加熱爐智能燃燒控制技術應用

畢英軍 梁慶峰 張軍 周旭朋

摘 要：在加熱爐原系統的基礎上，增加智能優化燃燒控制系統完成對加熱爐的節能優化控制。通過增加殘氧、CO檢測分析設備、燃燒式（測量殘氧含量）熱值儀及相應的軟件計算，實現燃料和助燃空氣的自動調節，進行爐溫控制。

關鍵詞：智能燃燒;分析設備;自動調節

安鋼260機組使用一座步進式加熱爐，來料為150mm2斷面6-12米連鑄坯。燃料采用安鋼南三管網的高、焦、轉混合煤氣。該加熱爐于2011年建成，在生產運行中主要存在以下問題：在實際生產中，由于煤氣發生量和使用量的變化、導致高焦轉混合煤氣使用配比不穩定等因素會影響煤氣熱值的大幅度波動。而加熱爐完全靠人工經驗和人工觀測到的爐況進行調整，爐溫穩定性差，燃料和助燃空氣的調節完全靠人工調節，加熱爐的生產率和熱效率不高。同時隨著生產工藝的提高，要求加熱爐出鋼溫度在長度、斷面上進行精準控制，使得該加熱爐燃燒系統手工調火已經不能滿足工藝需求。

1 加熱爐情況簡介

該加熱爐為直進側出步進梁式加熱爐，采用單排布料。加熱爐爐長23m，寬13m，分為四段，即預熱段、加熱I段、加熱II段和均熱段。加熱爐的預熱段不設燒嘴，在加熱段和均熱段上部都為平焰燒嘴，下部為直焰燒嘴。

煤氣分支總管上裝有調節閥及壓力計，現場通過手動調節閥后壓力，無法實現自動調節，無法保證煤氣分支總管閥后壓力穩定。

煤氣分支總管經8個支管向燒嘴輸送煤氣，且每個煤氣支管上都安裝有調節閥和流量計，現場操作是通過人工觀察各控制段檢測溫度，手動調節各段空氣、煤氣閥門開度，控制精度低，反應遲緩，并且無法保證合理的空燃比，無法保證充分燃燒。煤氣熱值變化較大，且無熱值儀，無法檢測熱值的變化并作出相應的控制措施。

2 工藝需求

加熱爐的生產任務是將鋼坯加熱到軋鋼工藝要求的溫度范圍，以保證正常軋制。保證鋼坯加熱質量，使鋼坯出爐溫度達到目標，滿足軋制要求;實現燃料的合理燃燒，提高燃料利用率，降低能耗。

3 控制目標

通過煤氣分支總管壓力控制系統，達到煤氣分支總管壓力的穩定;通過實現煤氣流量與爐溫的串級控制、煤氣流量與空氣流量的比值控制，實現燃燒系統的自動控制，確保加熱爐可以長期穩定運行;通過熱值補償控制系統，對閥門開度進行有效補償;通過殘氧控制，確定實時最優空燃比，使系統始終運行在最佳燃燒區，在提高加熱爐的加熱效率的同時減少氧化燒損，達到節能降耗的目的。

4 總體方案

系統設計原則是在加熱爐原系統的基礎上，通過外接熱備控制系統完成對加熱爐的節能優化控制。通過實時數據服務器，與原PLC控制系統進行數據交換，爐溫預設定優化系統是通過讀取實時數據服務器數據和紅外溫度檢測系統，檢測到的鋼坯表面溫度，得到最優爐溫設定值，并發給燃燒控制系統，計算得到流量的閥門開度下發給原PLC控制系統。燃燒控制系統是通過分支總管煤氣壓力控制系統保持煤氣壓力穩定;并采用爐溫—煤氣流量串級控制、煤氣流量—空氣流量比值控制，殘氧控制調節最佳空燃比，根據煤氣熱值的波動對煤氣閥門進行補償的綜合控制系統。

（1）煤氣分支總管壓力控制系統。現場通過手動調節閥后壓力，且一般處于全開狀態，為了保證閥后的壓力穩定，對分支總管的煤氣壓力調節閥進行自動調節。

（2）溫度—流量串級比值控制。各回路采用溫度—流量串級比值控制。

（3）殘氧尋優控制。根據預熱段檢測的殘氧信號，首先優化整體空燃比系數，根據各回路的煤氣流量采用專家自尋優確定各回路的空燃比系數分配。

（4）煤氣熱值補償系統。通過歷史數據，對煤氣熱值偏差、煤氣閥門開度補償量，采用數據挖掘的方式，建立熱值補償模型。當煤氣熱值存在偏差時，通過模型輸出煤氣閥門補償量?？紤]其他因素的影響，微調模型參數?？杖急葘灴刂颇K為雙閉環串級控制，提供最佳空燃比，煤氣熱值補償模塊根據熱值波動對煤氣閥門進行補償。

5 爐溫預設定優化系統

爐溫預設定優化系統主要完成對爐內鋼坯溫度分布的實時跟蹤與爐溫的在線優化，實時為燃燒系統提供最佳的爐溫設定值。

（1）爐溫擬合。鋼坯的升溫過程由爐溫來決定，鋼坯進入加熱爐后，以一定的速度在爐內移動，所以進行鋼坯溫度計算時需要首先確定鋼坯所在位置的爐溫。因此需要根據熱電偶分布狀況和實時測得的爐溫，擬合得到沿爐長方向的爐溫分布曲線。

（2）鋼坯跟蹤模型。該模型實時跟蹤每塊入爐鋼坯的位置與該位置的鋼坯溫度分布。并可預測在當前爐溫分布條件下，到達出爐位置時該鋼坯內部溫度分布，以給出鋼坯表面預測溫度、鋼芯預測溫度及鋼坯斷面溫差。

6 硬件、軟件方案

采用上、下位機的硬件結構模式。在主控機上，完成兩部分工作，第一部分為主程序邏輯，包括：系統與原系統的切換邏輯、數據采集及存取、數據庫維護與更新、專家策略的實時生成、人機界面交互等。第二部分為：加熱爐燃燒控制系統的控制策略計算。在上位機中，主要完成爐內鋼坯溫度跟蹤模型及爐溫設定值優化模型的在線尋優。

7 結論

綜上所述，通過對安鋼260機組加熱爐進行智能燃燒改造，實現了對該加熱爐煤氣熱值和全爐燃燒狀況進行實時監控，通過對各段燃燒進行控制、自動調節各段空燃比例，克服煤氣熱值波動帶來的爐溫、鋼溫的波動，實現合理的空燃比和低氧燃燒，提高了加熱爐的生產率和熱效率，實現了節能降耗，經濟和環保效益顯著。

參考文獻：

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[2]胡壽松.自動控制原理[M].機械工業出版社，2012.

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