CN109141051A - 一种蓄热式工业加热炉炉压控制的优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蓄热式工业加热炉炉压控制的优化设计方法，包括炉压检测装置、加热炉体、烧嘴、炉压控制模块、炉压计算模块、煤气管道、空气管道、伺服放大器、换热器、热电偶、烟道闸板、稀释风机温度控制器、稀释风机、助燃风机；首先由炉压差压变送器检测出炉压信号，送人炉压控制模块中，按照PID调节规律输出控制信号，再与稀释风机温度控制器输出信号一起送到炉压计算模块中，通过调整炉压信号和稀释风机转速的加权系数，得到不同的OP值，并通过控制器的输出模块转化成4‑20mA电信号送给伺服放大器，最后通过伺服放大器控制烟道闸板的开口度，从而完成烟道闸板根据炉压和稀释风机转速信号进行动态调整的目的。

Description

一种蓄热式工业加热炉炉压控制的优化设计方法

技术领域

本发明涉及工业加热炉自动控制领域，特别是一种蓄热式工业加热炉炉压控制的优化设计方法。

背景技术

蓄热式工业加热炉是冶金行业普遍采用的加热炉，一般以高、焦炉混合煤气作为燃料，按一定比例输入空气，在加热炉内完成燃烧，产生的热量来加热炉内钢坯的一种大型加热设备。加热炉控制的目标是炉内温度达到工艺要求，围绕着这一控制目标，加热炉的燃烧控制、炉压控制、总空气压力控制、煤气压力控制以及联锁控制等子系统，一起构成了多参数、强干扰、大滞后等控制特点的复杂系统，其中加热炉炉压控制是整个控制中重要的一环。在加热炉对板坯进行加热过程中，需要保持炉压稳定，炉压过大会造成炉头冒火，烧坏炉门，影响加热炉设备安全；炉压过小会造成炉门吸冷风，增加炉内板坯的氧化烧损，从而降低板坯的加热质量、浪费能源、污染环境的同时，也降低了加热炉温度控制的有效性，因此炉压控制的好坏是影响加热质量及环保节能控制的重要因素。

目前检测炉压的检测元件一般安置在出炉炉门口上方的位置，在这个位置炉压如果过大，往往会造成开关炉门时炉头冒火，容易烧坏出炉炉门；而出炉这个区域一般板坯温度相对较高(1200℃左右)，且板坯在炉时间短，因此炉压稍微偏低造成吸风对板坯氧化的程度较轻，基于以上因素，加热炉的炉压控制一般需要控制在微负压，实际运行时需要保持炉膛压力在50Pa左右，以防止炉门冒火，同时氧化烧损较轻，保证设备安全及加热质量。控制采用的主要手段是控制烟道闸板的开口度，使得炉内气体随炉压变化，将燃烧后的烟气排入烟囱，这样可以有效减小或者提高炉压，使得炉压稳定在一定范围内。目前典型的炉压控制系统由炉压调节器、烟道闸板和压力变送器构成单回路闭环控制系统，炉压调节器的炉压给定值由人工设定，为了设备安全和加热质量，设定值为微负压(50Pa左右)，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炉压调节器，炉压调节器输出控制信号，实时调节烟道闸板的开口度，从而保证炉膛压力维持在微负压的状态。

但是，由于烟道闸板位于装炉侧，与出炉侧的炉压检测点位置相对较远，炉内空间较大，因此控制存在滞后的问题；并且因为受生产节奏的影响，出炉和装炉板坯的时间间隔不稳定，使得开关炉门对加热炉炉压的波动影响较大且没有规律，因此利用出炉侧炉压检测来控制烟道闸板，会因为波动较大，使得烟道闸板动作频繁，频繁动作的烟道闸板会加剧炉压波动的影响，因此单单利用炉压检测信号实施的炉压闭环控制，控制的效果非常不理想。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种蓄热式工业加热炉炉压控制的优化设计方法，在满足加热炉在频繁开关炉门、以及干扰信号的扰动下，能够保持炉压在一定范围内稳定。

本发明采用以下方法实现：一种蓄热式工业加热炉炉压控制的优化设计方法，包括加热炉体，还包括设置在加热炉体内的炉压检测装置、烧嘴、换热器、烟道闸板以及热电偶，还包括设置在加热炉体外的炉压控制模块、炉压计算模块、煤气管道、空气管道、伺服放大器、稀释风机、助燃风机、以及用以控制稀释风机的温度控制器；

所述助燃风机与加热炉体内的换热器相连，所述换热器通过空气管道与加热炉体内的烧嘴相连，用以实现烧嘴喷出空气；所述煤气管道与烧嘴相连，为烧嘴提供喷出的煤气；所述稀释风机向换热器吹入冷空气，降低换热器的工作温度，用以保证换热器设备安全；所述伺服放大器与烟道闸板电性相连，用以控制烟道闸板的开口度；所述热电偶与稀释风机温度控制器电性相连；

上述各器件的控制包括以下步骤：

步骤S1：炉压检测装置检测加热炉内的压力信号，并将检测到的压力信号传送到炉压控制模块中；

步骤S2：炉压控制模块按照PID调节规律输出炉压信号A％，并传送到炉压计算模块中；

步骤S3：热电偶将采集的温度信号传送到稀释风机温度控制器中，稀释风机温度控制器将输出的信号转换为0-100％的百分数信号B％并传送到炉压计算模块中；其中，B％为稀释风机转速的替代信号或稀释风机转速信号；稀释风机温度控制器的输出信号转换为0-100％的百分数信号，对应与稀释风机转速的工作范围0-1450r/min(以4-72№10D型号稀释风机为例)，即稀释风机温度控制器输出信号的大小可以反映稀释风机转速的高低，并且这一信号不会受到转速传感器硬件设备性能的限制，因此可以作为风机转速的替代信号输入给炉压计算模块，与炉压检测信号进行加权计算，得到最终的炉压控制输入信号。

步骤S4：将步骤S2中炉压控制模块输出的炉压信号A％与步骤S3中的稀释风机转速信号B％在炉压计算模块中进行加权计算；

其中，加权计算的公式为：

(a×A％+b×B％)×100％＝OP

式中a和b分别为炉压信号和稀释风机转速信号的加权系数，根据炉压信号和稀释风机转速信号在控制中所占的比重不同，由人工设定并可以进行修正；OP为炉压计算模块输出的控制信号的百分数；

步骤S5：通过调整步骤S4中炉压信号和稀释风机转速信号的加权系数a和b，得到不同的OP值，并将其转化成4-20mA电信号传送给伺服放大器；

步骤S6：通过伺服放大器控制烟道闸板的开口度，用以实现根据炉压信号和稀释风机转速信号对烟道闸板进行动态调整和保证炉压控制稳定的目的。

进一步地，所述的炉压检测装置采用的是全智能微差压变送器，型号为STD110，测量范围0-100Pa。

进一步地，所述稀释风机的型号为4-72№10D离心通风机，送风量40441-56605(m³/h)，额定转速1450(r/min)。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：

(1)本发明通过控制烟道闸板的开口度减少了开关炉门时炉门冒火的情况，节约了大量燃料，减少了热能损失，进而减少了因为炉门冒火造成的炉门及炉门周边设备的损坏，减少了事故时间，提高了生产效率，同时降低了加热炉维护费用，增加经济效益。

(2)本发明利用稀释风机送风量的大小来对炉压进行控制，送风量的大小与风机转速实际相关，并且本发明没有直接采用风机转速传感器来进行控制，而是利用已有稀释风机温度控制器的输出信号来代替转速传感器，运用软件的方式完成炉压控制，这样可以减少硬件投资，降低因为转速传感器检测精度、设备故障等原因带来的隐患，从而提高系统运行效率。

(3)本发明减少了炉压的波动，使得加热炉空气、煤气燃烧配比系数保持稳定，从而提高了加热炉燃烧控制效果，具体表现在烟囱冒黑烟的现象基本上不再出现，从而减少了加热炉燃料损耗，降低了环境污染，提高了温度控制的准确性。

(4)本发明通过稀释风机的转速控制烟道闸板，除了稳定炉压以外，还能在换热器温度偏高时，及时将高温烟气排入烟囱，起到了保护换热器的作用，延长换热器使用寿命，降低了加热炉维修费用，延长了加热炉大修时间周期，提高了生产效率。

附图说明

图1为本发明实施例的炉压优化控制结构图。

图2为本发明实施例的优化炉压控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

在本实施例中，主要目的是寻求一种优化的炉压控制方法，满足加热炉在频繁开关炉门、以及干扰信号的扰动下，能够保持炉压在一定范围内稳定。具体的办法就是在炉压控制中，充分分析引起炉压波动的干扰因素，找出其中主要的干扰因素，并对主要的干扰因素实施控制，以把引起炉压波动的干扰信号消除在萌芽状态，同时减小炉压波动信号在控制中所占的比重，使得烟道闸板动作信号既兼顾炉压检测信号的波动，同时又兼顾引起炉压主要干扰因素的波动，并可以根据风机送风量等工艺参数，调整两者的控制权重，从而保持稳定的炉压水平，使得炉压控制方法更加合理和优化。具体分析如下：

在本实施例中，引起炉压波动的干扰因素很多，通过分析有以下一些干扰因素：

(1)烧嘴喷入的空、煤气流量的变化导致炉压波动；在相同控制条件下，加热炉烧嘴喷入炉膛的气体流量越大，炉膛的压力升高越大，相反炉膛压力升高越小。

(2)助燃空气、煤气压力的变化导致炉压的波动；加热炉助燃空气受助燃风机的压力控制，煤气压力也受到煤气总管的压力控制使得这两个参数保持稳定，当助燃空气和煤气的压力发生变化时，不可避免地产生了炉膛压力的变化。

(3)稀释风机转速变化引起炉压波动。冶金工业加热炉为了利用燃烧后烟气的高温热能，减少热损失，通常在加热炉的最前端，靠近烟道闸板的位置设有回收热能的换热器，如图1所示，从助燃风机中吹入的冷空气和烟道中大量的高温尾气进行热交换，使冷空气进行预热后再参与燃烧，从而减少了热量损失，提高了能源利用率。在换热器运行过程中，为避免烟气温度过高导致换热器损坏，在换热器后端(靠近燃烧区一端)通常设有稀释风机，在检测到烟气温度过高时，启动稀释风机，通过稀释风机的转速变化控制吹入冷空气量，从而降低换热器的工作温度，保证换热器设备安全。但是吹入的冷空气降低温度的同时，也带来了炉压的扰动。

经过实验分析，稀释风机转速变化这一过程产生的炉压干扰远大于其他的干扰信号，因此本实施例针对稀释风机转速这一干扰信号实施控制，以实现炉压的稳定优化控制。

本实施例的手段是利用稀释风机转速来实现的，稀释风机转速大，吹入加热炉内的冷空气流量就越大，引起炉压升高越大，因此可以利用稀释风机的转速来控制炉压的变化；另外如图1所示，稀释风机位于烟道闸板后方，炉压检测点位于出炉炉门口处，相比起炉压检测点，稀释风机距离烟道闸板距离更近，因此利用稀释风机的转速变化来控制烟道闸板的开口度，其动作迅速，过程反应时间短，炉压反应迅速，即利用稀释风机转速信号的变化来控制烟道闸板动作，可以在稀释风机动作的同时，调节烟道闸板，从而提前把引起炉压变化的主要干扰消除，保证加热炉炉压的稳定。

但是在实际应用过程中，需要检测稀释风机的转速，势必引进转速传感器，增加了硬件投资，同时因为转速传感器的检测也存在误差，并且传感器设备本身的不可靠也增加了故障点，降低了系统的可靠性。针对这些问题，通过对控制系统参数的分析，本实施例得出了采用稀释风机温度控制器的输出信号来代替转速传感器的控制方法。

具体的，如图1所示本实施例一种蓄热式工业加热炉炉压控制的优化设计方法，包括加热炉体，还包括设置在加热炉体内的炉压检测装置、烧嘴、换热器、烟道闸板以及热电偶，还包括设置在加热炉体外的炉压控制模块、炉压计算模块、煤气管道、空气管道、伺服放大器、稀释风机、助燃风机、以及用以控制稀释风机的温度控制器；

所述助燃风机与加热炉体内的换热器相连，所述换热器通过空气管道与加热炉体内的烧嘴相连，用以实现烧嘴喷出空气；所述煤气管道与烧嘴相连，为烧嘴提供喷出的煤气；所述稀释风机向换热器吹入冷空气，降低换热器的工作温度，用以保证换热器设备安全；所述伺服放大器与烟道闸板电性相连，用以控制烟道闸板的开口度；所述热电偶与稀释风机温度控制器电性相连；

上述各器件的控制包括以下步骤：

步骤S1：炉压检测装置检测加热炉内的压力信号，并将检测到的压力信号传送到炉压控制模块中；

步骤S2：炉压控制模块按照PID调节规律输出炉压信号A％，并传送到炉压计算模块中；

步骤S3：热电偶将采集的温度信号传送到稀释风机温度控制器中，稀释风机温度控制器将输出的信号转换为0-100％的百分数信号B％并传送到炉压计算模块中；其中，B％为稀释风机转速的替代信号或稀释风机转速信号；稀释风机温度控制器的输出信号转换为0-100％的百分数信号，对应与稀释风机转速的工作范围0-1450r/min(以4-72№10D型号稀释风机为例)，即稀释风机温度控制器输出信号的大小可以反映稀释风机转速的高低，并且这一信号不会受到转速传感器硬件设备性能的限制，因此可以作为风机转速的替代信号输入给炉压计算模块，与炉压检测信号进行加权计算，得到最终的炉压控制输入信号。

步骤S4：将步骤S2中炉压控制模块输出的炉压信号A％与步骤S3中的稀释风机转速信号B％在炉压计算模块中进行加权计算；

其中，加权计算的公式为：

(a×A％+b×B％)×100％＝OP

式中OP为炉压计算模块输出的控制信号的百分数；a和b分别为炉压信号和稀释风机转速信号的加权系数，根据炉压信号和稀释风机转速信号在控制中所占的比重不同，由人工设定并可以进行修正；

一般情况下，根据稀释风机的功率大小，通过试验的方法可以得到a和b加权系数合适的数值。实际运用中做了以下三种风机的仿真模型，得到相对合适的参数值，如表1所示：

表1炉压控制加权系数表

风机型号	送风量(m3/h)	a	b
				4-72№8D	15826-29344	0.62	0.38
4-72№10D	40441-56605	0.38	0.62
				4-72№12D	46267-64759	0.28	0.72

本案例的稀释风机型号是4-72№10D，因此a、b的数值分别采取0.38和0.62，根据实际调试运行，该数值可以在10％以内微调，控制效果优良。

步骤S5：通过调整步骤S4中炉压信号和稀释风机转速信号的加权系数a和b，得到不同的OP值，并将其转化成4-20mA电信号传送给伺服放大器，并转换成烟道闸板的控制电信号，驱动烟道闸板开口度与控制信号保持一致，从而达到稳定控制炉压的目的。

步骤S6：通过伺服放大器控制烟道闸板的开口度，用以实现根据炉压信号和稀释风机转速信号对烟道闸板进行动态调整和保证炉压控制稳定的目的。

在本实施例中，所述的炉压检测装置采用的是全智能微差压变送器，型号为STD110，测量范围0-100Pa。。

在本实施例中，所述稀释风机的型号为4-72№10D，离心通风机，送风量40441-56605(m³/h)，额定转速1450(r/min)。

特别的，为了降低频繁开关炉门对炉压控制造成的波动，可以适当地降低加权系数a的数值，同时根据加热炉工艺参数不同，适当调整提高稀释风机转速信号加权系数b的数值，通过整定得到最佳的加权系数，从而保证炉压控制的稳定。

较佳的，在本实施例中，重点在于采用稀释风机控制器输出信号代替转速传感器，得到准确可靠的控制信号，与炉压信号一起实现对烟道闸板的控制，并且可以根据不同的加热炉炉型结构、工艺参数、控制要求等，对两者的加权系数a和b进行灵活调整，既可以保证在频繁开关炉门的情况下，缓开关烟道闸板，避免炉压过度震荡，同时又在稀释风机动作时能够及时调整烟道闸板开口度，使得最终的炉压稳定在一定的水平，保证了优化后的炉压控制系统具有良好的控制效果。控制流程图如图2所示。

较佳的，在某冶金企业热轧板厂加热炉自动化系统中进行技术改进，经过多次整定、试验，得到相对固定的加权系数a和b，优化后的炉压控制系统稳定性大幅度提高，从而得到较高的经济效益和社会效益。因此通过实践证明，本实施例对加热炉炉压控制能够起到很好的改进效果，优化了加热炉燃烧控制整体效果，提高了加热质量，节约了能源，降低了损耗，减少了环境污染，因此本方法具有很好的推广前景。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (3)

1.一种蓄热式工业加热炉炉压控制的优化设计方法，包括加热炉体，其特征在于：还包括设置在加热炉体内的炉压检测装置、烧嘴、换热器、烟道闸板以及热电偶，还包括设置在加热炉体外的炉压控制模块、炉压计算模块、煤气管道、空气管道、伺服放大器、稀释风机、助燃风机、以及用以控制稀释风机的温度控制器；

所述助燃风机与加热炉体内的换热器相连，所述换热器通过空气管道与加热炉体内的烧嘴相连，用以实现烧嘴喷出空气；所述煤气管道与烧嘴相连，为烧嘴提供喷出的煤气；所述稀释风机向换热器吹入冷空气，降低换热器的工作温度，用以保证换热器设备安全；所述伺服放大器与烟道闸板电性相连，用以控制烟道闸板的开口度；所述热电偶与稀释风机温度控制器电性相连；

上述各器件的控制包括以下步骤：

步骤S1：炉压检测装置检测加热炉内的压力信号，并将检测到的压力信号传送到炉压控制模块中；

步骤S2：炉压控制模块按照PID调节规律输出炉压信号A％，并传送到炉压计算模块中；

步骤S3：热电偶将采集的温度信号传送到稀释风机温度控制器中，稀释风机温度控制器将输出的信号转换为0-100％的百分数信号B％并传送到炉压计算模块中；其中，B％为稀释风机转速的替代信号或稀释风机转速信号；

步骤S4：将步骤S2中炉压控制模块输出的炉压信号A％与步骤S3中的稀释风机转速信号B％在炉压计算模块中进行加权计算；

其中，加权计算的公式为：

(a×A％+b×B％)×100％＝OP

式中a和b分别为炉压信号和稀释风机转速信号的加权系数，OP为炉压计算模块输出的控制信号的百分数；

步骤S5：通过调整步骤S4中炉压信号和稀释风机转速信号的加权系数a和b，得到不同的OP值，并将其转化成4-20mA电信号传送给伺服放大器；

步骤S6：通过伺服放大器控制烟道闸板的开口度，用以实现根据炉压信号和稀释风机转速信号对烟道闸板进行动态调整和保证炉压控制稳定的目的。

2.根据权利要求1所述的一种蓄热式工业加热炉炉压控制的优化设计方法，其特征在于：所述的炉压检测装置采用的是全智能微差压变送器，型号为STD110，测量范围0-100Pa。

3.根据权利要求1所述的一种蓄热式工业加热炉炉压控制的优化设计方法，其特征在于：所述稀释风机的型号为4-72№10D离心通风机，送风量为40441-56605m³/h，额定转速为1450r/min。