TWI424134B - Method of controlling the oxygen content of combustion furnace over / under - oxygen combustion state and combustion exhaust gas - Google Patents

Description

加熱爐過/缺氧燃燒狀態與燃燒廢氣含氧量之控制方法

本發明係關於一種燃燒狀態與燃燒廢氣含氧量之控制方法，特別是一種加熱爐過/缺氧燃燒狀態與燃燒廢氣含氧量之控制方法。

在習知爐氛含氧控制方法中，鋼胚軋延成薄鋼帶，需將鋼胚加熱至1000度以上，以降低鋼胚之變性阻抗，所以低溫鋼胚需先經加熱爐加熱至高溫。為避免鋼胚因熱形變過劇而產生內裂，或其它品質問題，一般需控制爐內不同位置之爐溫，讓鋼胚能依特定升溫曲線加熱至目標出爐溫度，所以加熱爐大多設計為分區獨立燃燒控制，例如，從進料側至出料側，依序為預熱區、加熱區與均熱區，部分加熱爐會再區分為第一與第二加熱區，以達更精細之爐溫控制，另外也會區分上下爐區獨立控溫。

在習知技術中，各爐區皆有燃燒器與溫度偵測器，並藉由調控燃料流量以進行爐溫控制，一般習知爐溫控制為外迴路，空氣與燃料流量控制為內迴路，爐溫控制器輸出值即為所需燃料流量，另外，爐溫控制器輸出值乘上理論空氣消耗係數與空燃比(空氣-燃料比例)，則為空氣流量控制目標值。流量調節時，為避免短時間內空氣與燃料流量比例關係異常，影響燃燒效率，習知技術中會設計流量交叉限幅控制，也就是空氣流量控制目標值會受限於實測燃料流量所計算之上下限幅，反之亦然。

理論空氣消耗係數是指單位燃料流量完全燃燒所需之空氣流量，當供給燃燒器之空氣流量為理論空氣消耗係數乘上燃料流量，而且燃料與空氣能充分燃燒，則燃燒廢氣含氧量應為零。但實際上，燃料與空氣在爐內三維空間中並不是均勻分佈，為確保燃料能充分參與燃燒反應，在習知技術中皆會提供燃燒器過量的空氣，也就是調整空燃比設定大於1。

提供過量空氣稱為過氧燃燒，若空氣不足則稱為缺氧燃燒，因考慮高溫爐區易加速鋼胚氧化速率，而導致鋼胚表面銹皮增生，或因其它因素考量，在習知技術中加熱爐需調整不同爐區之過/缺氧燃燒狀態，所以不同爐區會設定不同空燃比。若各爐區皆設定相同空燃比，則理論上燃燒廢氣之含氧量應為固定值，但若各爐區空燃比設定不一樣，當某爐區燃料流量因爐溫控制需求而變動時，該爐區剩餘燃料或空氣佔爐內廢氣之比例就會變動，進而影響過/缺氧燃燒狀態與燃燒廢氣含氧量。

例如，均熱區空燃比設定為1.1，表示供給均熱區燃燒器之空氣流量比燃料完全燃燒所需之空氣流量還多10%，這些剩餘空氣流經加熱區，會影響該爐區實際上參與燃燒反應之空氣-燃料比例關係；反之若空燃比設定小於1，則會有剩餘燃料影響加熱區之過/缺氧燃燒狀態。同理，預熱區也會受到來自上游爐區剩餘氣體之影響，所以最終排放至煙囪之燃燒廢氣，其含氧濃度也隨之變動。

此外，影響各爐區實際過/缺氧燃燒狀態與燃燒廢氣含氧量之因素還有下列三點：

1.　加熱爐鋼胚出料時，需開啟出料爐門，雖時間短暫(約45秒)，但仍會造成爐外空氣吸入爐內，這些額外空氣將影響爐內燃燒反應，導致爐內氣體含氧量增加，在每次爐門開啟後約1~2分鐘，廢氣含氧量會出現高峰(如圖1，出料爐門開啟廢氣含氧量上升)。

2.　爐區溫度調控會改變所需燃料流量，通常降溫時燃料流量會降低，此時空氣-燃料混合效率變差，為避免影響燃燒效率，在習知技術中加熱爐燃燒控制會設計低燃料自動增加空燃比之功能，藉由增加空氣流量以改善氣體混合效應，但燃燒完後剩餘空氣會影響下游爐區燃燒狀態與廢氣含氧量。

3.　燃料完全燃燒所需氧氣與燃料成份有關，若燃料成分變動，相對的將導致燃燒反應中出現氧氣不足或過剩現象，也會造成燃燒廢氣含氧量變動。

燃燒廢氣含氧量偏高表示提供加熱爐過量空氣，會加促爐內鋼胚氧化銹皮增生，多餘低溫空氣也會消耗燃燒熱量，使加熱爐能耗增加，同時若燃燒反應中氧氣過多也會誘使如NOx等有害氣體生成。另一方面，若廢氣含氧量偏低或量測結果氧濃度為零，表示供給不足額空氣，可能使燃料無法完全燃燒，造成燃料浪費，同時容易產生燃燒黑煙而污染空氣，所以如何控制燃燒廢氣含氧量是現代化加熱爐控制技術中關鍵的一環。

在習知技術中，加熱爐過/缺氧燃燒狀態與廢氣含氧量之控制方法，大多依燃料所需理論空氣消耗量，進行空氣流量控制，並設定各爐區空燃比，再於各爐區裝設氧氣分析器量測廢氣含氧量，利用閉迴路控制自動調節空燃比，以控制各爐區燃燒廢氣含氧量。但氧氣分析器量測反應時間較長(約30秒)，不適用於爐門開啟空氣吸入或燃料流量調控頻繁等這類干擾情況，而且氧氣分析器長期處於高溫環境中，感測元件容易劣化而影響含氧量量測精度，進而劣化控制性能。此外，若要控制均熱區或加熱區為缺氧燃燒狀態，則無法利用含氧量量測進行閉迴路控制，所以在習知技術中加熱爐實際操作情況，燃燒廢氣含氧量控制性能不佳，導致含氧量變異大(如圖2，均熱區廢氣含氧量，標準差達±0.8032%)。

另外，在習知技術中，大部分煉鋼廠會利用高爐煤氣與焦爐煤氣混合氣體，作為熱軋加熱爐之燃料，燃料成份變動會影響燃燒反應之空氣消耗量，所以也有鋼廠利用裝設燃氣成份分析儀，線上量測燃氣成份並依此自動調控加熱爐空燃比，但此習知控制方法僅補償燃氣成份變化之影響，並無法解決其它含氧量變動問題。

因此，有必要提供一創新且具進步性的加熱爐過/缺氧燃燒狀態與燃燒廢氣含氧量之控制方法，以解決上述問題。

本發明係提供一種加熱爐過/缺氧燃燒狀態與燃燒廢氣含氧量之控制方法，該加熱爐具有一最上游爐區、至少一中間爐區及一最下游爐區，該方法包括以下步驟：

(a)　依據該最上游爐區之一燃燒剩餘空氣流量和一燃燒剩餘燃料流量、該至少一中間爐區之一燃燒設定燃料流量以及相應該至少一中間爐區之一理論空氣消耗係數，計算相應該至少一中間爐區之至少一中間爐區空燃比設定；

(b)　依據該至少一中間爐區空燃比設定、相應該至少一中間爐區之理論空氣消耗係數、該最上游爐區之燃燒剩餘燃料流量和燃燒剩餘空氣流量以及該至少一中間爐區之燃燒設定燃料流量，計算相應該至少一中間爐區之至少一中間爐區空燃比修正；

(c)　依據一廢氣含氧量、一燃燒生成氣體流量、該空氣氧濃度、相應該最下游爐區之一理論空氣消耗係數及一燃燒設定燃料流量、相鄰該最下游爐區之中間爐區之燃燒剩餘燃料流量，計算一最下游爐區空燃比設定，其中，依據該理論燃燒氣體生成係數及每一中間爐區之燃燒設定空氣流量計算該燃燒生成氣體流量；

(d)　依據該最下游爐區空燃比設定、理論空氣消耗係數、燃燒設定燃料流量、相鄰該最下游爐區之中間爐區之燃燒剩餘燃料流量及燃燒剩餘空氣流量，計算一最下游爐區空燃比修正；

(e)　依據相應爐區之空燃比修正、一空氣流量補償及一出料吸入空氣補償，計算一補償後空燃比，其中依據相應爐區之一低燃料增加之空燃比、理論空氣消耗係數、燃燒設定燃料流量及燃燒設定空氣流量計算該空氣流量補償，依據相應爐區之一出料補償分配增益值、一出料爐門開啟總空氣吸入流量、理論燃燒氣體生成係數及相應爐區之燃燒設定燃料流量計算該出料吸入空氣補償；

(f)　依據空氣氧濃度、一實際量測廢氣含氧量、各爐區之燃燒設定空氣流量、理論空氣消耗係數、各爐區之燃燒設定燃料流量及理論燃燒氣體生成係數，計算一氧氣回饋補償係數修正量；及

(g)　依據一爐溫目標、一實際量測爐溫、該補償後空燃比及該氧氣回饋補償係數修正量，控制各爐區之空氣流量及/或燃料流量。

在本發明之加熱爐過/缺氧燃燒狀態與燃燒廢氣含氧量之控制方法中，包含理論空氣-燃料比例計算、出料補償、流量補償、O₂ 回饋補償等，可實現自動控制及調整各爐區過/缺氧燃燒狀態及燃燒廢氣含氧量之雙重目標，進而達到控制最適空氣供給量之功效。

再者，本發明之控制方法可改善加熱爐各爐區過/缺氧燃燒狀態可控性，以及整體燃燒廢氣含氧量控制性能，讓操作人員可依照加熱爐特性，設計各爐區最適空燃比設定、廢氣含氧量控制目標以及設定相對各爐區(如加熱區或均熱區)期望之過/缺氧燃燒狀態(加熱爐內空氣-燃料比例)，控制系統(執行本發明之控制方法)則自動計算各爐區所需之空燃比，並據以控制各爐區之空氣流量，藉此讓加熱爐在節能減碳、減少氧化銹皮、降低氮氧化物(NOx)生成與避免排放黑煙等諸多考量下，展現最佳效益表現。

圖3顯示本發明加熱爐過/缺氧燃燒狀態與燃燒廢氣含氧量之控制方法之流程圖；圖4顯示本發明控制方法之控制迴路；圖5顯示本發明加熱爐內參與燃燒反應之氣體流量示意圖。該加熱爐具有一最上游爐區、至少一中間爐區及一最下游爐區。

配合參考圖3至5，首先，參考步驟S31，依據該最上游爐區之一燃燒剩餘空氣流量和一燃燒剩餘燃料流量、該至少一中間爐區之一燃燒設定燃料流量以及相應該至少一中間爐區之一理論空氣消耗係數，計算相應該至少一中間爐區之至少一中間爐區空燃比設定。在本實施例中，燃燒設定空氣流量及燃燒設定燃料流量即為加熱爐內之燃燒器之空氣流量及燃料流量。

參考步驟S32，依據該至少一中間爐區空燃比設定、相應該至少一中間爐區之理論空氣消耗係數、該最上游爐區之燃燒剩餘燃料流量和燃燒剩餘空氣流量以及該至少一中間爐區之燃燒設定燃料流量，計算相應該至少一中間爐區之至少一中間爐區空燃比修正。

參考步驟S33，依據一廢氣含氧量、一燃燒生成氣體流量、該空氣氧濃度、相應該最下游爐區之一理論空氣消耗係數及一燃燒設定燃料流量、相鄰該最下游爐區之中間爐區之燃燒剩餘燃料流量，計算一最下游爐區空燃比設定，其中，依據該理論燃燒氣體生成係數及每一中間爐區之燃燒設定空氣流量計算該燃燒生成氣體流量。

參考步驟S34，依據該最下游爐區空燃比設定、理論空氣消耗係數、燃燒設定燃料流量、相鄰該最下游爐區之中間爐區之燃燒剩餘燃料流量及燃燒剩餘空氣流量，計算一最下游爐區空燃比修正。

各爐區之空燃比修正說明

考慮相對上游爐區剩餘氣體將影響相對下游爐區實際燃燒反應，因此在本發明之方法中依燃燒廢氣含氧量設定值與相對上游各爐區空燃比設定值，重新計算各爐區之空燃比，各爐區之計算如下：

最上游爐區：加熱爐爐氣流場方向之最上游之爐區(如均熱區)，因沒有相對上游爐區剩餘氣體之問題，所以空燃比不需重新計算，亦即，該最上游爐區空燃比修正β 係為該最上游爐區空燃比設定值α ，如式1所示。

β =α 　(式1)

中間爐區：加熱爐爐氣流場方向之中間爐區(如加熱區)，中間爐區內能參與燃燒反應之氣體，包含來自燃燒器供給之空氣與燃料，以及來自相對上游爐區(在本實施例為最上游爐區)燃燒剩餘之空氣或燃料。式2與式3係分別計算中間爐區內之空氣與燃料流量，而中間爐區所期望之空燃比則為中間爐區內空氣與燃料流量乘上理論空氣消耗係數之比值，如式4所示。其中，相對上游爐區剩餘空氣或燃料則依中間爐區內空氣與燃料流量計算(式5)。

其中，為加熱爐內空氣流量總和，為燃燒器空氣流量(即燃燒設定空氣流量)，為燃燒剩餘空氣流量，為加熱爐內燃料流量總和，為燃燒器燃料流量(即燃燒設定燃料流量)，為燃燒剩餘燃料流量，α _i 為相應之中間爐區之空燃比設定，η為理論空氣消耗係數。

將式2與式3帶入式4，即可求得欲達到之空燃比設定目標，該爐區燃燒器所需供給之空氣流量(如式6所示)，並可推算出該爐區燃燒器之空氣與燃料流量控制所需之空燃比，也就是考慮相對上游爐區剩餘氣體影響後之空燃比修正結果(中間爐區空燃比修正)，如式7所示。

其中，β _i 為相應之中間爐區之空燃比修正。

最下游爐區：加熱爐爐氣流場方向之下游之爐區(如預熱區)，控制目標為加熱爐內燃燒廢氣含氧量，為確保燃料能完全使用，加熱爐之期望控制廢氣含氧量較佳在1~3%範圍內，式8為含氧量與加熱爐內氣體流量間之關係式，空氣氧濃度約為21%，其中燃燒廢氣包含燃燒生成氣體與相對上游爐區之剩餘空氣，燃燒生成氣體為各爐區燃料流量總和乘上理論燃燒氣體生成係數(式9)，而剩餘空氣則可由該爐區之燃料流量與空燃比計算得之(式10)。

其中，γ 為廢氣含氧量，為燃燒生成氣體流量，21為空氣氧濃度值，ζ為理論燃燒氣體生成係數。

當設定廢氣含氧量(含氧量目標)為γ %時，根據上述式8至式10即可求得最下游爐區所需空燃比(式11)。另外，經空燃比修正計算，即可求得燃燒器空氣流量控制之空燃比設定(最下游爐區空燃比修正β _n ，式12)，其中相對上游爐區剩餘空氣或燃料流量可利用式5疊代計算。

加熱爐可區分各爐區獨立控溫，因爐氣沿水平方向流速較大，而垂直對流與爐氣溫度、加熱物體(如鋼胚)排列程度及爐氣流量有關，較難量化分析，在本實施例中，本發明之方法係忽略不計垂直對流之影響，且上下游之各爐區之空燃比控制運算係分開執行。

要注意的是，本發明之方法也適用於同時使用不同燃料(每種燃料具有相應之理論空氣消耗係數及理論燃燒氣體生成係數)，例如均熱區使用氣體燃料(如天然氣或焦爐氣)，而加熱區與預熱區則使用液體燃料(如重油)，因為只需將各種燃料之理論空氣消耗係數與理論燃燒氣體生成係數，帶入上述空燃比修正運算式(式12)即可。

參考步驟S35，依據相應爐區之空燃比修正、一空氣流量補償及一出料吸入空氣補償，計算一補償後空燃比，其中依據相應爐區之一低燃料增加之空燃比、理論空氣消耗係數、燃燒設定燃料流量及燃燒設定空氣流量計算該空氣流量補償，依據相應爐區之一出料補償分配增益值、一出料爐門開啟總空氣吸入流量、理論燃燒氣體生成係數及相應爐區之燃燒設定燃料流量計算該出料吸入空氣補償。

空氣流量補償說明

低燃料補償而額外增加空氣流量，會造成實際參與燃燒反應的空氣流量較原設定值多，除影響各爐區過/缺氧燃燒狀態，也會導致廢氣含氧量升高。本發明之方法利用調節其它爐區之空燃比以補償該區空氣裕量，例如均熱區存在額外空氣裕量時，可減少加熱區空氣供給量，讓均熱區多餘空氣可以在加熱區充分參與燃燒反應。空氣流量補償計算方法為當某爐區低燃料而產生空燃比增量時，可依式12計算出空氣裕量，此空氣裕量再由其餘爐區分配補償，所需之空燃比補償值可由式13計算得之，其中G _FC 為分配各爐區補償比重之增益值，可依各爐區燃料比例分配或依測試調機結果設定，但各爐區增益值總和需為1。

k=1,...,i-1,i+1,...,n

其中，Δβ _FC 為空氣流量補償值，G _FC 為分配各爐區補償比重之增益，Δβ _LF 為低燃料增加之空燃比。

在本實施例中，步驟S35包括步驟S351：蒐集複數次出料空氣吸入值，且計算一出料空氣吸入值之統計平均值；步驟S352：及依據前次爐門開啟之空氣吸入量及該出料空氣吸入值之平均值，計算當次爐門開啟所需之出料吸入空氣補償。其中，在步驟S352中係利用前次爐門開啟之空氣吸入量，經比例-積分-微分(PID)控制器計算一PID控制修正值之間的比重，再與該出料空氣吸入值之平均值加總，計算當次爐門開啟所需之出料吸入空氣補償。

出料補償說明

出料爐門開啟，爐外空氣吸入爐內，因爐內氣體流動時間與氧氣分析器量測反應時間，需約在爐門開啟後1~2分鐘才能測得廢氣含氧量峰值(請參考圖3)，故無法利用回饋控制補償空氣吸入之影響。本發明之方法提供一種空氣吸入估算方法，利用開爐門後約2分鐘(可選擇1~2分鐘)內所測得之含氧量峰值，以及爐門開啟期間平均燃燒生成氣體流量與剩餘空氣流量(在本實施例中，爐外空氣吸入與含氧量峰值關係式如式14所示)，即可得到空氣吸入流量之估測式(式15)。

其中，γ _peak 為出料爐門開啟一設定時間內廢氣含氧量量測最大值，為出料爐門開啟期間平均燃燒剩餘空氣流量，為出料爐門開啟空氣吸入流量，為出料爐門開啟期間平均燃燒生成氣體流量。

因為每次爐門開啟空氣吸入量並不一樣，可能與爐內氣體流場、爐壓或爐內外空氣對流狀態有關，僅利用前次爐門開啟所估測之空氣吸入量來補償當次爐門開啟情況，可能會導致控制不穩定。因此，本發明之方法之出料補償方法包含兩部分(如圖6之出料補償控制方塊圖所示)：一部份為蒐集多次出料空氣吸入值，計算其統計平均值；另一部份則為利用前次爐門開啟所估測之空氣吸入量，經PID控制器(比例-積分-微分控制器)後，再與統計平均值加總，作為當次爐門開啟所需補償之空氣量，此種方法兼具有控制穩定性與較佳之補償效果。並且，可依加熱爐操作經驗調整統計平均值與PID控制修正值之間的比重(式17)，加總之後的空氣補償量可由特定爐區分配補償，例如由較靠近出料爐門之均熱區與加熱區補償，也可由全部爐區分配補償，補償爐區所需之空燃比補償值可由式18計算得之，其中G _DC 為分配各爐區補償比重之增益值，可依各爐區燃料比例分配或依測試調機結果設定，各補償爐區增益值總和需為1。要注意的是，出料吸入空氣補償值僅在爐門開啟期間才作用，爐門關閉時出料吸入空氣補償值為0。

其中，為出料爐門開啟總空氣吸入流量，為該出料空氣吸入值之平均值，為該PID運算出料空氣吸入值之控制修正值，G為該出料空氣吸入值之平均值及PID控制修正值之間的比重，Δβ _DC 為出料吸入空氣補償。

參考步驟S36，依據空氣氧濃度、一實際量測廢氣含氧量(可由氧氣分析器量測而得)、各爐區之燃燒設定空氣流量、理論空氣消耗係數、各爐區之燃燒設定燃料流量及理論燃燒氣體生成係數，計算一氧氣回饋補償係數修正量。藉此，可提升含氧量控制精度。

氧氣(O ₂ )回饋補償說明

假設加熱爐內燃料與空氣能充分燃燒，則由燃燒設定燃料流量與燃燒設定空氣流量可估測燃燒廢氣含氧量(式7)。然而，若燃料成分變動，改變理論空氣消耗係數與理論燃燒氣體生成係數，或流量計量測精度不佳，皆會導致實測廢氣含氧量與理論估測含氧量間存在誤差，影響含氧量控制結果。本發明之O₂ 回饋補償方法係將廢氣含氧量量測值與理論估測值之誤差，等效成理論空氣消耗係數存在變化量之影響，如此即可自動修正取得一修正理論空氣消耗係數，進而提升含氧量控制性能。

利用式7可估算燃燒廢氣含氧量，進入每一爐區之剩餘空氣可利用式19計算，帶入式7可得到式20。假設實際含氧量為理論空氣消耗係數與理論廢氣生成係數存在相同比例(Δη)變化量之結果，也就是修正理論空氣消耗係數ηη(1+Δη)，修正理論廢氣生成係數ζζ(1+Δη)，可得到關係式如式21，式21重新整理後即可推得氧氣回饋補償係數修正量如式21所示。

由於氧氣分析器量測響應較慢，而且廢氣含氧量也會受到爐外空氣吸入或其它干擾影響，所以降低補償修正頻率可得到較好的控制穩定性。例如，計算10分鐘燃燒設定空氣流量及燃燒設定燃料流量與含氧量之平均值，每10分鐘計算一次氧氣回饋補償係數修正量，再據以修正原理論空氣消耗係數及理論廢氣生成係數為修正理論空氣消耗係數及修正理論廢氣生成係數。較佳地，氧氣回饋補償係數修正量可先經過增益調整，或經過PID控制器運算，如此可進一步提升控制性能。

其中，γ _act 為實際量測廢氣含氧量。

配合參考圖4所示之控制迴路及步驟S37，依據一爐溫目標、一實際量測爐溫(可由任何形式之溫度感測器測得)、該補償後空燃比及該氧氣回饋補償係數修正量，控制各爐區之空氣流量及/或燃料流量。

圖7顯示應用本發明之控制方法後，均熱區廢氣含氧量之變化結果。在圖7中，均熱區廢氣含氧量之標準差約為±0.4735%，遠低於圖2所示之習知爐氛含氧控制方法之氣含氧量標準差±0.8032%，亦即，本發明之控制方法可達到控制最適空氣供給量之功效。

在本發明之加熱爐過/缺氧燃燒狀態與燃燒廢氣含氧量之控制方法中，包含理論空氣-燃料比例計算、出料補償、流量補償、O₂ 回饋補償等，可實現自動控制及調整各爐區過/缺氧燃燒狀態及燃燒廢氣含氧量之雙重目標，進而達到控制最適空氣供給量之功效。

再者，本發明之控制方法可改善加熱爐各爐區過/缺氧燃燒狀態可控性，以及整體燃燒廢氣含氧量控制性能，讓操作人員可依照加熱爐特性，設計各爐區最適空燃比設定、廢氣含氧量控制目標以及設定相對各爐區(如加熱區或均熱區)期望之過/缺氧燃燒狀態(加熱爐內空氣-燃料比例)，控制系統(執行本發明之控制方法)則自動計算各爐區所需之空燃比，並據以控制各爐區之空氣流量，藉此讓加熱爐在節能減碳、減少氧化銹皮、降低氮氧化物(NOx)生成與避免排放黑煙等諸多考量下，展現最佳效益表現。

本發明之方法中之變數符號與說明茲統整如下表一所列。

上述實施例僅為說明本發明之原理及其功效，並非限制本發明，因此習於此技術之人士對上述實施例進行修改及變化仍不脫本發明之精神。本發明之權利範圍應如後述之申請專利範圍所列。

(無元件符號說明)

圖1顯示在習知技術中，出料爐門開啟廢氣含氧量上升之示意圖；

圖2顯示應用習知控制方法後，均熱區廢氣含氧量之變化結果；

圖3顯示本發明加熱爐過/缺氧燃燒狀態與燃燒廢氣含氧量之控制方法之流程圖；

圖4顯示本發明控制方法之控制迴路；

圖5顯示本發明加熱爐內參與燃燒反應之氣體流量示意圖；

圖6顯示本發明控制方法之出料補償控制方塊圖；及

圖7顯示應用本發明之控制方法後，均熱區廢氣含氧量之變化結果。

(無元件符號說明)

Claims (25)

1. 一種加熱爐過/缺氧燃燒狀態與燃燒廢氣含氧量之控制方法，該加熱爐具有一最上游爐區、至少一中間爐區及一最下游爐區，該方法包括以下步驟：(a)　依據該最上游爐區之一燃燒剩餘空氣流量和一燃燒剩餘燃料流量、該至少一中間爐區之一燃燒設定燃料流量以及相應該至少一中間爐區之一理論空氣消耗係數，計算相應該至少一中間爐區之至少一中間爐區空燃比設定；(b)　依據該至少一中間爐區空燃比設定、相應該至少一中間爐區之理論空氣消耗係數、該最上游爐區之燃燒剩餘燃料流量和燃燒剩餘空氣流量以及該至少一中間爐區之燃燒設定燃料流量，計算相應該至少一中間爐區之至少一中間爐區空燃比修正；(c)　依據一廢氣含氧量、一燃燒生成氣體流量、該空氣氧濃度、相應該最下游爐區之一理論空氣消耗係數及一燃燒設定燃料流量、相鄰該最下游爐區之中間爐區之燃燒剩餘燃料流量，計算一最下游爐區空燃比設定，其中，依據該理論燃燒氣體生成係數及每一中間爐區之燃燒設定空氣流量計算該燃燒生成氣體流量；(d)　依據該最下游爐區空燃比設定、理論空氣消耗係數、燃燒設定燃料流量、相鄰該最下游爐區之中間爐區之燃燒剩餘燃料流量及燃燒剩餘空氣流量，計算一最下游爐區空燃比修正；(e)　依據相應爐區之空燃比修正、一空氣流量補償及一出料吸入空氣補償，計算一補償後空燃比，其中依據相應爐區之一低燃料增加之空燃比、理論空氣消耗係數、燃燒設定燃料流量及燃燒設定空氣流量計算該空氣流量補償，依據相應爐區之一出料補償分配增益值、一出料爐門開啟總空氣吸入流量、理論燃燒氣體生成係數及相應爐區之燃燒設定燃料流量計算該出料吸入空氣補償；(f)　依據空氣氧濃度、一實際量測廢氣含氧量、各爐區之燃燒設定空氣流量、理論空氣消耗係數、各爐區之燃燒設定燃料流量及理論燃燒氣體生成係數，計算一氧氣回饋補償係數修正量；及(g)　依據一爐溫目標、一實際量測爐溫、該補償後空燃比及該氧氣回饋補償係數修正量，控制各爐區之空氣流量及/或燃料流量。
2. 如請求項1之方法，其中在步驟(e)中，各爐區之空氣流量補償為：，G _FC 為分配各爐區補償比重之增益，Δβ _LF 為低燃料增加之空燃比，為燃燒設定燃料流量。
3. 如請求項2之方法，其中該流量補償分配增益值係依據各爐區之燃料比例分配或依據測試加熱爐調機結果設定，各爐區之增益總和為1。
4. 如請求項1之方法，其中在步驟(e)中，各爐區出料吸入空氣補償為：，G _DC 為分配各爐區補償比重之增益，為出料爐門開啟總空氣吸入流量，η為理論空氣消耗係數，為燃燒設定燃料流量。
5. 如請求項4之方法，其中該出料補償分配增益值係依據各爐區之燃料比例分配或依據測試加熱爐調機結果設定，各爐區之增益總和為1。
6. 如請求項4之方法，其中在步驟(e)中，係依據空氣氧濃度、出料爐門開啟期間平均燃燒生成氣體流量、出料爐門開啟期間平均燃燒剩餘空氣流量及出料爐門開啟期間廢氣含氧量最大值計算該出料爐門開啟空氣吸入流量。
7. 如請求項6之方法，其中計算出料爐門開啟空氣吸入流量為：，γ _peak 為出料爐門開啟期間內廢氣含氧量量測最大值，為出料爐門開啟期間平均燃燒生成氣體流量，21為空氣氧濃度數值，為出料爐門開啟期間平均燃燒剩餘空氣流量。
8. 如請求項7之方法，其中出料爐門開啟期間係為1至2分鐘。
9. 如請求項7之方法，其中燃燒生成氣體之計算式為：，燃燒剩餘空氣之計算方法為：，n為該加熱爐之該最上游爐區、該至少一中間爐區及該最下游爐區之總數，ζ為理論燃燒氣體生成係數，為燃燒設定燃料流量，為燃燒設定燃料流量，η為理論空氣消耗係數。
10. 如請求項4之方法，其中步驟(e)另包括以下步驟：(e1)　蒐集複數次出料空氣吸入值，且計算一出料空氣吸入值之統計平均值；及(e2)　依據前次爐門開啟之空氣吸入量及該出料空氣吸入值之平均值，計算當次爐門開啟所需之出料吸入空氣補償。
11. 如請求項10之方法，其中在步驟(e2)中係利用前次爐門開啟之空氣吸入量，經比例-積分-微分(PID)控制器計算一PID控制修正值之間的比重，再與該出料空氣吸入值之平均值加總，計算當次爐門開啟所需之出料吸入空氣補償。
12. 如請求項11之方法，其中該出料爐門開啟總空氣吸入流量係表示為，為該出料空氣吸入值之平均值，為該PID運算出料空氣吸入值之控制修正值，G為該出料空氣吸入值之平均值及PID控制修正值之間的比重。
13. 如請求項12之方法，其中在計算該出料爐門開啟總空氣吸入流量方法中，係依據加熱爐操作經驗調整該出料空氣吸入值之平均值及PID控制修正值之間的比重。
14. 如請求項11之方法，其中該出料吸入空氣補償係由某一特定爐區分配補償或由全部爐區分配補償。
15. 如請求項1之方法，其中各爐區具有獨立之溫度控制系統，該溫度控制系統包含一溫度感測器及一燃燒器，該溫度感測器用以量測該加熱爐之溫度，藉由控制該燃燒器之燃燒設定燃料流量及燃燒設定空氣流量，以控制爐溫達一設定溫度。
16. 如請求項15之方法，其中每一溫度控制系統另包括一爐溫控制器，各爐區之燃燒設定燃料流量該爐溫控制器之輸出值，各爐區之燃燒設定空氣流量為該爐溫控制器之輸出值與理論空氣消耗係數及相應燃燒器之空燃比之乘積。
17. 如請求項1或16之方法，其中理論空氣消耗係數係為單位燃料流量完全燃燒所需之空氣流量。
18. 如請求項17之方法，其中燃燒器之空燃比係為供給燃燒器之空氣流量與燃料流量之比例。
19. 如請求項1之方法，其中在步驟(f)中係利用氧氣分析器量測該實際量測廢氣含氧量，該氧氣分析器係設置於該最下游爐區。
20. 如請求項1之方法，其中在步驟(b)中計算各爐區之空燃比修正為：最上游爐區：β =α ，β 為該最上游爐區之空燃比修正，α 為該最上游爐區之空燃比設定；中間爐區：，i 為中間爐區之順序，α 為中間爐區之空燃比設定，η為理論空氣消耗係數，為燃燒設定燃料流量，為燃燒剩餘燃料流量，為燃燒剩餘空氣流量；及最下游爐區：，n為該加熱爐之該最上游爐區、該至少一中間爐區及該最下游爐區之總數，γ 為廢氣含氧量，ζ為理論燃燒氣體生成係數，21為空氣氧濃度數值，為燃燒設定燃料流量，為燃燒剩餘燃料流量，為燃燒剩餘空氣流量。
21. 如請求項1之方法，其中在步驟(f)中，係利用實際量測廢氣含氧量修正理論空氣消耗係數，該氧氣回饋補償係數修正量計算式為：，n為該加熱爐之該最上游爐區、該至少一中間爐區及該最下游爐區之總數，21為空氣氧濃度數值，γ _act 為實際量測廢氣含氧量，為燃燒設定空氣流量，η為理論空氣消耗係數，為燃燒設定燃料流量，ζ為理論燃燒氣體生成係數，修正之理論空氣消耗係數為η(1+Δη)，修正理論燃燒氣體生成係數為ζ(1+Δη)。
22. 如請求項21之方法，其中在步驟(f)中係間隔一設定時間計算相應爐區之燃燒設定空氣流量、相應爐區之燃燒設定燃料流量及該實際量測廢氣含氧量之平均值，且依據相應爐區之燃燒設定空氣流量、相應爐區之燃燒設定燃料流量及該實際量測廢氣含氧量之平均值，計算相應之修正理論空氣消耗係數及相應之修正理論燃燒氣體生成係數。
23. 如請求項22之方法，其中該設定時間係為10分鐘。
24. 如請求項1之方法，其中各爐區之修正空燃比為相應之空燃比修正、流量補償與出料補償之總和。
25. 如請求項1之方法，其中在不同爐區中係使用不同燃料，每種燃料具有相應之理論空氣消耗係數及理論燃燒氣體生成係數。