CN105018716B - 一种轧钢加热炉煤气热值动态设定方法 - Google Patents

Abstract

一种轧钢加热炉煤气热值动态设定方法，属控制领域。其首先获取正常生产或者故障休止标记以及炉内板坯相关信息，区分正常生产还是故障休止，若是正常生产，则计算加热炉指定范围内小时产量板坯需要的热量Q，根据热量需求Q确定相应的热负荷级别J，再根据J确定对应的热值Z；若是故障休止状态，则根据故障时间确定故障期间热负荷级别J，再根据热负荷级别J确定煤气热值Z；最后，将设定值Z发送给煤气混合站的PLC控制系统，实现热值的动态设定控制。本发明技术方案的实施，使得加热炉的热负荷需求能够与能量的级别自动匹配，不仅有利于提高燃烧的效率，而且能够防止排烟温度过高，浪费能源。可广泛用于加热炉的热负荷调节、控制领域。

Description

一种轧钢加热炉煤气热值动态设定方法

技术领域

本发明属于控制领域，尤其涉及一种用于轧钢加热炉的热值动态控制方法。

背景技术

加热炉是将物料或工件加热的设备。在冶金工业中，加热炉习惯上是指把金属加热到轧制成锻造温度的工业炉，包括有连续加热炉和室式加热炉等。

连续加热炉包括推钢式炉、步进式炉、转底式炉等连续加热炉。连续加热炉多数用于轧制前加热金属料坯，少数用于锻造和热处理。其主要特点是：料坯在炉内依轧制的节奏连续运动，炉气在炉内也连续流动；一般情况，在炉料的断面尺寸、品种和产量不变的情况下，炉子各部分的温度和炉中金属料的温度仅沿炉子长度方向发生变化，即在稳定生产过程，炉内同一位置对应温度基本上不随时间变化；但是当钢坯的装炉温度、钢种的出炉目标温度以及停机或炉子生产节奏发生变化等情况下，炉内温度和煤气流量，将发生比较大的变化。

热轧加热炉控制的主要目的有三个：一是按照工艺要求对板坯进行加热，满足加热质量的要求，主要是出炉目标温度、均热度的要求；二是要满足轧线节奏的要求，三是尽可能节能。

以往的轧钢加热炉控制，更加关注加热质量，在节能控制技术上，很难深入下去，缺少科学用能，能级匹配的具体技术。

对于轧钢加热炉而言，加热钢种变化、轧线生产节奏变化、热装热送等因素对加热炉的热负荷需求有较大影响，而在加热炉设计过程中加热炉煤气热值按照加热炉的固定加热能力进行设计，未充分考虑加热炉热负荷需求变动情况下的煤气热值设定。

一般情况下，热轧产线混合煤气由焦炉煤气、高炉煤气、转炉煤气混合而成。煤气热值为固定值，由煤气站操作人员进行设定。固定的煤气热值设定有利于煤气站的稳定运行以及加热炉燃烧的稳定性，但固定的煤气热值对加热炉的热效率有一定的影响，在加热炉热装热送、设备故障等加热炉热负荷需求较低情况下导致加热炉废气温度高，从而产生热空气放散、稀释风机启动等一系列降低加热炉热效率的情况发生，不利于加热炉燃耗的降低。

为了解决加热炉热负荷需求不同，能级不匹配的问题，授权公告日为2011年11月23日，授权公告号为CN101614394B的中国专利中公开了一种“多种类高低热值燃气稳定燃烧方法及其装置”，其根据高中低热值燃气分成四个独立燃气通道，以同心方式布置，在燃烧装置出口处各燃气通道喷口为多层间隔式布置，各燃气通道之间设置风道，风道分别以旋流、直流方式出风，配合燃气射流实现高稳定燃烧；形成多通道、独立型、多孔相交射流，实现多类型高、中、低热值燃气的高稳定燃烧。该技术方案侧重解决钢铁企业在冶炼过程中，产生的多种副产品煤气的合理有效利用问题，利用多类型孔口阻力、流速差异特性的原理实现高、中、低热值多种类煤气互换高效稳定燃烧。然而该技术方案中没有考虑如何根据生产热负荷情况设定合适的热值，所以该装置只能被动适应热值的变化，却不能根据热轧生产的各种情况，比如：热送热装、钢种的变化以及故障停机等情况，来动态设定加热炉的煤气热值，实现热负荷需求与能级的动态匹配，实现节能降耗。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种轧钢加热炉煤气热值动态设定方法，其在现有设备基础上，通过计算机模型动态设定加热炉的煤气热值，使得加热炉的热负荷需求能够与能量的级别自动匹配，满足高的热负荷需求对应高热值，低的热负荷需求对应低热值，这样不仅有利于提高燃烧的效率，而且能够防止排烟温度过高，浪费能源。

本发明的技术方案是：提供一种轧钢加热炉煤气热值动态设定方法，包括通过控制煤气混合站的PLC控制系统，来控制加热炉的煤气热值，其特征是所述的动态设定方法包括下述步骤：

(1)、获取正常生产或者故障休止标记以及炉内板坯信息；

(2)、如果是正常生产，则按照正常生产工艺给定的算式，计算加热炉指定范围内小时产量板坯需要的热量Q；

(3)、根据所述加热炉指定范围内小时产量板坯需要的热量Q，确定相应的热负荷级别J，再由热负荷级别J索引出对应的热值Z；

(4)、如果是故障休止，则根据故障时间，索引热值降低级别，再根据当前热负荷需求级别J_current计算出设定的热值；如果故障休止结束则恢复原来的热负荷需求J_current对应的热值Z；

(5)、将由上述步骤设定的热值Z发送给煤气混合站的PLC控制系统，实现热值的动态设定、控制；

(6)、按照上述步骤按需要的时间间隔，滚动计算热值Z，进行轧钢加热炉煤气热值的动态设定、控制，实现加热炉的热负荷需求能够与能量的级别自动匹配。

具体的，在所述的步骤(1)中，所述的获取正常生产或者故障休止标记以及炉内板坯信息，包括从加热炉过程计算机中获取加热炉生产状态以及加热炉炉内板坯的相关信息。

进一步的，其所述的加热炉生产状态至少包括正常生产状态、故障休止状态、休止时间、加热炉指定范围内的板坯的初始温度、终点目标温度和小时产量；所述加热炉炉内板坯的相关信息至少包括板坯物性参数。

具体的，是在所述的步骤(2)中，所述加热炉指定范围内小时产量板坯需要的热量Q按照下列表达式进行表述：

上式中，η为加热炉的加热效率，采用取值区间[0.5，0.85]；Q为单位时间内煤气流量Nm³/h，q为设计标准煤气热值kJ/Nm³；T_target为加热炉内指定范围终点的板坯目标温度℃；T_start为指定范围起点的板坯温度℃；M为加热炉指定范围的小时产量kg/h；为板坯在温度区间[T_start，T_target]内的平均比热kJ/(kg×K)。

具体的，在所述的步骤(3)中，所述热负荷级别J的确定按如下表达式进行：

上式中，热负荷级别J∈[0，N]，N为工艺给定的最大分类号，取值区间为[3，7]；Q_max为对应于设计标准煤气热值q的加热炉实际最大煤气流量；Q_MIN为对应于标准煤气热值q的加热炉实际最小煤气流量；round[]代表取整。

具体的，在所述的步骤(3)中，所述根据热负荷级别J确定煤气热值的方法按照下列表达式进行：

上式中，Z_min为加热炉实际允许的最低热值；Z_max为加热炉实际允许的最高热值。

具体的，在所述的步骤(4)中，所述的根据故障时间确定煤气热值的方法按照下述表达式进行：

其中Δt为故障休止时间min；热负荷级别J∈[0，N]；N为工艺给定的最大分类号；J_current为故障休止前的热负荷需求级别。

具体的，在所述步骤(4)中，所述的根据热负荷级别J确定煤气热值的方法，采用与所述步骤(3)中相同的方法，即：

具体的，在所述的步骤(5)中，将由上述步骤设定的热值发送给煤气混合站的PLC控制系统，实现热值的动态设定控制。

本发明技术方案中所述的轧钢加热炉煤气热值动态设定方法，在现有设备基础上，通过计算机模型动态设定加热炉的煤气热值，实现对加热炉煤气热值的动态设定，使得加热炉的热负荷需求能够与能量的级别自动匹配，满足高的热负荷需求对应高热值，低的热负荷需求对应低热值，以利于提高燃烧的效率，防止排烟温度过高，减少能源浪费。

与现有技术比较，本发明的优点是：

1.在现有设备基础上，通过计算机模型动态设定加热炉的煤气热值，使得加热炉的热负荷需求能够与能量的级别自动匹配；

2.通过对加热炉煤气热值的动态设定，使得加热炉的热负荷需求能够与能量的级别自动匹配，满足高的热负荷需求对应高热值，低的热负荷需求对应低热值，以利于提高燃烧的效率，防止排烟温度过高，减少能源浪费。

附图说明

图1为加热炉热负荷级别计算板坯范围示意图。

图2为本发明的加热炉煤气热值动态设定方法流程方框图。

图中1为装钢炉门，2为均热段，3为出钢炉门，4为炉尾段，5为板坯，6为热负荷计算范围。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

本发明的技术方案，提供了一种轧钢加热炉煤气热值动态设定方法，包括通过控制煤气混合站的PLC控制系统，来控制加热炉的煤气热值，所述的动态设定方法包括下述步骤：

(1)、从加热炉过程计算机获取加热炉生产状态以及加热炉炉内板坯的相关信息，其中加热炉生产状态包括正常生产状态、故障休止状态、休止时间、加热炉指定范围内的板坯的初始温度、终点目标温度、小时产量、板坯物性参数等信息，为后续的热值动态设定计算做准备。

(2)、根据步骤(1)获取的信息，如果是正常生产，则按照给定的算式，计算加热炉指定范围内小时产量板坯需要的热量Q，单位为单位标准煤气(Nm³/h)，该指定范围如图1中标记6所示的范围；

在图1中，1为装钢炉门，2为均热段，3为出钢炉门，4为炉尾段，5为板坯，6为热负荷计算范围。

由于图1中所示的加热炉热负荷级别计算板坯范围为现有技术，本领域的技术人员，完全可以准确无误地明确其所示含义，故其图面说明在此不再叙述。

加热炉指定范围内小时产量板坯需要的热量Q的计算方法如下：

上式中η<1为加热炉的加热效率，采用取值区间[0.5，0.85]；Q为单位时间内煤气流量Nm³/h；q为设计标准煤气热值kJ/Nm³；T_target为加热炉内指定范围的终点目标温度℃；T_start为指定范围起点的板坯温度℃；M为加热炉指定范围的小时产量kg/h；为板坯在温度区间[T_start，T_target]内的平均比热kJ/(kg×K)；Z₀为加热炉设计的标准热值KJ/m³。

(3)、根据热量需求Q确定相应的热负荷级别J，再由热负荷级别J确定对应的热值Z；

步骤(3)中所述热负荷级别J的确定方法如下：

上式中热负荷级别J∈[0，N]，N为工艺给定的最大分类号，取值区间可限定在[3，7]内；Q_max为对应于设计标准煤气热值的加热炉最大煤气流量；Q_MIN为对应于设计标准煤气热值的加热炉最小煤气流量；round[]代表取整，例如round[2.6]＝3；

round[2.4]＝2。

当热量需求Q为不大于加热炉最大煤气流量Q_MIN时，J＝0；当热量需求Q不小于加热炉最小煤气流量Q_max时，J＝N。

该步骤根据J进一步就可以确定当前热负荷对应的煤气热值，具体方法如下：

上式中Z_min为加热炉实际允许的最低热值；Z_max为加热炉实际允许的最高热值。

(4)、步骤(4)中所述的根据故障时间确定故障期间热负荷级别的方法如下：

其中Δt为故障休止时间min；热负荷级别J∈[0，N]；N为工艺给定的最大分类号，如果J<0，则J＝0；J_current为故障休止前的热负荷需求级别。

步骤(4)中所述的根据热负荷级别J确定煤气热值的方法采用步骤(3)相同的方法，即：

(5)、将设定值Z发送给煤气混合站的PLC控制系统，实现热值的动态设定控制；同时按照上述步骤按一定的时间间隔滚动计算热值Z，进行动态设定控制，其流程方框如图2所示。

通过如上技术方案，便可实现对加热炉煤气热值的动态设定，在现有设备的基础上，通过计算机模型动态设定加热炉的煤气热值，提高燃烧效率，减少能源浪费。

下面给出实施例对本发明提供的一种轧钢加热炉热值动态设定方法作具体说明：

实施例1：

小时产量350t/h的步进式加热炉加热板坯生产，根据图2所示流程，首先按照步骤(1)，获取图1所示加热炉内板坯的相关信息；根据步骤(2)，判断该生产状态为正常轧制生产，炉内均匀布料，当前小时产量300t，从进入可控制段到均热段入口的指定范围内，进入可控制段的板坯温度为T_start＝550℃，指定范围的终点目标温度，即均热段段入口的目标温度T_target＝1200℃，该板坯为碳钢，该温度区间内的平均比热为加热设计的煤气标准热值为Z₀＝2300kcal/m³，加热炉热效率为η＝60％，该计算周期内加热炉指定范围内板坯的热负荷需求为：

根据步骤(3)，由热量需求Q确定相应的热负荷级别J，再由J索引出对应的热值Z；

工艺确定N＝5，加热炉实际最大煤气流量Q_max＝60000m³，加热炉实际最小煤气流量Q_MIN＝6500m³，所述热负荷级别J为：

该加热炉实际允许的最大热值Z_max＝2500kcal/m³；加热炉实际允许的最低热值Z_min＝2000kal/m³；根据J就可以确定当前热负荷对应的煤气热值，具体方法如下：

最后，将设定值Z发送给煤气混合站的PLC控制系统，实现热值的动态设定控制。

实施例2：

小时产量350t/h的步进式加热炉加热板坯生产，根据图2所示流程，首先按照步骤(1)，获取图1所示加热炉内板坯的相关信息；根据步骤(2)，判断该生产状态为故障休止状态，故障休止时间ΔT＝60min；故障前的热负荷级别J_current＝4；工艺确定的热负荷级别总数N＝5；该加热炉实际允许的最大热值Z_max＝2500kcal/m³；加热炉实际允许的最低热值Z_min＝2000kcal/m³；根据步骤(4)，故障休止期间煤气热值再按照步骤(4)所述的方法，根据热负荷级别J确定煤气热值：

＝2000+[(2500-2000)/5]*1＝2100

然后，将设定值Z发送给煤气混合站的PLC控制系统，实现热值的动态设定控制。

由于本发明在现有设备基础上，通过计算机模型动态设定加热炉的煤气热值，使得加热炉的热负荷需求能够与能量的级别自动匹配，满足高的热负荷需求对应高热值，低的热负荷需求对应低热值，这样不仅有利于提高燃烧的效率，而且能够防止排烟温度过高，浪费能源。

本发明可广泛用于加热炉的热负荷调节、控制领域。

Claims (10)

1.一种轧钢加热炉煤气热值动态设定方法，包括通过煤气混合站的PLC控制系统，来控制加热炉的煤气热值，其特征是所述的动态设定方法包括下述步骤：

(1)、获取正常生产或者故障休止标记以及炉内板坯信息；

(2)、如果是正常生产，则按照正常生产工艺给定的算式，计算加热炉指定范围内小时产量板坯需要的热量Q；

(3)、根据所述加热炉指定范围内小时产量板坯需要的热量Q，确定相应的热负荷级别J，再由热负荷级别J索引出对应的热值Z；

(4)、如果是故障休止，则根据故障时间，索引热值降低级别，再根据当前热负荷需求级别J_current计算出设定的热值；如果故障休止结束则恢复原来的热负荷需求J_current对应的热值Z；

(5)、将由上述步骤设定的热值Z发送给煤气混合站的PLC控制系统，实现热值的动态设定、控制；

(6)、按照上述步骤按需要的时间间隔，滚动计算热值Z，进行轧钢加热炉煤气热值的动态设定、控制，实现加热炉的热负荷需求能够与能量的级别自动匹配。

2.按照权利要求1所述的轧钢加热炉煤气热值动态设定方法，其特征是在所述的步骤(1)中，所述的获取正常生产或者故障休止标记以及炉内板坯信息，包括从加热炉过程计算机中获取加热炉生产状态以及加热炉炉内板坯的相关信息。

3.按照权利要求2所述的轧钢加热炉煤气热值动态设定方法，其特征是所述的加热炉生产状态至少包括正常生产状态、故障休止状态、休止时间、加热炉指定范围内的板坯的初始温度、终点目标温度和小时产量；所述加热炉炉内板坯的相关信息至少包括板坯物性参数。

4.按照权利要求1所述的轧钢加热炉煤气热值动态设定方法，其特征是在所述的步骤(2)中，所述加热炉指定范围内小时产量板坯需要的热量Q按照下列表达式进行表述：

$Q=(T_{t\arg et}-T_{start})\&times;\stackrel{\&OverBar;}{C}\&times;M/\mathrm{\&eta;}/q$

上式中，η为加热炉的加热效率,采用取值区间[0.5，0.85]；Q为单位时间内煤气流量Nm³/h，q为设计标准煤气热值kJ/Nm³；T_target为加热炉内指定范围终点的板坯目标温度℃；T_start为指定范围起点的板坯温度℃；M为加热炉指定范围的小时产量kg/h；为板坯在温度区间[T_start，T_target]内的平均比热kJ/(kg×K)。

5.按照权利要求1所述的轧钢加热炉煤气热值动态设定方法，其特征是在所述的步骤(3)中，所述热负荷级别J的确定按如下表达式进行：

$J=round\&lsqb;N\&times;\frac{(Q-Q_{MIN})}{(Q_{MAX}-Q_{MIIN})}\&rsqb;$

上式中，热负荷级别J∈[0，N]，N为工艺给定的最大分类号，取值区间为[3，7]；Q_MAX为对应于设计标准煤气热值的加热炉最大煤气流量；Q_MIN为对应于设计标准煤气热值的加热炉最小煤气流量；round[]代表取整。

6.按照权利要求1所述的轧钢加热炉煤气热值动态设定方法，其特征是在所述的步骤(3)中，所述根据热负荷级别J确定煤气热值的方法按照下列表达式进行：

$Z=Z_{min}+\frac{(Z_{max}-Z_{min})}{N}\&times;J$

上式中，Z_min为加热炉实际允许的最低热值；Z_max为加热炉实际允许的最高热值。

7.按照权利要求1所述的轧钢加热炉煤气热值动态设定方法，其特征是在所述的步骤(4)中，所述的根据故障时间确定煤气热值的方法按照下述表达式进行：

$J=J_{current}-round\&lsqb;\frac{\mathrm{\&Delta;}t}{20}\&rsqb;$

其中Δt为故障休止时间min；热负荷级别J∈[0，N]；N为工艺给定的最大分类号；J_current为故障休止前的热负荷需求级别。

8.按照权利要求1所述的轧钢加热炉煤气热值动态设定方法，其特征是在所述步骤(4)中，所述的根据热负荷级别J确定煤气热值的方法，采用与所述步骤(3)中相同的方法，即：

$Z=Z_{min}+\frac{(Z_{max}-Z_{min})}{N}\&times;J.$

9.按照权利要求1所述的轧钢加热炉煤气热值动态设定方法，其特征是在所述的步骤(5)中，将由上述步骤设定的热值发送给煤气混合站的PLC控制系统，实现热值的动态设定控制。

10.按照权利要求1所述的轧钢加热炉煤气热值动态设定方法，其特征是所述的轧钢加热炉煤气热值动态设定方法，在现有设备基础上，通过计算机模型动态设定加热炉的煤气热值，实现对加热炉煤气热值的动态设定，使得加热炉的热负荷需求能够与能量的级别自动匹配，满足高的热负荷需求对应高热值，低的热负荷需求对应低热值，以利于提高燃烧的效率，防止排烟温度过高，减少能源浪费。