CN108317866A - 一种加热炉脉冲控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种加热炉脉冲控制系统及控制方法，属于冶金技术领域，所述系统上部段采用平焰烧嘴供热，下部段采用低NOx烧嘴，在所述下部段的南北两端分别设置三个烧嘴；加热炉脉冲控制系统将双交叉限幅与脉冲控制技术，下部段的六个烧嘴以交叉的两个烧嘴为一组，依次工作。该方案使用脉冲燃烧技术,由于各烧嘴均工作于高负荷状态，喷出火焰长，热辐射能力强，使钢坯受热均匀，并能防止烧嘴回火；而且，通过脉冲烧嘴的周期性开关，使炉内气氛充分搅拌，高辐射的同时也增强了气体热对流能力，进一步提高加热板坯的均匀性。

Description

一种加热炉脉冲控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及冶金技术领域，尤其涉及一种加热炉脉冲控制系统及控制方法。

背景技术

加热炉是冶金行业的重要设备之一，其作用是将钢坯进行加热以达到后续轧制处理的要求，加热炉性能的好坏直接影响着钢坯的轧制质量。炉内燃烧气氛、出炉钢坯温度、钢坯温度均匀性及燃气耗损情况等，一直是衡量加热炉烧钢性能的重要指标，这些参数与加热炉燃烧控制系统息息相关，因此进行加热炉燃烧系统的研究是非常有必要的。

目前，加热炉燃烧工艺有双交叉限幅控制系统，虽然能够提高钢坯加热快速性，并能保证理想的残氧值，减少钢坯氧化烧损，但仍存在一些问题：

(1)出炉钢坯温度均匀性差。热传递有热传导、热辐射和热对流三种形式，加热炉内板坯受热方式以热辐射为主。温度调节器计算出额定燃气流量后，分散到各烧嘴时无法保证烧嘴始终处于高负荷燃烧状态，使得烧嘴喷出火焰短，热辐射能力弱，只会在靠近炉墙侧产生局部高温，炉体中间部位温度相对较低，钢坯受热不均匀，在中心位置可能达不到预定加热温度值。

(2)烟气余热利用率低，吨钢能耗大。由于烧嘴火焰短，传热效率低，将大大增加能耗。此外，尽管加热炉系统设计有空、煤气双预热器，但在热需求较小，如低产量或者板坯入炉温度高时，煤气预热器出口烟气温度仍较高，直接排放后造成烟气能源浪费，无形中也增加了燃气能源消耗。

(3)小流量时烧嘴回火。小流量时烧嘴管道气压低，可能使烧嘴回火，存在安全隐患，损坏烧嘴及管道，甚至引发爆炸等不可控事故。

发明内容

本发明实施例提供了一种加热炉脉冲控制系统及控制方法，利用脉冲技术，将温度调节器的输出送给脉宽调制器，转换成用于控制空气或煤气烧嘴电磁阀的时序信号，进而控制烧嘴的开关。

一方面，本发明实施例提供了一种加热炉脉冲控制系统，所述系统上部段采用平焰烧嘴供热，下部段采用低NOx烧嘴，在所述下部段的南北两端分别设置三个烧嘴；

所述加热炉脉冲控制系统将双交叉限幅与脉冲控制技术，所述下部段的六个烧嘴以交叉的两个烧嘴为一组，依次工作。

另一方面，本发明实施例还提供了一种加热炉脉冲控制方法，所述方法应用于上述的加热炉脉冲控制系统中，所述加热炉脉冲控制系统上部段采用平焰烧嘴供热，下部段采用低NOx烧嘴，在所述下部段的南北两端分别设置三个烧嘴，所述包括：

将温度调节器的输出的脉冲占空比发送给脉宽调制器，所述脉宽调制器将所述脉冲占空比转换为时序信号；

利用所述时序信号控制烧嘴电磁阀，调节每个烧嘴的工作周期和燃烧占空比，来调整所述加热炉的炉温。

有益效果如下：

本方案提供的加热炉脉冲控制系统，上部段采用平焰烧嘴供热，下部段采用低NOx可调焰侧烧嘴，在下部段的南北两端分别设置三个烧嘴，这南北两端的烧嘴同时工作，使扰动更充分，炉温更均匀，也减少了炉门开启时对炉压和炉温的干扰。

通过脉冲燃烧保证每个烧嘴均在满负荷状态下工作，出口火焰长度最大，保证了钢坯长度方向受热温度的均匀性；同时，火焰出口速度高，高速发射的热气流对炉内气氛进行大幅搅拌，在强热辐射的同时还加强了气体的对流，按一定周期打开和关闭的烧嘴使炉内烟气充分混合，进一步提高加热板坯的均匀性。

附图说明

下面将参照附图描述本发明的具体实施例，其中：

图1示出了本发明实施例脉冲控制原理框图；

图2示出了本发明实施例中供热量为20％时烧嘴时序图；

图3示出了本发明实施例中供热量为40％时烧嘴时序图；

图4示出了本发明实施例中供热量为12.5％时烧嘴时序图；

图5示出了本发明实施例中加热炉脉冲控制方法流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。并且在不冲突的情况下，本说明中的实施例及实施例中的特征可以互相结合。

脉冲技术是一种间断燃烧控制方式，将温度调节器的输出送给脉宽调制器，转换成用于控制空气或煤气烧嘴电磁阀的时序信号，进而控制烧嘴的开关。与常规比例燃烧不同，脉冲燃烧不是通过调节煤气管道或者热风管道阀位大小来控制炉温，而是通过调节每个烧嘴的工作周期和燃烧占空比，使炉温达到设定状态。烧嘴个数确定后，它们将按照一定的时序依次点燃，原理如图1所示。

实施例一

本发明实施例提供的一种加热炉脉冲控制系统，所述系统上部段采用平焰烧嘴供热，下部段采用低NOx烧嘴，在所述下部段的南北两端分别设置三个烧嘴；

所述加热炉脉冲控制系统将双交叉限幅与脉冲控制技术，所述下部段的六个烧嘴以交叉的两个烧嘴为一组，依次工作。

本方案的控制系统在原双交叉限幅基础上，增加脉冲控制技术，与常规脉冲控制不同的是，下部段6个烧嘴不再采用单个烧嘴循环开关模式，而是以交叉的2个烧嘴为一组，依次动作，如图2所示。

以脉冲周期60s、供热需求20％为例，分析各烧嘴的状态。以靠近出料端为基准，依次对各烧嘴编号，北边为NA、NB、NC，南边为SA、SB、SC。采用脉冲技术后，烧嘴依次按照NA-SB、NB-SC、NC-SA的顺序工作。

具体的，北边烧嘴为第一北烧嘴NA、第二北烧嘴NB和第三北烧嘴NC，所述南边烧嘴为第一南烧嘴SA、第二南烧嘴SB和第三南烧嘴SC时，所述加热炉脉冲控制系统以六个烧嘴以交叉的两个烧嘴为一组，依次工作，具体包括：

将所述第一北烧嘴NA和所述第二南烧嘴SB为第一组，所述第二北烧嘴NA和所述第三南烧嘴SC为第二组，所述第三北烧嘴NC和所述第一南烧嘴SA为第三组，且依次按照所述NA-SB、NB-SC、NC-SA的顺序工作。

其中，南北烧嘴同时动作，一方面使扰动更充分，炉温更均匀，另一方面也减少了炉门开启时对炉压和炉温的干扰。

同样的，烧嘴设置有空煤延时时间，采用煤气阀后开先关的方式；当所述空燃比失衡时，所述加热炉脉冲控制系统调整空气阀门开关的时间差，达到合适的空燃比。实际应用中，存在总管压力波动引起空燃比失衡的情况时，脉冲控制系统自动调整空气阀门开关的时间差，达到合适的空燃比。

另外，参照图2和图3可知，不同时段烧嘴打开的数量不同，管道内所需的煤气流量也不同，如加热炉的供热量为20％时，烧嘴开启数量以2-0-2-0-2的方式循环工作；加热炉的供热量为40％时，烧嘴开启数量以2-4-2-4-2的方式循环工作。

由于PID调节器与阀门动作的滞后性，会导致煤气流量需求与阀位开度不对应，造成调节系统紊乱。为避免调节阀频繁动作，调节器输出给定开度后，阀位采用手动控制。改变燃烧时间t，可以改变供热量，但当供热需求较大，t＞T/n时，以40％供热量为例，分析烧嘴时序，如图3所示，烧嘴开启数量以2-4-2-4-2方式循环，在部分时段内，会造成煤气和空气供给不足，烧嘴无法达到预期的燃烧效果。

本方案针对煤气调节阀阀位与烧嘴需求不匹配的问题，即因双交叉限幅系统与脉冲系统共同作用造成的紊乱，利用温度调节器、脉宽调制器和煤气流量调节器的相互作用，缓解该矛盾。

将温度调节器的输出一方面作为脉冲系统的调制脉宽，另一方面作用于煤气流量调节器，并由煤气PID给出阀门开度，其中，温度调节器的输出值为脉冲占空比。此时，计算出的阀门开度不能直接给到阀门定位器，需根据脉冲系统参数进行修正，公式如下：

式中，A为温度调节器输出，即脉冲占空比，T为脉冲周期，n为脉冲烧嘴组数，n＝3，比较烧嘴燃烧时间A*T与脉冲相位差之间的关系，采用“向上取值”原则，得到煤气阀位开度A₀，保证任何时刻烧嘴都能满负荷工作。由公式可以看出，阀位开度A₀只与n值有关，脉冲参数一旦确定，阀位开度也就确定了。

脉冲技术有其固有的优势，但将其单独应用于加热炉系统，仍存在一些弊端，实际应用中，因目前烧嘴仍采用手动点火，低温时可能无法自动点燃，造成炉内黑烟或者不可控燃烧，因此需要设置安全操作点，如判断所述加热炉的炉温，当炉温高于1000度时，控制加热炉脉冲控制系统进行工作脉。而当热需求较小时，脉冲技术对炉温均匀性控制的优势才更明显，也就是说脉冲技术更适合小供热量的炉温调节。

本方案提供的加热炉脉冲控制系统，上部段采用平焰烧嘴供热，下部段采用低NOx可调焰侧烧嘴，在下部段的南北两端分别设置三个烧嘴，这南北两端的烧嘴同时工作，使扰动更充分，炉温更均匀，也减少了炉门开启时对炉压和炉温的干扰。

方案使用脉冲燃烧技术,由于各烧嘴均工作于高负荷状态，喷出火焰长，热辐射能力强，使钢坯受热均匀，并能防止烧嘴回火；而且，通过脉冲烧嘴的周期性开关，使炉内气氛充分搅拌，高辐射的同时也增强了气体热对流能力，进一步提高加热板坯的均匀性。

此外，通过间拔技术切断部分烧嘴，可以延长预热段供热，提高烟气利用率，减少能源损失和消耗。本提案根据加热炉各段工艺要求的不同，在原双交叉限幅系统的基础上，合理引入脉冲、间拔控制技术，将大大提高加热炉燃烧性能。

实施例二

基于同一发明构思，本实施例提供了一种加热炉脉冲控制方法，该加热炉脉冲控制方法解决问题的原理与一种加热炉脉冲控制系统相似，因此加热炉脉冲控制方法实施可以参见加热炉脉冲控制系统的实施，重复之处不再赘述。

参见图5，本方案提供的加热炉脉冲控制方法，应用于上述实施例一中提出的任一加热炉脉冲控制系统，该加热炉脉冲控制系统上部段采用平焰烧嘴供热，下部段采用低NOx烧嘴，在所述下部段的南北两端分别设置三个烧嘴；所述方法包括：

步骤201：将温度调节器的输出的脉冲占空比发送给脉宽调制器，该脉宽调制器将脉冲占空比转换为时序信号；

步骤202：利用时序信号控制烧嘴电磁阀，调节每个烧嘴的工作周期和燃烧占空比，来调整加热炉的炉温。

其中所述方法还包括：

获取所述加热炉的炉温，所述加热炉的炉温高于1000度时，控制所述加热炉脉冲控制系统进行工作。

本发明对加热炉采用脉冲控制方法，脉冲技术是一种间断燃烧控制方式，将温度调节器的输出送给脉宽调制器，转换成用于控制空气或煤气烧嘴电磁阀的时序信号，进而控制烧嘴的开关。与常规比例燃烧不同，脉冲燃烧不是通过调节煤气管道或者热风管道阀位大小来控制炉温，而是通过调节每个烧嘴的工作周期和燃烧占空比，使炉温达到设定状态。烧嘴个数确定后，它们将按照一定的时序依次点燃。

温度调节器的输出在0-100％变化时，烧嘴的燃烧时间t随之在0-T之间线性变化。以供热量为12.5％为例，分析脉冲控制下各烧嘴的状态，如图4所示。一段时间后，如果进/出钢平衡，炉温将达到稳定。当需要升温或者降温时，通过调整烧嘴燃烧占空比t/T来改变供热量。脉冲周期T根据实际工况选择，温度小范围内波动时，只需改变烧嘴燃烧时间t即可。

脉冲燃烧保证每个烧嘴均在满负荷状态下工作，出口火焰长度最大，保证了钢坯长度方向受热温度的均匀性；同时，火焰出口速度高，高速发射的热气流对炉内气氛进行大幅搅拌，在强热辐射的同时还加强了气体的对流，按一定周期打开和关闭的烧嘴使炉内烟气充分混合，进一步提高加热板坯的均匀性。

本发明提供的方案，均热段是加热炉最重要的部位，既需要将钢坯加热到额定出炉温度，还需保证板坯受热均匀，这直接影响到后续轧钢的质量，通过合理利用脉冲燃烧技术，提升出炉钢坯温度均匀性，将大大提高加热炉烧钢质量。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

Claims (10)

1.一种加热炉脉冲控制系统，其特征在于，所述系统上部段采用平焰烧嘴供热，下部段采用低NOx烧嘴，在所述下部段的南北两端分别设置三个烧嘴；

所述加热炉脉冲控制系统将双交叉限幅与脉冲控制技术，所述下部段的六个烧嘴以交叉的两个烧嘴为一组，依次工作。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述北边烧嘴为第一北烧嘴、第二北烧嘴和第三北烧嘴，所述南边烧嘴为第一南烧嘴、第二南烧嘴和第三南烧嘴时，所述加热炉脉冲控制系统以六个烧嘴以交叉的两个烧嘴为一组，依次工作，具体包括：

将所述第一北烧嘴和所述第二南烧嘴为第一组，所述第二北烧嘴和所述第三南烧嘴为第二组，所述第三北烧嘴和所述第一南烧嘴为第三组，且依次按照所述第一组、所述第二组和所述第三组的顺序工作。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述烧嘴设置有空煤延时时间，采用煤气阀后开先关的方式；

当所述空燃比失衡时，所述加热炉脉冲控制系统调整空气阀门开关的时间差，达到合适的空燃比。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统包括：不同时段烧嘴打开的数量不同，管道内所需的煤气流量也不同。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述不同时段烧嘴打开的数量不同，管道内所需的供热量也不同，具体包括：

所述加热炉的供热量为20％时，烧嘴开启数量以2-0-2-0-2的方式循环工作；

所述加热炉的供热量为40％时，烧嘴开启数量以2-4-2-4-2的方式循环工作。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括温度调节器、脉宽调制器和煤气流量调节器；

所述温度调节器的输出的脉冲占空比发送给脉宽调制器和所述煤气流量调节器；

所述脉宽调制器将所述脉冲占空比转换为时序信号，利用所述时序信号控制烧嘴的电磁阀，调节每个烧嘴的工作周期和燃烧占空比；

所述煤气流量调节器通过PID调节，得到阀门开度，将根据脉冲参数对所述阀门开度进行修正后，发送给阀门定位器。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述将根据脉冲参数对所述阀门开度进行修正，具体包括：

其中，A为温度调节器输出的脉冲占空比，T为脉冲周期，n为脉冲烧嘴组数，n＝3，比较烧嘴燃烧时间A*T与脉冲相位差之间的关系，采用向上取值法，得到煤气阀位开度。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述烧嘴为烧嘴空气或煤气烧嘴。

9.一种加热炉脉冲控制方法，其特征在于，所述方法应用于所述权利要求1-8任一所述的加热炉脉冲控制系统中，所述加热炉脉冲控制系统上部段采用平焰烧嘴供热，下部段采用低NOx烧嘴，在所述下部段的南北两端分别设置三个烧嘴，所述包括：

将温度调节器的输出的脉冲占空比发送给脉宽调制器，所述脉宽调制器将所述脉冲占空比转换为时序信号；

利用所述时序信号控制烧嘴电磁阀，调节每个烧嘴的工作周期和燃烧占空比，来调整所述加热炉的炉温。

10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

获取所述加热炉的炉温；

所述加热炉的炉温高于1000度时，控制所述加热炉脉冲控制系统进行工作。