基于PLC与变频器的蓄热式加热炉炉压控制系统改造

2012-08-29唐国兰吴云忠

装备制造技术 2012年7期

关键词：加热炉煤气高炉

唐国兰，吴云忠

（1.广东松山职业技术学院，广东韶关 512126；2.广东韶关钢铁集团公司能源中心，广东韶关 512123）

某钢铁公司二轧厂3# 加热炉，是蓄热式加热炉，其炉压波动频繁，尤其在换向时，还会出现负压吸冷风；有时压力又过高，造成烧嘴回火。这严重影响了钢坯的加热速度及加热品质，应该厂的要求，我们对炉压控制系统进行了改造。

1 蓄热式加热炉工艺流程

蓄热式加热炉，是利用纯高炉煤气作为燃料，通过空气、煤气双预热方法，使被加热钢坯温度达到轧制要求，使得热值较低的高炉煤气，得到充分利用。其工作工艺流程如图1 所示。

图1 高效蓄热式加热炉工作原理图

在A 状态下，高炉煤气和来自鼓风机的助然空气经换向系统，分别进入左侧通道，而后由下向上通过蓄热室，预热到1 000 ℃以上。预热后的高炉煤气与空气，从左侧烧嘴喷入炉内，二者在炉内混合燃烧，达到1 300 ℃左右，并对钢坯加热，烟气进入右侧烧嘴、右蓄热室，在右蓄热室内进行热交换，将大部分热传给蓄热体，烟气温度降低，以低于180 ℃的温度，进入换向系统，经引风机排入大气。

间隔一定时间后，控制系统发出指令，换向机构动作，空气、煤气同时换向，将系统变为B 状态。此时高炉煤气和空气从右侧烧嘴喷出并混合燃烧，这时烟气经左侧烧嘴、左蓄热室，在引风机作用下，高温烟气通过蓄热体后低温排出，一个换向周期完成，此后反复循环[1，4]。

2 原炉压控制系统

炉压的常规控制方法，主要有定值控制系统与前馈反馈控制系统等[2]。这些控制方案通常是经典的PID 控制。某钢铁公司二轧厂3#加热炉目前的炉压控制方法如图2 所示。

图2 二轧厂3# 加热炉的监控画面

煤气侧、空气侧引风机为工频恒速，通过调节煤气侧、空气侧烟道阀门的开度来调节炉内压力。

其控制原理如图3 所示。控制方案为手动、自动。

图3 炉膛压力控制框图

但在自动模式下，换向时经常出现负压，炉压波动很厉害，如图4 所示。

图4 二轧厂3# 炉炉压波动曲线

所以，在一般情况下，都打到手动状态下，在操作室内工作人员根据经验设定阀门开度，这给生产带来不便，操作人员需时时盯住监控画面，并经常手动调整阀门开度。

通过生产现场调研还发现，通过阀门开度来调节炉压，由于加热炉惯性大，会经常出现滞后现象，即炉压偏低时，控制输出要求调小烟道阀门开度，但由于延迟作用的存在，炉压不会很快提高，控制器就会继续要求调小阀门开度，甚至调到最低开度；相反，炉压偏高时，阀门开度有可能调至最大开度，这样就会使炉压在一个较大范围内波动[1，2]。

引起炉压波动的原因很多，如：加热炉自身结构决定了其是间隙式排烟、脉冲式燃烧，容易产生炉压波动；高炉煤气压力波动及引风机的抽力，导致供热量与排烟量不协调，空燃比不稳定，炉压波动频繁等[4]，因炉压的干扰量很多，单纯控制烟道阀门开度，难以达到控制要求。

当炉膛内压力为负压时，会从炉门及各种孔洞吸入大量冷风，降低了钢温和炉温，增加了燃料消耗；当为正压时，大量高温烟气逸出，冒火严重，甚至烧坏炉门钢结构。

为了保证钢坯的加热品质，减少烧损和节约燃料，必须保证炉膛压力为微正压（10～30 Pa），这就需要设计合理的炉压控制系统。

3 炉压控制系统改造方案

控制目标为煤气侧、空气侧烟道阀门开度、引风机变频调速。

离心引风机相关参数如下：

型号Y9-38 N014；

流量77 997 m3/h；

全压3 128 Pa；

转速987 r/min；

电机型号Y315M3-6；

功率132 kW。

根据风机参数，本控制系统利用三菱FX2N 系列PLC、A/D、D/A 模块，控制原理如图5 所示。

图5 控制原理图

选择西门子MIDIMASTERECO1-132K/3* 变频器[5]，此变频器内部有PID 控制调节器，只需通过参数P006 设定压力值，从压力变送器反馈来的电流信号，送给FX2N-4AD，同时通过变频器的10、11 端子送给变频器，通过变频器内部PID 调节器调节后，输出一个加减速信号修改电机频率，改变电机转速，从而调节风机的风量；同时压力变送器通过FX2N-4AD 转换后，送给PLC，经PLC 内部PID 运算后，由FX2N-4DA 输出给阀门，从而调节阀门开度，保证了炉内压力的恒定。

对于滞后现象，主要是因为积分环节的影响，因为积分环节一方面可以减少和消除压力偏差，但会使系统的反应速度降低，也就是响应太慢，影响系统的时实性。

通过在线监视压力偏差e 及偏差变化率de/dt，使调节在压力状态发生变化时，就开始作用，而不完全依据设定值和过程值的偏差。具体策略是

e·de/dt＜0，或

e=de/dt=0 时，积分作用分离；而

e·de/dt＞0 或e 与de/dt有一个为0，而另一个不为0 时，积分作用启动[1~5]。