CN102453792A - 连续退火炉炉压控制方法及控制设备 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了连续退火炉炉压控制方法，包括：通过煤气流量检测器和空气流量检测器检测各区的煤气流量和空气流量，相加得到煤气输入总量和空气输入总量，计算燃烧前炉内气体压力；通过成分检测器检测煤气成分以及煤气与空气的配比；通过热电偶检测燃烧前炉内气体温度；根据燃烧化学方程式、煤气输入总量、空气输入总量、煤气成分以及煤气与空气的配比预测燃烧后的气体成分和气体总量；通过热电偶检测燃烧后炉内气体温度；根据燃烧前炉内气体压力、燃烧前炉内气体温度和燃烧后炉内气体温度计算燃烧后炉内气体压力；根据燃烧前后炉内气体压力，基于气体的增量通过算法计算出废气风机开度，并使用该废弃风机开度控制废弃风机。

Description

连续退火炉炉压控制方法及控制设备
 
技术领域
本发明涉及冶炼设备领域，尤其涉及一种连续退火炉炉压控制方法及控制设备。
 
背景技术
炉内压力是退火炉的重要控制指标，炉压波动会对产品的质量和性能造成重大影响。炉压太低会引起空气吸入氧化带钢、炉压太高又会使废气流向下一炉区影响炉内气氛。 连退加热炉整个炉子分为若干个区，每个炉区都有独立的控制，如煤气流量、温度、压力等。现在通常的退火炉炉温多采用双交叉限幅控制，进入炉内燃烧的煤气流量和空气流量随所需功率的不同而变化，造成燃烧后进入炉内废气的体积始终发生变化，从而导致炉压发生波动。现有的连续退火炉炉压控制一般都采用常规PID双交叉限幅控制方法，常规PID双交叉限幅控制方法的基本控制逻辑参考图3所示，其过程为：两支热电偶进行温度测量，测得温度较高的那个作为测量值与设定值进行比较，偏差作为PID控制的输入，经过PID模块运算后得到控制输出量送到双交叉限幅模块进行运算，得到煤气和控制的设定值后与各自得实际值相比较得到偏差，再经过煤气PID和空气PID模块的运算，最终将煤气阀门调节量和空气阀门调节量送到执行机构进行控制。通过执行机构的调节，使煤气流量和空气流量的实际值与设定值相当，在调节过程中进入炉内的煤气流量和空气流量始终发生着变化。由于炉子烧嘴众多，烧嘴投入功率时常变化，进入炉内气体体积变化范围较大，废气压力传递到测压点有时间差，再加上炉子本身的大惯性、大滞后特性，使传统的连续退火炉压不能同时兼顾稳定性与快速性的要求。
 
发明内容
本发明旨在提出一种连续退火炉炉压控制方法及控制设备，考虑气体受热膨胀对炉压的影响。
本发明的控制方法和控制设备的基本控制逻辑是以炉区的炉温、烧嘴功率、煤气、空气流量设定值、实际值为输入量，采用多变量预测控制算法来计算出当前最优的废气风机转速，通过废气风机转速和调节阀门开度的配合，来实现炉压的控制。本发明通过计算燃料气体燃烧前后体积变化对炉压造成的影响，考虑气体受热膨胀对炉压的影响，提高炉压控制精度和动态响应特性。
根据本发明的一方面，提出一种连续退火炉炉压控制方法，包括下述的步骤：
通过设置在各区中的煤气流量检测器和空气流量检测器检测各区的煤气流量和空气流量，将各区的煤气流量相加得到煤气输入总量，将各区的空气流量相加得到空气输入总量，根据煤气输入总量和空气输入总量计算燃烧前炉内气体压力；
通过成分检测器检测煤气成分以及煤气与空气的配比；
通过热电偶检测燃烧前炉内气体温度；
根据燃烧化学方程式、煤气输入总量、空气输入总量、煤气成分以及煤气与空气的配比预测燃烧后的气体成分和气体总量；
点燃炉内的煤气和空气，通过热电偶检测燃烧后炉内气体温度；
根据燃烧前炉内气体压力、燃烧前炉内气体温度和燃烧后炉内气体温度计算燃烧后炉内气体压力；
根据燃烧前炉内气体压力和燃烧后炉内气体压力，基于气体的增量通过算法计算出废气风机开度，并使用该废弃风机开度控制废弃风机。
根据本发明的另一方面，提出一种连续退火炉炉压控制设备，包括：
煤气流量检测器，设置在各区中，用于检测各区的煤气流量；
空气流量检测器，设置在各区中，用于检测各区的空气流量；
炉内气体总量计算装置，连接到煤气流量检测器和空气流量检测器，炉内气体总量计算装置将各区的煤气流量相加得到煤气输入总量，以及将各区的空气流量相加得到空气输入总量；
成分检测器，用于检测煤气成分以及煤气与空气的配比；
热电偶，检测炉内气体温度；
燃烧预测装置，连接到炉内压力计算装置和成分检测器，根据燃烧化学方程式、煤气输入总量、空气输入总量、煤气成分以及煤气与空气的配比预测燃烧后的气体成分和气体总量；
点火装置，点燃炉内的煤气和空气；
炉内气体压力计算装置，连接到炉内气体总量计算装置，炉内气体压力计算装置在燃烧前根据煤气输入总量和空气输入总量计算燃烧前炉内气体压力；炉内气体压力计算装置还连接到热电偶，根据燃烧前炉内气体压力、燃烧前炉内气体温度和燃烧后炉内气体温度计算燃烧后炉内气体压力；
废弃风机开度控制器，连接到炉内气体压力计算装置和废弃风机，废弃风机开度控制器根据燃烧前炉内气体压力和燃烧后炉内气体压力，基于气体的增量通过算法计算出废气风机开度，并使用该废弃风机开度控制废弃风机。
在传统的连续退火炉炉压控制方案中，仅使用PID控制，这种通过反馈作用来调节的方式必然存在着滞后和超调现象。针对这种情况，本发明采用前馈控制手段加以调节。根据无氧化炉各区的煤气和空气量，计算出废气的体积和维持设定值炉压阀门大致的开度。将炉压调节时直接将这个开度输出到阀门，使阀门大致已经开到了需要的开度，然后再结合PID调节进行微调。这样使阀门反应迅速而且能够大大减小超调现象，使炉压保持稳定。
 
附图说明
图1是根据本发明的连续退火炉炉压控制方法的流程图。
图2是根据本发明的连续退火炉炉压控制设备的结构图。
图3示出了连续退火炉炉压控制的常规PID双交叉限幅控制方法的控制逻辑。
图4示出了使用传统控制方法的炉压趋势图。
图5示出了使用本发明的控制方法和控制设备的炉压趋势图。
 
具体实施方式
参考图1所示，本发明揭示了一种连续退火炉炉压控制方法，包括如下的步骤：
S101. 通过设置在各区中的煤气流量检测器和空气流量检测器检测各区的煤气流量和空气流量，将各区的煤气流量相加得到煤气输入总量，将各区的空气流量相加得到空气输入总量，根据煤气输入总量和空气输入总量计算燃烧前炉内气体压力。
在一个实施例中，通过下述的公式计算煤气输入总量V煤气和空气输入总量V空气。
V煤气=Vg1+Vg2+…+Vgn；
V空气=Va1+Va2+…+Van。
其中，
V煤气表示煤气输入总量；
Vgn表示第n区的煤气流量，该数据由第n区的煤气流量检测器检测获得；
V空气表示空气输入总量；
Van表示第n区的空气流量，该数据由第n区的空气流量检测器检测获得。
在获得了煤气输入总量V煤气和空气输入总量V空气后，测量连续退火炉的炉内体积，根据煤气输入总量V煤气和空气输入总量V空气计算煤气和空气的总体积V1，并得到燃烧前炉内气体压力P1。
S102. 通过成分检测器检测煤气成分以及煤气与空气的配比。比如，在一个实施例中，测得的煤气成分为H2:57.78%、O2:0.61%、N2:4.54%、CH4:24.80%、CO:6.47%、CO2:2.87、C2H4:0.68、C3H6:0.2。煤气与空气的配比为1:4。煤气和空气的配比一般是根据工艺需要预先设定好，在1：4左右，在该步骤中再使用成分检测器进行一下空煤比的验证。
S103. 通过热电偶检测燃烧前炉内气体温度，获得燃烧前的炉内温度T1。
S104. 根据燃烧化学方程式、煤气输入总量、空气输入总量、煤气成分以及煤气与空气的配比预测燃烧后的气体成分和气体总量V2。
在一个实施例中，使用的燃烧化学方程式包括：
2H2+O2=2H2O；
CH4+2O2=2H2O+CO2；
2CO+O2=2CO2；
C2H4+3O2=2CO2+2H2O；
2C2H6+7O2=4CO2+6H2O；
2C3H6+9O2=6CO2+6H2O。
基于上述的燃烧方程式，结合煤气输入总量、空气输入总量、煤气成分以及煤气与空气的配比，可以比较准确地预测燃烧后的气体成分和气体总量V2。
S105. 点燃炉内的煤气和空气，通过热电偶检测燃烧后炉内气体温度T2。
S106. 根据燃烧前炉内气体压力、燃烧前炉内气体温度和燃烧后炉内气体温度计算燃烧后炉内气体压力。
气体燃烧后会产生热量使废气温度升高，同时炉内固有温度会使废气受热膨胀，利用热力方程P1V1/T1=P2V2/T2可以计算出该煤气和空气的燃烧使炉内气体增加而增加的气体压力。其中P1为燃烧前炉内气体压力；V1为燃烧前气体体积；T1为燃烧前炉内气体温度；P2为燃烧后炉内气体压力；V2为燃烧后气体体积；T2为燃烧后炉内气体温度。其中参数P1和V1在步骤S101获得，参数T1在步骤S103获得，参数V2在步骤S104获得，参数T2在步骤S105获得。在步骤S106可以计算得到参数P2，即燃烧后炉内气体压力。
S107. 根据燃烧前炉内气体压力P1和燃烧后炉内气体压力P2，基于气体的增量通过算法计算出废气风机开度，并使用该废弃风机开度控制废弃风机。
在一个实施例中，气体的增量通过算法包括：计算气体的增量FAN_DISV为
FAN_DISV=((Flow_air+Flow_air/(Flow_gas*Gas_air))*Burn_Parameter+(Flow_gas-Flow_air/(Flow_gas*Gas_air))+Nflow_1)*(temp_pv+273.15)/(Fan_Flow_Max*273.15)*100；
其中Flow_air为空气流量，Flow_gas为煤气流量，Burn_Parameter为烧嘴参数，Gas_air为空煤比，Fan_Flow_Max为风机流量的最大值，temp_pv为实际的炉温值，Nflow_1为预设的标准流量。
在步骤S107中得到的废气风机开度能够对炉压起到一个预控作用，将炉压调节时直接将废气风机开度输出到废气风机，使废气风机大致已经开到了需要的开度，然后用废气阀门的PID调节进行微调，将二者之和作为最终的废气风机设定值。这样使炉压反应迅速而且能够大大减小超调现象，使炉压保持稳定。
参考图2所示，本发明还揭示了一种连续退火炉炉压控制设备，包括：煤气流量检测器201、空气流量检测器202、炉内气体总量计算装置203、成分检测器204、热电偶205、燃烧预测装置206、点火装置207、炉内气体压力计算装置208、废弃风机开度控制器209、废气风机210。
煤气流量检测器201设置在各区中，用于检测各区的煤气流量。
空气流量检测器202设置在各区中，用于检测各区的空气流量。
炉内气体总量计算装置203连接到煤气流量检测器201和空气流量检测器202，炉内气体总量计算装置203将各区的煤气流量相加得到煤气输入总量，以及将各区的空气流量相加得到空气输入总量。在一个实施例中，通过下述的公式计算煤气输入总量V煤气和空气输入总量V空气。
V煤气=Vg1+Vg2+…+Vgn；
V空气=Va1+Va2+…+Van。
其中，
V煤气表示煤气输入总量；
Vgn表示第n区的煤气流量，该数据由第n区的煤气流量检测器检测获得；
V空气表示空气输入总量；
Van表示第n区的空气流量，该数据由第n区的空气流量检测器检测获得。
在获得了煤气输入总量V煤气和空气输入总量V空气后，测量连续退火炉的炉内体积，根据煤气输入总量V煤气和空气输入总量V空气计算煤气和空气的总体积V1，并得到燃烧前炉内气体压力P1。
成分检测器204用于检测煤气成分以及煤气与空气的配比。在一个实施例中，测得的煤气成分为H2:57.78%、O2:0.61%、N2:4.54%、CH4:24.80%、CO:6.47%、CO2:2.87、C2H4:0.68、C3H6:0.2。煤气与空气的配比为1:1。煤气和空气的配比一本是根据工艺需要预先设定好，成分检测器204再进行一下空煤比的验证。
热电偶205检测炉内气体温度。
燃烧预测装置206连接到炉内压力计算装置203和成分检测器204，根据燃烧化学方程式、煤气输入总量、空气输入总量、煤气成分以及煤气与空气的配比预测燃烧后的气体成分和气体总量V2。
在一个实施例中，使用的燃烧化学方程式包括：
2H2+O2=2H2O；
CH4+2O2=2H2O+CO2；
2CO+O2=2CO2；
C2H4+3O2=2CO2+2H2O；
2C2H6+7O2=4CO2+6H2O；
2C3H6+9O2=6CO2+6H2O。
基于上述的燃烧方程式，结合煤气输入总量、空气输入总量、煤气成分以及煤气与空气的配比，可以比较准确地预测燃烧后的气体成分和气体总量V2。
点火装置207设置在炉内，用于点燃炉内的煤气和空气。
炉内气体压力计算装置208连接到炉内气体总量计算装置203，炉内气体压力计算装置208在燃烧前根据煤气输入总量和空气输入总量计算燃烧前炉内气体压力；炉内气体压力计算装置还连接到热电偶205和燃烧预测装置206，根据燃烧前炉内气体压力、燃烧前炉内气体温度和燃烧后炉内气体温度计算燃烧后炉内气体压力。气体燃烧后会产生热量使废气温度升高，同时炉内固有温度会使废气受热膨胀，利用热力方程P1V1/T1=P2V2/T2可以计算出该煤气和空气的燃烧使炉内气体增加而增加的气体压力。其中P1为燃烧前炉内气体压力；V1为燃烧前气体体积；T1为燃烧前炉内气体温度；P2为燃烧后炉内气体压力；V2为燃烧后气体体积；T2为燃烧后炉内气体温度。其中参数P1和V1由炉内气体总量计算装置203获得，参数T1由热电偶205获得，参数V2由燃烧预测装置206获得，参数T2由热电偶205获得。炉内气体压力计算装置208可以计算得到参数P2，即燃烧后炉内气体压力。
废弃风机开度控制器209连接到炉内气体压力计算装置208和废弃风机210，废弃风机开度控制器209根据燃烧前炉内气体压力P1和燃烧后炉内气体压力P2，基于气体的增量通过算法计算出废气风机开度，并使用该废弃风机开度控制废弃风机210。
在一个实施例中，废弃风机开度控制器209的气体的增量通过算法包括：计算气体的增量FAN_DISV为
FAN_DISV=((Flow_air+Flow_air/(Flow_gas*Gas_air))*Burn_Parameter+(Flow_gas-Flow_air/(Flow_gas*Gas_air))+Nflow_1)*(temp_pv+273.15)/(Fan_Flow_Max*273.15)*100；
其中Flow_air为空气流量，Flow_gas为煤气流量，Burn_Parameter为烧嘴参数，Gas_air为空煤比，Fan_Flow_Max为风机流量的最大值，temp_pv为实际的炉温值，Nflow_1为预设的标准流量。
废弃风机开度控制器209得到的废气风机开度能够对炉压起到一个预控作用，将炉压调节时直接将废气风机开度输出到废气风机，使废气风机大致已经开到了需要的开度，然后用废气阀门的PID调节进行微调，将二者之和作为最终的废气风机设定值。这样使炉压反应迅速而且能够大大减小超调现象，使炉压保持稳定。
图4和图5示出了使用不同的控制方法的炉压趋势图。其中图4示出了传统控制方法的炉压趋势图，而图5示出了使用本发明的控制方法和控制设备的炉压趋势图。
图4中，曲线1为空气流量，因为空煤比基本固定，所以煤气流量的趋势基本相同，当炉内气体流量下降时，曲线2（炉压）控制调节不及时炉压也在同步下降,最后阀门关过头导致超调现象发生，炉压冲到70Pa，从而导致炉压波动。
图5中，在使用本发明的前馈模块进行调节后，即使气流变化量较大（曲线1），炉压（曲线2）波动量也很小在20Pa以内而且没有形成负压。
在传统的连续退火炉炉压控制方案中，仅使用PID控制，这种通过反馈作用来调节的方式必然存在着滞后和超调现象。针对这种情况，本发明采用前馈控制手段加以调节。根据无氧化炉各区的煤气和空气量，计算出废气的体积和维持设定值炉压阀门大致的开度。将炉压调节时直接将这个开度输出到阀门，使阀门大致已经开到了需要的开度，然后再结合PID调节进行微调。这样使阀门反应迅速而且能够大大减小超调现象，使炉压保持稳定。

Claims (8)

1.一种连续退火炉炉压控制方法，其特征在于，包括：
通过设置在各区中的煤气流量检测器和空气流量检测器检测各区的煤气流量和空气流量，将各区的煤气流量相加得到煤气输入总量，将各区的空气流量相加得到空气输入总量，根据煤气输入总量和空气输入总量计算燃烧前炉内气体压力；
通过成分检测器检测煤气成分以及煤气与空气的配比；
通过热电偶检测燃烧前炉内气体温度；
根据燃烧化学方程式、煤气输入总量、空气输入总量、煤气成分以及煤气与空气的配比预测燃烧后的气体成分和气体总量；
点燃炉内的煤气和空气，通过热电偶检测燃烧后炉内气体温度；
根据燃烧前炉内气体压力、燃烧前炉内气体温度和燃烧后炉内气体温度计算燃烧后炉内气体压力；
根据燃烧前炉内气体压力和燃烧后炉内气体压力，基于气体的增量通过算法计算出废气风机开度，并使用该废弃风机开度控制废弃风机。
2.如权利要求1所述的连续退火炉炉压控制方法，其特征在于，
所述煤气成分为H2:57.78%、O2:0.61%、N2:4.54%、CH4:24.80%、CO:6.47%、CO2:2.87、C2H4:0.68、C3H6:0.2。
3.如权利要求1所述的连续退火炉炉压控制方法，其特征在于，所述燃烧化学方程式包括：
2H2+O2=2H2O；
CH4+2O2=2H2O+CO2；
2CO+O2=2CO2；
C2H4+3O2=2CO2+2H2O；
2C2H6+7O2=4CO2+6H2O；
2C3H6+9O2=6CO2+6H2O。
4.如权利要求1所述的连续退火炉炉压控制方法，其特征在于，所述气体的增量通过算法包括：计算气体的增量FAN_DISV为
FAN_DISV=((Flow_air+Flow_air/(Flow_gas*Gas_air))*Burn_Parameter+(Flow_gas-Flow_air/(Flow_gas*Gas_air))+Nflow_1)*(temp_pv+273.15)/(Fan_Flow_Max*273.15)*100；
其中Flow_air为空气流量，Flow_gas为煤气流量，Burn_Parameter为烧嘴参数，Gas_air为空煤比，Fan_Flow_Max为风机流量的最大值，temp_pv为实际的炉温值，Nflow_1为预设的标准流量。
5.一种连续退火炉炉压控制设备，其特征在于，包括：
煤气流量检测器，设置在各区中，用于检测各区的煤气流量；
空气流量检测器，设置在各区中，用于检测各区的空气流量；
炉内气体总量计算装置，连接到所述煤气流量检测器和空气流量检测器，炉内气体总量计算装置将各区的煤气流量相加得到煤气输入总量，以及将各区的空气流量相加得到空气输入总量；
成分检测器，用于检测煤气成分以及煤气与空气的配比；
热电偶，检测炉内气体温度；
燃烧预测装置，连接到炉内压力计算装置和成分检测器，根据燃烧化学方程式、煤气输入总量、空气输入总量、煤气成分以及煤气与空气的配比预测燃烧后的气体成分和气体总量；
点火装置，点燃炉内的煤气和空气；
炉内气体压力计算装置，连接到炉内气体总量计算装置，炉内气体压力计算装置在燃烧前根据煤气输入总量和空气输入总量计算燃烧前炉内气体压力；炉内气体压力计算装置还连接到热电偶，根据燃烧前炉内气体压力、燃烧前炉内气体温度和燃烧后炉内气体温度计算燃烧后炉内气体压力；
废弃风机开度控制器，连接到炉内气体压力计算装置和废弃风机，废弃风机开度控制器根据燃烧前炉内气体压力和燃烧后炉内气体压力，基于气体的增量通过算法计算出废气风机开度，并使用该废弃风机开度控制废弃风机。
6.如权利要求5所述的连续退火炉炉压控制设备，其特征在于，
所述煤气成分为H2:57.78%、O2:0.61%、N2:4.54%、CH4:24.80%、CO:6.47%、CO2:2.87、C2H4:0.68、C3H6:0.2。
7.如权利要求5所述的连续退火炉炉压控制设备，其特征在于，所述燃烧化学方程式包括：
2H2+O2=2H2O；
CH4+2O2=2H2O+CO2；
2CO+O2=2CO2；
C2H4+3O2=2CO2+2H2O；
2C2H6+7O2=4CO2+6H2O；
2C3H6+9O2=6CO2+6H2O。
8.如权利要求5所述的连续退火炉炉压控制设备，其特征在于，所述废弃风机开度控制器的气体的增量通过算法包括：计算气体的增量FAN_DISV为
FAN_DISV=((Flow_air+Flow_air/(Flow_gas*Gas_air))*Burn_Parameter+(Flow_gas-Flow_air/(Flow_gas*Gas_air))+Nflow_1)*(temp_pv+273.15)/(Fan_Flow_Max*273.15)*100；
其中Flow_air为空气流量，Flow_gas为煤气流量，Burn_Parameter为烧嘴参数，Gas_air为空煤比，Fan_Flow_Max为风机流量的最大值，temp_pv为实际的炉温值，Nflow_1为预设的标准流量。
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