型钢加热炉均热段燃烧控制优化_惠松磊.pdf

型钢加热炉均热段燃烧控制优化惠松磊，陈虎明，王军，魏杰，明国伟，杜建军（首钢长治钢铁有限公司轧钢厂，山西长治046031）摘要：针对首钢长治钢铁有限公司型钢加热炉不能自动控制温度的问题，经过深入调研，决定对均热段的燃烧控制采用双交叉限幅控制策略。实践应用表明：双交叉限幅控制系统投用以来，有效提升了钢坯的加热质量，煤气利用率大大提高，有效改善了废气的排放，实现了节能减排。关键词：均热段；串级控制；双交叉限幅控制；优化中图分类号：TP29文献标识码：A文章编号：1672-1152（2023）05-0179-030引言加热炉是钢铁生产企业中能耗很大的一种设备，它的任务是按照轧机的生产节奏将钢坯加热到轧钢工艺所要求的温度。钢坯的温度是通过控制加热炉的炉温来完成的，既要保证钢坯送往轧机进行轧制之前达到要求的轧制温度，避免由于钢坯温度不够导致轧机超负荷工作而受到损坏，也要避免钢坯发生过烧，从而导致钢坯加热质量下降，钢铁损耗增加。在目前钢铁行业严峻的形势下，提高加热炉的煤气燃烧控制质量势在必行。型钢加热炉为端进端出步进式连续加热炉，采用空气预热式加热系统，用高炉煤气和焦炉煤气的混合煤气作为燃料，炉体分为预热段、加热段和均热段三段。坯料到达入炉辊道指定位置后，由装钢机将坯料装入加热炉内，所有钢坯在加热炉中按照合适的间隔步距前进，直到出钢机将钢坯从加热炉内取出，放在出炉辊道上。1存在问题自首钢长治钢铁有限公司轧钢厂型钢车间投产以来，由于软件编程不完善等多种因素，加热炉的温度自动控制方式一直未能正常使用，操作工对煤气和空气的调节只能采用手动控制方式。采用手动控制方式时，由于温度信号只作为参考，不参与控制，操作工只能通过对阀门开度的调整来实现对炉子的温度控制，劳动强度大且效果不佳。2优化方案在加热炉燃烧控制系统中，以温度控制作为主回路，以煤气流量控制和空气流量控制作为副回路，前者为主要的控制目标，后者作为辅助。由图 1 可以看出，双交叉限幅控制在空气和燃料控制时各加入了 1 个高选器（）、1 个低选器（）以及偏置单元 K1、K2、K3和 K4。空气调节阀开度调整空气流量上限值 a、空气调节阀开度调整空气流量下限值b、燃料调节阀开度调整燃料流量下限值 c、燃料调节阀开度调整燃料流量上限值 d、温度控制器输出值 e为图中所示线路中的信号。当加热炉温度设定值远大于现场返回温度时，通过温度控制器的作用，它的输出 e 会急剧增大。空气回路中的低选器会选择 a，因为 e 很大，ea。空气回路的高选器再比较 a 和 b，a 比 b 要大，因此选择 a 作为空气控制器的设定值。在燃料回路中，由于 e 比 c和 d 都大，经过回路高选器和低选器的作用，选择 d作为燃料控制器的设定值。由此可见，当升温时，空气流量和燃料流量都增加并且都有上限限幅值，温度会缓慢上升，此时，e 逐渐减小，直到系统稳定，双交叉限幅调节过程结束。当加热炉温度设定值远小于现场返回温度时，温度控制器的输出 e 也会急剧减小，因此，e 比 a 和 b 都小。经过空气回路高选器和低选器的作用，选择 b 作为空气控制器的设定值。同理，在燃料回路中，e 比 c和 d 都小。经过燃料回路中高选器、低选器的选择，c作为燃料控制器设定值。需要加热炉温度下降时，空气流量和燃料流量都会减小，而且都有下限限幅值。温度逐渐降低，直至稳定，双交叉限幅调节过程结束。当加热炉温度设定值与现场返回温度差值不是很大时，温度控制器的输出 e 会处于 a 和 b 之间。这时候，经过空气回路高选器和低选器的作用，选择 e作为空气控制器的设定值。同理，在燃料回路中，e 处收稿日期：2022-12-27第一作者简介：惠松磊（1982），男，河南南阳人，本科，毕业于华北工学院，研究方向为电气设备升级改进。总第 208 期2023 年第 5 期山西冶金Shanxi MetallurgyTotal 208No.5，2023DOI:10.16525/14-1167/tf.2023.05.068图 1双交叉限幅燃烧控制系统炉温设定值空气燃料TTTCK3K4KeabFaTFaCK2K1cdKFfTFfC生产实践山西冶金E-mail:第 46 卷表 1上均热段部分软元件符号数据类型地址注释符号数据类型地址注释FT1101REALD1006上均热段空气流量FT1102REALD1008上均热段煤气流量FV1101REALD1084气动调节阀反馈TE110X_SPREALD2200上均热段温度设定值FV1102REALD1086气动调节阀反馈TE110X_PVREALD2202上均热段温度过程值TE1101REALD1400上均热段温度TE110X_AIRGASREALD2204上均热段温度空煤比TE1102REALD1402上均热段温度TE110X_MAN_INREALD2206上均热段温度手动输入TE1103REALD1404上均热段温度TE110X_AUTBOOLM2041上均热段温度手自动选择FT1102_FLOWREALD2310上均热段煤气流量FT1101_FLOWREALD2320上均热段空气流量FT1102_SPREALD2312上均热段煤气流量设定值FT1101_SPREALD2322上均热段空气流量设定值FT1102_PVREALD2314上均热段煤气流量过程值FT1101_PVREALD2324上均热段空气流量过程值FT1102_MAN_INREALD2214上均煤气流量手动输入FT1101_MAN_INREALD2224上均空气流量手动输入FT1102_OUTREALD2216上均煤气流量 PID 输出FT1101_OUTREALD2226上均空气流量 PID 输出FT1102_OUT_QREALD2218上均煤气流量 PQW 输出FT1101_OUT_QREALD2228上均空气流量 PQW 输出FT1102_AUTBOOLM2042上均煤气流量手自动选择FT1101_AUTBOOLM2043上均空气流量手自动选择于 c 和 d 之间，经过燃料回路中高选器、低选器的选择，e 作为燃料控制器设定值。此时，就是一个普通的串级控制系统。当现场返回的炉内温度发生变化时，温度控制器的输出也会发生相应的改变，但是温度控制器的输出并不直接作为燃料控制器或空气控制器的设定值，而是通过检测空气流量和燃料流量的实际值来相互交错地成为对方控制器的设定值。与一般的串级控制系统相比，燃料和空气控制器需要等待对方流量发生变化以后再进行对自己流量的控制，动态响应时间会相应增加，超调量则会有一定的减少。根据以上分析可知，双交叉限幅控制可以满足对加热炉燃烧控制的要求，因此，本次优化决定采用双交叉限幅燃烧策略。3工程实施3.1硬件由于本次优化是在原有的加热炉燃烧控制基础上进行的，而且原有的硬件已基本满足本次优化的所有要求，故本次优化不会对原有硬件做出修改。加热炉燃控系统使用三菱 Q 系列 PLC，CPU 采用Q12HCPU，采用 Q68ADI 模块收集现场压力、流量等信号，采用 Q64RD-G 模块收集现场水梁温度等热电阻信号，采用 Q64TDV-GH 模块收集现场炉温的热电偶信号，采用 Q68DAI 模块向现场调节阀发送控制信号。3.2软件上均热段部分软元件如表 1 所示；上均热段温度控制部分程序如图 2、图 3 和下页图4所示。空气流量 Air_Flow 除以空煤比，可得出理论煤气流量 Rat_Flow，理论煤气流量与煤气调节范围Fuel_Range 的比值乘以 100，可得出煤气调节阀理论开 度 Fuel_RangePer。理 论 开 度 Fuel_RangePer 与（1+K1）相乘，可得出煤气调节阀理论调节上限PerMulK1。理论开度 Fuel_RangePer 与（1-K2）相乘，可得出煤气调节阀理论调节下限 PerMulK2。均热段炉温调节输出开度 TIC_Out，先与 PerMulK1进行低选器比较，较小者为 Fuel_LSOut，Fuel_LSOut 再与 PerMulK2进行高选器比较，较大者为 Fuel_HSOut，即为煤气流量调节的设定值 FT1102_SP。煤气流量 Fuel_Flow 乘以空煤比，可得出理论空气流量，理论空气流量与空气调节范围 Air_Range的比值乘以100，可得出空气调节阀理论开度 Air_RangePer。图 3煤气流量设定值程序图 2双交叉限幅燃烧控制系统调用1802023 年第 5 期Optimization of Combustion Control in the Uniform Heating Section of a Section SteelHeating FurnaceHui Songlei,Chen Huming,Wang Jun,Wei Jie,Ming Guowei,Du Jianjun（Rolling Plant,Shougang Changzhi Steel Co.,Ltd.,Changzhi Shanxi 046031）Abstract:In response to the issue of the inability to automatically control the temperature of the section steel heating furnace at ShougangChangzhi Iron and Steel Co.,Ltd.,after careful investigation,it has been decided to adopt a dual cross limiting control strategy for thecombustion control of the soaking section.The practical application shows that the application of double cross limiting control effectivelyimproves the heating quality of billet,greatly improves the utilization rate of gas,effectively improves the exhaust gas emission,and realizesenergy conservation and emission reduction.Key words:soaking section;cascade control;double cross limiting control;optimization图 4空气流量设定值程序理论开度 Air_RangePer 与（1+K3）相乘，可得出空气调节阀理论调节上限 PerMulK3。理论开度 Air_RangePer与（1-K4）相乘，可得出空气调节阀理论调节下限PerMulK4。均热段炉温调节输出开度 TIC_Out，先与PerMulK4进行高选器比较，较大者为 Air_HSOut。Air_HSOut 再与 PerMulK3进行低选器比较，较小者为Air_LSOut，Air_LSOut 即为空气流量调节的设定值FT1101_SP。均热段下段的温度控制与上段类同。HMI 采用了 MCGS 软件作为监控软件。根据控制要求需要添加均热段温度控制画面，如图 5 所示。3.3调试3.3.1硬件调试由电工对炉顶高温区域的线路全部进行更换，由维修工对现场管路逐个进行清理更换。逐一对现场的空气和煤气调节阀以及反馈信号进行零点和满度调试，保证阀门动作正常，与给定阀位一致，并对阀门的反应速度进行测试，对不满足要求的阀门进行维修更换。3.3.2软件调试1）在现场的检测信号都返回正常后，首先将温度控制器和煤气、空气控制器都断开连接，并选为手动模式。先手动调节空气和煤气的流量，观察现场的流量情况，等现场情况稳定后，计算出空气和煤气的流量比例作为空煤比。2）将空气控制器选为自动，煤气控制器选为手动，调节煤气流量，观察空气控制器是否随煤气的流量变化做跟随调节，稳定以后，将上述过程反向，将煤气控制器选为自动，空气控制器选为手动，手动调节空气流量，观察煤气控制器是否随空气的流量做跟随调节，最后达到稳定。3）温度控制器选为手动，设置给定值，对比现场返回的热电偶测量温度值，观察输出值是否正常。4）将空气控制器选为自动，煤气控制器选为手动，观察空气控制器能否快速自动调节。等空气控制器稳定后，将煤气控制器选为自动，观察煤气、空气控制器是否能够正常自动调节。5）等煤气、空气控制器稳定后，将温度控制器的温度设置成现场返回温度，然后将温度控制器选为自动，等稳定后，逐步改变温度，观察温度是否可以正常调节。4结语双交叉限幅控制系统投入运行半年以来，有效提升了钢坯的加热质量。在煤气压力和热值都比较稳定的情况下，操作工只需设定好理想空煤比和目标温度，大大降低了操作频率，同时避免了人为操作因素造成的钢坯加热质量参差不齐的现象。此外，还大大提高了煤气的利用率，减少了煤气的消耗量，有效改善了废气的排放。（编辑：郭萍茹）图 5上均热段温度控制操作画面惠松磊，陈虎明，王军，等：型钢加热炉均热段燃烧控制优化181