步进式轧钢加热炉燃烧控制参数优化的研究

摘 要：轧钢企业要求加热炉在较低的燃烧消耗和环境污染下把钢坯按指定加热周期加热到所需温度，因此优化加热炉的燃烧控制是步进式加热炉温度控制的重要环节。本文以马钢H型钢加热炉（异型坯）为研究对象，设计了加热炉燃烧控制参数优化的方法，并以现场加热炉的数学模型为研究对象，通过MATLAB的仿真和实际生产分析对比，结果表明本文设计的燃烧参数优化PID温度控制器性能得到明显改善，同时减少了燃料消耗和环境污染，对优化加热炉的控制具有指导性意义。

关键词：步进式加热炉；MATLAB；交叉双限幅；PID参数优化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.15.055

马钢H型钢步进式加热炉，其最大坯料加热能力是160 t/h。加热炉有2台PLC（顺序控制PLC和燃烧控制PLC）和2台MMI组成，分别为SIEMENS公司的SIMATIC S7系列PLC与MMI人机界面系统，PLC与MMI之间采用H1网通讯。燃烧控制PLC主要完成加热炉的燃烧控制功能，包括燃料流量控制和炉温设定控制、空燃比交叉限幅控制、炉膛和助燃风机压力控制、换热器保护控制等功能。马钢H型钢加热炉为三段式加热方式，分别为预热段、加热段、均热段，加热炉燃烧控制有8个烧嘴，分别采用可调的直焰烧嘴和平面烧嘴。H型钢加热炉的顺序控制主要完成加热炉区域的0#液压系统控制、ITAM步进梁和炉门升降控制、变频入炉辊道传动控制、异型钢坯测长与定位等功能。

1 交叉限幅燃烧控制

H型钢步进式加热炉当负荷发生变化时，加热炉内助燃空气流量与混合煤气（焦炉煤气和高炉煤气）流量的变化会发生互相制约，在燃烧过程中，焦炉煤气和高炉煤气的热值参与空燃比的修正，从而确保温度调节过程中加热炉内达到最优燃烧状态。双交叉限幅燃烧控制方式优点是能够有效地抑制助燃空气与混合煤气的燃烧比值变化，提高加热炉的加热效率，减少有害气体对外排放，对环境保护十分有利。但燃烧控制工艺对加热炉温差要求较高。加热炉双交叉限幅的基本原理是：加热炉温度升高时，助燃空气先行；加热炉需要降温时，混合煤气燃料先行。采用上述方法，使加热炉系统无论处于稳态或动态时，都能够获得较好的空燃比，同时解决了加热炉长期存在的过氧和缺氧燃烧的现象，提高加热炉节能降耗效果[1]。马钢H型钢加热炉系统通过高通、低通选择器和相应的空气和燃料流量反馈，及时完成加热炉温度升高时空气调节器先行动作，加热炉降温时煤气调节器先行动作的交叉限幅功能，使得加热炉温度达到有效的控制[2]。

2 H型钢加热炉模型

加热炉是一个大惯性、纯滞后的对象，一般采用一阶惯性环节和延迟环节来近似模拟加热炉的模型，可得加热炉的传递函数，如式（1）所示：

3 参数优化

3.1 调节器选择

选用PID控制器用于主回路上对炉温进行调节的温度调节器，PI控制器用于副回路上对燃料流量进行调节的燃料调节器，PI用于副回路上对空气流量进行调节的空气调节器。对于控制系统的性能分别起调节作用，所以调节器的选用以及参数的最优设定直接关系到控制系统的性能。

3.2 主回路调节器整定

温度控制回路为主回路，此控制器采用PID调节器，加热炉可用一阶惯性环节和一个延迟环节来近似，这样可得到模拟部分各个环节组成的传递函数式，如式（1）所示。通过现场测定，马钢H型钢加热炉的传递函数如（2）所示。可采用Ziegler-Nichols整定公式进行计算确定，式中T时间常数现场测定为600，τ延迟时间现场测得为20，K比例系数选为1，由此可计算得到=36，=40，=10，因所处环境的不同，这一计算结果在仿真过程中并不能达到很好的效果，可以通过在仿真过程中对， ，参数取不同的数值时进行比较，选取一组能够满足工作的参数作为PID最优控制参数。

3.3 系统仿真

在MATLAB仿真环境下建立燃烧系统的仿真模型图，仿真模型主要有三大部分组成：以温度控制为主回路的PID调节器控制系统，以燃料流量控制为副回路的PI调节器控制系统和以空气流量为副回路的PI调节器控制系统。

设定阶跃信号的初值给定值为0，温度给定值为20，而回路中的反馈比例为0.2，最终应达到稳态时的流量值为100。在调节过程中，由于内环是燃料和空气回路，燃料和空气回路是随动系统，燃料流量和空气流量由于外界环境以及气压的变化容易引起波动，使输出信号也不断波动，而微分在信号开始改变时起作用，容易引起震荡，因此将微分值定为零，那么燃料调节器就为PI调节器。

4 炉温检测与分析

通过H型钢加热炉在线热电偶对钢坯的温度检测，分别记录下参数优化前和参数优化后的预热段、加热段和均热段温度，经统计分析绘制成钢坯加热温度曲线如图1和图2所示。分析可知，参数优化后当钢坯加热90分钟时，上表面温度1235℃，下表面温度1247℃，上下表面温差12℃。当钢坯加热75分钟时，上表面温度随着加热时间的延长而缓慢下降，使钢坯出炉温差下降到12℃。 优化前钢坯加热90分钟时，温度波动明显增加，上下表面温差30余℃。

5 最佳加热温度曲线确定

H型钢步进式加热炉是轧制工序的重要组成部分，它将异型钢坯加热到指定的轧制温度，是轧钢过程中重要的能源消耗和环境污染控制设备。生产过程中诸多动态因素（钢坯温度波动、产品规格变化、生产线待轧）的影响使得加热炉不能完全工作在稳定工况下，加热炉的温度过程控制也变得十分复杂。生产线待轧是加热炉操作中一个十分典型的动态过程，如果此时炉温设定值不当，不仅会导致混合煤气燃料浪费，而且会引起更多的氧化烧损，对钢坯的加热质量有较大的影响。生产线待轧可以分为两种：即生产计划性待轧和非生产性计划待轧，其中换辊、交接班、检修停产等都属于生产性计划待轧，生产性待轧时间是预知的，可以提前采取措施。如预先降低加热段炉温，当生产性待轧开始时再降低均热段炉温，待轧之后再将钢坯温度升到正常值。非生产性计划性待轧是不可预知，如轧制生产线的意外事故，导致待轧时间的长短仅能根据处理事故时间的长短凭经验确定，当非生产性计划性待轧发生时立刻降低加热炉各段的炉温，等事故处理结束后再恢复各段炉温。对于较短的非生产性计划性待轧时间（小于30min ），加熱炉温降至保温阶段温度，并一直保持到系统决定升温为止。H型钢加热炉根据现场实际生产情况，分别设置短期待轧和长期待轧的加热炉温度数学模型，提出静态与动态相结合的待轧控制策略，方便操作人员在给定的待轧降温和升温速度基础上进行相应的动态调节优化，实现加热炉温度在待轧过程的在线控制，这种加热方式对延长加热炉的使用寿命、提高异型钢坯加热质量和减少钢坯的氧化烧损都有着十分重要的意义。

参考文献：

[1]王晓丽.加热炉操作与控制[M].北京：冶金工业出版社，2016：

76-82.

[2]曾有文.轧钢加热炉空气消耗系数的影响及控制[J].工业加热，2005（03）：61-63.

作者简介：邵林（1974-），男，安徽全椒人，研究生，讲师，研究方向：控制理论与控制工程。