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1、刍臣型堑望童! 三兰竺竺! 兰兰兰! 竺：! 竺! 塑 数字化脉冲燃烧控制技术在太钢加热炉上的应用 杨福瑞 ( 山西太原钢铁( 集团) 有限公司热连轧厂。山西太原0 3 0 0 0 3 ) 摘要：介绍了数字化脉冲烯烧控制技术在太钢15 4 9m m 0 加热炉上的实施方案及其实际应用效果，提出了为满足目前市场用户要 求在不减少产量的情况下可连续频繁变换加热不同钢种的坯料，可灵活操作并有效降低操作成本和提高加热质量，步进式加热炉是 当今应用数字化脉冲燃烧控制技术的首选炉型。 关键词：步进式加热炉；数字化脉冲燃烧控制；模糊控制；燃料单耗；加热能力 中国分类号：T F 0 6 1文献标识码：A文章编
2、号：1 0 0 2 - 1 6 3 9 ( 2 0 0 7 ) 0 5 - 0 0 4 8 - 0 3 T h e A p p l i c a t i o no f D i g i t a l P u l s e C o m b u s t i o n C o n t r o l T e c h n o l o g y t o T a i s t e e l R e h e a t i n gF n r n a e e G F u - m i ( T h e r m a l C o n t i n u o u s R o l l i n g M i l lo f S h a n x i T a
3、 i y u a n I r o n S t e e l G r o u p C o L t d ，T a i y u a n0 3 0 0 0 3 ，C h i n a ) A b s t r a c t ：C a r r y i n gO U tp l a na n dp r a c t i c a lo p e r a t i o ne f f e c t so f d i g i t a lp u l s ec o m b u s t i o nc o n o lt e c h n o l o g yi nt h eT a i s t e e l15 4 9 i n t o0 。r e
4、 b e - a t i n gi 吣l l R c ea 陀i n m x i n c e d I no r d e rt on l e c tt h ec u s t o m e rn e e d sf o rt h a t , u n d e rn o tr e d u c i n gp r 0 4 n c to u t p u ta n de o n t i n n o n s 丘明u 即t I y c h a n g i n g d i f f e r e n ts t e e l m a r ks e m i f i n i s h e d p r o d n c ta s w e
5、 l l r e d u c i n g o p e r a t i o n c o s t a n d r i s i n g h e a t i n g q u a l i t y i r i s f i r s t s e l e c t e d f 岫a e c t y p e t h a tt h ew a l k i n gb e a mr e h e a t i n gf u r t i v ew i t ht h ed i 舀m lp u l s ec o m b u s t i o nc o n t r o lt e c h n o l o g y K e yw o r d
6、s ：w a l k i n gb e a mr e h e a t i n gf l t m a e e ；d i g i t a lp u l s ec o m b u s t i o nc o n t r o l ；f u z z yc o n t r o l ；s p e c i f i cf u e lc o n s u m p t i o n ；h e a t i n gc a p a c i t y 太钢15 4 9F i l mO 。加热炉是一座热轧带钢步进式加热 炉，生产能围2 0 0V h ，于2 0 0 5 年9 月2 5 日投人试运行， 主要生产钢种为：碳结钢、优碳钢、
7、不锈钢、无取向硅 钢等，它是国内大型带钢步进式加热炉上首次采用数字 化控制技术，适合于带钢产品生产结构复杂的情况，能 够满足温度调节要求频繁变换的工况比以往使用的平 焰烧嘴结构时代使用的比例阎燃烧控制技术更有利于实 现燃烧自动控制。并使炉体结构简单化。 在传统加热炉基础上采用上述节能措施和技术改造 后，不仅板坯加热质量得到提高而且能耗指标也有较 大下降加热标准坯时炉子产量可达2 0 0t h ，此时碳钢 单耗由】1 3 8 G J t ( 钢) 下降到1 2 9 6 G J t ( 钢) 。 l 脉冲燃烧控制原理 脉冲燃烧控制原理不是通过调节烧嘴能量的大小而 是通过控制烧嘴的开闭时间进行对炉温
8、的控制，即烧嘴 处于开关的工作状态。烧嘴的开关时间可自动设定，这 样就实现了0 1 0 0 热负荷的线性输出。烧嘴前的空气、 煤气管道上配备有电磁阕及压力测量调节设备，保证了 每一个烧嘴的最佳空燃比，也保证了烧嘴的最佳燃烧状 态，从而实现了不同热负荷时炉温的均匀性。为了避免 由于空气、煤气供应时有时无造成对管网压力的冲击以 及因炉子的断续供热造成的炉压波动( 这给炉压控制带 收稿日期：2 0 0 7 - 0 1 - 3 I ：修回日期：2 6 0 7 - 0 8 - 0 t 作者简介：杨福瑞( 1 9 6 3 ) ，男高级工程师，在加热炉工艺设备 方面积累了丰富的经验，并对步进式加热炉水粱更换
9、、提 高加热炉水粱隔热材料使用寿命加热炉出料炉门优化改 进等方面有独到的研究。井在现场推广取得了很好的效果 来困难) ，采取对各个烧嘴的开闭时间及其开关顺序进行 控制i 即将炉子各个烧嘴的开关时间错开，保证在任一 瞬间开关的烧嘴数量相同，这就保证了空、煤气的连续 供应。避免了对管网压力和炉压的冲击。炉子的供热能 力则由炉内温度来决定。这就是所谓的o n - o f f 烧嘴的工 作过程。图1 显示6 0a 周期内脉冲烧嘴的燃烧时间。 图1 表明，需要热量4 0 时脉冲烧嘴的燃烧周期为 4 0 ，因此烧嘴将燃烧6 0s 的4 0 ，即2 4s 。需要热量 超过9 0 时，烧嘴应当连续开启。总之，
10、脉冲燃烧控制 技术就是采用o n - o f f 烧嘴供热，烧嘴的工作状态由脉冲 燃烧方式进行控制。 2 脉冲燃烧控制特点 ( 1 ) 所需热量是通过控制烧嘴的燃烧时间来实现的， 这优于调节空气燃气流量的传统比例控制方式，很容易 对加热炉的炉温进行量化控制。 ( 2 ) 烧嘴的时序脉冲式燃烧，实现了对每一对烧嘴 的单独控制。 ( 3 ) 增加了燃烧效率，减少了温室效应气体的排放。 ( 4 ) 能够更好的控制火焰形状和热量分配，很容易 获得满意的炉内温度场分布，保证极高的坯料加热质量。 ( 5 ) 减少了氧化烧损的生成。 3 0 加热炉脉冲燃烧控制技术实施方案 3 1 炉型选择 太钢15 4 9
11、n l nO 加热炉采用脉冲燃烧控制方案是 在第l 加热段上、下部和第2 加热段上、下部，均热段 下部采用了o i l - o f f 控制的侧部烧嘴供热和弹性分区技术。 万方数据 睾加燕 殳备 工业加热第3 6 卷2 0 0 7 年第5 期 蓦 。 岳 匣 瑶 p ， I d # e ol O4 09 09 5 1 0 0 ( 1 )( 2 ) 2 4 6 0 燃烧时间s燃烧时间肛 需要热量( ) 需要热罱4 时的燃烧时间需璺热量 9 0 时的燃烧时间 图1 6 0s 燃烧周期内脉冲烧嘴的燃烧时间 为弥补高焦混合煤气的热值变化而引起空燃比的变化在 每个段配备了常规空燃比调节测量装置以确保炉子
12、最佳 燃烧，同时提供常规比例调节和o n - o f f 控制两种加热控 制模式，操作人员可依据产量和钢种的变化进行控制模 式的自动转换以确保可靠生产。 0 加热炉炉型示意见图2 。 图20 。加热炉炉型示意 所谓弹性分区，就是沿炉长方向相邻两个温度控制 段的长度不在结构上作固定划分，而是根据需要进行不 固定的增长或缩短。 提高炉气和炉衬对炉内加热板坯的传热效率和保证 炉宽方向温度分布的均匀性是炉子类型和烧嘴选型并合理 配置的前提。炉温均匀性对于大型板坯加热炉是至关重要 的，炉宽方向的温度均匀性对板坯加热质量至关重要，而 炉长方向的温度均匀性则直接影响到板坯的加热速度。 合理配置的炉顶平焰烧嘴
13、能形成一个温度均匀的辐 射面，从而能保证均热段上部及炉宽和炉长方向的温度 均匀性，o n o f f 控制的侧部烧嘴可以满足其它各段在炉宽 方向上的温度均匀性。 值得说明的是这样的弹性分区方法，除增加了数只 测温热电偶外，所有功能全部是通过软件实现的。完全 满足了加热多钢种与炉子分段之间的适应问题。 3 2 燃料燃烧自动控制系统的设计 ( 1 ) 燃烧系统空燃比的修正和极值寻优控制 对于性能优良的燃烧系统，一定要保证燃料充分燃 烧，为此不能有过量空气加入以保持合理的空燃配比，设 计中从两个方面保证实现台理燃烧。 热值恒定情况下空燃比的自动修正 加热炉燃烧过程中实际空燃比定为口，；燃料热值恒定
14、时对应的标准空燃比为且。 供热总管压力有少量波动时将造成空燃比失衡。当 计算机系统发现尻屏时，对于脉冲燃烧系统来说，则自 动调整空气阀门开闭的时间差，从而保证最合适的系 统空燃比，见图3 。 图3 热值恒定情况下空燃比的自动修正原理图 空燃比的极值寻优 在加热炉的燃烧控制中，合适的空燃比有利于燃气 充分燃烧并保持良好的炉内气氛，从而节省能源且改善 加热质量。但是，由于目前燃气的成分、热值不容易固 定，因而，空，燃比也就不能是一个固定值。从而，也就 不能保证真正意义上的合理燃烧和理想的空气过剩系数。 如何在动态情况下保证合适的空燃比值就是一个难题。一 些有条件的地方采用热值仪实测燃气热值和华白指
15、数，但 由于设备昂贵，设备维护量极大，现场应用也很不理想。 4 9 万方数据 型臣垫堑塑望! 三兰竺竺! 兰兰兰! ! ! ：! 竺! 塑 我们采用的“空燃比的极值寻优”系统，能很好地 解决在燃烧过程中始终保持最佳的动态空燃配比。在线 寻求最优或接近最优的空燃比值。 采用这一技术能在燃料热值波动时，始终保持最佳 的动态空燃比值。 ( 2 ) 炉压控制的改进 当炉内供热量产生变化，以及加热炉炉门开闭时都 会引起炉压的波动，造成炉压调节回路的不平衡，从而 影响到炉压的有效控制。为此o 加热炉的炉压控制采用 模糊控制方式。这种控制方法收敛速度快，抗干扰能力 强，能稳定地控制炉膛压力。 ( 3 ) 采
16、用二级优化控制 在O + 加热炉的自动控制系统中增加了优化控制数 学模型，该模型可提供控制段温度和产量设定值以实 施对钢坯的正确加热。设定值控制策略将减少燃料消 耗，降低产品内部温差和坯料间的温差，防止过烧并 最大限度地减少氧化和脱碳。在延时情况下，调整工 作段温度以保持合适的钢坯温度使得在延时终点恢复 产量，并且优化燃料消耗和质量目标。在轧机要求的 抽钢节奏和加热炉可能的供热条件下，能最大限度地 增加加热炉的产量。 3 3 数字化脉冲控制系统 炉内除均热段上部之外，其余各段全部具有灵活分 区进行数字化脉冲燃烧控制的功能，籽各支管的调节阀 全部打开，只控制各烧嘴前的切断阀，即可实现脉冲燃 烧控
17、制。 ( 1 ) 热负荷变化过程与烧嘴打开关闭( O N O F F ) 的 关系 按照图4 的时序进行烧钢，经过一段时间后在进出 钢平衡的情况下，炉内温度会达到一个稳定状态。但是 当进出钢失衡，或者要求升温的情况下，如何控制炉温 就变成了如何控制烧嘴O N O F F 时间问题，也就是我们 要求的供热量随着负荷的变化而变化，或者是随着工艺 要求变化而变化的问题。 图4 表示当控制炉膛温度要求炉子供热量在5 0 的 情况下，每个烧嘴的O N O F F 燃烧时序图。很显然，当 要求热负荷由最小变到最大或者相反时，只要在固定的 脉冲周期r 下，本过程全部由P L C 完成。 2l 口口口口口 ，
18、i 口口口口口 。：口口口口d ，! 口口口口口 。l 口口口口J ；一口口 1 已护晋 r 脯冲周期 f ：烧嘴燃饶时间 T O ：蜣嘴州刺棚位差时问 ：脉冲饶嘴启盘 7 D = T i n 图4 每个烧嘴的O N O F F 燃烧时序图 为了保证烧嘴开闭分配的均匀性，在工艺上采取适 当的编号之后，则从软件上保证的全部烧嘴在开，闭脉冲 时间上有一个均衡的相位差，图4 中的耳即合理的时 序分配。 由于采用的是在基本分段基础上的弹性分区方式，在 一个供热区内烧嘴的开闭时间比( t T ) 是相同的。但对 不同供热区( 例如加热2 段和加热l 段) 项0 可能是不 同的。不同的原因是烧嘴的额定负荷
19、和各分区的供热量 不同所致。 ( 2 ) 数字化脉冲燃烧系统的空燃比调节 传统的连续燃烧系统是通过检测各供热段的炉膛温 度和各段总管的空气及燃气，根据此数据调节段 总管供热量的大小以及空燃配比。而各个具体的烧嘴 则是人工调节。 但是，在脉冲燃烧系统中没有段总管的概念， 所有烧嘴直接挂在供热总管上并受控于控制系统( P L C 或D C S ) 。因此，空气和燃气流量的检测完全不同于常 规检测。 检测方式依据的前提是：烧嘴的能力、特性、烧嘴 前配管尺寸相同，检测方法符合流体的连续性原理。此 时，在相同能力下的烧嘴上仅配备一套流量检测装置就 可保证其他烧嘴有相同的流量。整个供热区的总流量，则 通过
20、烧嘴的开启时间进行信号联锁来实现。 4 脉冲燃烧控制技术功能考核指标 l5 4 91 1 1 1 1 10 4 加热炉通过一年半的大生产运行，功能 精度验收，按标准坯普通碳素钢：厚2 0 0n l n l ) ( 宽】2 5 0n l l n 长1 05 0 0m m ；不锈钢( 1 C r l 8 N i 9 ) ：厚2 0 0 m m 宽 l2 5 0 m m 长1 05 0 0m m 试验，达到了设计指标。 ( 1 ) 加热能力。普通碳素钢：2 0 0t h ( 冷装) ；不锈 钢( 1 C r l 8 N i 9 ) ：1 5 0t h ( 冷装) 。 ( 2 ) 燃料单耗。普通碳素钢
21、：3 15 x 41 8 7k J k g ；不锈 钢( 1 C r l 8 N i 9 ) ：3 6 0 x 4 1 8 7k J k g 。 ( 3 ) 水梁黑印。在粗轧机出口侧最终道次后，9 5 被 测板坯其温差 2 5 “ C 。 ( 4 ) 氧化烧损。普通碳素钢： 0 6 ；不锈钢( 1 C r l 8 N i 9 ) 0 5 。 5 结论 ( 1 ) 可满足在不减少产量的情况下连续频繁变换加 热不同钢种的坯料，可灵活操作并降低操作成本和提高 加热质量，步进式加热炉是当今应用数字化脉冲燃烧控 制技术的首选炉型。 ( 2 ) 能够更好地控制火焰形状和热量分配，使加热 炉宽度方向的温度场更加均匀。 ( 3 ) 平均燃料单耗降低。 ( 4 ) 可根据加热坯料的长度和位置将火焰长度调节 到最佳位置。 ( 5 ) 应用数字化脉冲燃烧控制技术使炉型简化，并 易于实现燃烧自动控制。 万方数据