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加熱爐燃燒控制技術(shù)分析
加熱爐燃燒控制技術(shù)分析
一,、國內(nèi)外燃燒控制發(fā)展情況
加熱爐是軋鋼生產(chǎn)企業(yè)中的主要耗能設(shè)備,，盡量提高燃料利用率，是節(jié)能降耗需解決的主要問題,。國內(nèi)外冶金行業(yè)的燃料主要為焦?fàn)t,、高爐混合煤氣及各單一煤氣，部分使用天然氣，個(gè)別小型軋鋼廠使用重油,。計(jì)算機(jī)控制燃燒過程,，就是在各種燃燒工況條件下，找到合理的最佳空燃比,，使燃燒處于較佳狀態(tài),，從而提高爐溫控制精度，保證鋼錠以較快的速度達(dá)到出鋼溫度,，節(jié)約能源,，減少氧化燒損。
軋鋼加熱爐通常配備的是以模擬調(diào)節(jié)儀表為核心的控制系統(tǒng),。當(dāng)燃料的熱值與壓力穩(wěn)定時(shí),，這種控制系統(tǒng)的控制效果還比較好，而對(duì)于燃料的熱值與壓力頻繁波動(dòng)的情況,，常規(guī)模擬儀表系統(tǒng)就難以達(dá)到預(yù)期目標(biāo),，操作者必須經(jīng)常通過“看火孔”去觀察火焰，調(diào)節(jié)空燃比以改善燃燒效果,。這不僅給操作者帶來許多不便,，而且靠人工隨時(shí)調(diào)節(jié)空燃比，很難跟蹤熱值變化的速度,，加之加熱爐都需要按照加熱工藝曲線進(jìn)行周期性的加熱,，而爐子的特性是變化的，要使加熱爐實(shí)現(xiàn)*的節(jié)能運(yùn)行還應(yīng)該考慮到進(jìn)料狀況（冷錠或熱錠）以及軋機(jī)故障待軋的運(yùn)行狀態(tài),。對(duì)這些要求,，模擬控制系統(tǒng)是難以實(shí)現(xiàn)的。
國外從20世紀(jì)70年代,，我國從80年開始對(duì)加熱爐生產(chǎn)過程進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的研究,。隨著檢測(cè)設(shè)備、儀表,、計(jì)算機(jī)水平的提高,，90年代我國軋鋼企業(yè)配置計(jì)算機(jī)控制的連續(xù)加熱爐逐漸增多，并進(jìn)行了不同程度的控制,，由于各自的控制內(nèi)容和使用情況不同,，所得到的效果也不盡相同。目前國內(nèi)在控制理論和關(guān)鍵技術(shù)方面的開發(fā)與*國家相比差距不是很大,，但在真正的應(yīng)用上與歐美,、日本、前蘇聯(lián)等冶金技術(shù)較*國家相比差距較大,。從20世紀(jì)90年代末國內(nèi)許多老企業(yè)，都對(duì)加熱爐進(jìn)行了計(jì)算機(jī)燃燒控制方面的改造，計(jì)算機(jī)幾乎全是選用進(jìn)口的,，檢測(cè)設(shè)備,、儀表部分采用國產(chǎn)的，新上項(xiàng)目大部分是整套設(shè)備進(jìn)口,。
二,、主要燃燒控制方法及應(yīng)用
1、串級(jí)并聯(lián)雙交叉限幅控制燃燒
雙交叉限幅經(jīng)歷了燃料先行的比值或空氣先行的比值調(diào)節(jié)系統(tǒng),、串級(jí)串聯(lián)燃燒控制系統(tǒng),、串級(jí)并聯(lián)燃燒控制系統(tǒng)、串級(jí)并聯(lián)單交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)四個(gè)發(fā)展階段,。它是以爐溫調(diào)節(jié)回路為主環(huán),，燃料流量和空氣流量調(diào)節(jié)為副環(huán)，構(gòu)成串級(jí)并聯(lián)雙交叉限幅控制系統(tǒng),。雙交叉限幅控制系統(tǒng)在負(fù)荷變化時(shí),，系統(tǒng)各參數(shù)變化，根據(jù)實(shí)測(cè)空氣流量對(duì)燃料流量進(jìn)行上,、下限幅,，而且還根據(jù)實(shí)測(cè)燃料流量對(duì)空氣流量進(jìn)行上、下限幅,。在負(fù)荷增加或減小時(shí),，燃料流量和空氣流量相互限制交替增加或減小，即使在動(dòng)態(tài)情況下,，系統(tǒng)也能保持良好的空燃比,。
串級(jí)并聯(lián)雙交叉限幅控制燃燒是儀表控制調(diào)節(jié)回路的基本方式，以前計(jì)算機(jī)水平較低,、應(yīng)用較少,，比值調(diào)節(jié)、交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)都是作為獨(dú)立的控制單元?，F(xiàn)在大多是計(jì)算機(jī)參與控制,，與氧化鋯殘氧分析儀、熱值分析儀,、專家尋優(yōu),、模糊控制等一起使用，控制效果比過去單獨(dú)使用要理想,。
2,、氧化鋯殘氧分析法
采用電化學(xué)法，利用氧化鋯固體電解質(zhì)做成的檢測(cè)器通過氧化鋯測(cè)量煙氣中氧含量的辦法,，判斷爐內(nèi)煤氣燃燒是否充分,，它可以避免煤氣熱值和壓力波動(dòng)或管道漏氣而影響配比控制,。殘氧檢測(cè)數(shù)據(jù)被送到計(jì)算機(jī)用來參與閉環(huán)控制，反饋速度快,。計(jì)算機(jī)算出空燃比實(shí)現(xiàn)串級(jí)并聯(lián)燃燒自動(dòng)控制,。但目前存在的主要問題是氧化鋯探頭價(jià)格昂貴，且使用壽命短,。
1999年,，合作濟(jì)南鋼鐵集團(tuán)總公司（簡稱濟(jì)鋼）綠援項(xiàng)目加熱爐高效燃燒控制系統(tǒng)，即采用日本橫河ZO21D型氧化鋯殘氧分析儀在濟(jì)鋼中厚板廠兩座推鋼式加熱爐上使用,，起到了節(jié)能降耗,，減少有害氣體排放量，保護(hù)環(huán)境的目的,。
3,、用熱值分析儀測(cè)煤氣的熱值
熱值分析儀實(shí)際是一個(gè)小型燃燒爐，將經(jīng)過預(yù)處理后的干凈煤氣引入,，通過減壓閥減壓,，進(jìn)入陶瓷過濾器進(jìn)行過濾，并經(jīng)恒壓調(diào)節(jié),，至燃燒室與機(jī)柜內(nèi)的小型助燃風(fēng)機(jī)經(jīng)恒壓調(diào)節(jié)后的空氣混合燃燒,。微機(jī)利用熱電偶檢測(cè)的燃燒裝置溫度場(chǎng)的廢氣溫度，結(jié)合標(biāo)定的系數(shù)和煤氣,、空氣壓差計(jì)算出熱值及空燃比,，將該信號(hào)輸出至參與燃燒控制的計(jì)算機(jī)或其它顯示儀。
熱值分析儀測(cè)得的數(shù)據(jù)較準(zhǔn)確,，但是熱值分析儀一次性投資費(fèi)用大,，煤氣清潔麻煩，維修量大,。但隨著熱值分析儀技術(shù)水平的提高和價(jià)格的降低,，熱值分析儀在國內(nèi)外大型加熱爐上將進(jìn)一步廣泛運(yùn)用，成為空燃比的主流檢測(cè)設(shè)備,。
4,、利用高焦混合煤氣成分理論推測(cè)空燃比
高焦比值即高爐煤氣流量與焦?fàn)t煤氣流量之比。假設(shè)現(xiàn)測(cè)高焦比為7：3 （計(jì)算時(shí)忽略空氣中的水分）,，根據(jù)煤氣成分（主要含CO,、H2、CH4）可計(jì)算出理論空燃比[1]：
L理論空氣需要量：L混合煤氣量＝1.77（m3/m3）
取空氣過剩系數(shù)為1.05,，則：
L實(shí)際空氣需要量：L混合煤氣量＝1.77×1.05=1.86（m3/m3）
當(dāng)混合煤氣高焦比為7：3時(shí),，空燃比為1.86。
理論計(jì)算空燃比采用的是高爐,、焦?fàn)t煤氣混合前的數(shù)值,，再考慮煤氣壓力變化,、含水分、雜質(zhì)等因素,，所以理論計(jì)算的只是一個(gè)近似值,。
實(shí)踐證明通過高焦比計(jì)算空燃比與其它幾種方法結(jié)合使用，反應(yīng)快,，省去了大量的尋優(yōu)時(shí)間。萊蕪鋼鐵股份有限公司軋鋼廠將高焦比混合煤氣成分理論推測(cè)空燃比與多目標(biāo)專家尋優(yōu)算法兩種辦法相結(jié)合,，應(yīng)用在初軋均熱爐上,，取得良好的控制效果。
理論計(jì)算空燃比不需添置設(shè)備,，計(jì)算簡單,，作為參考值來用經(jīng)濟(jì)合算。高爐煤氣,、焦?fàn)t煤氣流量可根據(jù)混合前的流量計(jì)實(shí)測(cè),。
5、多目標(biāo)專家尋優(yōu)算法
控制思想是：在煤氣熱值,、壓力等爐況不穩(wěn)定的狀態(tài)下,，把影響燃燒的多個(gè)因素考慮進(jìn)來，爐溫升溫速度合理（可能快或一般）,煙氣升溫速度合理（滿足一定范圍）,爐壓合理（滿足一定范圍）,熱風(fēng)升溫速度合理（滿足一定的范圍）,，滿足所有這些條件的才是“最佳空燃比”,。
當(dāng)計(jì)算機(jī)燃燒控制系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，選用當(dāng)前控制加熱爐的平均空燃比值作為基值,，“專家尋優(yōu)系統(tǒng)”根據(jù)爐溫,、煙氣上下部溫度、爐壓,、熱風(fēng)等條件的變化尋找合適的空燃比,。空燃比合適時(shí),，升溫,、保溫曲線良好，“專家尋優(yōu)系統(tǒng)”不運(yùn)行,，保持這個(gè)狀態(tài),，煤氣流量、熱風(fēng)流量,、爐壓不變,；當(dāng)煤氣熱值、壓力變化時(shí),，專家尋優(yōu)系統(tǒng)推理機(jī)根據(jù)數(shù)據(jù)庫內(nèi)專家經(jīng)驗(yàn),，判斷煤氣加減方向及推算加減量,，尋找到“最佳空燃比”。多目標(biāo)專家尋優(yōu)算法的優(yōu)點(diǎn)是避免了使用氧化鋯,、熱值分析儀,，缺點(diǎn)是不如氧化鋯、熱值分析儀反饋時(shí)間快,、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確,。但尋優(yōu)算法的思路在燃燒控制方面已得到廣泛承認(rèn)，并越來越多地應(yīng)用于實(shí)踐,。
6,、模糊控制技術(shù)的應(yīng)用
隨著模糊控制技術(shù)的不斷發(fā)展完善，越來越多的模糊控制技術(shù)應(yīng)用到加熱爐的燃燒控制中,。常用的是二維模糊控制器,，即選用誤差、誤差變化率為輸入,，一個(gè)輸出量,。多維模糊控制器（三維及以上）除了誤差外，還增加了誤差變化率及誤差變化的變化率,，從理論上講,，控制會(huì)更加精細(xì)。但是,，由于模糊控制器輸入維數(shù)增多,，控制規(guī)則的選取越來越困難，相應(yīng)的控制算法也越來越復(fù)雜,。
濟(jì)鋼中板廠采用二輸入一輸出的模糊控制器求空燃比,。以爐膛溫度的增量ΔΤ（ΔΤ=Τi-Τi-1）和上一周期的尋優(yōu)步長ui-1為輸入，輸出是本次尋優(yōu)步長ui,。代入公式：
合適煤氣量=當(dāng)前煤氣量+煤氣加減方向×系數(shù)×步長
采用變步長的尋優(yōu)方法,，可以提高搜索速度、減少搜索損失,。如果步長固定不變,，步長小，則收斂速度慢,，對(duì)于一些不可控?cái)_動(dòng)的響應(yīng)就難以適應(yīng),；步長大，則搜索損失增大,，有時(shí)還會(huì)引起振蕩,，無法收斂,這是應(yīng)當(dāng)避免的。當(dāng)在離極值點(diǎn)較近處,反映在溫差上是變化率較小時(shí),可采用小步長搜索,。
日本住友鹿島制鐵所初軋均熱爐采用模糊控制器在線調(diào)整PID調(diào)節(jié)器的參數(shù),，即隨系統(tǒng)狀態(tài)的變化,，對(duì)比例、積分,、微分系數(shù)fp,、fi、fd進(jìn)行調(diào)整,。該方法與常規(guī)模糊調(diào)節(jié)器和常規(guī)PID調(diào)節(jié)器相比,，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和魯棒性。
采用PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)fp,、fi,、fd在線構(gòu)成模糊控制器，輸出up(e),、ui(e)、ud(e),，實(shí)現(xiàn)在線修正PID調(diào)節(jié)器的三個(gè)主要系數(shù),。
fp(n)、fi(n),、fd(n)分別為比例,、積分、微分系數(shù),；fp0,、fi0、fd0分別為比例,、積分,、微分系數(shù)的初值；rp,、ri,、rd分別是up(e)、ui(e),、ud(e)的權(quán)數(shù),；e(n)、j,、e為不同時(shí)間的誤差向量,；y(n)為PID調(diào)節(jié)器的輸出[2]。
三,、加熱爐控制技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
燃燒控制的另一條最為理想的途徑是人工智能化直接監(jiān)測(cè)火焰性能控制燃燒的方法,，類似人工燒鋼通過觀察火焰顏色判斷燃燒情況。但由于加熱爐爐膛很大,，長30,、40m以上,，寬5m以上，是一個(gè)時(shí)變,、分布參數(shù)非線性,、大慣性延遲的控制系統(tǒng)，爐氣,、鋼錠,、墻壁之間的傳熱過程復(fù)雜且是非線性的，還有影響燃燒控制的許多不確定因素,，目前沒有實(shí)用儀器來實(shí)現(xiàn),。近年來，隨著人工智能理論的發(fā)展和實(shí)用化,，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步和檢測(cè)設(shè)備,、儀表性能的提高，專家系統(tǒng),、模糊控制等技術(shù)正在加熱爐燃燒控制上得到越來越廣泛的應(yīng)用,。蒙特卡洛隨機(jī)思想以及量子物理浮點(diǎn)思想在自動(dòng)控制方面也引起研究者們的高度重視，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,，隨機(jī)系統(tǒng)濾波與控制理論也將被應(yīng)用于加熱爐計(jì)算機(jī)控制中.