馬鋼H型鋼軋機(jī)加熱爐燃燒控制系統(tǒng)

1、馬鋼H型鋼軋機(jī)加熱爐燃燒控制系統(tǒng)楊偉摘要馬鋼H型鋼廠加熱爐燃燒控制系統(tǒng)采用二級(jí)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。二級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)基于先進(jìn)的最佳加熱溫度控制曲線數(shù)據(jù)庫，采集并計(jì)算爐內(nèi)坯料的實(shí)際溫度，進(jìn)行最佳燃燒控制。一級(jí)燃燒控制采用軟件控制代替?zhèn)鹘y(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)溫度自動(dòng)控制、煤氣空氣的交叉限幅控制。其控制水平、高效節(jié)能、靈活可靠諸方面均達(dá)到國際90年代初的先進(jìn)水平。關(guān)鍵詞最佳燃燒控制溫度控制煤氣空氣交叉限幅控制The combustion control system for the reheating furnace of H-beam mill in Maanshan Iron and Steel Comp

2、any LtdYang Wei(H-Beam Mill， Maanshan Iron and Steel Company LtdMaanshan243002) AbstractThe two level computer control system is adopted on the reheating furnace in H-Beam Mill of Magang Ltd. Based on the data base in which a quantity of the optimum heating curves are stored, the optimum combustion

3、control is carried out comparing with the actual stock temperature that is calculated by mathematical model on-line. The control functions of the gas/air flow and temperature for each zone in the furnace are realized by software in level 1 system. The advanced world level earlier in the 1990s is rea

4、ched by the system in the respects of the control technology, efficiency and energy saving, flexibility and reliability.Key wordsoptimum combustion control; temperature control; gas/air control in limitation by each other1加熱爐控制系統(tǒng)概況馬鋼H型鋼軋機(jī)系統(tǒng)的步進(jìn)式加熱爐(用混合煤氣作燃料，爐長31m，爐寬12.3m)控制系統(tǒng)是從美國ITAM公司引進(jìn)的，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

5、其中，監(jiān)控計(jì)算機(jī)以COMPAQ PROLIANT 1000RM為主機(jī)，主要功能有爐料跟蹤、鋼溫在線模擬、基于最佳加熱曲線以及軋線停軋時(shí)間和出爐實(shí)際溫度反饋諸因素的各段爐溫自動(dòng)設(shè)定、步進(jìn)節(jié)奏控制和設(shè)置在操作室的顯示畫面提供對(duì)上述功能進(jìn)行監(jiān)視、實(shí)時(shí)修改。順控PLC及其相應(yīng)MMI主要完成加熱爐區(qū)的液壓系統(tǒng)控制，步進(jìn)梁、進(jìn)出料機(jī)及其爐門控制，入爐輥道傳動(dòng)，鋼坯自動(dòng)測(cè)長與爐前自動(dòng)定位，與軋線自動(dòng)化控制系統(tǒng)的邏輯信號(hào)聯(lián)鎖等功能。燃控PLC及其相應(yīng)MMI可根據(jù)來自監(jiān)控計(jì)算機(jī)的燃燒指令實(shí)施最佳燃燒控制。在監(jiān)控計(jì)算機(jī)離線時(shí)亦可獨(dú)立完成加熱爐燃燒控制功能。本文將就加熱爐一、二級(jí)控制系統(tǒng)中相應(yīng)的燃燒控制部分作一分析

6、說明。圖1加熱爐燃燒控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2燃燒控制系統(tǒng)的主要功能及其結(jié)構(gòu)加熱爐燃燒控制系統(tǒng)的主要功能有：燃燒控制；爐膛壓力控制；助燃風(fēng)機(jī)及空氣壓力控制；換熱器保護(hù)控制。燃燒控制系統(tǒng)可分為兩級(jí)。二級(jí)為監(jiān)控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，主要完成加熱爐最佳燃燒設(shè)定控制；一級(jí)由西門子公司的可編程控制器S5-155U(C-PLC)和操作員工作站(MMI)COROS-LB及其相應(yīng)檢測(cè)執(zhí)行元件系統(tǒng)來完成其功能的。系統(tǒng)采用遠(yuǎn)程輸入輸出組件ET-200，通過L2-DP數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)來完成數(shù)據(jù)采集和設(shè)備驅(qū)動(dòng)。通過操作員工作站的20幾幅畫面可對(duì)爐內(nèi)燃燒狀況進(jìn)行監(jiān)視并進(jìn)行相應(yīng)操作。通常C-PLC接受來自監(jiān)控計(jì)算機(jī)的溫度設(shè)定值進(jìn)行溫控，亦可直

7、接在MMI上人工設(shè)定溫度進(jìn)行控制。助燃風(fēng)機(jī)控制采用西門子SIMOVERT-MASTER交直交變頻傳動(dòng)控制裝置。燃燒控制系統(tǒng)共控制8個(gè)燃燒段，每段控制結(jié)構(gòu)基本相同，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。圖2燃燒控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖加熱爐爐膛溫度的測(cè)量采用雙支S型熱電偶；熱風(fēng)溫度測(cè)量采用單支K型熱電偶；水溫測(cè)量采用RTD熱電阻。流量采用SS孔板，環(huán)室取壓；煤氣和其他介質(zhì)流量采用SS孔板，法蘭取壓。變送器為1151型智能變送器；執(zhí)行器為帶有電氣定位器的氣動(dòng)執(zhí)行器。3燃燒監(jiān)控(二級(jí))系統(tǒng)加熱爐燃燒控制中的監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于提高加熱爐效率及其加熱質(zhì)量是必不可少的。其主要目的是使物料具有所要求的金屬特性和熱特性，且能量消耗、氧化和

8、脫碳都控制在最小。系統(tǒng)針對(duì)坯料的鋼種、進(jìn)爐溫度、產(chǎn)品尺寸及生產(chǎn)節(jié)奏確定最佳加熱溫度曲線，且在加熱的動(dòng)態(tài)過程中根據(jù)實(shí)際情況周期性修正設(shè)定值，以使實(shí)際的加熱溫度曲線和設(shè)定最大程度的吻合。3.1最佳加熱溫度曲線的確定最佳加熱溫度曲線實(shí)際上是由靜態(tài)的溫度加熱曲線和在實(shí)際控制中動(dòng)態(tài)的修正以完成最佳加熱溫度控制的過程。在確定最佳加熱溫度曲線時(shí)，其控制要求呈多樣性，諸如最大的產(chǎn)量、最小的燃料消耗、耐火材料和換熱器的壽命、合適的出爐溫度以及最小的脫碳和氧化鐵皮損耗等等。顯然，各種要求是有著互相制約的關(guān)系的，系統(tǒng)只能根據(jù)某種原則來進(jìn)行最佳控制。馬鋼H型鋼加熱爐燃燒系統(tǒng)采用了在確定的出爐溫度前提下，對(duì)各控制段溫度

9、設(shè)定將使燃料消耗最少的原則。ITAM公司根據(jù)其長期的經(jīng)驗(yàn)以及實(shí)驗(yàn)用加熱爐所獲得的各種參數(shù)及數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)于不同的鋼種、入爐溫度、坯料形狀和尺寸范圍，并考慮到不同的生產(chǎn)節(jié)奏，計(jì)算出相應(yīng)的最佳加熱溫度曲線，建立以上述各類變量為函數(shù)關(guān)系的數(shù)據(jù)庫。3.2數(shù)學(xué)模型計(jì)算在實(shí)際應(yīng)用中，由于爐況、煤氣熱值、環(huán)境溫度等諸多因素的影響，實(shí)際的加熱溫度曲線會(huì)因此而不斷的動(dòng)態(tài)調(diào)整，形成動(dòng)態(tài)加熱溫度曲線，它將最大限度地和設(shè)定曲線吻合。因而，系統(tǒng)必須周期地采集坯料在相應(yīng)控制區(qū)段的溫度，以便對(duì)下一個(gè)設(shè)定值進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，從而達(dá)到實(shí)際意義上的最佳燃燒控制的目的。但是，爐內(nèi)的鋼坯溫度僅僅靠熱電偶檢測(cè)是不足以反映鋼坯的實(shí)際溫度的。事實(shí)

10、上鋼坯溫度是爐膛溫度、坯料在爐內(nèi)位置及時(shí)間、坯料形狀、爐墻和爐頂結(jié)構(gòu)、耐火材料特性、燒嘴特性、燃料特性、坯料鋼種信息等諸因素的函數(shù)。其坯料鋼種信息包括密度、熱能吸收系數(shù)、含碳量、熱傳導(dǎo)溫度、燃料熱函溫度。據(jù)此經(jīng)過相應(yīng)數(shù)學(xué)模型計(jì)算得出的鋼坯在線溫度將被系統(tǒng)作為鋼坯相應(yīng)的實(shí)際溫度。ITAM公司根據(jù)其長期的加熱爐燃燒控制經(jīng)驗(yàn)，使用了一個(gè)二維在線數(shù)學(xué)模型對(duì)坯料沿其步進(jìn)方向移動(dòng)時(shí)計(jì)算其橫截面的溫度分布。它主要包括下列幾類計(jì)算：.燃料的化學(xué)當(dāng)量和廢氣平衡計(jì)算對(duì)于爐內(nèi)的每一控制區(qū)段都有相應(yīng)的熱輸入。根據(jù)實(shí)際空氣流量、燃料流量以及設(shè)定燃料類型及其化學(xué)成分當(dāng)量的數(shù)據(jù)，且考慮到從加熱爐的均熱區(qū)段貫穿全爐至入爐處的

11、煙道方向的每個(gè)控制區(qū)段的廢氣流平衡，計(jì)算相應(yīng)的由燃燒導(dǎo)致的廢氣流量和熱流量。.氧化和脫碳的計(jì)算鋼坯的氧化和脫碳現(xiàn)象的量化表述是坯料的氧化物的厚度和鋼坯上下表面脫碳的深度，脫碳深度可以從鋼坯的厚度角度來理解。氧化和脫碳分別以氧化層和脫碳層的形式動(dòng)態(tài)擴(kuò)散，系統(tǒng)用一組描述氧化和脫碳擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)的微分方程同時(shí)解出氧化和脫碳的深度，其深度初始值一般設(shè)定為0。在方程中，爐壓和鋼種將作為其中的變量。.加熱爐和坯料的熱交換計(jì)算這主要基于爐內(nèi)相應(yīng)坯料的表面溫度和爐內(nèi)縱向相應(yīng)位置溫度的熱交換。如果我們?cè)O(shè)想爐內(nèi)是由許多溫度元素在加熱爐內(nèi)部進(jìn)行熱量的傳遞交換，那么實(shí)際上，這些溫度元素之間的熱交換以及與相應(yīng)坯料的熱交換是

12、不同的。各燃燒控制區(qū)段縱向相應(yīng)位置的熱電偶所采集的溫度實(shí)際上是火焰、爐膛、爐頂、燃燒煤氣和鋼坯之間的熱交換綜合效應(yīng)的反映。故可根據(jù)Stefan-Boltzmann輻射熱交換定律得出在爐內(nèi)溫度元素i和鋼坯j的熱交換Fij為Fij=Kij×(Ti4Tj4)因?yàn)闊峤粨Q并不僅僅在機(jī)械物體上發(fā)生，在加熱爐和坯料之間也存在著熱傳遞和熱導(dǎo)現(xiàn)象。雖然對(duì)于相對(duì)于有效的熱傳遞，此類現(xiàn)象的影響不大，但也必須考慮。式中Kij作為可調(diào)整常數(shù)，可在調(diào)試時(shí)確定。.坯料內(nèi)部溫度計(jì)算鋼坯內(nèi)部的熱擴(kuò)散過程可以用有限差分法解傅立葉差分方程的數(shù)學(xué)模型來描述：其中K為物料的熱傳導(dǎo)系數(shù)；Cp為比熱；D為鋼的密度；t為時(shí)間；T為

13、鋼坯厚度方向的任意一點(diǎn)的溫度；參數(shù)K和Cp是溫度和鋼種的函數(shù)。坯料中的熱擴(kuò)散方程如下：其中x和y是把鋼坯的橫截面作為坐標(biāo)系其中的任意一點(diǎn)。方程式有解的條件是：時(shí)間t0時(shí)，溫度T=T0且0xhx；0yhy其中hx是坯料的厚度；hy是坯料的寬度。另外，由于上述各類因素所表征的爐況特性的實(shí)際性將使模型計(jì)算出的鋼坯溫度出現(xiàn)偏差。為了實(shí)時(shí)修正這個(gè)偏差，系統(tǒng)設(shè)置了溫度自適應(yīng)控制功能，即系統(tǒng)在鋼坯出爐后經(jīng)高壓水除鱗和開坯機(jī)軋制一道次后由紅外測(cè)溫裝置進(jìn)行一次溫度測(cè)量，該測(cè)量值送監(jiān)控計(jì)算機(jī)，經(jīng)過對(duì)相應(yīng)鋼種的坯料一段時(shí)間測(cè)量后的統(tǒng)計(jì)計(jì)算，加之采集并考慮鋼坯出爐至測(cè)溫裝置的時(shí)間因素，計(jì)算出鋼坯實(shí)際出爐溫度并和數(shù)學(xué)模

14、型所計(jì)算的出爐溫度比較得出修正值。當(dāng)這種補(bǔ)償經(jīng)過一定量的統(tǒng)計(jì)分析后，系統(tǒng)將自動(dòng)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)這個(gè)鋼種的有效補(bǔ)償數(shù)據(jù)而修正數(shù)學(xué)模型。4燃燒控制(一級(jí))系統(tǒng)馬鋼H型鋼加熱爐可分預(yù)熱、加熱、均熱3個(gè)區(qū)域，8個(gè)燃燒控制段，采用平面燒嘴和火焰長度可調(diào)的直焰燒嘴。具體為預(yù)熱段(頂部)4只，預(yù)熱段(底部)4只；加熱段(頂部)24只，加熱段(底部)6只；均熱段(左右頂部)二段24只，均熱段(左右底部)二段6只。其每段控制回路均由軟件實(shí)現(xiàn)，即采用西門子STEP5語言編程在S5-155U可編程控制器(C-PLC)協(xié)調(diào)完成各個(gè)燃燒控制回路的控制功能，且各段控制基本相同。4.1溫度控制回路各段的溫度控制回路控制框圖如圖3所

15、示。溫度控制回路的溫度設(shè)定可有二種方式，其一為遠(yuǎn)程設(shè)置，其二為本地設(shè)置。遠(yuǎn)程設(shè)置值來自監(jiān)控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。本地設(shè)置值來自C-PLC相應(yīng)的MMI跟蹤站，由操作工根據(jù)需要和經(jīng)驗(yàn)設(shè)定。但監(jiān)控計(jì)算機(jī)仍然進(jìn)行實(shí)際鋼溫和最佳加熱曲線所設(shè)計(jì)的鋼溫溫差計(jì)算，但僅作為顯示，不參與控制。遠(yuǎn)程控制和本地控制通過選擇開關(guān)控制。圖3溫度控制結(jié)構(gòu)框圖爐膛溫度反饋通過雙支熱電偶采集后通過溫度變送器直接輸入C-PLC。其后的各種處理則均以軟件完成。溫度報(bào)警中可設(shè)定溫度的上下限值，當(dāng)此值達(dá)到并持續(xù)確定的時(shí)間，系統(tǒng)將使相應(yīng)的煤氣切斷閥動(dòng)作，停止供熱。熱電偶兩路采集為可靠起見，操作工可通過檢測(cè)切換來選擇通路A或通路B或二者取高值者作為

16、溫度實(shí)際值。系統(tǒng)根據(jù)遠(yuǎn)程給定或本地給定和基于采集的溫度實(shí)際值進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)學(xué)計(jì)算產(chǎn)生的鋼坯實(shí)際溫度的偏差而給出控制調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)輸出量。4.2煤氣空氣交叉限幅控制在通常的燃燒控制系統(tǒng)中，采用串級(jí)比值調(diào)節(jié)系統(tǒng)。溫度調(diào)節(jié)器的輸出直接作為空氣流量調(diào)節(jié)控制器的給定，然后空氣流量實(shí)際值除以空燃比作為煤氣流量調(diào)節(jié)控制器的給定。在穩(wěn)態(tài)時(shí)，煤氣量可按一定的空燃比跟隨空氣實(shí)際流量而動(dòng)，但在動(dòng)態(tài)時(shí)，如升溫、降溫等變化時(shí)，這種常規(guī)系統(tǒng)就無法保證煤氣量仍按一定的空燃比隨空氣量變化而變化。在馬鋼H型鋼加熱爐燃燒控制系統(tǒng)中，采用了軟件實(shí)現(xiàn)交叉限幅控制方式來保證無論在動(dòng)態(tài)還是穩(wěn)態(tài)時(shí)，都能滿足一定的空燃配比性能。交叉限幅控制的基

17、本原則是：升溫時(shí)，空氣先行；降溫時(shí)，煤氣先行。采用這種方式，使系統(tǒng)無論在穩(wěn)態(tài)還是在動(dòng)態(tài)時(shí)，都可獲得較好的空燃比性能。同時(shí)由于沒有過氧燃燒和缺氧燃燒而起到節(jié)能降耗的效果。從圖4可見，系統(tǒng)通過高低選擇器及其相應(yīng)的空氣和煤氣實(shí)際反饋來完成升溫空氣調(diào)節(jié)先行，降溫煤氣調(diào)節(jié)先行的交叉限幅功能，達(dá)到控制目的。圖4煤氣/空氣交叉限幅控制回路結(jié)構(gòu)框圖另外，加熱爐燃燒控制系統(tǒng)還包括有：爐膛壓力控制。為了保證爐內(nèi)有一個(gè)穩(wěn)定的壓力，使外界對(duì)爐內(nèi)加熱影響最小，需要對(duì)爐膛壓力進(jìn)行控制。避免壓力過大造成向外噴火，浪費(fèi)能源；壓力過小造成爐外冷氣吸入，降低爐溫，也浪費(fèi)能源。所以要把爐內(nèi)壓力控制在比爐外大氣壓略高一點(diǎn)的微正壓。變頻助燃風(fēng)機(jī)及壓力控制。加熱爐燃燒需要助燃空氣，對(duì)于助燃空氣，不僅有流量要求，還有壓力要求。如果助燃空氣壓力不穩(wěn)定，對(duì)燃燒的穩(wěn)定性產(chǎn)生很大影響。換熱器保護(hù)控制。換熱器安裝在水平煙道內(nèi)利用加熱爐排出的高溫廢氣對(duì)助燃空氣加熱，使其從20上升到600。但