CN107747867A - 一种步进式加热炉的炉温、炉压控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种步进式加热炉的炉温、炉压控制系统及其控制方法，包括炉温控制系统和炉压控制系统，炉温控制系统采用串级控制，并由主环定制控制系统和和副环随动控制系统组成，主环定制控制系统对炉膛温度进行粗调节，副环随动控制系统对加热炉燃气烟道中的空燃比采用单交叉限幅控制，并进行燃烧控制，对燃烧中燃料和空气的配比进行调节，从而实现对炉膛温度的精细调节；在进行温度控制的同时，采用炉压控制系统，以确保炉内维持一定的微正压；本发明实现了对炉温和炉压的精确控制，实现了燃烧过程的经济性与合理性的要求，并确保了燃料的完全燃烧，从而节约能源，确保了炉体内加热钢坯的质量，降低了轧钢的生产成本。

Description

一种步进式加热炉的炉温、炉压控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及步进式加热炉的自动化控制领域，尤其是一种步进式加热炉的炉温、炉压控制系统及其控制方法。

背景技术

一般情况下，加热炉沿炉膛长度方向分为预热段、加热段和均热段；其进料端为预热段，炉气温度较低，其作用在于充分利用炉气热量，给进炉钢坯预热到一定温度，以提高炉子的热效率；其加热段为主要供热段，炉气温度较高，以利于实现钢坯的快速加热，保证钢坯加热到要求的目标温度；其均热段位于出料端，炉气温度与金属料温度差别很小，保证出炉料坯的断面温度均匀。一般用于加热小断面料坯的加热炉只有预热段和加热段。

根据影响加热炉钢坯质量的因素，其主要能控因素是温度和炉膛压力，而温度的变化主要受燃料流量和空气流量的影响，为了充分燃烧，燃料流量和空气流量必须按一定的比例送入管道。然而，现有控制方式一般为单闭环比例控制的方式，这种控制方式主流量不受控制，并在受到频繁的干扰下，生产负荷会产生较大的波动，从而这种控制方式动态偏差大、调节时间长，这严重影响到正在加热的钢坯的质量，并造成能量的巨大浪费。

发明内容

本发明的目的就是要解决现有的步进式加热炉单闭环比例控制系统控制炉温与炉膛压力的方式，加热炉内主流量不受控制，生产负荷波动大，调节时间长，并严重影响到钢坯的质量，造成能量巨大浪费的问题，为此提供一种步进式加热炉的炉温、炉压控制系统及其控制方法。

本发明的具体方案是：一种步进式加热炉的炉温、炉压控制系统，包括炉温控制系统和炉压控制系统，其特征是：炉温控制系统采用串级控制，并由主环定制控制系统和和副环随动控制系统组成，主环定制控制系统设有温度控制器和温度变送器，温度控制器的给定值根据加热炉预热段、加热段和均热段的炉膛温度的工艺要求而定，温度控制器实时接收温度变送器反馈的加热炉当前的炉膛温度，温度控制器的输出值作为副环随动控制系统的给定值；

副环随动控制系统是由高选择器、低选择器、比例调节器、燃料流量控制系统和空气流量控制系统构成的单交叉限幅控制系统，其中燃料流量控制系统设有燃料流量控制器、燃料控制阀和燃料流量变送器，空气流量控制系统设有空气流量控制器、空气控制阀和空气流量变送器；在主环定制控制系统中，温度控制器的输出值分别输送至高选择器和低选择器；高选择器的输出信号经空气流量控制器输出至空气控制阀，空气流量变送器检测到的当前空气流量信息在反馈给空气流量控制器后，经所述比例调节器输出至低选择器；低选择器的输出信号经燃料流量控制器输出至燃料控制阀，燃料流量变送器检测到的当前燃料流量信息，在反馈给燃料流量控制器后输出至高选择器；

炉压控制系统由炉压调节器、压力控制阀和压力变送器构成单回路闭环控制系统，其中炉压调节器通讯连接触摸屏控制器；炉压调节器的炉压给定值由人工设定，压力变送器将检测到的当前加热炉炉膛的压力信息实时反馈至压力控制器，压力控制器实时控制压力控制阀动作，以调节加热炉燃气烟道上百叶窗的开度，并确保加热炉内维持一定的微正压。

本发明中所述加热炉预热段温度为750℃～1100℃，加热时间15～30min；其加热段温度为1250℃～1300℃，加热时间40～60min;其均热段温度为1150℃～1250℃，保温时间20～30min。

本发明中所述炉压调节器设有自动和手动两种控制模式；在自动控制模式下，由人工通过触摸屏控制器对炉压控制系统中炉压调节器的炉压给定值进行人工设定；在手动控制模式下，由人工通过触摸屏控制器对炉压控制系统中炉压调节器的输出值进行手动控制；当压力变送器处于故障状态时，炉压调节器被强制为手动控制模式，并且加热炉燃气烟道上百叶窗维持故障前的开度。

基于上述所述的一种步进式加热炉的炉温、炉压控制系统的控制方法，其特征是：包括以下控制步骤：

步骤一：在控制程序开始时，选择是否进行手动操作，若选择是，则进入手动控制模式；若选择否，则进行自动控制模式；然后依次进行步骤二所述的步进式加热炉温度控制和步骤三所述的炉膛压力控制；

步骤二：在对步进式加热炉炉温控制时，先采集温度信号，然后将采集到的温度信号与设定值进行比较，判定是否相等：若比较结果为否，对加热炉燃气烟道中的空燃比采用分步(1)所述的单交叉限幅控制；若比较结果为是，则采用分步(2)所述的燃烧控制；

(1)单交叉限幅控制包括燃料、空气的提量控制和降量控制：

燃料、空气的提量控制：当系统中炉膛的温度降低时，温度控制器的输出增加，这个增加了的信号不被低选择器选中，而被高选择器选中，它直接改变了空气流量控制器的给定值，空气流量控制器命令空气控制阀增加空气流量，然而由于空气流量的增加，使其空气流量变送器的输出增加，经过空气流量变送器的测量信号被低选择器选中，并相应地等比例地增加燃料流量控制器的给定值，燃料流量控制器通过燃料控制阀控制增加燃料流量，在系统又恢复到正常的稳定工况时，整个提量控制过程结束；

燃料、空气的降量控制：当系统中炉膛的温度升高时，温度控制器的输出减小，这个减小了的信号不被高选择器选中，而被低选择器选中，它直接改变了燃料流量控制器的给定值，燃料流量控制器命令燃料控制阀减小燃料流量，然而由于燃料流量的减小，使其燃料流量变送器的输出减小，经过燃料流量变送器的测量信号被高选择器选中，并相应地减小空气流量控制器的给定值，空气流量控制器通过空气控制阀控制减小空气流量，在系统又恢复到正常的稳定工况时，整个降量控制过程结束；

(2)燃烧控制：在控制程序开始时，先采集燃料和空气的数据，然后判断燃料和空气配比是否满足条件，若否，则调节燃料与空气管道上相应的控制阀的开度直至燃料和空气配比满足条件；若是，则控制在燃料与空气在经喷嘴混合后燃烧；

步骤三：炉膛压力控制：在控制程序开始时，先由压力变送器采集炉膛压力信号，然后由炉压调节器判断：炉膛压力是否等于设定值：若判断结果为是，则控制结束；若判断结果为否，则控制压力控制阀维持一定的开度，并以此调整燃气烟道上百叶窗调整至合适的开度，接着再对炉膛压力进行判断，直至炉膛压力等于设定值。

本发明结构简单、设计巧妙，实现了对炉温和炉压的精确控制，并在炉温控制中，采用炉膛温度与燃料、空气流量的串级控制和燃料、空气的流量比值控制系统相结合，确保了通入加热炉的燃料流量在正常工况下和异常工况波动条件下，都能稳定地与空气流量保持一定偏差范围内的比例，并以燃料流量为主控变量，以空气流量为从动变量，实现了燃烧过程的经济性与合理性的要求，并确保了燃料的完全燃烧，从而节约能源，确保了炉体内加热钢坯的质量，，降低了轧钢的生产成本。

附图说明

图1是本发明中炉温控制系统结构框图；

图2是本发明中炉压控制系统结构框图；

图3是本发明中步进式加热炉控制主程序流程图；

图4是本发明中温度控制子程序流程图；

图5是本发明在进行燃烧控制时，燃料与空气比值控制子程序流程图；

图6是本发明中炉膛压力控制子程序流程图。

具体实施方式

参见图1，一种步进式加热炉的炉温、炉压控制系统，包括炉温控制系统和炉压控制系统，炉温控制系统采用串级控制，并由主环定制控制系统和和副环随动控制系统组成，主环定制控制系统设有温度控制器和温度变送器，温度控制器的给定值根据加热炉预热段、加热段和均热段的炉膛温度的工艺要求而定，温度控制器实时接收温度变送器反馈的加热炉当前的炉膛温度，温度控制器的输出值作为副环随动控制系统的给定值；

副环随动控制系统是由高选择器、低选择器、比例调节器、燃料流量控制系统和空气流量控制系统构成的单交叉限幅控制系统，其中燃料流量控制系统设有燃料流量控制器、燃料控制阀和燃料流量变送器，空气流量控制系统设有空气流量控制器、空气控制阀和空气流量变送器；在主环定制控制系统中，温度控制器的输出值分别输送至高选择器和低选择器；高选择器的输出信号经空气流量控制器输出至空气控制阀，空气流量变送器检测到的当前空气流量信息在反馈给空气流量控制器后，经所述比例调节器输出至低选择器；低选择器的输出信号经燃料流量控制器输出至燃料控制阀，燃料流量变送器检测到的当前燃料流量信息，在反馈给燃料流量控制器后输出至高选择器；

参见图2，炉压控制系统由炉压调节器、压力控制阀和压力变送器构成单回路闭环控制系统，其中炉压调节器通讯连接触摸屏控制器；炉压调节器的炉压给定值由人工设定，压力变送器将检测到的当前加热炉炉膛的压力信息实时反馈至压力控制器，压力控制器实时控制压力控制阀动作，以调节加热炉燃气烟道上百叶窗的开度，并确保加热炉内维持一定的微正压。

本实施例中所述加热炉预热段温度为750℃～1100℃，加热时间15～30min；其加热段温度为1250℃～1300℃，加热时间40～60min;其均热段温度为1150℃～1250℃，保温时间20～30min。

本实施例中所述炉压调节器设有自动和手动两种控制模式；在自动控制模式下，由人工通过触摸屏控制器对炉压控制系统中炉压调节器的炉压给定值进行人工设定；在手动控制模式下，由人工通过触摸屏控制器对炉压控制系统中炉压调节器的输出值进行手动控制；当压力变送器处于故障状态时，炉压调节器被强制为手动控制模式，并且加热炉燃气烟道上百叶窗维持故障前的开度。

参见图3，本发明在对步进式加热炉的炉温、炉压进行控制时，控制方法如下：

首先选择是否进行手动操作，若选择否，则进行自动控制模式；然后依次进行步进式加热炉温度控制和炉膛压力控制。

参见图4，在对步进式加热炉进行炉温控制时，先采集温度信号，然后将采集到的温度信号与设定值进行比较，判定是否相等：若是，则进行燃烧控制，若否，对加热炉燃气烟道中的空燃比采用单交叉限幅控制，具体操作如下：

首先，由主环定制控制系统实现温度的粗调节，操作如下：根据步进式加热炉预热段、加热段和均热段的炉膛温度的工艺要求给温度控制器设定给定值，并用温度变送器实时对炉膛相应区段的温度进行采集，温度控制器实时接收温度变送器反馈的加热炉当前的炉膛温度，并将其输出值作为副环随动控制系统的给定值；

然后，由副环随动控制系统通过对加热炉燃气烟道中空燃比的单交叉限幅控制以达到对加热炉炉膛温度的精确控制：

当系统中炉膛的温度降低时，温度控制器的输出增加（根据串级控制系统的要求，温度控制器应选用反作用式控制器），这个增加了的信号不被低选择器选中，而却被高选择器选中，它直接改变了空气流量控制器的给定值，命令空气控制阀增加空气流量，然而由于空气流量的增加，使其空气流量变送器的输出增加，经过空气流量变送器的测量信号被低选择器选中，并相应地等比例地增加燃料流量控制器的给定值，燃料流量控制器通过燃料控制阀控制增加燃料流量。在此控制流程中，先增加空气流量，再相应等比例地增加燃料的流量，以确保燃料充分燃烧，在系统又恢复到正常的稳定工况时，整个提量过程结束。

当系统中炉膛的温度升高时，温度控制器的输出减小（根据串级控制系统的要求，温度控制器应选用反作用式控制器），这个减小了的信号不被高选择器选中，而却被低选择器选中，它直接改变了燃料流量控制器的给定值，命令燃料控制阀减小燃料流量，然而由于燃料流量的减小，使其燃料流量变送器的输出减小，经过燃料流量变送器的测量信号被高选择器选中，并相应地减小空气流量控制器的给定值，空气流量控制器通过空气控制阀控制减小空气流量。在此控制流程中，先降低燃料流量，再相应等降低空气的流量，在系统又恢复到正常的稳定工况时，整个降量过程结束。

综上所述，在炉温的控制过程中，当炉温偏低时，先增加空气量，后增加燃料量（燃料选用煤气），当炉温偏高时，先降低燃料量，后降低空气量，并实现空气与燃料的交叉限幅控制，以确保燃料的完全燃烧。交叉限幅控制确保了通入加热炉的燃料流量在正常工况下和异常工况波动条件下，都能稳定地与空气流量保持一定偏差范围内的比例，并以燃料流量为主控变量，以空气流量为从动变量，实现了燃烧过程的经济性与合理性的要求。

参见图5，在进行燃烧控制时，先采集燃料和空气的数据，然后判断燃料和空气配比是否满足条件，若否，则调节燃料与空气管道相应控制阀至适当位置，若是，则控制在燃料与空气在经喷嘴混合后燃烧。

在步进式加热炉的生产工艺中,加热炉的空燃比值燃烧控制是一个相当重要的部分,既要保证加热炉的各段温度达到一定数值,以满足加热钢坯的需要,又要考虑燃料的经济成本，所以空燃比值燃烧控制中采用双闭环比值控制系统,使燃烧更加完善,燃烧质量大幅度提高,大大降低了轧钢的生产成本,减少了废气污染,为生产高效奠定了可靠的基础。

参见图6，由于加热炉内气体流动状况是炉膛压力的主要影响因素，而气体流动状况又受到烟道百叶窗的开度的直接影响。设计中对炉膛压力的控制采用由炉压调节器、压力控制阀和压力变送器构成单回路闭环控制系统，它是通过调整燃气烟道上百叶窗的开度，以保证炉内维持一定的微正压，从而调节烟囱的吸力，进而控制炉膛压力，炉压检测点（压力变送器）位于出料端。在控制时，先由压力变送器采集炉膛压力信号，然后由炉压调节器判断：炉膛压力是否等于设定值：若判断结果为是，则控制结束；若判断结果为否，则控制压力控制阀维持一定的开度，并以此调整燃气烟道上百叶窗调整至合适的开度，接着再对炉膛压力进行判断，直至炉膛压力等于设定值。

Claims (4)

1.一种步进式加热炉的炉温、炉压控制系统，包括炉温控制系统和炉压控制系统，其特征是：炉温控制系统采用串级控制，并由主环定制控制系统和和副环随动控制系统组成，主环定制控制系统设有温度控制器和温度变送器，温度控制器的给定值根据加热炉预热段、加热段和均热段的炉膛温度的工艺要求而定，温度控制器实时接收温度变送器反馈的加热炉当前的炉膛温度，温度控制器的输出值作为副环随动控制系统的给定值；

副环随动控制系统是由高选择器、低选择器、比例调节器、燃料流量控制系统和空气流量控制系统构成的单交叉限幅控制系统，其中燃料流量控制系统设有燃料流量控制器、燃料控制阀和燃料流量变送器，空气流量控制系统设有空气流量控制器、空气控制阀和空气流量变送器；在主环定制控制系统中，温度控制器的输出值分别输送至高选择器和低选择器；高选择器的输出信号经空气流量控制器输出至空气控制阀，空气流量变送器检测到的当前空气流量信息在反馈给空气流量控制器后，经所述比例调节器输出至低选择器；低选择器的输出信号经燃料流量控制器输出至燃料控制阀，燃料流量变送器检测到的当前燃料流量信息，在反馈给燃料流量控制器后输出至高选择器；

炉压控制系统由炉压调节器、压力控制阀和压力变送器构成单回路闭环控制系统，其中炉压调节器通讯连接触摸屏控制器；炉压调节器的炉压给定值由人工设定，压力变送器将检测到的当前加热炉炉膛的压力信息实时反馈至压力控制器，压力控制器实时控制压力控制阀动作，以调节加热炉燃气烟道上百叶窗的开度，并确保加热炉内维持一定的微正压。

2.根据权利要求1所述的一种步进式加热炉的炉温、炉压控制系统，其特征是：所述加热炉预热段温度为750℃～1100℃，加热时间15～30min；其加热段温度为1250℃～1300℃，加热时间40～60min;其均热段温度为1150℃～1250℃，保温时间20～30min。

3.根据权利要求1所述的一种步进式加热炉的炉温、炉压控制系统，其特征是：所述炉压调节器设有自动和手动两种控制模式；在自动控制模式下，由人工通过触摸屏控制器对炉压控制系统中炉压调节器的炉压给定值进行人工设定；在手动控制模式下，由人工通过触摸屏控制器对炉压控制系统中炉压调节器的输出值进行手动控制；当压力变送器处于故障状态时，炉压调节器被强制为手动控制模式，并且加热炉燃气烟道上百叶窗维持故障前的开度。

4.基于权利要求1所述的一种步进式加热炉的炉温、炉压控制系统的控制方法，其特征是：包括以下控制步骤：

步骤一：在控制程序开始时，选择是否进行手动操作，若选择是，则进入手动控制模式；若选择否，则进行自动控制模式；然后依次进行步骤二所述的步进式加热炉温度控制和步骤三所述的炉膛压力控制；

步骤二：在对步进式加热炉炉温控制时，先采集温度信号，然后将采集到的温度信号与设定值进行比较，判定是否相等：若比较结果为否，对加热炉燃气烟道中的空燃比采用分步(1)所述的单交叉限幅控制；若比较结果为是，则采用分步(2)所述的燃烧控制；

(1)单交叉限幅控制包括燃料、空气的提量控制和降量控制：

燃料、空气的提量控制：当系统中炉膛的温度降低时，温度控制器的输出增加，这个增加了的信号不被低选择器选中，而被高选择器选中，它直接改变了空气流量控制器的给定值，空气流量控制器命令空气控制阀增加空气流量，然而由于空气流量的增加，使其空气流量变送器的输出增加，经过空气流量变送器的测量信号被低选择器选中，并相应地等比例地增加燃料流量控制器的给定值，燃料流量控制器通过燃料控制阀控制增加燃料流量，在系统又恢复到正常的稳定工况时，整个提量控制过程结束；

燃料、空气的降量控制：当系统中炉膛的温度升高时，温度控制器的输出减小，这个减小了的信号不被高选择器选中，而被低选择器选中，它直接改变了燃料流量控制器的给定值，燃料流量控制器命令燃料控制阀减小燃料流量，然而由于燃料流量的减小，使其燃料流量变送器的输出减小，经过燃料流量变送器的测量信号被高选择器选中，并相应地减小空气流量控制器的给定值，空气流量控制器通过空气控制阀控制减小空气流量，在系统又恢复到正常的稳定工况时，整个降量控制过程结束；

(2)燃烧控制：在控制程序开始时，先采集燃料和空气的数据，然后判断燃料和空气配比是否满足条件，若否，则调节燃料与空气管道上相应的控制阀的开度直至燃料和空气配比满足条件；若是，则控制在燃料与空气在经喷嘴混合后燃烧；

步骤三：炉膛压力控制：在控制程序开始时，先由压力变送器采集炉膛压力信号，然后由炉压调节器判断：炉膛压力是否等于设定值：若判断结果为是，则控制结束；若判断结果为否，则控制压力控制阀维持一定的开度，并以此调整燃气烟道上百叶窗调整至合适的开度，接着再对炉膛压力进行判断，直至炉膛压力等于设定值。