步進梁式加熱爐燃燒和溫度控制系統(tǒng)的研究

步進梁式加熱爐燃燒和溫度控制系統(tǒng)的研究

1串級雙交叉限幅控制系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)天津鋼管公司的再熱爐是一種漸進的加熱爐。主要用于對管道進行在線處理，并對需要精確外徑的管道進行加熱。爐子采用高速端燒嘴,沿爐長方向分為3段供熱,每段又在爐寬方向上分為4個區(qū)段進行溫度控制,1～4段為預(yù)熱段,5～8段為加熱段,9～12段為均熱段。投產(chǎn)初期,12區(qū)段的燃燒和溫度控制系統(tǒng)均采用串級雙交叉限幅控制系統(tǒng),但在在線?；幚淼纳郎剡^程中,加熱段經(jīng)常出現(xiàn)溫度急劇升高,超過設(shè)定值后,降溫速度緩慢,且有時溫度不降反而升高的現(xiàn)象,造成過燒,自動調(diào)節(jié)效果很不理想,常需要人工干預(yù)。而在均熱段,串級雙交叉限幅控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)效果較好。經(jīng)研究,發(fā)現(xiàn)預(yù)熱段燒嘴朝向加熱段燃燒,而預(yù)熱段的熱電偶背向燒嘴方向,測量溫度存在滯后。當(dāng)加熱段降溫時,預(yù)熱段升溫,因而造成加熱段過燒。經(jīng)過反復(fù)修改和大量試驗,最終確定了一套改進型控制方案,用相鄰的加熱段控制預(yù)熱段。在操作員接口站上設(shè)置一個串級手動選擇開關(guān),如不選擇串級,各段仍按串級雙交叉限幅控制系統(tǒng)控制。該方案適于不需要預(yù)熱段,只用加熱段和均熱段加熱的鋼管;選擇串級時,加熱段溫度控制器的輸出,除了控制本段外還加減一個遠(yuǎn)程手動給定值作為相鄰預(yù)熱段溫度控制器的輸出,控制預(yù)熱段。預(yù)熱段溫度控制器的輸出跟蹤加熱段控制器的輸出,以避免切換過程中的擾動。2操作控制器設(shè)計再加熱爐采用美國貝利公司的N90集散控制系統(tǒng),該系統(tǒng)通過組態(tài)功能塊(功能代碼)來完成控制功能。N90系統(tǒng)的功能代碼21(自動/手動操作站)和功能代碼19(PID調(diào)節(jié)塊)相結(jié)合組成控制器。自動/手動操作站可以產(chǎn)生設(shè)定點,提供手動/自動轉(zhuǎn)換,手動方式的控制器輸出調(diào)節(jié)和自動方式的設(shè)定點調(diào)節(jié),以及輸出跟蹤,設(shè)定點跟蹤的操作。手動/自動站的參數(shù)S5確定控制器的輸出是否跟蹤外部輸入信號,S5=0時不跟蹤,輸出本段溫度控制器經(jīng)PID運算后的值;S5=1時,輸出跟蹤由參數(shù)S4輸入的外部信號的值。串級選擇控制系統(tǒng)描述如下,參見圖1。塊91是遠(yuǎn)程手動設(shè)定常數(shù)塊,功能代碼為68。該塊允許通過操作員接口裝置由操作工輸入常數(shù)值,為了防止輸入不合理的值,由參數(shù)S2、S3設(shè)定高限值和低限值。塊93的功能代碼為15,是2輸入累加器,此功能塊對2個輸入的和加權(quán)。輸出=〈S1〉(S2)+〈S3〉(S4)塊95的功能代碼為6,是高/低限制器,此功能把輸出信號限制到規(guī)定的高、低限制范圍內(nèi)。當(dāng)輸入處于高、低限之間時,輸出等于輸入;當(dāng)輸入高于高限,輸出等于高限;當(dāng)輸入低于低限時,輸出等于低限。塊96的功能代碼為9,是模擬轉(zhuǎn)換器,其功能根據(jù)邏輯輸入S3選擇兩個輸入之一作為輸出:S3=0時,輸出等于S1,S3=1時,選擇輸出等于S2。塊77為2輸入或,功能代碼是39,執(zhí)行或操作。塊92為遙控存儲器,功能代碼是62。該塊在操作員接口裝置上定義一個設(shè)定——復(fù)位觸發(fā)器,用于操作員執(zhí)行開關(guān)操作,其功能見表1。由圖1中的控制邏輯可知:(1)當(dāng)?shù)?段控制油路的電磁閥關(guān)閉時,無論第7段電磁閥開閉,TIC0301的S5=1、S4=0,控制器選擇輸出跟蹤方式,輸出值為0。該段不允許點燃,不執(zhí)行控制操作。(2)當(dāng)?shù)?段電磁閥打開,第7段電磁閥關(guān)閉時,塊92的R=1,操作員從操作站上選擇串級時RS=1。由塊92的功能表可得:塊92的輸出為本塊的輸入?yún)?shù)S4,由于S4=0,所以TIC0301的S5=0,不選擇跟蹤;不選擇串級時,RS=0。由表1可知:塊92的輸出為0,即TIC0301的S5=0,不選擇跟蹤。(3)兩段的電磁閥同時打開時,塊92的R=0,操作員選擇串級時,RS=1。由塊92的功能表可知:塊92的輸出為1,即TIC0301的S5=1,控制器選擇輸出跟蹤,S4等于TIC0701的輸出值與遠(yuǎn)程手動給定值之和;不選擇串級時,RS=0,由功能表可知:塊92的輸出為0,TIC0301的S5=0,不選擇跟蹤。用加熱段控制器的輸出控制相鄰的預(yù)熱段,克服了預(yù)熱段對加熱段的影響,遠(yuǎn)程手動設(shè)定值由操作員根據(jù)不同規(guī)格鋼管的加熱情況總結(jié)實際經(jīng)驗給出(可以為零),用以保證預(yù)熱段的溫度達到工藝要求。3溫度控制器的工作原理控制系統(tǒng)的原理如圖2所示。該系統(tǒng)由主調(diào)節(jié)器TIC和2個副調(diào)節(jié)器FaIC和FfIC構(gòu)成。在燃料和空氣的控制回路中設(shè)置了高、低選擇器和一些運算單元,燃料控制回路調(diào)節(jié)器FfIC的設(shè)定值通過H、L,選擇A、C或B;空氣控制回路FaIC的設(shè)定值通過H、L,選擇A,E或D,作為各自調(diào)節(jié)器的設(shè)定值,適當(dāng)?shù)剡x擇K值,可保證爐子負(fù)荷減小時,多減燃料量,少減空氣量(燃料先行);爐子負(fù)荷增加時,多加空氣量,少加煤氣量(空氣先行),從而防止冒黑煙,使燃料充分燃燒,既節(jié)約能源,又不污染環(huán)境,并保證了動態(tài)條件下空燃比的穩(wěn)定。由于燃料、空氣相互設(shè)定,從而保證了空燃比最優(yōu),達到了爐溫恒定的目的?？刂葡到y(tǒng)的工作原理:在1～12段,每段溫度控制器的輸出信號,在燃油和空氣控制回路中,通過高、低值的選擇,分別作為輕油和空氣調(diào)節(jié)器的設(shè)定值SP,各段熱電偶為溫度調(diào)節(jié)器提供測量值PV。正常工況時,因溫度調(diào)節(jié)器的SP=PV,燃油側(cè)A>C,故高選選通A,因A<B,故低選仍選通A。所以,FfIC的設(shè)定值為A,同理,空氣側(cè)的FaIC設(shè)定值也為A。當(dāng)升溫時,PV<SP,溫度調(diào)節(jié)器的輸出急劇增加,在燃油控制回路中,此瞬間C、B未變,而此時因A>C,故高選選通A;因A>B,故低選選通B,B成為燃油調(diào)節(jié)器的設(shè)定值。B=((100+K1)/100)·(Fa/(μ·βFf))同理:空氣控制回路中,此瞬間E、D未變,此時因E<A,故低值選擇器選E,因E>D,故高值選擇器也選E,空氣調(diào)節(jié)器的設(shè)定值為E。E=((100+K4)/100)·Ff這就是雙交叉限幅控制,此時燃油和空氣閥按調(diào)節(jié)規(guī)律(PID)開大,爐溫上升,B、C、E、D變大,A值逐漸減小,直至溫度控制器的PV=SP時,雙交叉限幅結(jié)束。降溫時,燃油和空氣回路發(fā)生相反的變化。C=((100-K3)/100)·(Fa/(μ·βFf))D=((100-K2)/100)·Ff在再加熱爐中,K1=K2=4,K3=K4=6。上述中,A為TIC的輸出值;B、C、D、E為空氣、燃油的測量修正值;K1～K4為根據(jù)現(xiàn)場情況人為給定的修正值;Fa、Ff分別為空氣、燃料的相對值;β=實際最大燃料量×單位燃料所需空氣量μ=Fa/(Ff·β)。如前所述,升溫時,SPf=B=1.04Ff,SPa=E=1.06Ff,可見SPa?SPf,空氣先行;降溫時,SPf=