CN112413639B - 加热炉群助燃风量智能控制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种加热炉群助燃风量智能控制方法和系统，该方法包括：确定单个助燃风机稳定时的工作点向并联的M台助燃风机稳定时的工作点移动后，产生的风量变化量，M为大于1的自然数；将单个助燃风机稳定时的工作点向M台助燃风机稳定时的工作点移动的过程划分为n个阶段，确定每个阶段的风量调整区间，n为大于1的自然数；根据每个阶段的风量调整区间调节M台助燃风机的风量。从而可以适应现场工况发生剧烈发动情况下，实现助燃风机的快速响应与调节。灵活配置炉群之间助燃风机投用状态，减少设备维护与备用量，保证风机运行在最佳工作点，提升风机使用效率。并能够交叉限制风机频率与阀门开度控制，避免风机出现喘振现象。

Description

加热炉群助燃风量智能控制方法和系统

技术领域

本发明涉及自动控制技术领域，具体地，涉及加热炉群助燃风量智能控制方法和系统。

背景技术

加热炉是钢材轧制的重要设备，在坯料的加热过程中，由于生产节奏、冷热混装、轧制节奏倒换与钢种混装等情况出现，导致加热炉内的热供给与热需求始终处于一个动态的均衡过程中。例如，当轧制节奏由慢转快的过程中，由于热需求增加，导致助燃风跟随着煤气的供应量增加而增加。此时，单一的一台助燃风机往往不能满足系统控制的要求，需要设置两台风机。但是，如果采用两台风机为一台炉子进行鼓风，则每台风机都不能工作在最佳工作点，导致风机出现喘振和冷风倒灌。鉴于此，现场往往将两台甚至是多台加热炉的多台风机进行并网连接，在此基础上进行联合助燃供风。然而，由于加热炉本身的大惯性、强滞后的控制特点，在助燃风机流量计检测到流量增大时，往往调整已经过量，进而需要再次对助燃风量进行调整。从而导致在对加热炉的空燃气进行配比时，产生控制的超调与稳态误差。同时，面对日益严峻的能耗要求，由于实际使用助燃风机数量与性能不一，管网特性随着实际使用风机数量与组合的变化而发生变化，导致助燃风机的助燃风量始终处于不稳定的调整状态。此种情况下，极易造成空燃配比的失调，进而导致能源消耗的浪费，长此以往可以导致设备出现安全隐患甚至是人身伤亡事故的发生。

经过对现有技术的检索，申请号CN201310039775.5，名称为“加热炉助燃风压力控制方法、装置及系统”，公开了一种以PID控制为主的助燃风压力控制方法。PID控制往往以单一的控制对象为目标，例如控制风量大小。此种情况下，当不考虑热需求端与风机数量和组合的变化时，风机的自动控制往往达不到稳定状态。为了克服这种现象，操作人员结合经验值给出简单的PID自动控制方式，即在压力安全范围内，以目标流量为控制对象进行PID控制。此种情况，在面临风量需求量急剧发生变化，或者助燃风机“起保停”切换过程中，极易诱发安全隐患，同时操作人员的操作负荷与强度非常巨大。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种加热炉群助燃风量智能控制方法和系统。

第一方面，本发明提供一种加热炉群助燃风量智能控制方法，包括：

确定单个助燃风机稳定时的工作点向并联的M台助燃风机稳定时的工作点移动后，产生的风量变化量，M为大于1的自然数；

将单个助燃风机稳定时的工作点向M台助燃风机稳定时的工作点移动的过程划分为n个阶段，确定每个阶段的风量调整数值，n为大于1的自然数；

根据每个阶段的风量调整数值调节M台助燃风机的风量。

可选地，还包括：

根据管道的管网压力，调节助燃风机的出口阀开度，以使得助燃风机的出风口压力不低于空气总管压力。

可选地，还包括：根据预设的时间间隔采集M台助燃风机的电流，当助燃风机的电流出现异常时，调节对应助燃风机的出口阀开度。

可选地，所述根据预设的时间间隔采集M台助燃风机的电流，当助燃风机的电流出现异常时，调节对应助燃风机的出口阀开度，包括：

根据N座加热炉的管网并联状态，设置M台助燃风机出口阀开度，其中，N为大于0的自然数，且M≥N；

设置助燃风机的电流值，以及每台助燃风机允许的负载电流偏差范围；

当某一时刻并联的两台助燃风机的负载电流偏差超出允许的负载电流偏差范围，则调节两台助燃风机的输出频率，以使得并联的两台助燃风机的负载电流偏差在允许的负载电流偏差范围内。

可选地，还包括：

当目标调整风量小于每一阶段风量调整区间时，采用PID方式控制M台助燃风机的风量。

第二方面，本发明提供一种加热炉群助燃风量智能控制系统，包括：

确定模块，用于确定单个助燃风机稳定时的工作点向并联的M台助燃风机稳定时的工作点移动后，产生的风量变化量，M为大于1的自然数；

划分模块，用于将单个助燃风机稳定时的工作点向M台助燃风机稳定时的工作点移动的过程划分为n个阶段，确定每个阶段的风量调整区间，n为大于1的自然数；

第一调节模块，用于根据每个阶段的风量调整区间调节M台助燃风机的风量。

可选地，还包括：

第二调节模块，用于根据管道的管网压力，调节助燃风机的出口阀开度，以使得助燃风机的出风口压力不低于空气总管压力。

可选地，还包括：

第三调节模块，用于根据预设的时间间隔采集M台助燃风机的电流，当助燃风机的电流出现异常时，调节对应助燃风机的出口阀开度。

可选地，所述第三调节模块，具体用于：

根据N座加热炉的管网并联状态，设置M台助燃风机出口阀开度，其中，N为大于0的自然数，且M≥N；

设置助燃风机的电流值，以及每台助燃风机允许的负载电流偏差范围；

当某一时刻并联的两台助燃风机的负载电流偏差超出允许的负载电流偏差范围，则调节两台助燃风机的输出频率，以使得并联的两台助燃风机的负载电流偏差在允许的负载电流偏差范围内。

可选地，还包括：

当目标调整风量小于每一阶段风量调整区间时，采用PID方式控制M台助燃风机的风量。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明提供的加热炉群助燃风量智能控制方法和系统，可以适应现场工况发生剧烈发动情况下，实现助燃风机的快速响应与调节。灵活配置炉群之间助燃风机投用状态，减少设备维护与备用量，保证风机运行在最佳工作点，提升风机使用效率。并能够交叉限制风机频率与阀门开度控制，避免风机出现喘振现象。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为两台性能相同的风机并联工作后的性能曲线的示意图；

图2为将每次调整的风量控制在预设范围内的方法的流程示意图；

图3为出风口压力调节原理示意图；

图4为出口阀的调节方法的流程示意图；

图5为采用PID方式控制M台助燃风机的风量的方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

加热炉的助燃风机控制受到的影响因素很多，包括：加热炉热需求、热负荷分配与助燃风机的机械物理性能等。其中，加热炉热需求是指炉内坯料按照工艺要求的出钢温度进行加热时，炉内最小的热供应量，其受到生产节奏、冷热混装、轧制节奏倒换与钢种混装等情况的影响，每时每刻都会发生变化。热负荷分配是指每个燃烧加热段所供热量占总供热量的比例，热负荷分配也是一个动态变化的过程，在相同热需求的情况下，不同的热负荷分配也会导致助燃风量产生变化。同时，助燃风机在控制时，要将风机的工作点落在风机性能曲线驼峰顶点的右侧，也就是说控制风机的流量不能小于风机喘振的最小流量。然而，由于风机的运行工况较为复杂，实际控制时仅仅采用经验的方法，在一定流量范围内自动调整风机风量，造成能源消耗的高企与设备的安全隐患。

针对现在技术上存在的缺陷，本发明提出了一种适应不同热需求、热负荷分配和机械物理特性的加热炉助燃风机智能控制的方法。

在实际生产中，为了有效降低助燃风机电耗与备件维护量。加热炉群往往采用集中供风机制，即M台助燃风机联合供应N(M≥N)座加热炉的空气。当单座加热炉热负荷较低时，往往采取关闭连通阀，单个助燃风机进行供风的方式。单个助燃风机的供风量往往满足不了满负荷生产时的加热炉供风需求，但是两台助燃风机又超过了单座加热炉的供风需求，造成助燃风机不能工作在最佳工作点。当联合供风时，需要依据实际需要风量的大小，动态调整助燃风机的实时供风量。

由于风机使用数量的随机性，导致风机组合的多样性。当N座加热炉总需风量为Qm³/h，并且每台助燃风机在最佳工作点时，风机的性能曲线和管网特性曲线的交点成为工作点。风机工作点应落在稳定区域。即两台性能相同的风机并联工作后的性能曲线如图1所示。其中，R_I为单台风机的管道性能曲线，R_II为两台风机并联工作时的管道性能曲线。I_I为单台风机性能曲线、I_II为两台风机并联工作时的风机性能曲线，P_I、Q_I分别为单台风机工作时的压力、流量，P_II、Q_II分别为两台风机并联工作时的压力、流量。

参见图1，当管网并联后，风机性能曲线与管网特性曲线均发生了变化。因此，当风机的稳定工作点在漂移的变换过程中，整个风机系统是处于不稳定状态的，此时极易发生冷风倒灌和喘振现象。在风机稳定工作之前，需要不断控制和调整每台风机的风量和压力。而传统的PID控制，需要相对较长的响应过程，此时对于控制效果并不理想。并且由于管网并联部分的特性不同，两台风机的工作点不一致，造成两台风机始终处于不稳定的工作状态，因此需要对每台风机频率与管网出口百叶阀开度动态平衡控制。通过梳理，可以依据将风机系统的控制影响因素和系统输出总结整理如下：

1)控制影响因素：变频风机频率、风机输出电流、风机出口阀开度。

2)系统输出：助燃风压力、助燃风流量。

本发明提供的一种加热炉助燃风量智能控制方法，可以包括如下步骤：

步骤1：确定单个助燃风机稳定时的工作点向并联的M台助燃风机稳定时的工作点移动后，产生的风量变化量，M为大于1的自然数。

示例性的，在步骤1中，首先计算新的系统稳定工作点风机并联前，单台风机的风机性能曲线和管道性能曲线分别为I_I与R_I，系统并联后，可以依据事先测算的风机组合与管道路由特性确定新的风机性能曲线与管道性能曲线，其分别为I_II与R_II。系统稳定工作点I可以依据I_I与R_I的曲线进行计算。具体地，令I_I与R_I的计算公式如下：

I_I：

I_II：

R_I：

R_II：

式中：y_I表示状态I时风机出口处压力，a'_I表示状态I时管道性能曲线二次项系数，b_I'表示状态I时管道性能曲线一次项系数，c'_I表示状态I时管道性能曲线常数项系数，x_I表示状态I时风机出口处流量，y_II表示状态II时风机出口处压力，a'_II表示状态II时管道性能曲线二次项系数，b'_II表示状态II时管道性能曲线一次项系数，c'_II表示状态II时管道性能曲线常数项系数，x_II表示状态I时风机出口处流量，a”_I表示状态I时风机性能曲线二次项系数，b”_I表示状态I时风机性能曲线一次项系数，c”_I表示状态I时风机性能曲线常数项项系数。

依据上述公式，可以求得P_I和P_II点横坐标，即系统并联前后的稳定工作点流量值：

其中a”'_I＝a'_I-a”_I，b”'_I＝b'_I-b”_I，c”'_I＝c'_I-c”_I

其中a”'_I＝a'_II-a”_II，b”'_II＝b_II-b”_II，c”'_II＝c'_II-c”_II

因此，可以计算出系统从I点稳态点移升至II点稳态点时风量变化量为

步骤2：将单个助燃风机稳定时的工作点向M台助燃风机稳定时的工作点移动的过程划分为n个阶段，确定每个阶段的风量调整数值，n为大于1的自然数。

示例性的，在步骤2中，在风机工作稳定点的迁移过程中，可以将需要调整的风量进行n等分，即每次调整的风量为Q'＝ΔQ/n m³ h^-1，n应该合理范围内，以使得1000≤Q'≤3000m³ h^-1。具体的调整步骤如图2所示，图2中以n等于5的情况为例，说明了将每次调整的风量控制在预设范围内的方法。

步骤3：根据每个阶段的风量调整数值调节M台助燃风机的风量。

可选地，上述方法还可以包括步骤4：根据管道的管网压力，调节助燃风机的出口阀开度，以使得助燃风机的出风口压力不低于空气总管压力。

示例性的，图3为出风口压力调节原理示意图，如图3所示，调整过程中，由于需要保证出风口压力，使得出风口压力不低于空气总管压力，避免喘振现场发生。管网的喘振曲线可以依据实际经验确定。当管网压力低于喘振最小压力时，采用调节阀门的方式，在压力高于最小压力时，采用调节频率的方式。

可选地，上述方法还可以包括步骤5：根据预设的时间间隔采集M台助燃风机的电流，当助燃风机的电流出现异常时，调节对应助燃风机的出口阀开度。

示例性的，在步骤5中，若调整过程中，系统每隔时间ΔT采样M台助燃风机的电流。当某一台助燃风机的电流发生异常时，说明系统可能发生喘振，因此进入出口阀调节过程。其中，将电流异常定义为：

式中：I(t)表示t时刻的电流，avg_I(t)表示t-n个采样周期内电流平均值，σ_I(t)表示t-n个采样周期内电流标准差值，I(t+1)表示t+1时刻的电流，avg_I(t+1)表示t-n+1个采样周期内电流平均值，σ_I(t+1)表示t-n+1个采样周期内电流标准差值。

可选地，步骤5包括：

步骤5.1：根据N座加热炉的管网并联状态，设置M台助燃风机出口阀开度，其中，N为大于0的自然数，且M≥N。

步骤5.2：设置助燃风机的电流值，以及每台助燃风机允许的负载电流偏差范围。

步骤5.3：当某一时刻并联的两台助燃风机的负载电流偏差超出允许的负载电流偏差范围，则调节两台助燃风机的输出频率，以使得并联的两台助燃风机的负载电流偏差在允许的负载电流偏差范围内。

图4为出口阀的调节方法的流程示意图，如图4所示，首先对N座加热炉助燃风机出口阀开度的N个实际值进行高选，作为M台助燃风机入口百叶阀的设定值。其他M-1台从助燃风机的电流要接近主助燃风机的电流值。设M台电机负载电流偏差范围为Δi1_2，Δi2_3，…，ΔiM-1_M，Δii_i+1下标i_i+1表示第i号风机所属电机与第i+1号风机所属电机之间的输出电流最大允许偏差值。在第k时刻M台电机的实际电流分别为i1(k)、i2(k)、…、im(k)。如果|i1(k)-i2(k)|≤Δi1_2，则第i号风机所属电机与第i+1号风机所属电机同步正常，不进行平衡调节，如果|i1(k)-i2(k)|>Δi1_2，则表明2台电机电流存在偏差，应进行动态平衡补偿，实施速度平衡控制。若i1(k)>i2(k)，则降低第i号风机的输出频率Δf，提升第i+1号风机的输出频率Δf，若i1(k)<i2(k)，则降低第i+1号风机的输出频率Δf，提升第i号风机的输出频率Δf。直至|i1(k)-i2(k)|≤Δi1_2，此时第1号风机与第2号风机电流矫正完毕，继续计算|i2(k)-i3(k)|并矫正第2号风机与第3号风机电流，直至所有电机电流矫正完毕。

可选地，上述方法还可以包括步骤6：当M台助燃风机的输出风量达到目标风量时，返回执行步骤1。

可选地，上述方法还可以包括步骤7：当调整至剩余调整风量不足Q'm³时，采用PID方式控制M台助燃风机的风量。

图5为采用PID方式控制M台助燃风机的风量的方法流程示意图，如图5所示，首先确定各种组合风机的性能曲线{C_f}和管网性能曲线{C_n}，根据实际工况确定C_f与C_n，C_f表示当前M台风机组合情况下，风机系统性能曲线，C_n表示当前管道路由情况下，管网系统性能曲线。其数据可由实际测算得知。计算新的风机最佳工作点P¹(P¹x,P¹y)，P¹为C¹ _f与C¹ _n交点，依据每台风机并网前最佳工作点(P⁰x,P⁰y)与并网后的最佳工作点(P¹x,P¹y)，确定风量调整大小△Q，△Q＝P¹x-P⁰x。均分△Q，确定每次调整风量区间△Q′，当目标风量Q1＝P⁰x+m△Q′时，采用PID调节。当风机出现喘振时，进行出口调节阀调节。当风机未出现喘振时，确定下一个调整目标，令Q1＝P⁰x+m△Q′，m＝m+1。若Q1≥P¹x，则令Q1＝P¹x，风机风量采用PID调节。若Q1<P¹x，则重新确定目标风量Q1＝P⁰x+m△Q′，采用PID调节。

本发明提供的加热炉助燃风量智能控制方法，可以适应现场工况发生剧烈发动情况下，实现助燃风机的快速响应与调节。灵活配置炉群之间助燃风机投用状态，减少设备维护与备用量，保证风机运行在最佳工作点，提升风机使用效率。并能够交叉限制风机频率与阀门开度控制，避免风机出现喘振现象。

本发明还提供一种加热炉助燃风量智能控制系统，包括：确定模块，用于确定单个助燃风机稳定时的工作点向并联的M台助燃风机稳定时的工作点移动后，产生的风量变化量，M为大于1的自然数；划分模块，用于将单个助燃风机稳定时的工作点向M台助燃风机稳定时的工作点移动的过程划分为n个阶段，确定每个阶段的风量调整区间，n为大于1的自然数；第一调节模块，用于根据每个阶段的风量调整区间调节M台助燃风机的风量。

可选地，还包括：第二调节模块，用于根据管道的管网压力，调节助燃风机的出口阀开度，以使得助燃风机的出风口压力不低于空气总管压力。

可选地，还包括：第三调节模块，用于根据预设的时间间隔采集M台助燃风机的电流，当助燃风机的电流出现异常时，调节对应助燃风机的出口阀开度。

可选地，第三调节模块，具体用于：根据N座加热炉助燃风机入口百叶阀的开头度，设置M台助燃风机出口阀开度，其中，N为大于0的自然数，且M≥N；设置助燃风机的电流值，以及每台助燃风机允许的负载电流偏差范围；当某一时刻并联的两台助燃风机的负载电流偏差超出允许的负载电流偏差范围，则调节两台助燃风机的输出频率，以使得并联的两台助燃风机的负载电流偏差在允许的负载电流偏差范围内。

可选地，还包括：PID调节模块，当目标调整风量小于每一阶段风量调整区间时，采用PID方式控制M台助燃风机的风量。

需要说明的是，本发明提供的加热炉助燃风量智能控制方法中的步骤，可以利用加热炉助燃风量智能控制系统中对应的模块、装置、单元等予以实现，本领域技术人员可以参照系统的技术方案实现方法的步骤流程，即，系统中的实施例可理解为实现方法的优选例，在此不予赘述。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种加热炉群助燃风量智能控制方法，其特征在于，包括：

确定单个助燃风机稳定时的工作点向并联的M台助燃风机稳定时的工作点移动后，产生的风量变化量，M为大于1的自然数；

将单个助燃风机稳定时的工作点向M台助燃风机稳定时的工作点移动的过程划分为n个阶段，确定每个阶段的风量调整区间，n为大于1的自然数；

将需要调整的风量进行n等分，每次调整的风量为Q'＝ΔQ/n m₃ h_-1，令1000≤Q'≤3000m₃h_-1；

根据每个阶段的风量调整区间调节M台助燃风机的风量。

2.根据权利要求1所述的加热炉群助燃风量智能控制方法，其特征在于，还包括：

根据管道的管网压力，调节助燃风机的出口阀开度，以使得助燃风机的出风口压力不低于空气总管压力。

3.根据权利要求1所述的加热炉群助燃风量智能控制方法，其特征在于，还包括：根据预设的时间间隔采集M台助燃风机的电流，当助燃风机的电流出现异常时，调节对应助燃风机的出口阀开度。

4.根据权利要求3所述的加热炉群助燃风量智能控制方法，其特征在于，所述根据预设的时间间隔采集M台助燃风机的电流，当助燃风机的电流出现异常时，调节对应助燃风机的出口阀开度，包括：

根据N座加热炉的管网并联状态，设置M台助燃风机出口百叶阀开度，其中，N为大于0的自然数，且M≥N；

设置助燃风机的电流值，以及每台助燃风机允许的负载电流偏差范围；

当某一时刻并联的两台助燃风机的负载电流偏差超出允许的负载电流偏差范围，则调节两台助燃风机的输出频率，以使得并联的两台助燃风机的负载电流偏差在允许的负载电流偏差范围内。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的加热炉群助燃风量智能控制方法，其特征在于，还包括：

当目标调整风量小于每一阶段风量调整区间时，采用PID方式控制M台助燃风机的风量。

6.一种加热炉群助燃风量智能控制系统，其特征在于，包括：

确定模块，用于确定单个助燃风机稳定时的工作点向并联的M台助燃风机稳定时的工作点移动后，产生的风量变化量，M为大于1的自然数；

划分模块，用于将单个助燃风机稳定时的工作点向M台助燃风机稳定时的工作点移动的过程划分为n个阶段，确定每个阶段的风量调整区间，n为大于1的自然数；

将需要调整的风量进行n等分，每次调整的风量为Q'＝ΔQ/n m₃ h_-1，令1000≤Q'≤3000m₃h_-1；

第一调节模块，用于根据每个阶段的风量调整区间调节M台助燃风机的风量。

7.根据权利要求6所述的加热炉群助燃风量智能控制系统，其特征在于，还包括：

第二调节模块，用于根据管道的管网压力，调节助燃风机的出口阀开度，以使得助燃风机的出风口压力不低于空气总管压力。

8.根据权利要求6所述的加热炉群助燃风量智能控制系统，其特征在于，还包括：

第三调节模块，用于根据预设的时间间隔采集M台助燃风机的电流，当助燃风机的电流出现异常时，调节对应助燃风机的出口阀开度。

9.根据权利要求8所述的加热炉群助燃风量智能控制系统，其特征在于，所述第三调节模块，具体用于：

根据N座加热炉的管网并联状态，设置M台助燃风机出口阀开度，其中，N为大于0的自然数，且M≥N；

设置助燃风机的电流值，以及每台助燃风机允许的负载电流偏差范围；

当某一时刻并联的两台助燃风机的负载电流偏差超出允许的负载电流偏差范围，则调节两台助燃风机的输出频率，以使得并联的两台助燃风机的负载电流偏差在允许的负载电流偏差范围内。

10.根据权利要求6-9中任一项所述的加热炉群助燃风量智能控制系统，其特征在于，还包括：

PID调节模块，当目标调整风量小于每一阶段风量调整区间时，采用PID方式控制M台助燃风机的风量。

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