煤气单蓄热加热炉控制系统的应用

刘光军，苏艳涛

（济南钢铁股份有限公司 中型轧钢厂，山东 济南250100）

煤气单蓄热加热炉控制系统的应用

刘光军，苏艳涛

（济南钢铁股份有限公司 中型轧钢厂，山东 济南250100）

为提高温度控制精度，济钢采用时序脉冲燃烧控制系统，通过控制烧嘴的燃烧时序和燃烧时间来控制加热炉的温度。采用S7-300可编程控制器，通过Profibus网络和工业以太网连接，构建5个现场控制站和2个操作监控站的集散控制系统，用于完成加热全过程的数据采集、过程控制、逻辑控制、快速联锁等，实现全过程自动控制。应用后系统运行稳定，减少了故障时间。

单蓄热加热炉；温度控制；集散控制系统；可编程控制器

1 前 言

近年来，随着燃烧控制技术的发展，一些热值较高的燃料（如天然气、重油等）被逐步应用于热处理工艺中。在传统的燃烧控制方式中，给加热炉加热一般是通过调节燃料和空气的流量使之充分混合、燃烧来完成的，但在燃料热值较高的情况下，使用少量的燃料就可以满足热处理工艺的要求。因此燃料和空气的流量都比较小，输送燃料的管路截面也比较小，如果采用连续燃烧的方式进行控制，控制燃料流量的碟阀就要做得很小，而控制系统的响应能力无法满足流量变化的需要，控制温度的误差就会很大。为此，采用时序脉冲燃烧控制系统，通过控制烧嘴的燃烧时序和燃烧时间来控制炉子的温度。

2 控制系统

2.1 系统工艺

济钢中轧厂加热炉采用端进侧出双排料方式，出料端为实炉底结构。两段燃烧室，加热段设9套蓄热式烧嘴和9个煤气快切阀，均热段每侧均设4套蓄热式烧嘴和4个煤气快切阀。每套蓄热式烧嘴均配带空气快切阀和排烟快切阀，可完成由炉膛烟气余热对空气进行预热。1套蓄热式烧嘴配合1个煤气快切阀实现加热炉的燃烧换向控制。加热炉采用分散换向脉冲控制。煤气主管管道带有吹扫放散系统，接点设盲板阀、电动调节阀、快速切断阀，煤气总管末端安装防爆阀。煤气主管布置在炉顶两侧，烧嘴前各支管都从主管上引出，烧嘴前有气动调节煤气阀。助燃风机1台，助燃风机带有入口调节阀，供风总管也布置在加热炉炉顶两侧，然后由各支管接至烧嘴。引风机1台，引风机带有入口调节阀。排烟总管布置在加热炉底两侧，由各支管接至烧嘴。

2.2 控制要求

蓄热式加热炉采用空气单蓄热的加热模式，加热控制分为开关量控制和模拟量控制两部分。开关量控制主要控制脉冲换向逻辑部分，模拟量则控制空煤气流量及配比、加热炉炉膛压力等。

2.3 硬件配置

整个监控系统采用西门子控制设备，分为两层。下层为控制层，主控制系统采用315-2DP CPU，模块是S7-300 I/O模块，汽包、风机、辊道系统采用IM153远程控制器，入炉出炉辊道、推钢机和出钢机由变频器控制，通过Profibus网络通讯；上层为监控层，主控制系统插有以太网模块，通过MAXO交换机同监控站组成以太网［1］。

2.4 系统软件

控制器采用的系统软件是Step 7 V5.3，监控软件为Wincc V6.2。控制系统可进行梯形图、语句表、功能图等3种方式编程，能够通过在Step 7中安装驱动程序连接第3方产品，灵活实现系统监控、回路控制、数学运算、报警提示、趋势曲线、报表打印等功能。系统具有丰富的功能模块，编程时可根据工艺过程控制特点设计控制方案。

3 主要控制功能

分散换向脉冲控制蓄热式加热炉控制系统是多变量复杂的过程控制系统。为了保证系统的稳定性、控制精度和响应的及时性，根据设计要求、设备的实际状况和生产工艺，针对被控对象大滞后、非线性的特点，采用了模糊PID控制、自适应控制等高级的控制算法和策略。

3.1 换向控制

加热炉换向控制程序有定时换向、定温换向和强迫换向等基本控制功能，另外还设有一些辅助控制功能，这些功能均可对各阀组单独设定。定时换向、定温换向是自动方式，定温换向优先级高于定时换向，正常生产时一般使用自动方式；手动换向是手动方式，生产过程中根据情况灵活使用，可供调试和故障检修时使用。

3.1.1 换向过程

1）所有快切阀开始状态为关，设有关到位信号。2）燃烧周期。燃烧状态：确认排烟快切阀处于关闭状态。打开空、煤气燃烧电磁阀，空、煤气快切阀同时打开，快切阀开关时间一般为1 s，正常有开到位信号，开关时间超过2 s没有开到位信号则报警。燃烧关闭：关闭空、煤气电磁阀，空、煤气快切阀同时关闭，快切阀开关时间一般为1 s，正常有开到位信号，开关时间超过2 s没有开到位信号则报警。此时排烟快切阀也为关闭状态。3）排烟周期。排烟状态：确认燃烧快切阀处于关闭状态。打开空、煤气排烟电磁阀，空、煤气排烟快切阀同时打开，快切阀开关时间一般为1 s，正常有开到位信号，开关时间超过2 s没有开到位信号则报警。排烟关闭：关闭空、煤气排烟电磁阀，空、煤气排烟快切阀同时关闭，快切阀开关时间一般为1 s，正常有开到位信号，开关时间超过2 s没有开到位信号则报警。此时燃烧快切阀也为关闭状态。

每段一侧的换向燃烧系统交替蓄热与燃烧工作，一侧处在燃烧工作状态时，另一侧处在蓄热状态，换向后反之。加热段和均热段的换向不可同时进行，若两段燃烧室换向时刻同时到达，则需根据换向优先级进行排序，时间错开5 s，以防止瞬时氮气气源压力降低。

如果出现开关不到位的情况，在流程监控画面上出现故障阀报警闪烁，提醒操作人员确认处理。同时系统将该烧嘴状态锁定，不再参与燃烧系统的控制，直至处理完毕，信号正常自动投入运行。此时也可由操作人员判断，强制投入运行。

3.1.2 时间换向

正常换向都是时间换向，1个换向周期分4段：燃烧时间、燃烧停止时间、排烟时间、排烟停止时间。每个时间可由系统和人工设定，1个周期一般为360 s，停止时间可设为0。换向周期调试时确定，时间应尽量长一些。

3.1.3 定温换向

由于受蓄热烧嘴切断阀本身材质和执行机构、检测元件的耐温限制，切断阀通过的烟气温度不能过高，当排烟温度过高时，系统将强制换向，直至排烟温度下降到设定的温度范围内。系统随时检测烟气温度，一旦烟气超过设定温度（一般是150℃，也可手动设定），系统自动控制蓄热烧嘴进行换向。定温换向优先级高于定时换向，即在定温换向时，定时换向不起作用，而在定时换向时，一旦检测到烟气超过一定温度，不论定时时间是否到，系统立即进行切换，重新开始计时。

3.1.4 手动换向

当系统检修或故障异常时，操作人员根据具体情况手动控制一侧蓄热烧嘴换向，便于调试和故障处理，也可用于在没有完成换向周期时强制结束。

换向程序控制流程如图1所示。

图1 换向程序控制流程

3.2 炉膛温度调节

通过每段烧嘴的燃烧个数和时间及总管煤气流量调节阀调节1个换向周期内的供热量，即加热炉通过脉冲调节与比例调节组合控制调节炉膛温度。

3.3 脉冲控制

由于蓄热烧嘴是通过开停控制的，并且每个烧嘴都可以单独操作，蓄热烧嘴的数量相对较多，因此可以采用脉冲控制方式。以加热段为例，因实际生产中容易出现炉头炉门处喷火现象，将加热段炉头侧第一组烧嘴独立出来单独进行换向，实际投用情况由操作决定。因此，实际参与加热段燃烧换向控制的蓄热烧嘴共16套，处于燃烧状态的烧嘴最多为8套。供热能力最大为8/8，也可以选择7/8、6/8、5/8等低能加热方式。

3.4 比例调节

比例调节是燃烧控制模式，通过煤气流量调节阀，调节煤气供应量。比例调节为脉冲控制的辅助手段，脉冲控制投用前可采用比例调节。

比例调节时，应控制煤气调节阀后的压力稳定在一定范围内，以保证火焰长度。比例调节应以加热均匀为目的，避免因煤气压力低造成的横向温差大。

3.5 各段上下供热比例调节

通过上下加热烧嘴的燃烧个数和时间来调节上下加热的供热量。8套烧嘴有4套是上加热，4套为下加热，根据加热工艺，上下加热的供热量是不同的，下加热一般为上加热的1.2倍。按脉冲控制原理，在分配燃烧时间时应以下加热多分配一些，系统计算上下加热燃烧时间比为1∶1.2，可根据加热质量进行人工调整。

3.6 各段空燃比控制调节

通过空、煤气流量调节阀调节各段空燃比。混合煤气热值是7 536 kJ/m3，空气过剩系数1.05，空气量是煤气量的1.76倍。根据各段煤气流量，调整各段空气流量调节阀，使空气量与煤气量匹配。

3.7 各段炉膛压力调节

辅助调节引风机出口调节阀通过每段烧嘴的排烟个数和时间调节总的排烟量，以调节炉膛压力。正常生产时，处于排烟周期的蓄热烧嘴都在排烟状态，排烟关闭状态的时间为0。调节排烟量会影响到排烟温度，排烟量越大，排烟温度越高。排烟温度一般控制在110～150℃。如果烟气温度过低，烟气中的硫化物将会凝结，造成管道腐蚀；排烟温底过低时，应减小排烟周期内蓄热烧嘴的数量或间隔增加排烟关闭时间。每个烧嘴的排烟快切阀带有超温自动切断功能，当单个烧嘴的排烟温度达到180℃时将自动切断。排烟温度还受换向周期的影响，换向周期短，则排烟温度低。

炉膛压力调节与废气温度调节采用同一个调节阀，主要用于调节烟气温度，故炉膛压力一般靠手动控制引风机出口调节阀实现。由于入、出钢时炉膛压力下降很大，故应采集装、出钢状态，屏蔽掉这段时间的炉膛压力值。

3.8 冷却调节功能

通过压力变送器检测汽包压力，当汽包压力超过规定值时，远程控制电动阀的开启量，调节汽包压力。用差压计检测汽包水位，当汽包水位超过规定值时，远程控制电动阀的开启量，调节汽包水位。

4 结语

在蓄热式加热炉上使用分散换向脉冲控制，减少了加热炉的建设和检修时间，仅为传统工期的1/3；在控制系统的设计上，改变了传统的分区集中控制方式，克服了传统燃烧时容易造成炉膛内较大温差的弊端。完备了换向过程出错时的诊断及调整功能，提供了更有效的换向调试界面。蓄热炉的故障80%以上来自于换向出错，换向出错导致整座加热炉换向停止，处理不及时将导致设备损坏、局部过烧等。以往蓄热炉控制系统只能对故障进行整体报警，不易查找具体故障点。为了降低故障处理时间，把诊断做到每一个逻辑点，降低了故障处理时间。系统应用后，现场部分工作良好，设备故障率较低。

［1］ 廖常初.S7-300/400 PLC应用技术［M］.北京：机械工业出版社，2008：10-32.

Development and Application of the Control System for Single Regenerative Gas Heating Furnace

LIU Guang-jun,SU Yan-tao
（The Medium Rolling Mill of Jinan Iron and Steel Co.,Ltd.,Jinan 250100,China）

In order to improve the temperature control accuracy,Jinan Steel adopted sequential pulse-combustion control system to control the temperature of the heating furnace by the combustion timing of the burner and combustion time.Using S7-300 programmable controller,the distributed control system was set up by connecting Profibus networks and Industrial Ethernet,which was composed of five field control stations and two operation monitor stations.This DCS could complete data acquisition,process control,logic control and fast interlock etc and realize automatic control for the whole process.Application showed that the system worked stable and reduced maintenance down time.

single regenerative furnace;heating temperature control;distributel control system;programmable controller

TM921.51

A

1004-4620（2010）04-0056-03

2009-11-16

刘光军，男，1979年生，2001年毕业于华北水利水电学院机电一体化专业。现为济钢中型轧钢厂检修车间书记，副主任，从事电气管理工作。