CN106766883A - 一种蓄热式加热炉最佳燃烧控制系统及其方法 - Google Patents

Abstract

一种蓄热式加热炉最佳燃烧控制系统及其方法，控制系统包括加热炉、PLC控制系统、传感器和调节阀；所述传感器包括空气支管流量传感器、煤气支管流量传感器、含氧量分析仪、炉温传感器、钢坯温度传感器和炉膛压力传感器；所述调节阀包括空气支管调节阀、煤气支管调节阀；控制方法包括烟气残氧含量自动控制方法和炉温自动控制方法；本系统和方法采用较低的成本实现炉内气氛和炉温的自动控制，即使在煤气热值和压力波动时也能保持系统稳定，能够有效的控制降低氧化烧损和表面脱碳。

Description

一种蓄热式加热炉最佳燃烧控制系统及其方法

技术领域

本发明涉及加热炉控制系统及方法，特别涉及一种蓄热式加热炉最佳燃烧控制系统及其方法。

背景技术

蓄热式加热炉分为3个段：预热段、加热段和均热段，各段的炉内气氛要求不同。在预热段内，钢坯温度低于800℃，生成的氧化铁皮较少，该段的炉内气氛可以为微氧化气氛。而在加热段，钢坯温度迅速提高至1000℃，到达均热段的钢坯温度更是达到1100℃以上，钢坯在此温度下，必须保持炉内为还原气氛，否则会产生大量的氧化铁皮。由此可见，合理控制炉内气氛是非常重要的。固定的空燃比，即保持煤气流量和空气流量的比值不变，显然不能保证最佳的燃烧状态和最佳的炉内气氛。我们希望找到一种可以有效降低钢坯表面氧化烧损和表面脱碳的燃烧控制方法，当煤气压力和煤气热值波动较大的情况下能保证最佳的燃烧状态和最佳的炉内气氛。

钢坯过烧时间和过烧温度，是指钢坯在每个炉段多余的加热时间和过高的加热温度。控制炉温能够最大限度地降低钢坯在每个炉段中的过烧时间和过烧温度，实现满足工艺目标的前提下降低氧化烧损表面脱碳。因此，精确并合理的控制炉温也是蓄热式加热炉燃烧控制系统的重要环节。

公开号为：CN104633698A的中国发明专利提出的“一种蓄热式加热炉残氧含量自动控制系统及其方法”专利介绍了一种加热炉炉膛内残氧含量的自动控制方法，采用热值分析仪测量煤气组分来计算理论空燃比和氧化锆分析仪来实现对实际使用空燃比的自动修正，该方法将热值仪的测量结果实时地参与计算。

公开号为：CN103062790A的中国发明专利提出的“加热炉内燃烧控制方法”采用激光光谱分析技术测得加热炉内各燃烧段的氧气含量，然后根据氧含量计算实际空气过剩系数，再根据实际空气系数与理论空气系数的偏差来计算空燃比，从而调节煤气和空气阀门。

上述方法提及的热值仪价格昂贵，会影响该方法的推广应用。上述两种方法都采用了复杂的算法进行空燃比的修正，在煤气热值和压力波动时很难保持系统稳定。

发明内容

为了解决背景技术中所述问题，本发明提供了一种蓄热式加热炉最佳燃烧控制系统及其方法，采用反馈闭环控制方式，以最终实现残氧量和炉温达到要求为目的，用较低的成本实现炉内气氛和炉温的自动控制，即使在煤气热值和压力波动时也能保持系统稳定，能够有效的控制降低氧化烧损和表面脱碳。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种蓄热式加热炉最佳燃烧控制系统，包括加热炉、PLC控制系统、传感器和调节阀；所述传感器包括空气支管流量传感器、煤气支管流量传感器、含氧量分析仪、炉温传感器、钢坯温度传感器和炉膛压力传感器；所述调节阀包括空气支管调节阀、煤气支管调节阀；

由所述PLC控制系统与空气支管流量传感器、空气支管调节阀相连接组成空气支管流量闭环控制系统；由PLC控制系统、含氧量分析仪、空气支管流量闭环控制系统组成以残氧含量为目标的主回路和以空气流量控制为副回路的残氧含量串级闭环控制系统；

由所述PLC控制系统与煤气支管流量传感器、煤气支管调节阀相连接组成煤气支管流量闭环控制系统；由PLC控制系统与炉温传感器、钢坯温度传感器、煤气支管流量闭环控制系统相连接组成以炉温为目标的主回路和以煤气流量控制为副回路的炉温串级闭环控制系统，并且在炉温控制中用钢坯温度作为炉温设定值的修正计算参数，形成了炉温串级双闭环控制系统；

由所述残氧含量串级闭环控制系统和所述炉温串级双闭环控制系统对每个加热段进行分别独立控制，共同组成蓄热式加热炉最佳燃烧控制系统。

所述PLC系统由S7300PLC控制器、KTP1000触摸屏和工控机组成。

所述空气支管流量传感器和空气支管调节阀均分别设置在三个加热段的空气支管处，所述煤气支管流量传感器和煤气支管调节阀均分别设置在三个加热段的煤气支管处。

所述含氧量分析仪为氧化锆分析仪，分别设置所述均热段的在空气废气支管处和煤气废气支管处。

所述炉温传感器分别由炉顶外墙插入炉膛内的三个加热段处。

所述钢坯温度传感器为红外高温计，安装在加热炉出口除磷后处。

所述炉膛压力传感器分别设置在炉膛入口处和出口处。

一种蓄热式加热炉最佳燃烧控制方法，包括以下方法：

(1)烟气残氧含量自动控制方法：

步骤一、在均热段空气废气排烟管道和煤气废气排烟管道上分别安装一台含氧量分析仪，测量加热炉炉内的废气中的氧气含量O₂％，经过氧含量修正计算，其值传递给空燃比PID控制器；

进一步，由于取样管路存在延迟，以及分析仪的采样分析过程需要一定的时间，也就是说在一个换向周期内，避开换向过渡过程及延迟时间t后，才能得到反映真实的炉内气氛测量结果。数据采集时间t_s的取值范围为：

t_s∈[t，T](蓄热式加热炉的换向周期为T)；

比较每次测量值，取测量值中的最大值，得到实际烟气残氧含量为R_max；

步骤二、根据入炉钢坯的钢种和轧制规格等工艺要求，设定烟气残氧含量的目标参考值R_ref，根据R_max与R_ref之间的差值大小及其变化率，在PLC控制程序中设定PID闭环程序，并设定好控制输出的有效范围，得出所需的空燃比值；

步骤三、由步骤二得出的空燃比值和由炉温控制系统计算出的所需煤气流量值计算出所需的空气流量；流量控制副回路交叉限幅控制后，计算空气阀门开度，控制空气调节阀，形成以残氧含量为目标的主回路和以空气流量控制为副回路的残氧含量串级闭环控制系统；如此，可不用复杂的计算公式即可自动调整空燃比的设定值，达到最终自动调节烟气氧含量的目的；

(2)炉温自动控制方法：

步骤一、在蓄热式加热炉的三个加热段分别设置炉温传感器，将测得的炉温数据传递给炉温PID控制器；

步骤二、炉温PID控制器接收到设定值T_sv，与实测值T_pv进行比较，得到偏差T_err，系统根据T_err的变化，采用PID算法计算相应的所需煤气流量，流量控制副回路交叉限幅控制后，计算煤气阀门开度，控制煤气调节阀；

进一步，炉温设定优化环节，在加热炉出口除鳞后安装红外高温计，测量钢坯的开轧温度，系统根据钢坯在炉内的前进速度，和加热炉各段的炉温等计算钢坯在炉内任意时刻的表面温度和芯部温度，同时根据钢坯的开轧温度、钢坯的钢种及轧制规格，以及影响加热过程的环境因素，如钢坯运行速度、实际设定炉温、钢坯环境温度(基于炉气温度检测值)对炉温设定值进行修正；最终实现以温度控制为目标的主回路和以流量控制为目标的副回路构成的温度—流量串级双闭环控制系统。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

1、在加热炉生产过程中，严格控制加热炉各炉段的炉内气氛状态，首先保证均热段的炉气气氛为还原状态，在钢坯已经处于高温状态时加热段也要处于还原性气氛，从而降低生成氧化铁皮的机会。

2、最大限度地降低钢坯过烧时间和过烧温度。系统实时计算钢坯是否已经达到该段的目标温度，并将过烧时间和过烧温度作为炉温优化设定的的基础条件之一，通过改变炉温，最大限度地降低钢坯在每个炉段中的过烧时间和过烧温度，实现满足工艺目标的前提下降低氧化烧损表面脱碳。

3、不采用热值仪，仅仅采用氧化锆氧气分析仪测量烟气氧气含量，不用复杂的算法，采用反馈闭环控制方式，最终实现残氧量和炉温达到要求的目的，有如下优点：其一，用较低的成本实现炉内气氛和炉温的自动控制；其二，即使在煤气热值和压力波动时也能保持系统稳定。

附图说明

图1为本发明的检测流程图；

图2为本发明的最佳燃烧控制方法的控制框图；

图3为本发明的最佳燃烧控制系统残氧含量串级闭环控制系统框图；

图4为本发明的最佳燃烧控制系统炉温闭环控制系统框图。

其中，1-加热炉入口 2-预热段 3-加热段 4-均热段 5-加热炉出口 6-三通换向阀 7-烧嘴 8-钢坯 9-助燃风机，10-空气总管流量传感器 11-空气总管压力传感器12-空气支管流量传感器 13-空气支管调节阀 14-煤气总管流量传感器 15-煤气总管压力传感器 16-煤气支管流量传感器 17-煤气支管调节阀 18-空气废气支管调节阀19-煤气废气支管调节阀 20含氧量分析仪 21-烟气引风机 22-炉温传感器23-炉膛压力传感器 24-钢坯温度传感器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。

如图1所示，一种蓄热式加热炉最佳燃烧控制系统，包括加热炉、PLC控制系统、传感器和调节阀；所述传感器包括空气支管流量传感器12、煤气支管流量传感器16、含氧量分析仪20、炉温传感器22、钢坯温度传感器24和炉膛压力传感器23；所述调节阀包括空气支管调节阀13、煤气支管调节阀17；

如图2、3所示，由所述PLC控制系统与空气支管流量传感器12、空气支管调节阀13相连接组成空气支管流量闭环控制系统；由PLC控制系统、含氧量分析仪2、空气支管流量闭环控制系统组成以残氧含量为目标的主回路和以空气流量控制为副回路的残氧含量串级闭环控制系统；

如图2、4所示，由所述PLC控制系统与煤气支管流量传感器16、煤气支管调节阀17相连接组成煤气支管流量闭环控制系统；由PLC控制系统与炉温传感器22、钢坯温度传感器24、煤气支管流量闭环控制系统相连接组成以炉温为目标的主回路和以煤气流量控制为副回路的炉温串级闭环控制系统，并且在炉温控制中用钢坯温度作为炉温设定值的修正计算参数，形成了炉温串级双闭环控制系统；

由所述残氧含量串级闭环控制系统和所述炉温串级双闭环控制系统对每个加热段进行分别独立控制，共同组成蓄热式加热炉最佳燃烧控制系统。

所述PLC系统由S7300PLC控制器、KTP1000触摸屏和工控机组成。

所述空气支管流量传感器12和空气支管调节阀13均分别设置在三个加热段的空气支管处，所述煤气支管流量传感器16和煤气支管调节阀17均分别设置在三个加热段的煤气支管处。

所述含氧量分析仪20为氧化锆分析仪，分别设置所述均热段的在空气废气支管处和煤气废气支管处。

所述炉温传感器22分别由炉顶外墙插入炉膛内的三个加热段处。

所述钢坯温度传感器24为红外高温计，安装在加热炉出口除磷后处。

所述炉膛压力传感器23分别设置在炉膛入口处和出口处。

所述的传感器还含有空气总管流量传感器10、空气总管压力传感器11、煤气总管流量传感器14、煤气总管压力传感器15，它们均与PLC控制系统相连，用于监控加热炉的运行状态。

所述的调节阀还含有空气废气支管调节阀18和煤气废气支管调节阀19，空气废气支管调节阀18分别设置三个加热段的在空气废气支管处、煤气废气支管调节阀19分别设置在三个加热段的在煤气气废气支管处；它们均与PLC控制系统相连，用于调节空气废气和煤气废气的排出速度。

所述炉温传感器22为S型热电偶。

所述炉膛压力传感器23与PLC控制系统相连，用于炉膛压力监控。

所述PLC控制系统中的KTP1000触摸屏与S7300PLC采用以太网方式相连，用于现场操作和监控，PLC控制系统中的工控机与S7300PLC采用PROFIBUS-DP总线方式相连，用于远程操作和监控。

一种蓄热式加热炉最佳燃烧控制系统的控制方法包括：

(1)烟气残氧含量自动控制方法：

步骤一、在均热段空气废气排烟管道和煤气废气排烟管道上分别安装一台氧分析仪，测量加热炉炉内的废气中的氧气含量O₂％，经过氧含量修正计算，其值传递给空燃比PID控制器；

进一步，由于取样管路存在延迟，以及分析仪的采样分析过程需要一定的时间，也就是说在一个换向周期内，避开换向过渡过程及延迟时间t后，才能得到反映真实的炉内气氛测量结果。数据采集时间t_s的取值范围为：

t_s∈[t，T](蓄热式加热炉的换向周期为T)；

比较每次测量值，取测量值中的最大值，得到实际烟气残氧含量为R_max；

步骤二、根据入炉钢坯的钢种和轧制规格等工艺要求，设定烟气残氧含量的目标参考值R_ref，根据R_max与R_ref之间的差值大小及其变化率，在PLC控制程序中设定PID闭环程序，并设定好控制输出的有效范围，得出所需的空燃比值；

步骤三、由步骤二得出的空燃比值和由炉温控制系统计算出的所需煤气流量值计算出所需的空气流量；流量控制副回路交叉限幅控制后，计算空气阀门开度，控制空气调节阀，形成以残氧含量为目标的主回路和以空气流量控制为副回路的残氧含量串级闭环控制系统；如此，可不用复杂的计算公式即可自动调整空燃比的设定值，达到最终自动调节烟气氧含量的目的；

(2)炉温自动控制方法：

步骤一、在蓄热式加热炉的三个加热段分别设置炉温传感器，将测得的炉温数据传递给炉温PID控制器；

步骤二、炉温PID控制器接收到设定值T_sv，与实测值T_pv进行比较，得到偏差T_err，系统根据T_err的变化，采用PID算法计算相应的所需煤气流量，流量控制副回路交叉限幅控制后，计算煤气阀门开度，控制煤气调节阀；

进一步，炉温设定优化环节，在加热炉出口除鳞后安装红外高温计，测量钢坯的开轧温度，系统根据钢坯在炉内的前进速度，和加热炉各段的炉温等计算钢坯在炉内任意时刻的表面温度和芯部温度，同时根据钢坯的开轧温度、钢坯的钢种及轧制规格，以及影响加热过程的环境因素，如钢坯运行速度、实际设定炉温、钢坯环境温度(基于炉气温度检测值)对炉温设定值进行修正；最终实现以温度控制为目标的主回路和以流量控制为目标的副回路构成的温度—流量串级双闭环控制系统。

投入蓄热式加热炉最佳燃烧控制系统之前的氧化烧损测量结果如下表：

投入蓄热式加热炉最佳燃烧控制系统之后的氧化烧损测量结果如下表：

从上述两表对比可以看出，投入蓄热式加热炉最佳燃烧控制系统之后，钢坯的氧化烧损率有显著的降低。

以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

Claims (8)

1.一种蓄热式加热炉最佳燃烧控制系统，包括加热炉、PLC控制系统、传感器和调节阀；所述传感器包括空气支管流量传感器、煤气支管流量传感器、含氧量分析仪、炉温传感器、钢坯温度传感器和炉膛压力传感器；所述调节阀包括空气支管调节阀、煤气支管调节阀；

其特征在于，由所述PLC控制系统与空气支管流量传感器、空气支管调节阀相连接组成空气支管流量闭环控制系统；由PLC控制系统、含氧量分析仪、空气支管流量闭环控制系统组成以残氧含量为目标的主回路和以空气流量控制为副回路的残氧含量串级闭环控制系统；

由所述PLC控制系统与煤气支管流量传感器、煤气支管调节阀相连接组成煤气支管流量闭环控制系统；由PLC控制系统与炉温传感器、钢坯温度传感器、煤气支管流量闭环控制系统相连接组成以炉温为目标的主回路和以煤气流量控制为副回路的炉温串级闭环控制系统，并且在炉温控制中用钢坯温度作为炉温设定值的修正计算参数，形成了炉温串级双闭环控制系统；

由所述残氧含量串级闭环控制系统和所述炉温串级双闭环控制系统对每个加热段进行分别独立控制，共同组成蓄热式加热炉最佳燃烧控制系统。

2.根据权利要求1所述的一种蓄热式加热炉最佳燃烧控制系统，其特征在于，所述PLC系统由S7300PLC控制器、KTP1000触摸屏和工控机组成。

3.根据权利要求1所述的一种蓄热式加热炉最佳燃烧控制系统，其特征在于，所述空气支管流量传感器和空气支管调节阀均分别设置在三个加热段的空气支管处，所述煤气支管流量传感器和煤气支管调节阀均分别设置在三个加热段的煤气支管处。

4.根据权利要求1所述的一种蓄热式加热炉最佳燃烧控制系统，其特征在于，所述含氧量分析仪为氧化锆分析仪，分别设置所述均热段的在空气废气支管处和煤气废气支管处。

5.根据权利要求1所述的一种蓄热式加热炉最佳燃烧控制系统，其特征在于，所述炉温传感器分别由炉顶外墙插入炉膛内的三个加热段处。

6.根据权利要求1所述的一种蓄热式加热炉最佳燃烧控制系统，其特征在于，所述钢坯温度传感器为红外高温计，安装在加热炉出口除磷后处。

7.根据权利要求1所述的一种蓄热式加热炉最佳燃烧控制系统，其特征在于，所述炉膛压力传感器分别设置在炉膛入口处和出口处。

8.一种蓄热式加热炉最佳燃烧控制方法，其特征在于，包括以下方法：

(1)烟气残氧含量自动控制方法：

步骤一、在均热段空气废气排烟管道和煤气废气排烟管道上分别安装一台含氧量分析仪，测量加热炉炉内的废气中的氧气含量O₂％，经过氧含量修正计算，其值传递给空燃比PID控制器；

进一步，由于取样管路存在延迟，以及分析仪的采样分析过程需要一定的时间，也就是说在一个换向周期内，避开换向过渡过程及延迟时间t后，才能得到反映真实的炉内气氛测量结果。数据采集时间t_s的取值范围为：

t_s∈[t，T](蓄热式加热炉的换向周期为T)；

比较每次测量值，取测量值中的最大值，得到实际烟气残氧含量为R_max；

步骤二、根据入炉钢坯的钢种和轧制规格等工艺要求，设定烟气残氧含量的目标参考值R_ref，根据R_max与R_ref之间的差值大小及其变化率，在PLC控制程序中设定PID闭环程序，并设定好控制输出的有效范围，得出所需的空燃比值；

步骤三、由步骤二得出的空燃比值和由炉温控制系统计算出的所需煤气流量值计算出所需的空气流量；流量控制副回路交叉限幅控制后，计算空气阀门开度，控制空气调节阀，形成以残氧含量为目标的主回路和以空气流量控制为副回路的残氧含量串级闭环控制系统；如此，可不用复杂的计算公式即可自动调整空燃比的设定值，达到最终自动调节烟气氧含量的目的；

(2)炉温自动控制方法：

步骤一、在蓄热式加热炉的三个加热段分别设置炉温传感器，将测得的炉温数据传递给炉温PID控制器；

步骤二、炉温PID控制器接收到设定值T_sv，与实测值T_pv进行比较，得到偏差T_err，系统根据T_err的变化，采用PID算法计算相应的所需煤气流量，流量控制副回路交叉限幅控制后，计算煤气阀门开度，控制煤气调节阀；

进一步，炉温设定优化环节，在加热炉出口除鳞后安装红外高温计，测量钢坯的开轧温度，系统根据钢坯在炉内的前进速度，和加热炉各段的炉温等计算钢坯在炉内任意时刻的表面温度和芯部温度，同时根据钢坯的开轧温度、钢坯的钢种及轧制规格，以及影响加热过程的环境因素，如钢坯运行速度、实际设定炉温、钢坯环境温度(基于炉气温度检测值)对炉温设定值进行修正；最终实现以温度控制为目标的主回路和以流量控制为目标的副回路构成的温度—流量串级双闭环控制系统。