加热炉智能燃烧控制系统的优化

摘要：加热炉智能燃烧模型优化项目完成后，可适应煤气热值及压力的大范围波动干扰，维持合理空燃比例，提高了燃烧的效率，减少了烟气带走的热量损失。同时，使加热炉燃烧控制和顺序控制的运行参数更优化、效率更高、生产成本更低，该加热炉燃烧控制系统运行更加安全稳定可靠，设备运转更安全。

关键词：加热炉 PID控制器 智能燃烧优化控制系统

一、加热炉燃烧控制系统的组成

加热炉燃烧控制系统主要包括蓄热式烧嘴，换向阀、换向程序及安全控制单元，空气供给系统，煤气供给系统，放散系统，排烟系统，点火系统等 7 部分。其中点火系统是整个燃烧系统的核心，能否稳定运行直接影响整个钢坯的质量以及后续产品的轧制质量。蓄热式烧嘴供热系统采用三段供热，三段炉温制度。每个供热段均设有上下加热，即均热段上下加热、第一加热段上下加热、第二加热段上下加热。空气供给系统由助燃风机、空气管道、空气换向阀等组成。空气压力应考虑蓄热室、换向阀、空气管道及其调节测量装置在内的整个系统阻力损失。同空气管道一样，煤气由炉前煤气总管（直径 DN1 200m m ）分成三段分别进入煤气换向阀，从换向阀出来后经蓄热式烧嘴完成热交换后喷入炉内燃烧。 在煤气总管上设有盲板阀、无泄露双偏心蝶阀和煤气低压快速切断阀。

二、加热炉存在的问题以及原因

1、存在的问题

目前，加热炉存在的主要问题是加热温度不均，加热能力不足。现在两座加热炉实际加热能力300 ～ 450t / h，低于设计能力 480 ～ 520t / h（冷坯～热坯）。加热温度不均，板坯炉间温差 25 ～ 35℃，同板温差 20 ～ 45℃。而国内同类生产线加热质量指标是，板坯炉间温差≤ 15℃，同板温差≤ 15℃。

2、原因

对于目前的斯坦因加热炉燃烧模型，当产量、加热钢种、尺寸、坯料入炉温度、待（停）轧时间、开轧温度变化时，均需一段时间使得加热炉温度缓慢提升， 以避免对整个煤气系统的强烈冲击，但由于现场节奏的提升，操作人员不能等到温度的缓慢上升，更不能及时准确地调整加热策略，同时受人为因素的影响，以及四班、个人操作不统一，空烧时间长，最终造成加热炉温、钢温波动，加热质量差，单位燃耗高，钢坯氧化烧损多，产品质量稳定性差。

三、加热炉加热系统改造方案

1、模型跟踪计算

需要对钢坯称重、长度、温度规格型号进行信息确认方可入炉， 一般钢坯温度大于 100℃ 时按照热坯处理，反之为冷坯，加热模型需要对钢坯温度进行修正处理。 根据加热炉各段的热电偶所测出的钢坯上下炉膛内的温度， 计算出长度和宽度方向的炉温曲线，同时确定钢坯所在区域的炉温，另外根据钢坯所在位置计算钢坯表面的热流密度，将热流密度作为差分方程的边界条件，可计算出钢坯入炉后一个计算周期内的温度。

2、改进方案

针对加热炉存在的问题，在传统的比例积分控制的基础上，引入模糊控制理论，实现加热炉的智能控制。

（1）实施目标

传统调节控制回路不能超越工艺过程复杂性与不确定性的限制，传统比例积分调控装置（PI）不能准确控制工艺过程的发展。

最严重的干扰来自生产变更：调步变化、产品变化（类型、尺寸、数量）、使用不同的生产方式（短延时、长延时、低火焰）。 这些因素都造成转换，这在传统调控中是没有进行周密考虑的。

调节的主要问题是工艺过程比例积分微分调控装置（ PID ）系数的正确调整。 通过了解工艺过程的传递函数，用标准调整算式计算调控装置的系数，使工艺过程数学模型的参数与调控装置的参数相结合，以找到可以兼顾调节回路控制的快速与精确的平衡点。模糊逻辑的目标是不仅要改善燃气流振荡减幅状况，还要按所测温度确定较好的设定值。

（2）实施方法

使用模糊管理程序，调控装置采用实际运行确定的传统 PI （比例积分）参数。 从系统观察、经验与过程认识中析取数据，形成模糊逻辑管理程序特殊数据库。模糊调控为监控级调控，调控时将联机计算比例积分微分调控装置的参数。 该调控装置是用于测定标准控制回路温度的，所考虑的变量：设定值；所测温度；所测定的、在规定时间步内的温度变量；瞬时区域负荷；实际定步值。模糊控制级仅用简单的开/关指令就可以连通或断开。 如果断开模糊控制级，比例积分微分参数就参照传统方式调定的缺值。

（3）总结

模糊控制器有两种模式：“稳态模式”与“瞬态模式”。当测定值与设定值差距不大时，认为系统处于稳定状态（模糊推理）。 在稳定状态时，K p与 K i的调整是根据温度误差进行的。当误差过大时，认为系统进入瞬态，有必要动态地控制所测定的温度。工作模式的转变由模糊断续器完成，确保从一种模式向另一种模式的平衡转变。

四、监控画面参数优化

加热炉燃烧系统采用服务器、客户端的方式实现燃烧画面的监控，传统采用 INTOUCH 系统的监控画面，后期利用 W INCC6. 0 编程系统对部分画面进行了修改加入了新的功能，如流程监控图、历史趋势跟踪、硬件检修图、实时温度曲线图等。流程监控图可以用方便、直观的方式系统监视加热炉各段炉温、 炉压、 风量、 燃气量等热工参数，以及动态显示风机和执行机构的运行状态、换向动作状态及调节阀门的开度等。实时温度曲线图可以实时绘出生产过程中过去 1 小时各点温度曲线，使操作人员直观了解各点温度趋热，以便作出及时调整。硬件检修图在检修或维护期间， 可以方便快速找到计算机系统的故障点、 损坏模块、元器件，从而使维护、检修工作准确、快捷。

五、加热炉二级跟踪系统优化

加热炉二级跟踪系统是通过模糊逻辑和加热模型根据入炉和出炉温度及煤气热力值对烧嘴的煤气流量、空气流量和燃烧时间进行控制， 以达到烧钢时热量利用的最优值。以前只是入炉的钢坯为单一状态时的设置值，根据设置值程序再进行处理。但当入炉钢坯为冷热混装时，如果再进行同样的处理，则会造成煤气浪费或钢坯加热不到位，影响生产。为此，加入对入炉门口高温计温度的判断，优化设置值，当冷热混装钢坯时，调节煤气流量、空气流量和燃烧时间，使异形坯到达炉子中间部位时的温度尽可能的是平滑的曲线，以达到异形坯所需要的出炉温度，使热量利用最优化，提高烧钢质量，减少异形坯烧损。

结语

根据对加热炉实际运行的统计分析，加热炉煤气压力、煤气燃烧值、加热不均都会对燃烧系统造成不利。，因此，本文主要采用了模糊管理程序模型对加热炉智能燃烧控制系统进行优化改造。通过对其的改造，有效地减少了煤气热力值及压力波动的干扰，空燃比控制合理，提高了燃料的利用率，钢坯加热效果显著提高，利于后续轧机轧制。本文主要分析了加热炉燃烧系统的组成及存在问题，并由此提出相关优化改造的措施，望对相关人员有学习借鉴意义。

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