加熱爐燃燒系統(tǒng)智能化節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

周秉國(guó) 張子超 肖為站

1.加熱爐及主要參數(shù)

目前，金鼎集團(tuán)軋鋼廠的兩條線材加熱爐均采用雙蓄熱高效燃燒技術(shù)。主要參數(shù)見(jiàn)表1。由于原加熱爐的爐溫控制全部采用手動(dòng)控制模式，容易受外網(wǎng)煤氣壓力波動(dòng)的影響，造成加熱爐燒鋼工手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門頻繁，加大了爐內(nèi)爐壓波動(dòng)，氧化燒損率＞1%，煤耗較高。

表1 金鼎集團(tuán)軋鋼廠加熱爐主要參數(shù)

2.存在問(wèn)題

由于原加熱爐燃燒控制系統(tǒng)為西門子WINCC6.0操作系統(tǒng)，HMI 畫(huà)面未進(jìn)行修改，爐溫控制全部采用手動(dòng)控制模式，需要操作工根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際爐溫，手動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)閥門開(kāi)度來(lái)加熱鋼坯。這種操作的缺點(diǎn)為：一是當(dāng)爐溫波動(dòng)時(shí)未及時(shí)處理，會(huì)造成鋼坯溫度超出設(shè)定工藝范圍，特別是冷、熱鋼坯混裝時(shí)，各段爐溫波動(dòng)較大，均熱段溫度波動(dòng)范圍為1180℃～1272℃；二是當(dāng)外網(wǎng)煤氣壓力波動(dòng)范圍在4KPa～30KPa時(shí)，采用手動(dòng)控制模式無(wú)法精準(zhǔn)地輸出空燃比，容易造成爐內(nèi)強(qiáng)氧化性氣氛，加劇了坯料的氧化燒損，影響鋼坯的加熱質(zhì)量；三是純手動(dòng)的燃燒控制操作會(huì)造成爐壓波動(dòng)10Pa～80Pa，而正常的工藝要求為0 pa～50pa。

3.問(wèn)題分析

3.1 燒鋼溫度不穩(wěn)定，造成鋼坯長(zhǎng)度方向溫度不均勻

采用純手動(dòng)操作，特別是加熱爐在混裝冷、熱方坯時(shí)，加熱爐各段燒鋼溫度波動(dòng)較大，有時(shí)均熱段溫度在1180℃～1272℃波動(dòng)，滿足不了生產(chǎn)工藝要求。

3.2 煤氣壓力波動(dòng)大和爐壓高低不穩(wěn)，造成煤耗高、氧化燒損嚴(yán)重

公司沒(méi)有高爐煤氣柜，當(dāng)高爐熱風(fēng)爐換燒爐或發(fā)電廠調(diào)整負(fù)荷時(shí)，加熱爐主煤氣管網(wǎng)的煤氣壓力波動(dòng)頻繁（4KPa～30KPa），經(jīng)常造成看火工調(diào)節(jié)滯后或不及時(shí)，無(wú)法精準(zhǔn)的輸出空燃比，致使?fàn)t壓波動(dòng)較大（10Pa～80Pa）。爐壓過(guò)大會(huì)造成爐內(nèi)熱量外泄，爐壓過(guò)低又會(huì)大量吸入冷空氣，造成不必要的能源浪費(fèi)，同時(shí)也加劇了爐內(nèi)坯料的氧化燒損。

4.改進(jìn)措施

2019年10月立項(xiàng)對(duì)原加熱爐燃燒系統(tǒng)進(jìn)行智能化升級(jí)技術(shù)改造，重新編寫(xiě)一級(jí)燃燒控制程序及HMI操作畫(huà)面；實(shí)現(xiàn)爐溫、爐壓、空燃比和換向的自動(dòng)控制功能。增加加熱爐二級(jí)系統(tǒng)，主要用來(lái)對(duì)加熱爐爐溫設(shè)定值進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，實(shí)現(xiàn)爐溫和煤氣燃耗量的優(yōu)化控制。根據(jù)加熱爐一級(jí)系統(tǒng)采集坯料數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)，跟蹤爐內(nèi)每一支坯料的位置并保留當(dāng)前爐內(nèi)坯料的分布圖。用加熱爐熱交換數(shù)學(xué)模型計(jì)算爐內(nèi)每一塊坯料的熱狀態(tài)，根據(jù)這些信息計(jì)算出最佳的燃燒控制段溫度設(shè)定值以及最佳的加熱爐產(chǎn)量。

4.1 實(shí)現(xiàn)爐溫自動(dòng)控制

加熱爐共有 4 個(gè)爐溫串級(jí)調(diào)節(jié)回路和 4 個(gè)煤氣、空氣調(diào)節(jié)回路，分 4 段各自實(shí)現(xiàn)爐溫自動(dòng)控制。各段的煤氣和空氣流量調(diào)節(jié)需保證合理的空燃比，以實(shí)現(xiàn)最佳燃燒并精確控制爐內(nèi)氣氛。爐溫自動(dòng)控制是以爐溫控制為主環(huán)，煤氣、空氣流量控制為副環(huán)的串級(jí)雙交叉調(diào)節(jié)回路。空氣、煤氣調(diào)節(jié)雙交叉限幅控制方式，升溫時(shí)空氣調(diào)節(jié)閥先行，降溫時(shí)煤氣調(diào)節(jié)閥先行，并限幅防止超調(diào)，保證始終合理的空燃比。

4.2 爐膛壓力自動(dòng)控制

爐膛壓力控制采用前饋+反饋的控制方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，前饋?zhàn)饔檬歉鶕?jù)助燃風(fēng)的流量加上煤氣流量的總和來(lái)調(diào)節(jié)排煙風(fēng)機(jī)的頻率，反饋?zhàn)饔檬歉鶕?jù)爐膛壓力和實(shí)際爐膛壓力的偏差來(lái)調(diào)節(jié)各段空煤氣排煙調(diào)節(jié)閥，以實(shí)現(xiàn)爐壓的微正壓操作，減少氧化燒損產(chǎn)生。

4.3 換向控制

換向系統(tǒng)由PLC控制。加熱爐采用分段輪續(xù)換向方式，段與段之間換向間隔在 1s～5s 內(nèi)，相關(guān)控制系統(tǒng)主要完成以下功能：

換向方式有兩種：定時(shí)自動(dòng)換向和定溫（排煙溫度）自動(dòng)換向。各段換向系統(tǒng)可轉(zhuǎn)手動(dòng)換向；各段的定時(shí)時(shí)間和定溫溫度及報(bào)警溫度可任意設(shè)定；排煙溫度超溫報(bào)警，換向系統(tǒng)強(qiáng)制自動(dòng)換向；換向閥和切斷閥故障報(bào)警，部分換向系統(tǒng)停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

4.4 新增智能化煙氣分析系統(tǒng)

每座加熱爐新增一套煙氣氣氛分析系統(tǒng)，在加熱爐中通過(guò)取樣管連接3個(gè)燃燒控制段的煙道，都可以通過(guò)電磁閥閥門組的切換，檢測(cè)不同控制段的煙氣殘氧情況，同時(shí)設(shè)置氮?dú)獯祾吆褪杷涌冢_保設(shè)備的壽命和測(cè)量值的準(zhǔn)確性。電磁閥閥門組的切換操作及煙氣分析值，接入操作終端，同時(shí)在L1燃控系統(tǒng)中增加空燃比前饋修正模型。系統(tǒng)自動(dòng)采用煤氣熱值變化，利用系統(tǒng)的前饋控制功能，自動(dòng)修正煤氣總管和空氣總管的流量。另外，系統(tǒng)在燃燒中自動(dòng)調(diào)節(jié)空氣和煤氣的流量，精確修正空燃比，達(dá)到減少NOx和CO生成排放。見(jiàn)圖1。

圖1 金鼎軋鋼廠加熱爐煙氣氣氛分析系統(tǒng)原理示意圖

4.5 新增一級(jí)空燃比調(diào)節(jié)優(yōu)化模型控制功能

煤氣壓力：空燃比過(guò)剩系數(shù)由空氣/煤氣流量比控制來(lái)調(diào)節(jié)，并用煤氣壓力補(bǔ)償進(jìn)行修正。

煤氣熱值：空燃比過(guò)剩系數(shù)由空氣/煤氣流量比控制來(lái)調(diào)節(jié)，并用煤氣熱值補(bǔ)償進(jìn)行修正。

4.6 新增二級(jí)空燃比自學(xué)習(xí)控制模型功能

考慮到各種坯料燃燒制度，各段預(yù)測(cè)剩余在爐時(shí)間、當(dāng)前坯料溫度、燃燒介質(zhì)變化量等，根據(jù)空燃比自學(xué)習(xí)控制模型，推算出各段的最優(yōu)空燃比系數(shù)。

處理模型采用各段空燃比系數(shù)的加權(quán)平均，加權(quán)系數(shù)選擇確定成為問(wèn)題關(guān)鍵。尤其在多鋼種、多規(guī)格混合加熱、煤氣壓力熱值發(fā)生變化時(shí)更加重要。對(duì)加權(quán)系數(shù)選擇優(yōu)先原則依次為加熱質(zhì)量、產(chǎn)量、節(jié)能。

5.達(dá)到的效果

5.1 模型計(jì)算坯料出爐溫度

在正常生產(chǎn)秩序下，各鋼種對(duì)應(yīng)的粗軋機(jī)后溫度達(dá)到目標(biāo)溫度±10℃，命中率≥80%，坯料頭、尾溫差控制≤20℃，截面溫差最小。

5.2 燃燒自動(dòng)化投運(yùn)率

實(shí)現(xiàn)以坯料溫度為目的的智能化二級(jí)加熱工藝指導(dǎo)燒鋼，系統(tǒng)根據(jù)看火工所提供的指導(dǎo)出鋼溫度，合理設(shè)定加熱爐各段溫度；在煤氣不足時(shí)，能做到合理調(diào)整各段煤氣分配，務(wù)必確保煤氣快切閥不頻繁切斷，生產(chǎn)受影響最小。見(jiàn)表2、表3。

表2 金鼎軋鋼廠加熱爐智能化二級(jí)加熱工藝指標(biāo)

5.3 爐內(nèi)氣氛

可根據(jù)燃燒工況的變化，自動(dòng)控制爐內(nèi)的氧化還原氣氛，氧化燒損率≤0.8%，爐膛壓力控制精度±10Pa,使加熱爐達(dá)到最佳燃燒狀態(tài)，降低氧化燒損。見(jiàn)表3。

表3 金鼎軋鋼廠加熱爐自動(dòng)控制爐內(nèi)的氧化還原指標(biāo)

6.效益分析

通過(guò)對(duì)原1號(hào)、2號(hào)加熱爐燒鋼系統(tǒng)智能化節(jié)能技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)爐溫、爐壓、空燃比的自動(dòng)控制，降低看火工的勞動(dòng)強(qiáng)度，改善鋼坯的加熱質(zhì)量，提高線材產(chǎn)量和煤氣利用率，保證了生產(chǎn)的穩(wěn)定順行。

6.1 加熱爐節(jié)能效果

1號(hào)加熱爐，改造前9月4日——10日統(tǒng)計(jì)平均熱裝率92.08%，煤氣單耗223.36m3/噸鋼；改造后11月19日——28日統(tǒng)計(jì)平均熱裝率91.96%，煤氣單耗211.22m3/噸鋼；技改后噸鋼可節(jié)省煤氣12.14m3/噸鋼，節(jié)能率5.435%。

2號(hào)加熱爐，改造前9月10日——15日統(tǒng)計(jì)平均熱裝率84.88%，煤氣平均單耗244m3/噸鋼；改造后11月29日——12月8日統(tǒng)計(jì)平均熱裝率91.96%，煤氣平均單耗229.5m3/噸鋼；技改后噸鋼可節(jié)省煤氣14.5m3/噸鋼，節(jié)能率5.94%，最低煤氣消耗節(jié)約不低于5%。

6.2 創(chuàng)造效益

按線材年產(chǎn)量145.86萬(wàn)噸，兩座加熱爐節(jié)約煤氣單耗均為10m3/噸鋼計(jì)算，每年可節(jié)約煤氣1458.64萬(wàn)m3。按發(fā)1度電需消耗煤氣3.5m3，可以多發(fā)電416.75萬(wàn)度。按電單價(jià)0.50元/度計(jì)算，每年可為公司創(chuàng)造效益為208萬(wàn)元。其中由于燒鋼溫度的精確控制，氧化燒損率降低0.2%的效益未計(jì)算在內(nèi)。