智能燃烧系统在蓄热式加热炉上的应用

邵南银

（宝武集团鄂城钢铁轧材厂，湖北 鄂州 436000）

0 引言

加热炉是热轧工序的一个重要设备，燃烧过程的控制质量高低与本生产工序的制造成本息息相关。同时，随着国家节能减排政策的不断推进，特别是“碳达峰、碳中和”目标的提出，低碳工艺将是重工业企业未来发展与探寻的方向[1]。智慧制造是中国工业转型升级的方向，据不完全统计，深入实现智慧制造企业的效率会提高大约20%，成本可以下降20%，节能减排可以下降10%左右。如何利用智能化的调节手段促进加热炉的高效节能和废气的超低排放变得尤为重要，为此，我们积极推动智能燃烧系统的应用升级。

1 手动控制的弊端与智能燃烧的优势

宝武集团鄂城钢铁棒三生产线加热炉的炉型为双蓄热式加热炉，燃料为高转焦混合炉煤气，燃烧系统为人工手动调节，操作工根据现场实际炉温手动调节阀门开度进行加热钢坯，需要人工在现场一直监控温度变化情况，如出现温度波动未及时处理，会造成温度超出设定工艺范围，影响钢坯的加热质量；煤气压力和热值波动将无法精准地控制空燃比，造成能源的浪费和炉内气氛不稳定，加剧了坯料的氧化烧损；纯手动的燃烧控制操作会造成炉压波动较大，炉压过大会造成热量外泄；烟温控制不及时导致煤烟管道超温，严重时会引起烟道闪爆；为节约能源，棒三产线为钢坯辊道红送，红钢进炉加热时，部分燃烧单元会双关，双关时间较长，蓄热箱内蓄热体烧红，失去吸能作用，再次投入此单元时，需要对双关的蓄热箱进行进气燃烧降温，否则直接排烟的话，会使炉内的高温烟气未经冷却直接排入烟道，引起烟温超温或者烟道闪爆。

鉴于上述弊端，为减少燃料消耗，降低氧化烧损，提高加热质量，降低劳动强度，增加加热炉操作的及时性、稳定性、安全性。计划增加自动化燃烧二级控制系统，实现自动操作，达到自动加热燃烧控制目的，通过自动控制使炉内燃气得到充分的燃烧，使炉膛内的燃烧气氛最佳，全面优化钢坯加热质量、炉内温度、炉内气氛（空燃比）、炉压、排烟温度等工艺参数，控制好燃烧产物中的残氧含量，从而达到提高加热效率、加热质量的目的[2]。

2 智能燃烧要实现的功能

自动化炉温设定控制是智能燃烧控制系统的核心。为了实现炉温设定的优化控制，必须以人工创设的热工模型作为计算依据，通过设置具体公式，将如下参数列入其中从而得出结论：燃烧炉热工条件、生产状况、炉内坯料的位置及温度、几种燃烧情况下的最佳温度值等。为了得到有效的炉内数据并加以优化控制，以下软、硬件与测量条件必须具备，如数据通讯系统、炉内坯料跟踪、搭建特定生产所需的控制模型、自动化系统结构与网络系统配置等。

2.1 数据通讯

实现智能化燃烧控制，必须要了解燃烧炉内的基本情况，并以此作为电脑热工模型创建的基础数据。这些基础数据的获得，分别需要与轧线计算机系统和加热炉顺控PLC、加热炉燃控PLC互联进行数据采集、读取等数据通讯。

（1）与轧线计算机系统的通讯，如轧制温度、轧机电流反馈、坯料基本数据信息、轧制计划。

（2）与加热炉顺控PLC的通讯，如 装钢完成信号、出钢完成信号、坯料炉内位置信号。

（3）与加热炉燃控PLC的通讯，如炉温测量值、当前炉温设定值、加热炉工作状态、给定炉温设定值。

2.2 加热炉炉内坯料跟踪

坯料在炉内的准确位置是炉温优化控制的基础，系统为炉内每一块坯料建立一个记录，这些记录在计算机内以坯料的入炉顺序依次排列，并随着坯料的向前移动而移动。装钢完成时，系统获取坯料的基本信息，建立一个新的记录，而当坯料的出炉时，则删除相应的坯料记录。当实际坯料的位置和计算机跟踪的坯料位置产生偏差时，操作人员通过人机界面上的跟踪修正功能，消除偏差。

2.3 搭建控制模型

（1）炉温优化控制模型。建立该模型的作用在于根据燃烧坯料的属性（钢种、规格）。结合坯料在燃烧炉中的位置分布及加热状等信息，以此作为数据源来计算并优化不同燃烧控制段下的温度控制数值，以确保加热炉处于高效低耗的燃烧状态。其主要优点有：结合燃烧坯料属性及坯料的炉内燃烧情况，炉温控制模型的构建更具有针对性。同时有效地进行各燃烧控制段的温度设定，符合加热炉燃烧的自然特点，并最大程度地提能降耗、确保坯料燃烧质量，从而稳定和提高产。

（2）混装控制模型。混装控制模型包含了针对不同属性、不同规格钢坯的冷/热混装的温度设置控制方案。如在一批热装坯后接着装冷钢坯，按热装加热制度进行加热，而紧接热装坯的冷钢坯也是按热装加热制度进行加热，这样可能会导致冷钢坯加热不足。反之则会发生过热过烧现象，造成坯料燃烧损失和增加能耗损失。因此，智能化燃烧控制系统在处理混合加热情况时，必须具备智能化统筹分析能力，即运用坯料加热权重规则动态调整炉温设定值，在进行炉温设定计算时，首先确定每根坯料的必要炉温，同时结合加热权重规则，确定每根坯料的加热权重，从而对每个燃烧控制段内的所有坯料必要炉温进行加权平均处理，最终确定每个燃烧控制段的设定炉温值，并在装炉前做好不同加热制度坯料的空位预留[3]。坯料权重规则所需考虑的主要因素有：钢种、目标温度、目标规格、段内位置等因素。为此，根据模型计算的每块铸坯温度，需要建立一套规则来确定加热炉各段炉温。

（3）坯料信息模型。胚料是燃烧炉产生温度的基础物质。胚料信息模型的构建，能从根本上解决胚料适用的燃烧形式及如何更有效率地完成燃烧，以及燃烧温度控制，能从胚料入炉伊始进行炉内胚料燃料效果分析，实现最终胚料的快速、高效、充分地燃烧。胚料信息内容，首先是胚料入炉后的胚料基本数据获取，包括胚料材质、体积（长宽高及进入燃烧炉的状态和位置）、目标轧制温度等。只有对胚料的基本情况做好了解，才能有效地实现胚料的合理燃烧并做好最适宜的燃烧方式。例如，由于胚料形态不同，各部分的燃烧并不均匀，可利用系统二维有限差分模型，通过网格节点方式来计算胚料各部分的燃烧温度，进而加以更加合理的胚料助燃，以确保胚料各部分的充分燃烧。

（4）坯料温度模型。热工模型通常以60秒为一个周期，计算坯料温度通过二元有限差分模型、以热辐射、对流、传导等热交换模型为参数，同时考虑到上述胚料信息，每种不同物理特性的胚料温度均进行数据存储来综合进行计算。系统内所有的热交换计算都使用同上所述的热工模块，包括设定值计算，加热炉生产率计算和离线模拟应用[4]。在二级界面上增加参数可调整接口，使得模型能够适应加热炉富氧状态、加热炉炉况、耐材等炉况变化情况，实现钢坯温度的准确计算。

（5）炉温设定值管理。炉温均衡对于胚料的燃烧加热具有重要意义。通常以1分钟为周期进行加热炉温度值设定的计算控制频率。炉温设定值管理的意义在于使胚料在整个加热过程中均匀地达到并保持控制在预期的温度值范畴内，同时燃烧的效果不受胚料长度、厚度、体积、在燃烧炉中位置等因素的影响，胚料表面和中心不超过预设的最大温差。其计算过程如下：

①钢坯装炉计算。

这是炉温控制的初始准备。

a.初始信息录入：主要是对装入燃烧炉的胚料情况进行原始建模，如提供胚料钢坯的规格、型号及成分组成，胚料的长宽高尺寸并设定装入位置、再入胚料的指定轧制工艺参数等。

b.燃烧物坯料种类界定：根据轧制计划（RPDT），按照坯料标明的化学成分来判断坯料所属钢种。

c.燃烧温度预设：燃烧温度与坯料物理尺寸和化学工艺有关，还要考虑到坯料在入炉前的温度，应用差分模型进行计算。

②周期计算处理。

考虑到钢坯传热过程的特殊性，钢坯宽度远大于钢坯厚度，因而钢坯传热过程采用一维非稳态导热方程，即将钢坯视为无限大平板传热，其数学描述为：

式中：ρ——钢坯的密度，kg/m3；

c——钢坯的比热，J/（kg·K）；

λ——钢坯导热系数，W/（m·K）；

T——钢坯绝对温度，K；

x——钢坯厚度方向的坐标，m；

τ——时间，s。

σ综合辐射系数；g代表炉膛热电偶温度；1、2、3分别代表炉膛上下热流系数；D为钢坯的厚度（m）。

以全隐差分格式对加热过程数学模型进行离散化，时间步长以分钟计量，以追赶法求解。

③钢坯在炉时间预测计算。

根据各钢坯的轧制节奏，算出出炉节奏，根据位置补正，预测炉内各段板及炉外后续钢坯在炉时间。

下一块钢坯出炉剩余时间计算：

利用前块钢坯出炉时处理计算的出炉预定时刻，计算出下一块钢坯出炉剩余时间。

ΔTF：出炉剩余时间（sec）

TPRE：出炉预定时刻

TNOW：现在时刻

④炉温自动设定处理。

目前加热炉分3个段，加热1段、加热2段和均热段。二级模型根据铸坯出炉目标温度，当前加热炉炉温、轧制节奏及各段传热系数，依据周期计算钢坯温度，1分钟计算1次（加热1段、加热2段和均热段）需要的必要炉温。

当均热段出钢钢坯计算温度低于出钢目标温度，模型会根据计算值-目标温度的差值，自动提高加热炉段炉温，再计算各段出口温度，（1分钟计算1次）

假如出钢温度还是不够，模型将加热段炉温升至工艺允许的最高炉温，然后依次提高均热段、直到预热段炉温。

当加热炉各段炉温都提高到工艺允许的最高炉温，还是达不到出钢目标温度，这时模型会根据炉温、轧制节奏计算出钢在炉内加热的延长时间。

反之模型计算的均热段出口温度高于目标温度，模型根据轧制节奏，首先降低预热段炉温，依次加热、均热段，直至满足出钢目标温度。

整个计算过程是动态的，轧制节奏、炉温随机变化，模型会追踪它们1分钟计算1次，实时计算出加热炉各段出口温度。（这个过程依靠模型内建立的传热控制方程来实现的）。基本原理见下面叙述。

钢坯在加热炉内加热根据导热理论，可认为是一维传热，其导热控制微分方程式为：

将它近似为无限大平板加热，由第三类边界条件可知，已知炉温θGK，综合换热系数αk，加热时间t，钢坯温度θs，厚度H，可解出方程式的解析解。

（6）延时策略。延时策略适用于因轧机生产延误造成的燃烧炉未按照正常高效燃烧状态下进行的燃烧速度和效率的延缓。未按正常高效进行的燃烧，则是将燃烧炉温度逐步降低并稳定在一定程度，待轧机生产正常后即可恢复正常高效燃烧状态。采用延时策略，可降低能耗、减少过烧等对胚料的不利影响。主要分为非计划延迟和计划延迟。待轧期间实现燃烧气氛为弱还原性气氛，炉膛压力为微正压。

（7）轧制温度反馈控制。当坯料通过第一架轧机时，由轧线计算机把测得的坯料温度（电流）反馈回来，系统根据反馈回来的信息执行这个功能。它用来根据轧制温度（轧机的电流负荷）的要求来修正目标出钢温度。轧线安装的测温仪是没有除磷装置，可采用轧机负荷电流来反馈修正出钢温度。

（8）模糊逻辑PID参数控制。PID参数采用模糊逻辑设定，模拟人工操作经验，能达到自整定效果。这样就避免了长时间燃烧炉工作而出现的各种PID控制效率差的执行效果。同时也减少了特殊燃烧情况下的PID响应慢的问题。通过系统与PID控制器以模糊逻辑作为适应基础进行及时控制，能确保燃烧系统始终保持用最优化的方案执行[5]。

模糊逻辑PID的使用，通常以如下两项作为PID模糊控制的主要参数：误差e和误差的变化率de/dt（ec）。这样就可以通过随时动态监测e和ec数值来控制和表达任意燃烧时段PID。以模糊控制原理来修改PID参数，由此便构成了自适应模糊PID控制器。

PID参数模糊自整定是找出PID三个参数与误差e和误差的变化率ec之间的模糊关系，以模糊控制三个参数根据不同的燃烧状况进行实时动态修改，以符合坯料的燃烧环境和条件，使由PID控制的各项功能达到更好的适用效果。

2.4 自动化系统结构与网络系统配置

自动化系统结构采用多层网络结构，L2与炉区外其他系统如厂区L3系统，轧线L2系统等采用以太网进行连接，通讯方式由通讯双方协商决定，建议采用TCP/IP通讯协议进行通讯，L2与L1系统采用以太网连接，L1与远程I/O和变频传动系统采用现场总线的方式进行连接。

网络配置采用光纤以太网实现炉区L2与炉区外其他计算机系统的数据交换，实现整个工厂的自动化；采用光纤以太网实现炉区L1（PLC、HMI服务器等）内部数据交换，实施对整个加热炉区的一级监控；通过100M/1000M以太网，实现HMI服务器同客户机之间的数据交换和实现加热炉区L1同炉区L2的数据交换；基础自动化网络：采用PROFIBUS-DP。

3 建设智能化烟气分析系统

智能燃烧除了实现节能以外，精确地控制废气中的CO和NOX排放也是此系统应用的重要目标，实现这个功能的工作主要包括：

3.1 搭建烟气分析系统

烟气分析系统是检测燃烧情况和坯料加热效果的辅助系统。在加热炉中搭建烟气分析系统的硬件设施，即在加热炉的取样管中连接3个烟道，这三个烟道分别设置在加热炉的不同燃烧控制段。原理上是通过对不同燃烧段CO/O2/NOx的浓度比检测计算得出坯料加热效果。为了提高设备检测准确性，可同时接入疏水接口并吹入氮气，以获得纯度较高的烟气，并将分析检测效果通过信息端口作为智能化燃烧控制的一个模块提供给系统。

3.2 新增一级空燃比优化模型控制功能

空燃比调节一般采用两个方法：

煤气压力：空燃比过剩系数由空气/煤气流量比控制来调节，并用煤气压力补偿进行修正。

煤气热值：空燃比过剩系数由空气/煤气流量比控制来调节，并用煤气热值补偿进行修正。

一级系统自动采用煤气热值及煤气总管压力的变化，利用系统的前馈控制功能自动修正煤气支管和空气支管的流量，另外系统在燃烧中自动调节空气和煤气的流量，可以精确修正空燃比。

4 结语

智能燃烧应用改造主要内容为新增加热炉二级控制模型系统，建立燃烧模型，优化烧钢工艺，自动调整设定炉温。根据燃烧胚料的类型不同以及在燃烧炉中的燃烧效果，及不用燃烧环境下的最佳燃烧效果并以构建的控制系统通过智能方式进行炉温控制，使蓄热式加热炉达到最优加热状态，从而改善钢坯的加热质量。新增巡检式烟气分析系统，自动调节空燃配比，通过系统对炉内气氛进行分析，并计算出空气过剩系数，根据当前煤气供入量自动调节空气用量，达到空燃比最优方案。重新编写加热炉一级燃控系统，使得二级模型系统下发的温度策略值能够稳定实现。并通过二级控制系统打通现有加热炉控制系统与公司MES系统的通信，实现加热炉控制系统与轧线控制系统和MES系统的互联互通。