是計算爐膛傳熱過程的一種簡化計算方法，它將被加熱物料的表面熱流密度描述為爐溫與物料表面溫度的黑體輻射之差乘以綜合傳熱系數的形式。該方法對要求計算速度的在線傳熱模型來說，是一種行之有效的處理方法。

式中，qsur為鋼坯表面輻射熱流密度，W·m-2；ΦCG為總括熱吸收率；σ為黑體輻射常數（5.67×10-8），W·m-2·K-4；Tg為計算位置的爐氣溫度，K。

在具體應用中，由于爐膛內部煙氣流動方式、溫度水平、爐型結構、燒嘴布置方式不同，沿爐長方向各位置的傳熱參數是不同的，本系統采用一維長爐模型，爐長方向不同位置設定不同的爐膛傳熱系數，并利用現場試驗測量的一些溫度參數（如出爐鋼坯表面溫度、黑匣子實驗等），對各位置的傳熱參數進行修正，以適應流場、溫度場變化導致的爐內傳熱條件的變化。

B.鋼坯導熱模型

采用二維計算模型，以鋼坯橫截面為研究對象。鋼坯二維導熱微分方程為：

其中x、y構成二維直角坐標系，x為鋼坯寬度方向，y為鋼坯厚度方向，T為溫度值，τ為時間值，λ為導熱系數，ρ為密度，Cp為比熱容。

模型的初始條件為：

模型的邊界條件為：

式中，L為鋼坯寬度，m；H為鋼坯厚度，m；τ為加熱時間，s；T0(x, y)為整個鋼坯橫截面的初始溫度分布，℃；為鋼坯左側面的表面熱流密度分布，W·m-2；為鋼坯右側面的表面熱流密度分布，W·m-2；為鋼坯下表面熱流密度分布，W·m-2；為鋼坯上表面熱流密度分布，W·m-2。

C.鋼材熱物性的計算模型

不同鋼種的熱物性（熱導率、比熱、密度等）是隨著溫度的變化而不同的，它是確定熱處理工藝的重要依據，也是進行加熱計算的依據。

一般碳素鋼的熱導率隨溫度的升高而減少，溫度大于900℃后略微上升。常溫下碳素鋼的熱導率一般按下式計算：

鋼的比熱決定于自身的成分和溫度，特別是溫度的影響較大。在實際計算中，可根據溫度和成分，查詢相關比熱表得出。在20～100℃內，鋼的比熱可按下式計算：

鋼的密度與化學成分和溫度密切相關。不同溫度下鋼的密度按下式計算：

式中：

x——鋼中各合金元素的質量分數；

β——鋼的線膨脹率；

D.燃燒設定模型

燃燒設定模型主要包括空燃比設定和脈沖燃燒設定兩部分。

加熱爐蓄熱式燃燒過程中由于煤氣成分波動、熱值變化、管道壓力變化等因素影響，不能保證燃氣能夠合理地充分燃燒，需要調整燃燒空燃比。燃燒設定模型根據燃氣熱值計算得出的合理的空燃比值，同時也可根據煙氣的殘氧量反饋，修正各段空燃比配置，提高燃料燃燒效率。一般情況下高溫段的空燃比相對低溫段要稍小，以保證高溫段較好的還原性爐膛氣氛，實現降低氧化燒損的目的。

3.5 爐溫智能設定

智能燃燒控制系統的決策核心是爐溫智能設定模塊。它根據裝鋼情況的變化，依據鋼溫計算模型提供的鋼坯溫度分布情況、出爐溫度實際值、終軋溫度實際值等信息，動態調整各加熱段的爐溫，實現智能燒鋼，節約能耗。

生產節奏可分為升溫、降溫、保溫、正常生產四種模式，采用以下三種方式獲取：手動設定、從軋線系統獲取、自動本地獲取。其中自動本地獲取方式是連續跟蹤記錄最近幾次步進梁運動時間、鋼坯的出爐時間等，自動計算生產節奏。

爐溫優化設定程序是定時啟動的，每次計算完成后向一級基礎燃燒系統發送設定值。

3.6 混合加熱管理

混合加熱分為：不同規格、不同鋼種、冷熱混裝等不同類型。系統能根據不同種類鋼坯的標準加熱制度偏差，決定裝爐時前后空位大小。若前后兩種鋼坯的標準加熱制度偏差不大，則不留空位。加熱制度偏差越大、空越長。空位長度一般設有上限，不會過長。

對于每個加熱段，該段加熱不同種類鋼坯，系統將統籌分析各鋼坯的標準加熱制度和實際鋼溫水平，加權計算出該段的爐溫設定值。

同時，系統自動識別各段相鄰鋼坯的鋼種變化和入爐時間間隔變化，判斷換輥坯的位置，進行獨立的針對性操作，在保證換輥坯前面的鋼坯滿足出爐溫度的要求，降低當前換輥坯后面鋼坯的加熱溫度，有效利用換輥待軋加熱時間進行合理加熱。

4 總結

通過對蓄熱式加熱爐的實現燃燒的自動控制，包括爐溫、排煙、爐壓、等熱工參數的自動控制，實現各段爐溫對該段鋼坯種類變化、待軋換輥、產品規格變化、出鋼節奏變化等因素的自適應，實現加熱爐的節能降耗和加熱質量提高。