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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)做成的檢測器通過氧化鋯測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)利用熱電偶檢測的燃燒裝置溫度場的廢氣溫度,，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設(shè)備,。
4、利用高焦混合煤氣成分理論推測空燃比
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。
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
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.