步進式軋鋼加熱爐燃燒控制參數優化的研究

摘 要：軋鋼企業要求加熱爐在較低的燃燒消耗和環境污染下把鋼坯按指定加熱周期加熱到所需溫度，因此優化加熱爐的燃燒控制是步進式加熱爐溫度控制的重要環節。本文以馬鋼H型鋼加熱爐（異型坯）為研究對象，設計了加熱爐燃燒控制參數優化的方法，并以現場加熱爐的數學模型為研究對象，通過MATLAB的仿真和實際生產分析對比，結果表明本文設計的燃燒參數優化PID溫度控制器性能得到明顯改善，同時減少了燃料消耗和環境污染，對優化加熱爐的控制具有指導性意義。

關鍵詞：步進式加熱爐；MATLAB；交叉雙限幅；PID參數優化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.15.055

馬鋼H型鋼步進式加熱爐，其最大坯料加熱能力是160 t/h。加熱爐有2臺PLC（順序控制PLC和燃燒控制PLC）和2臺MMI組成，分別為SIEMENS公司的SIMATIC S7系列PLC與MMI人機界面系統，PLC與MMI之間采用H1網通訊。燃燒控制PLC主要完成加熱爐的燃燒控制功能，包括燃料流量控制和爐溫設定控制、空燃比交叉限幅控制、爐膛和助燃風機壓力控制、換熱器保護控制等功能。馬鋼H型鋼加熱爐為三段式加熱方式，分別為預熱段、加熱段、均熱段，加熱爐燃燒控制有8個燒嘴，分別采用可調的直焰燒嘴和平面燒嘴。H型鋼加熱爐的順序控制主要完成加熱爐區域的0#液壓系統控制、ITAM步進梁和爐門升降控制、變頻入爐輥道傳動控制、異型鋼坯測長與定位等功能。

1 交叉限幅燃燒控制

H型鋼步進式加熱爐當負荷發生變化時，加熱爐內助燃空氣流量與混合煤氣（焦爐煤氣和高爐煤氣）流量的變化會發生互相制約，在燃燒過程中，焦爐煤氣和高爐煤氣的熱值參與空燃比的修正，從而確保溫度調節過程中加熱爐內達到最優燃燒狀態。雙交叉限幅燃燒控制方式優點是能夠有效地抑制助燃空氣與混合煤氣的燃燒比值變化，提高加熱爐的加熱效率，減少有害氣體對外排放，對環境保護十分有利。但燃燒控制工藝對加熱爐溫差要求較高。加熱爐雙交叉限幅的基本原理是：加熱爐溫度升高時，助燃空氣先行；加熱爐需要降溫時，混合煤氣燃料先行。采用上述方法，使加熱爐系統無論處于穩態或動態時，都能夠獲得較好的空燃比，同時解決了加熱爐長期存在的過氧和缺氧燃燒的現象，提高加熱爐節能降耗效果[1]。馬鋼H型鋼加熱爐系統通過高通、低通選擇器和相應的空氣和燃料流量反饋，及時完成加熱爐溫度升高時空氣調節器先行動作，加熱爐降溫時煤氣調節器先行動作的交叉限幅功能，使得加熱爐溫度達到有效的控制[2]。

2 H型鋼加熱爐模型

加熱爐是一個大慣性、純滯后的對象，一般采用一階慣性環節和延遲環節來近似模擬加熱爐的模型，可得加熱爐的傳遞函數，如式（1）所示：

3 參數優化

3.1 調節器選擇

選用PID控制器用于主回路上對爐溫進行調節的溫度調節器，PI控制器用于副回路上對燃料流量進行調節的燃料調節器，PI用于副回路上對空氣流量進行調節的空氣調節器。對于控制系統的性能分別起調節作用，所以調節器的選用以及參數的最優設定直接關系到控制系統的性能。

3.2 主回路調節器整定

溫度控制回路為主回路，此控制器采用PID調節器，加熱爐可用一階慣性環節和一個延遲環節來近似，這樣可得到模擬部分各個環節組成的傳遞函數式，如式（1）所示。通過現場測定，馬鋼H型鋼加熱爐的傳遞函數如（2）所示。可采用Ziegler-Nichols整定公式進行計算確定，式中T時間常數現場測定為600，τ延遲時間現場測得為20，K比例系數選為1，由此可計算得到=36，=40，=10，因所處環境的不同，這一計算結果在仿真過程中并不能達到很好的效果，可以通過在仿真過程中對， ，參數取不同的數值時進行比較，選取一組能夠滿足工作的參數作為PID最優控制參數。

3.3 系統仿真

在MATLAB仿真環境下建立燃燒系統的仿真模型圖，仿真模型主要有三大部分組成：以溫度控制為主回路的PID調節器控制系統，以燃料流量控制為副回路的PI調節器控制系統和以空氣流量為副回路的PI調節器控制系統。

設定階躍信號的初值給定值為0，溫度給定值為20，而回路中的反饋比例為0.2，最終應達到穩態時的流量值為100。在調節過程中，由于內環是燃料和空氣回路，燃料和空氣回路是隨動系統，燃料流量和空氣流量由于外界環境以及氣壓的變化容易引起波動，使輸出信號也不斷波動，而微分在信號開始改變時起作用，容易引起震蕩，因此將微分值定為零，那么燃料調節器就為PI調節器。

4 爐溫檢測與分析

通過H型鋼加熱爐在線熱電偶對鋼坯的溫度檢測，分別記錄下參數優化前和參數優化后的預熱段、加熱段和均熱段溫度，經統計分析繪制成鋼坯加熱溫度曲線如圖1和圖2所示。分析可知，參數優化后當鋼坯加熱90分鐘時，上表面溫度1235℃，下表面溫度1247℃，上下表面溫差12℃。當鋼坯加熱75分鐘時，上表面溫度隨著加熱時間的延長而緩慢下降，使鋼坯出爐溫差下降到12℃。 優化前鋼坯加熱90分鐘時，溫度波動明顯增加，上下表面溫差30余℃。

5 最佳加熱溫度曲線確定

H型鋼步進式加熱爐是軋制工序的重要組成部分，它將異型鋼坯加熱到指定的軋制溫度，是軋鋼過程中重要的能源消耗和環境污染控制設備。生產過程中諸多動態因素（鋼坯溫度波動、產品規格變化、生產線待軋）的影響使得加熱爐不能完全工作在穩定工況下，加熱爐的溫度過程控制也變得十分復雜。生產線待軋是加熱爐操作中一個十分典型的動態過程，如果此時爐溫設定值不當，不僅會導致混合煤氣燃料浪費，而且會引起更多的氧化燒損，對鋼坯的加熱質量有較大的影響。生產線待軋可以分為兩種：即生產計劃性待軋和非生產性計劃待軋，其中換輥、交接班、檢修停產等都屬于生產性計劃待軋，生產性待軋時間是預知的，可以提前采取措施。如預先降低加熱段爐溫，當生產性待軋開始時再降低均熱段爐溫，待軋之后再將鋼坯溫度升到正常值。非生產性計劃性待軋是不可預知，如軋制生產線的意外事故，導致待軋時間的長短僅能根據處理事故時間的長短憑經驗確定，當非生產性計劃性待軋發生時立刻降低加熱爐各段的爐溫，等事故處理結束后再恢復各段爐溫。對于較短的非生產性計劃性待軋時間（小于30min ），加熱爐溫降至保溫階段溫度，并一直保持到系統決定升溫為止。H型鋼加熱爐根據現場實際生產情況，分別設置短期待軋和長期待軋的加熱爐溫度數學模型，提出靜態與動態相結合的待軋控制策略，方便操作人員在給定的待軋降溫和升溫速度基礎上進行相應的動態調節優化，實現加熱爐溫度在待軋過程的在線控制，這種加熱方式對延長加熱爐的使用壽命、提高異型鋼坯加熱質量和減少鋼坯的氧化燒損都有著十分重要的意義。

參考文獻：

[1]王曉麗.加熱爐操作與控制[M].北京：冶金工業出版社，2016：

76-82.

[2]曾有文.軋鋼加熱爐空氣消耗系數的影響及控制[J].工業加熱，2005（03）：61-63.

作者簡介：邵林（1974-），男，安徽全椒人，研究生，講師，研究方向：控制理論與控制工程。