加熱爐燃燒系統智能化節能技術的應用

周秉國 張子超 肖為站

1.加熱爐及主要參數

目前，金鼎集團軋鋼廠的兩條線材加熱爐均采用雙蓄熱高效燃燒技術。主要參數見表1。由于原加熱爐的爐溫控制全部采用手動控制模式，容易受外網煤氣壓力波動的影響，造成加熱爐燒鋼工手動調節閥門頻繁，加大了爐內爐壓波動，氧化燒損率＞1%，煤耗較高。

表1 金鼎集團軋鋼廠加熱爐主要參數

2.存在問題

由于原加熱爐燃燒控制系統為西門子WINCC6.0操作系統，HMI 畫面未進行修改，爐溫控制全部采用手動控制模式，需要操作工根據現場實際爐溫，手動調節電動閥門開度來加熱鋼坯。這種操作的缺點為：一是當爐溫波動時未及時處理，會造成鋼坯溫度超出設定工藝范圍，特別是冷、熱鋼坯混裝時，各段爐溫波動較大，均熱段溫度波動范圍為1180℃～1272℃；二是當外網煤氣壓力波動范圍在4KPa～30KPa時，采用手動控制模式無法精準地輸出空燃比，容易造成爐內強氧化性氣氛，加劇了坯料的氧化燒損，影響鋼坯的加熱質量；三是純手動的燃燒控制操作會造成爐壓波動10Pa～80Pa，而正常的工藝要求為0 pa～50pa。

3.問題分析

3.1 燒鋼溫度不穩定，造成鋼坯長度方向溫度不均勻

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

3.2 煤氣壓力波動大和爐壓高低不穩，造成煤耗高、氧化燒損嚴重

公司沒有高爐煤氣柜，當高爐熱風爐換燒爐或發電廠調整負荷時，加熱爐主煤氣管網的煤氣壓力波動頻繁（4KPa～30KPa），經常造成看火工調節滯后或不及時，無法精準的輸出空燃比，致使爐壓波動較大（10Pa～80Pa）。爐壓過大會造成爐內熱量外泄，爐壓過低又會大量吸入冷空氣，造成不必要的能源浪費，同時也加劇了爐內坯料的氧化燒損。

4.改進措施

2019年10月立項對原加熱爐燃燒系統進行智能化升級技術改造，重新編寫一級燃燒控制程序及HMI操作畫面；實現爐溫、爐壓、空燃比和換向的自動控制功能。增加加熱爐二級系統，主要用來對加熱爐爐溫設定值進行優化計算，實現爐溫和煤氣燃耗量的優化控制。根據加熱爐一級系統采集坯料數據和設備運行狀態信號，跟蹤爐內每一支坯料的位置并保留當前爐內坯料的分布圖。用加熱爐熱交換數學模型計算爐內每一塊坯料的熱狀態，根據這些信息計算出最佳的燃燒控制段溫度設定值以及最佳的加熱爐產量。

4.1 實現爐溫自動控制

加熱爐共有 4 個爐溫串級調節回路和 4 個煤氣、空氣調節回路，分 4 段各自實現爐溫自動控制。各段的煤氣和空氣流量調節需保證合理的空燃比，以實現最佳燃燒并精確控制爐內氣氛。爐溫自動控制是以爐溫控制為主環，煤氣、空氣流量控制為副環的串級雙交叉調節回路。空氣、煤氣調節雙交叉限幅控制方式，升溫時空氣調節閥先行，降溫時煤氣調節閥先行，并限幅防止超調，保證始終合理的空燃比。

4.2 爐膛壓力自動控制

爐膛壓力控制采用前饋+反饋的控制方式進行調節，前饋作用是根據助燃風的流量加上煤氣流量的總和來調節排煙風機的頻率，反饋作用是根據爐膛壓力和實際爐膛壓力的偏差來調節各段空煤氣排煙調節閥，以實現爐壓的微正壓操作，減少氧化燒損產生。

4.3 換向控制

換向系統由PLC控制。加熱爐采用分段輪續換向方式，段與段之間換向間隔在 1s～5s 內，相關控制系統主要完成以下功能：

換向方式有兩種：定時自動換向和定溫（排煙溫度）自動換向。各段換向系統可轉手動換向；各段的定時時間和定溫溫度及報警溫度可任意設定；排煙溫度超溫報警，換向系統強制自動換向；換向閥和切斷閥故障報警，部分換向系統停止運轉。

4.4 新增智能化煙氣分析系統

每座加熱爐新增一套煙氣氣氛分析系統，在加熱爐中通過取樣管連接3個燃燒控制段的煙道，都可以通過電磁閥閥門組的切換，檢測不同控制段的煙氣殘氧情況，同時設置氮氣吹掃和疏水接口，確保設備的壽命和測量值的準確性。電磁閥閥門組的切換操作及煙氣分析值，接入操作終端，同時在L1燃控系統中增加空燃比前饋修正模型。系統自動采用煤氣熱值變化，利用系統的前饋控制功能，自動修正煤氣總管和空氣總管的流量。另外，系統在燃燒中自動調節空氣和煤氣的流量，精確修正空燃比，達到減少NOx和CO生成排放。見圖1。

圖1 金鼎軋鋼廠加熱爐煙氣氣氛分析系統原理示意圖

4.5 新增一級空燃比調節優化模型控制功能

煤氣壓力：空燃比過剩系數由空氣/煤氣流量比控制來調節，并用煤氣壓力補償進行修正。

煤氣熱值：空燃比過剩系數由空氣/煤氣流量比控制來調節，并用煤氣熱值補償進行修正。

4.6 新增二級空燃比自學習控制模型功能

考慮到各種坯料燃燒制度，各段預測剩余在爐時間、當前坯料溫度、燃燒介質變化量等，根據空燃比自學習控制模型，推算出各段的最優空燃比系數。

處理模型采用各段空燃比系數的加權平均，加權系數選擇確定成為問題關鍵。尤其在多鋼種、多規格混合加熱、煤氣壓力熱值發生變化時更加重要。對加權系數選擇優先原則依次為加熱質量、產量、節能。

5.達到的效果

5.1 模型計算坯料出爐溫度

在正常生產秩序下，各鋼種對應的粗軋機后溫度達到目標溫度±10℃，命中率≥80%，坯料頭、尾溫差控制≤20℃，截面溫差最小。

5.2 燃燒自動化投運率

實現以坯料溫度為目的的智能化二級加熱工藝指導燒鋼，系統根據看火工所提供的指導出鋼溫度，合理設定加熱爐各段溫度；在煤氣不足時，能做到合理調整各段煤氣分配，務必確保煤氣快切閥不頻繁切斷，生產受影響最小。見表2、表3。

表2 金鼎軋鋼廠加熱爐智能化二級加熱工藝指標

5.3 爐內氣氛

可根據燃燒工況的變化，自動控制爐內的氧化還原氣氛，氧化燒損率≤0.8%，爐膛壓力控制精度±10Pa,使加熱爐達到最佳燃燒狀態，降低氧化燒損。見表3。

表3 金鼎軋鋼廠加熱爐自動控制爐內的氧化還原指標

6.效益分析

通過對原1號、2號加熱爐燒鋼系統智能化節能技術改造，實現爐溫、爐壓、空燃比的自動控制，降低看火工的勞動強度，改善鋼坯的加熱質量，提高線材產量和煤氣利用率，保證了生產的穩定順行。

6.1 加熱爐節能效果

1號加熱爐，改造前9月4日——10日統計平均熱裝率92.08%，煤氣單耗223.36m3/噸鋼；改造后11月19日——28日統計平均熱裝率91.96%，煤氣單耗211.22m3/噸鋼；技改后噸鋼可節省煤氣12.14m3/噸鋼，節能率5.435%。

2號加熱爐，改造前9月10日——15日統計平均熱裝率84.88%，煤氣平均單耗244m3/噸鋼；改造后11月29日——12月8日統計平均熱裝率91.96%，煤氣平均單耗229.5m3/噸鋼；技改后噸鋼可節省煤氣14.5m3/噸鋼，節能率5.94%，最低煤氣消耗節約不低于5%。

6.2 創造效益

按線材年產量145.86萬噸，兩座加熱爐節約煤氣單耗均為10m3/噸鋼計算，每年可節約煤氣1458.64萬m3。按發1度電需消耗煤氣3.5m3，可以多發電416.75萬度。按電單價0.50元/度計算，每年可為公司創造效益為208萬元。其中由于燒鋼溫度的精確控制，氧化燒損率降低0.2%的效益未計算在內。