常化炉燃烧控制系统改造_pdf

常化炉燃烧控制系统改造刘　辉，杨　超（１．武钢热轧总厂中厚板分厂，湖北武汉４３００８３；２．武钢研究院，湖北武汉４３００８０）摘　要：为了实现中厚板１６０℃低温回火，对中厚板厂１号常化炉的燃烧控制系统进行改造。

通过对燃烧控制器的硬件线路改造，实现了常化炉在不同加热模式下，不同直径的煤气管路自动切换，同时确保燃烧系统的稳定以及安全性。

烧嘴燃烧时间优化后较原来固定开关周期的控制方式，在系统响应速度以及精度上都有很大提升。

改造后，常化炉可以应用于低温回火的生产。

关键词：常化炉；温度控制；烧嘴控制；开关控制中图分类号：ＴＰ２７１＋．４　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００８－４３７１（２０１５）０３－００４３－０４Ｒｅｖａｍｐｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｎｏｒｍａｌｉｚｉｎｇ　ｆｕｒｎａｃｅ’ｓ　ｂｕｒｎｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍＬＩＵ　Ｈｕｉ，ＹＡＮＧ　Ｃｈａｏ（１．Ｐｌａｔｅｍａｋｉｎｇ　Ｂｒａｎｃｈ　ｏｆ　Ｈｏｔ　Ｓｔｒｉｐ　Ｒｏｌｌｉｎｇ　Ｍｉｌｌ　ｏｆ　ＷＩＳＣＯ，Ｗｕｈａｎ　４３００８３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ａｎｄ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｏｆ　ＷＩＳＣＯ，Ｗｕｈａｎ　４３００８０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ　ｒｅａｌｉｚｅ　ｔｈｅ　ｈｅａｖｙ　ｐｌａｔｅ　ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ　ａｔ　ｌｏｗ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｉ．ｅ．ａｔ　１６０℃，Ｎｏ．１ｎｏｒｍａｌｉｚｉｎｇ　ｆｕｒｎａｃｅ’ｓ　ｂｕｒｎｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｄ　ｂｅｅｎ　ｒｅｖａｍｐｅｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｈｅａｖｙ　ｐｌａｔｅｐｌａｎｔ．Ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ｒｅｖａｍｐｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｕｒｎｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｕｎｉｔ，ｔｈｅ　ｇａｓｐｉｐｅｓ　ｗｉｔｈ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｄｉａｍｅｔｅｒｓ　ｃａｎ　ｂｅ　ｓｗｉｔｃｈｅｄ　ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｈｅａｔｉｎｇ　ｍｏｄｅ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ａｎｄ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｕｒｎｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｅｎｓｕｒｅｄ．Ｃｏｍｐａｒｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｍｏｄｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｆｉｘｅｄ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｃｙｃｌｅ，ｔｈｅ　ｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｓｐｅｅｄ　ａｎｄｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｄｒａｍａｔｉｃａｌｌｙ　ａｆｔｅｒ　ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ　ｔｈｅｂｕｒｎｅｒ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｔｉｍｅ．Ｔｈｅ　ｆｕｒｎａｃｅ　ｃａｎ　ｂｅ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｌｏｗ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｔｅｍｐｅｒｉｎｇ．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｎｏｒｍａｌｉｚｉｎｇ　ｆｕｒｎａｃｅ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｂｕｒｎｅｒ　ｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｃｏｎｔｒｏｌ 武钢中厚板１号常化炉是１座开关式明火烧嘴常化炉，于２００９年建成投产，其设计温控范围为３００～９００℃，温度控制精度±１０℃。

随着钢板新品种的开发，有些高强度耐磨钢，例如ＮＭ４００等，需要经过１６０℃左右的低温回火处理，才能消除钢板内应力，提高钢材韧性，达到产品要求的力学性能。

但此温度要求超出了此常化炉的正常生产低温的极限值。

必须要通过改造，才能满足这种超低温度指标钢板的正常生产。

１　改造方法为了降低低温回火时的温度下限，即减小单个烧嘴的燃烧输出功率。

在改造中采用了２种措施。

１种是在原有的烧嘴煤气管道上并接１个管径较细的煤气管道，在低温生产时，关闭原有煤气管路，使用新管路，以减少燃烧时通向烧嘴的煤气量；另１措施是改进烧嘴在低温回火时的燃烧策略，为每个区域的烧嘴计算出合适的控制周期，以及在周期内的燃烧时间。

这２种方式，前者从整体上控制了炉温下降，而后者保证了温度的稳定和精度。

１．１　燃烧控制器线路的改造烧嘴的点火脉冲，以及煤气、空气的管路上的电磁阀门的通断，都由燃烧控制器ＩＥＳ２５８来控制。

在改造中，为了实现煤气管路在不同生产模式下的自动切换，以及正常的点火功能，需要对原燃烧控制器的线路进行改造。

下面简单介绍烧嘴控制器的原理，原理图见图１。

烧嘴控制器在接受到ＰＬＣ的点火信号后，将检测此时烧嘴是否已经点燃，如果已经点燃，则不进行点火程序。

否则进入点火程序。

烧嘴控制器使用的是电离式火焰检测方式。

进入点火程序，烧嘴控制器打开接在１１号、１２号端子上的空气、煤气电磁阀，同时通过１０号端子向点火变压器发出点火脉冲信号，点火变压器将向烧嘴提供６ｋＶ的点火电压。

经过３ｓ的检测时间，烧嘴控制器通过检测流经５号，７号端子上的微弱电流，一般为μＡ（２～２０μＡ）级的电流，来判断烧嘴是否点燃。

如果烧嘴未正常点燃（未检测到足够大的点火电流），则８号、９号端子闭合，向ＰＬＣ报警。

如果检测到烧嘴正常燃烧，则１３号，１４号端子闭合，向ＰＬＣ报告此烧嘴处于燃烧状态。

１．１．１　初始改造方案为了实现低温回火时，煤气管路能切换到较细的管路上，改造中对烧嘴控制线路进行了改造，图２是改造初期的线路图。

由图２可见，线路中，增加了继电器Ｋ，它起着切换大小煤气阀的作用。

继电器由ＰＬＣ控制。

但现场采用了这种设计后，烧嘴点燃的成功率很低，大量的烧嘴在工作中报错。

现在分析其原因。

首先，为控制继电器Ｋ的开启时间，ＰＬＣ必须与ＩＥＳ２５８打开空气阀门的时间同步。

这种时间同步，得依靠人工调试。

常化炉有１２８个烧嘴，每个烧嘴都需要人工调式，维护量非常大。

如果以后更换新阀门，阀门开关时间特性不一致，则需要手动修改时间更改程序，维护十分不便利。

其次，为了保持同步，ＰＬＣ会滞后于点火控制器动作。

所以在低温回火时，点火控制器会先驱动原有管路上的煤气阀打开，然后被ＰＬＣ切换关闭，细管路上的煤气阀打开，导致ＩＥＳ２５８的负载变化冲击，极易造成ＩＥＳ２５８损坏。

其次，这种设计还存在安全隐患。

如果ＩＥＳ２５８故障，把空气阀切断，但是，小火煤气阀由ＰＬＣ控制，如果继电器Ｋ没有切换过来，则小火煤气阀常开，煤气持续通入炉膛，造成危险。

图１　烧嘴控制器原理图图２　初始改造方案１．１．２　最终改造方案初始设计产生的问题，是由于其违背了“高内聚，低耦合”的系统设计理念。

它设计的低内聚表现在，ＰＬＣ剥夺了烧嘴控制器对较细管路上的煤气阀的控制。

将１个完整功能，分成了由ＰＬＣ与烧嘴控制器２个完成。

它的高耦合，表现在ＰＬＣ需要与烧嘴控制器通讯来确保烧嘴无法点燃时，关闭煤气阀以保证安全，而这些功能都应依赖于烧嘴控制器来完成。

这也导致ＰＬＣ程序冗杂，且安全性不宜保障。

ＰＬＣ需要通过手工的方式设定时间来保证空气阀与煤气阀的同步，造成大量的调试和维护成本。

对此，我们把线路做了如图３的改进。

将较细的煤气管路上的电磁阀的电源也接到了烧嘴控制器上。

此时ＰＬＣ只根据炉温的设定值来对烧嘴控制器控制的煤气管路做切换。

解决了ＰＬＣ程序冗杂、安全性能不宜保证、系统功能不稳定和维护成本高的问题。

图３　最终改造方案１．２　低温燃烧控制改进除了减小煤气管道的管径，对于１座开关式烧嘴常化炉，其烧嘴的燃烧控制策略更是保证炉温稳定的关键。

因而，在改造中要对ＰＬＣ控制系统中的燃烧控制程序进行优化，使系统的响应更快，温度更加稳定。

１．２．１　低温回火温度控制系统图４为低温回火温度控制系统的框架图。

设定值ＳＰ从热处理炉设置的１条升温曲线上得到。

ＰＶ为常化炉内热电偶测得的炉区温度。

这２个温度，通过统一的归一化处理，（计算与１　１００℃的百分比）带入到ＰＩＤ控制块中。

ＰＩＤ控制块，根据实际值与目标值得到差值，计算出此时烧嘴应该输出的功率。

烧嘴的功率值通过脉冲宽度调制，得到烧嘴的点火信号。

这个信号，要通过炉温的限幅，才能最终达到烧嘴控制器来驱动烧嘴点火。

图４　低温回火温度控制框架图１．２．２　设置升温／降温曲线当工艺人员设定目标温度时，控制系统并不是立刻把此目标温度作为控制系统此刻要达到的目标温度，否则必然造成炉温控制系统的超调，炉内烧嘴全开、或全关。

炉内温度的迅速变化，将大大缩短炉体以及烧嘴的使用寿命。

控制系统通过设定的升温速率，来计算此刻要达到的目标温度。

在升温时，当此刻系统目标温度与设定温度差大于升温步长时，其计算公式如下。

Ｓｅｔｐｏｉｎｔ＿ｎｅｗ［ｎ］＝Ｓｅｔｐｏｉｎｔ＿ｎｅｗ［ｎ－１］＋Ｇｒａｄｉｅｎｔ＿Ｐｏｉｓｔｉｖｅ／Ｓｔｅｐ＿Ｎｕｍ（１）式中，Ｓｅｔｐｏｉｎｔ＿ｎｅｗ［ｎ］为此刻系统控制的目标温度，Ｓｅｔｐｏｉｎｔ＿ｎｅｗ［ｎ－１］为上１个周期时系统控制的目标温度，Ｇｒａｄｉｅｎｔ＿Ｐｏｉｓｔｉｖｅ为升温系数，它的单位是℃／ｈ。

Ｓｔｅｐ＿Ｎｕｍ与程序设定的执行周期有关。

如果程序以３ｓ为１个控制周期，则Ｓｔｅｐ＿Ｎｕｍ＝３　６００／３＝１　２００，如果以１ｓ为１个周期，则其值为３　６００。

为了提高温度响应的快速性，将改造前３ｓ的控制周期提高到１ｓ。

这导致系统以后由ＰＩＤ的结果调制到烧嘴的开关脉冲的方式改变。

１．２．３　烧嘴的开关时间控制改进改造前的烧嘴开关时间采用的是简单的脉冲宽度调制方式，即先设定１个固定的开关周期，在此固定的周期内，烧嘴的开启时间与上级ＰＩＤ控制器计算得到的功率成正比。

以１个拥有１０个烧嘴的加热区域为例，设定６０ｓ为１个周期，烧嘴开启间隔时间为６ｓ，当ＰＩＤ控制器计算出此刻功率需求为８０％时，此时该区每个烧嘴的开启时间为６０ｓ×８０％＝４８ｓ。

关闭时间则为１２ｓ。

下个控制周期到来时，烧嘴的开启时间才会根据上级ＰＩＤ控制的结果来发生变化。

当钢板进入炉内加热段时，由于钢板吸热，会瞬时拉低此区域的温度。

为了保持炉温恒定，希望更多的烧嘴能迅速地开启以提供更多的功率。

当钢板离开时，烧嘴又需要立刻降低输出功率。

常化炉燃烧控制系统改造这对系统的响应性提出了更高的要求。

由于ＰＩＤ控制器每秒计算１次，对于温度控制来说是足够快了。

因而在改造中，减少烧嘴的开关时间周期，是提高系统响应性的关键。

但是烧嘴的控制周期，也不能太短，否则，烧嘴的开关太频繁，容易造成烧嘴的故障。

在保证烧嘴的最低开启时间和最低关闭时间的基础上，改进的算法使烧嘴的控制周期尽可能的短。

在输出功率大于５０％时，由于烧嘴的开启时间比烧嘴的关闭时间长，所以应该保证烧嘴的最短关闭时间。

在输出功率小于５０％时，由于烧嘴的关闭时间比开启时间长，所以应该保证烧嘴的最低开启时间。

烧嘴的开启时间Ｔｉｍｅ＿ｏｎ以及关闭时间Ｔｉｍｅ＿ｏｆｆ由公式（２）（３）计算。

Ｔｉｍｅ＿ｏｎ＝Ｔｉｍｅ＿ｏｆｆ＿ｍｉｎ×Ｙ＿ｃｏｎｔｒ１－Ｙ＿ｃｏｎｔｒ（Ｙ＿ｃｏｎｔｒ＞５０％）Ｔｉｍｅ＿ｏｎ＿ｍｉｎ（Ｙ＿ｃｏｎｔｒ≤５０％烅烄烆）（２）Ｔｉｍｅ＿ｏｆｆ＝Ｔｉｍｅ＿ｏｎ＿ｍｉｎ（Ｙ＿ｃｏｎｔｒｒ＞５０％）Ｔｉｍｅ＿ｏｎ＿ｍｉｎｘＹ＿ｃｏｎｔｒ－Ｔｉｍｅ＿ｏｎ＿ｍｉｎ（Ｙ＿ｃｏｎｔｒ≤５０％烅烄烆）（３）式中，Ｔｉｍｅ＿ｏｎ为烧嘴的开启时间；Ｔｉｍｅ＿ｏｆｆ为关闭时间；Ｙ＿ｃｏｎｔｒ为控制烧嘴的输出功率；Ｔｉｍｅ＿ｏｎ＿ｍｉｎ为设定的烧嘴最短开启时间；Ｔｉｍｅ＿ｏｆｆ＿ｍｉｎ为设定的烧嘴最短关断时间。