加热炉智能燃烧控制技术分析与应用

加热炉智能燃烧控制技术分析与应用
发布时间：2021-01-29T09:43:06.470Z 来源：《基层建设》2020年第26期作者：蒲智娟
[导读] 摘要：加热炉的燃烧控制是保证产品质量的重要措施。

中国石油四川石化有限责任公司南充炼油厂四川省南充市 637000
摘要：加热炉的燃烧控制是保证产品质量的重要措施。

文章重点介绍了包括煤气分支总管压力控制、温度－流量串级比值控制和残氧寻优控制的智能燃烧控制系统的工作原理，并且具体分析了该智能燃烧控制系统应用于某钢铁企业复合板生产线的一个实例。

实践表明:在智能控制系统的辅助下，加热炉炉温的升温曲线更贴近于设定值;更精确的升温控制不仅可以有效保证复合板产品加热后的质量与性能，而且能够节约能源，改善操作环境。

关键词：分支总管压力控制；串级比值控制；残氧寻优控制；智能燃烧
引言
在轧钢生产中，加热炉是重要的设备，加强加热炉的燃烧控制是保证产品质量的重要措施。

但是传统的加热炉燃烧控制必须依赖工艺参数的测量才能实现最佳空燃比。

而实际生产应用的检测仪器可靠性能比较差、维护难度大，导致许多工艺参数无法得到准确地测量，进而影响整个加热炉的生产质量。

加热炉燃烧的智能控制是保证轧钢生产质量的前提。

一、加热炉智能燃烧原理
加热炉智能燃烧是根据实时准确的炉膛温度、炉壁温度和钢坯表面温度等，及时调整燃料供给量及空燃比、加热节奏等操作参数，使能源和经济指标得到优化。

设定加热炉智能控制系统是采用模糊逻辑方法，并借助各种软件来发挥出计算机的优势，从而实现最优的智能控制。

智能燃烧控制系统能够实现自动选择控制规律、自动整定工作参数、自动修正设定值和自动学习控制逻辑推理等。

二、加热炉智能燃控系统的技术特点
1.空燃比自修正功能
燃烧正常与否的关键在于空燃比是否得当，而空燃比是否适宜的关键又在于能跟随工况的改变做出及时的调整。

正常情况下,加热炉各段的空燃比设定值是由各种复杂工况处理的结果,处理模型，采用各段空燃比系数的加权平均,加权系数的选择确定成为问题关键。

但当计量失真、煤气压力热值发生变化时均有可能造成空燃比不合适。

考虑到各种坯料燃烧制度、炉气氛围要求可能不同,且阀门灵敏性、炉况问题等有可能造成燃烧配比不当。

故做如下优化:
(1)增设烟气分析系统。

新增一套烟气分析系统，系统主要包括取样系统、样气处理系统、控制系统等。

系统通过取样管连接3个燃烧控制段的烟道，通过电磁阀阀门组的切换检测不同控制段的烟气残氧和二氧化碳情况，得出具体数据后,将分析值接人操作终端。

(2)增设空燃比自修正功能。

空燃比不仅与钢种、煤气热值等相关,还与烟气分析仪实测的残氧数据挂钩。

增设空燃比自修正功能，设定空燃比线性关系曲线,检测收到的各段残氧数据后,在确保煤气完全燃烧的基础上,以修正系数的形式对空燃比进行前馈控制,以实现空燃比的自修正功能。

2.离线仿真模拟技术
这个功能用来分析和建立坯料在加热炉内加热的理想加热曲线。

离线计算使用与在线计算同样的热工模型计算程序，它允许操作者输人不同的产品数据和加热炉的热工条件,来离线模拟计算坯料在这种情况下的加热状况,可通过模拟得出的加热曲线来判断这些虚拟的热工条件是否符合加热这种坯料的要求,经过这样反复的模拟能最终得到坯料理想的加热曲线。

模拟结果也能保存在计算机里面，用作设定值的计算和坯料的加热分析。

离线模拟在智能燃控系统的发展、测试和调整过程的各个阶段是非常有用的工具。

它使得智能燃控系统具有很大的可调整性,在将来有可能用于新的钢种和尺寸。

3.模糊逻辑PID参数控制
考虑到连续加热炉的工况变化复杂性,使用传统PID控制已经不能满足控制的要求。

在燃烧控制中通过建立炉膛温度、煤气流量和坯料厚度等参数变量的耦合关系,设计模糊PID控制器。

由系统模糊推理、决策,在线整定PID参数Kp、Ki、Kd,从而实现控制的目的。

从广义上讲,模糊控制是基于模糊推理,模仿人的思维方式,对难以建立精确数学模型的对象实施的一种控制策略。

它是模糊数学同控制理论相结合的产物,同时也是智能控制的重要组成部分。

4.调节阀线性化调整
根据调节阀两端的压降,阀门流量特性分固有流量特性和工作流量特性。

固有流量特性是阀门两端压降恒定时的流量特性，为理想特性;工作流量特性是在工作状态下(压降的变化)阀门的流量特性,但是由于受到现场的工况变化和设备使用时间的影响，调节阀的特性会产生变化,为了能更好地控制空燃比例,将在二级控制中新增调节阀智能线性化调整模型。

三、总体方案
1.控制目标
通过煤气分支总管压力控制系统，达到煤气分支总管压力的稳定;通过实现煤气流量与炉温的串级控制、煤气流量与空气流量的比值控制，实现燃烧系统的自动控制，确保加热炉可以长期稳定运行;通过热值补偿控制系统，对阀门开度进行有效补偿;通过残氧控制，确定实时最优空燃比，使系统始终运行在最佳燃烧区，在提高加热炉的加热效率的同时减少氧化烧损，达到节能降耗的目的。

2.系统设计原则是在加热炉原系统的基础上，通过外接热备控制系统完成对加热炉的节能优化控制。

通过实时数据服务器，与原PLC控制系统进行数据交换，炉温预设定优化系统是通过读取实时数据服务器数据和红外温度检测系统，检测到的钢坯表面温度，得到最优炉温设定值，并发给燃烧控制系统，计算得到流量的阀门开度下发给原PLC控制系统。

燃烧控制系统是通过分支总管煤气压力控制系统保持煤气压力稳定;并采用炉温—煤气流量串级控制、煤气流量—空气流量比值控制，残氧控制调节最佳空燃比，根据煤气热值的波动对煤气阀门进行补偿的综合控制系统。

(1)煤气分支总管压力控制系统。

现场通过手动调节阀后压力，且一般处于全开状态，为了保证阀后的压力稳定，对分支总管的煤气压力调节阀进行自动调节。

(2)温度—流量串级比值控制。

各回路采用温度—流量串级比值控制。

(3)残氧寻优控制。

根据预热段检测的残氧信号，首先优化整体空燃比系数，根据各回路的煤气流量采用专家自寻优确定各回路的空燃
比系数分配。

(4)煤气热值补偿系统。

通过历史数据，对煤气热值偏差、煤气阀门开度补偿量，采用数据挖掘的方式，建立热值补偿模型。

当煤气热值存在偏差时，通过模型输出煤气阀门补偿量。

考虑其他因素的影响，微调模型参数。

空燃比寻优控制模块为双闭环串级控制，提供最佳空燃比，煤气热值补偿模块根据热值波动对煤气阀门进行补偿。

四、炉温预设定优化系统
炉温预设定优化系统主要完成对炉内钢坯温度分布的实时跟踪与炉温的在线优化，实时为燃烧系统提供最佳的炉温设定值。

(1)炉温拟合。

钢坯的升温过程由炉温来决定，钢坯进入加热炉后，以一定的速度在炉内移动，所以进行钢坯温度计算时需要首先确定钢坯所在位置的炉温。

因此需要根据热电偶分布状况和实时测得的炉温，拟合得到沿炉长方向的炉温分布曲线。

(2)钢坯跟踪模型。

该模型实时跟踪每块入炉钢坯的位置与该位置的钢坯温度分布。

并可预测在当前炉温分布条件下，到达出炉位置时该钢坯内部温度分布，以给出钢坯表面预测温度、钢芯预测温度及钢坯断面温差。

结束语
加热炉智能燃烧控制可以合理地控制炉内空燃比，减少燃料的损耗，保证加热质量，所以相关技术人员应当加强对智能控制技术的深入研究，加强该技术在加热炉中的应用。

参考文献
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