蓄熱式加熱爐計算機控制系統分析

由麗娟

(煙臺汽車工程職業學院 信息與控制工程系，山東 煙臺 265500)

能源是人類生存與發展的重要物質，隨著我國經濟的迅速發展，人們的生活水平處于逐漸提高的狀態。我國人口數量較多，對能源的需求較大，該現象直接造成人均能源占有量較低。加熱爐為鋼鐵行業的重要設備，可維持鋼鐵行業的穩定發展。但加熱爐的能量消耗較高，如何提高鋼鐵生產效率成為亟待解決的問題。蓄熱式加熱爐可大幅度提高鋼坯質量和生產效率。為此，本研究設計出蓄熱式加熱爐計算機控制系統，為鋼鐵行業的發展奠定有力基礎。

1 蓄熱式加熱爐概述

蓄熱式加熱爐內部包含蓄熱室和蓄熱室燒嘴，二者在蓄熱式加熱爐中均處于獨立設置的狀態，采用該設計方式對煤氣與空氣的預熱，有利于維持蓄熱式加熱爐的溫度，使蓄熱式加熱爐內部溫度更加均勻，并提高蓄熱式加熱爐的加熱質量和產品合格率。從整體角度對蓄熱式加熱爐進行分析可知，蓄熱式加熱爐的爐體結構、燃燒控制方式與普通加熱爐之間存在一定差異。蓄熱燃燒技術可將高溫控制噴射至加熱爐爐膛，有利于維持加熱爐的低氧狀態，最后將燃料輸送至氣流中，通過該方式使加熱爐產生燃燒。

加熱爐的燒嘴與蓄熱體成對出現，可通過其中一個燒嘴將助燃空氣輸入至加熱爐中，等待加熱后供加熱爐使用。加熱爐的另一個燒嘴可作為排煙部分。當加熱爐到達換向時刻時，可對換向閥進行調節，控制系統反向運行。加熱完畢后的蓄熱體可使助燃空氣的溫度升至1 000 ℃，由另一個燒嘴負責排煙，最終排出的煙氣溫度為150～200 ℃。通常情況下，加熱爐的換向閥與風機均在低溫環境下工作，選擇標準風機即可滿足工藝要求[1]。

為實現加熱爐燃燒溫度的提高，本研究采用雙蓄熱式燃燒技術對加熱爐進行設計，該技術可將空氣煤氣的溫度預熱至1 000 ℃以上。加熱后的空氣煤氣可通過燒嘴輸送至爐膛，該方式可有效提高煙氣余熱的回收率，有利于節省燃料。

2 蓄熱式加熱爐計算機控制系統總體設計

本研究采用二級結構對蓄熱式加熱爐計算機控制系統進行設計，第一級結構可建立工控機與過程對象的連接，該結構主要由SDC40、SDC31智能控制器、變頻器ACS600以及數據采集器JTM350A等設備共同組成。通過工控機對蓄熱式加熱爐的運行狀態進行實時監控，采用數據采集器采集蓄熱式加熱爐的溫度、流量以及壓力等信號，并利用RS232/RS485轉換器建立蓄熱式加熱爐與工控機的通信連接。SDC40、SDC31智能控制器可直接控制加熱爐的煤氣、空氣閥開度，有利于提高加熱爐溫度的平衡性。為實現對加熱爐壓力與排煙流量的間接調節，可充分結合蓄熱式加熱爐現場工作情況，并對變頻器進行調節，從而實現引風機引風量的精準控制，該方式可提高加熱爐的節能優勢。數據采集器在系統中主要負責采集加熱爐空氣總管壓力、煤氣總管壓力以及爐壓等數據。數顯表TRM006可對加熱爐的預熱段、加熱段等部分的溫度參數進行獲取。二級結構主要由工控機構成，該結構在系統中可完成鋼坯加熱過程的實時監測，同時可對加熱爐內部多種參數進行查詢，最終將結果可以曲線顯示。本研究對控制系統的二級結構進行設計時，采用模糊控制的方式為SDC31提供6個閥門開度設定信號。為進一步提高蓄熱式加熱爐的可控性，采用小型集散兩級控制方式對蓄熱式加熱爐進行精準控制。數顯表TRM006在改造后的控制系統中主要負責采集加熱爐蓄熱室、廢氣、煤氣預熱以及換氣前后加熱爐排煙等參數的溫度。數據采集器可完成加熱爐、煤氣總管、空氣總管等設備的壓力，同時可完成蓄熱室新增溫度數據的采集。變頻器可采用開環方式對引風機進行控制，為保證加熱爐的節能效果，將引風機的輸出頻率控制在25%～90%，通過變頻器對引風機的輸出頻率進行精準調節。變頻器在工控機中可單獨占用RS232串口，有效防止變頻器的通信功能被外界所影響。蓄熱式加熱爐計算機控制系統整體結構如圖1所示[2]。

圖1 蓄熱式加熱爐計算機控制系統整體結構

3 蓄熱式加熱爐計算機控制系統分析

3.1 點火控制

為保證加熱爐的燒嘴可正常工作，將點火控制器作為維持燒嘴工作的關鍵部件。點火控制器的我剛給你做過程可劃分為五部分：吹掃、交替點火、正常燃燒、超溫報警以及超高溫停止。點火控制器工作流程如圖2所示[3]。

圖2 點火控制器工作流程圖

點火控制器工作流程為：首先，對控制系統內部各設備進行初始化，利用點火控制器對點火閥進行控制，使煤氣閥處于關閉狀態，并采用周期性的方式關閉換向閥，煤氣閥與點火閥均處于關閉狀態時，即可進行吹掃工作；其次，點火控制器成功接收點火信息后，可立即打開煤氣閥與換向閥，采用交替方式完成點火操作，此時加熱爐的煙道排煙溫度處于持續升高狀態，等待排煙溫度達到設定值后，點火系統正常燃燒；最后，隨著煙道溫度持續升高，控制系統可采取報警模式，在系統界面提示超溫報警，并延長點火控制器的交替點火時間，直至煙道溫度降低后，點火系統恢復正常，若煙道溫度仍處于升高狀態，并且達到系統設定的超高溫數值，系統將停止點火狀態，立即采取吹掃模式[4]。

3.2 燃燒控制

為保證加熱爐內部空氣與煤氣介質的合理燃燒，對蓄熱式加熱爐的燃燒情況進行控制。蓄熱式加熱爐的燃燒控制指的是殘氧控制、調節間歇控制等，通過控制加熱爐的燃燒情況，有利于實現設備的連鎖保護，達到節能、環保的目的。燃燒控制的方式可劃分為手動和自動兩種，其中手動燃燒控制指的是：工作人員結合加熱爐的工況要求，采取手動的方式對燒嘴的燃燒時間進行調節，通過空氣和煤氣總管的閥門對空燃比進行確定。手動燃燒控制方式為最基本的控制方式，采用該方法對加熱爐的燃燒工況進行控制，需要加熱爐的流量、溫度檢測值以及各個調節閥的動作均正常。自動燃燒控制指的是：操作人員將加熱爐的工藝要求作為主要依據，在系統中完成加熱爐燒嘴各段溫度期望值的設置，結合測量的實際值，對加熱爐的供熱量進行調整，以此保證加熱爐的合理燃燒[5]。

蓄熱式加熱爐的溫度設定方式包括自動控制和燃燒優化模型控制，對加熱爐的溫度進行自動控制時，可在HMI上手動完成各段爐溫的設定。采用燃燒優化模型對加熱爐的溫度進行設定時，可將二級模型設定的數值作為主要依據，通過控制系統控制加熱爐的燃燒情況。

3.3 壓力控制

加熱爐內部壓力為微正壓時，可維持自身穩定燃燒。本研究對加熱爐爐膛的壓力進行控制時，將壓力控制方式劃分為手動調節與自動調節。手動爐膛壓力控制指的是在HMI上對壓力調節閥的開度進行調節。自動爐膛壓力控制指的是自動調節壓力調節閥的開度，使加熱爐內部壓力處于穩定狀態。但自動控制方式在實際應用過程中易受多種因素干擾，為保證該方式的可靠性，需要加熱爐的工況處于穩定狀態[6]。

3.4 冷卻控制

蓄熱式加熱爐的冷卻控制中含有汽包水位、壓力、蒸汽放散閥等控制回路。汽包水位控制可采用串級前饋控制方案對汽包的水位進行精準控制，前饋信號指的是蒸汽流量，可通過對給水閥的開度進行調整，以此實現汽包水位的精準控制。汽包水位控制原理如圖3所示。

圖3 汽包水位控制原理圖

汽包水位控制部分的主回路為水位控制回路，副回路可控制水流量。對水位控制回路進行設計時，在該部分完成水位上下限值的設定，若汽包水位出現過高或者過低的現象，均可采取報警模式。對汽包的壓力進行控制時，可通過調節蒸汽量調節閥實現壓力的調整。通常情況下，將汽包壓力值作為被控參數，結合PID控制算法實現蒸汽閥開度的調節，有利于促進汽包壓力的調整精度。汽包蒸汽放散閥控制回路可維持蒸汽系統的穩定運行，在對該回路進行設計時，將二位控制算法作為核心，實現蒸汽壓力的精準調節。若汽包壓力蒸汽大于設定值1.29 MPa時，為降低汽包的蒸汽壓力，可立即打開蒸汽放散調節閥；若汽包壓力蒸汽處于正常狀態時，可立即關閉蒸汽放散調節閥[7]。

3.5 換向過程控制

蓄熱式加熱爐的換向控制段可劃分為預熱段、加熱段以及均熱段三部分，每個換向控制段兩側均含有成對的三通換向閥，每段包含5組換向閥。本研究對蓄熱式加熱爐的換向過程進行控制時，可采用定時換向、手動換向以及動作異常報警三種方式。定時換向方式指的是：每隔一段時間，即可通過換向運行程序對處于工作狀態的加熱爐換向閥進行調節。手動換向指的是：當系統處于異常狀態時，通過工作人員在計算機中對換向閥進行操作。若換向閥的閥位存在異常，可采取報警模式或者人工干預，使加熱爐換向控制段恢復正常。

3.6 煤氣總管控制

本研究對煤氣總管控制進行設計時，采用PID作為核心控制器，通過PID對煤氣總管的壓力進行調節。若煤氣總管控制滿足安全連鎖條件時，可立即切斷加熱爐的煤氣控制。煤氣總管控制的安全裝置為切斷閥，若切斷閥處于關閉狀態，則表明煤氣總管停止向加熱爐輸送煤氣。快速切斷閥只可采用手動的方式打開，煤氣總管控制壓力控制原理如圖4所示[8]。

圖4 煤氣總管控制壓力控制原理圖

4 蓄熱式加熱爐計算機控制系統軟件模塊設計

本研究對控制系統軟件模塊進行設計時，將系統軟件模塊劃分為運行狀態監控模塊和運行狀態分析模塊兩部分。其中，運行狀態監控模塊在軟件系統中主要負責對加熱爐的運行狀態進行實時監控，該模塊的工作地點為計算機前臺。運行狀態分析模塊在軟件系統中主要負責對加熱爐的運行狀態進行分析。結合加熱爐的工作狀態，可將運行狀態監控模塊劃分為三段爐溫、變頻排煙、流程監視等部分，運行狀態分析模塊可劃分為歷史曲線、參數查詢等部分[9]。

4.1 運行狀態監控模塊

在對該模塊進行設計時，可模擬加熱爐的生產流程，并將運行參數實時顯示在系統界面中，不同顏色代表加熱爐不同的報警狀態用戶可在系統界面中選擇不同的控制方式，同時可向系統中輸入控制數據。流程監視子模塊主要負責實時顯示系統運行參數，三段爐溫可將加熱爐三段運行參數顯示在模擬畫面上。變頻器可對加熱爐的排煙進行控制，主要參數可以表格的形式展現。

4.2 運行狀態分析模塊

該模塊主要由歷史曲線、參數查詢以及報警日志查詢三個子模塊共同組成。用戶對控制系統的運行情況進行分析時，需要查詢系統的歷史運行數據，為系統的維護與檢修提供參考。歷史曲線指的是：采用曲線的方式完成控制系統在某個歷史時間段內參數的表達。參數查詢子模塊可將參數整合成表格的形式，在系統中主要負責展示歷史時間段內系統全部參數數據。報警日志查詢子模塊參數表達形式為表格，在系統中主要負責展示歷史時間段內系統全部報警情況[10]。

5 結 語

加熱爐在實際燃燒過程中存在大滯后、時變性等特點，該特點為爐溫的精準控制增加了難度。本研究為實現蓄熱式加熱爐的精準控制，設計了計算機控制系統。采用二級結構對蓄熱式加熱爐計算機控制系統進行設計，有利于提高控制系統的穩定性。為保證加熱爐的燒嘴可正常工作，采用點火控制器作為控制系統的核心部件，該控制器可有效維持燒嘴的正常工作。