一種蓄熱式加熱爐殘氧含量自動(dòng)控制系統(tǒng)及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于加熱爐燃燒控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種蓄熱式加熱爐爐膛內(nèi)殘氧含 量自動(dòng)控制系統(tǒng)及其方法，一種基于氧化鋯分析儀和熱值儀結(jié)合計(jì)算空燃比來(lái)實(shí)現(xiàn)爐膛內(nèi) 殘氧含量最優(yōu)的控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 加熱爐是熱軋生產(chǎn)線中重要的組成部分，其控制系統(tǒng)承擔(dān)著為軋機(jī)提供合適溫度 鋼坯的重要任務(wù)。由于加熱爐燃燒過(guò)程的復(fù)雜性、滯后性以及工藝設(shè)備的局限性，目前，加 熱爐燃燒方式多采用蓄熱式，其自動(dòng)燃燒控制系統(tǒng)一直處于精度不高的狀態(tài)。在提高加熱 爐溫度控制的精度時(shí)，爐膛內(nèi)的殘氧含量也相應(yīng)的會(huì)受到影響，殘氧含量過(guò)多會(huì)增加氧化 鐵皮的比例，過(guò)少會(huì)使燃燒不充分，容易造成生產(chǎn)安全和大氣污染。爐膛內(nèi)殘氧含量的范圍 受到煤氣熱值、空燃比、爐膛壓力和生產(chǎn)節(jié)奏等多種參數(shù)和工藝因素的影響，實(shí)際殘氧含量 的范圍是加熱爐燃燒系統(tǒng)應(yīng)用效果的一個(gè)重要指標(biāo)。
[0003] 對(duì)于加熱爐燃燒這種大滯后的控制系統(tǒng)，目前最常用的方法是采用PID調(diào)節(jié)器來(lái) 實(shí)現(xiàn)，空燃比是燃燒系統(tǒng)的主要參數(shù)，空燃比的設(shè)定是通過(guò)人工實(shí)現(xiàn)的，通常也可以使用煙 道中的一個(gè)殘氧值來(lái)修正空燃比，利用該空燃比來(lái)實(shí)現(xiàn)煤氣和空氣的合理使用，從而實(shí)現(xiàn) 對(duì)加熱爐溫度的控制作用。其空燃比的設(shè)定值是通過(guò)對(duì)煤氣的采樣計(jì)算得出，由設(shè)計(jì)和工 藝提出的。這種方法適用于用在熱值較穩(wěn)定的加熱條件下，而實(shí)際上鋼鐵企業(yè)的煤氣熱值 波動(dòng)較大，給工程上實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)很大的難度，實(shí)際效果并不理想。在這種條件下，生產(chǎn)需 要的實(shí)際使用空燃比應(yīng)該是實(shí)時(shí)變化的，同時(shí)由于溫度控制系統(tǒng)的大滯后性，目前常用空 燃比的確定方法也需要進(jìn)行一定的改善。
[0004] 顧向濤同志提出的"蓄熱式少氧化加熱爐"專利主要講述了蓄熱式加熱爐的一種 少氧工藝，其主要內(nèi)容是設(shè)備和安裝工藝，"少氧"工藝的實(shí)現(xiàn)主要是依靠燒嘴分層、噴嘴位 置和氫氣氣體保護(hù)等，該專利是依靠工藝設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)的。其主要目的是實(shí)現(xiàn)爐膛內(nèi)的殘氧 含量盡量少。本文提出利用氧化鋯和熱值分析儀，結(jié)合理論空燃比和實(shí)際空燃比的一些算 法來(lái)實(shí)現(xiàn)爐膛內(nèi)殘氧含量的最優(yōu)控制，是保證爐膛內(nèi)的殘氧含量在工藝允許的范圍內(nèi)，控 制功能主要是依靠軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。與顧向濤同志提出的上述通過(guò)工藝設(shè)備實(shí)現(xiàn)的專利有明 顯區(qū)別，在
【發(fā)明內(nèi)容】
上有明顯的不同之處。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的內(nèi)容在于提供一種如何實(shí)現(xiàn)蓄熱式加熱爐爐膛內(nèi)殘氧含量最優(yōu)的一種 控制系統(tǒng)及其方法。蓄熱式加熱爐殘氧含量自動(dòng)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)包括：PLC控制模塊、氧化 鋯分析儀7、熱值儀4、加熱爐、流量傳感器2、溫度傳感器6、壓力傳感器1和調(diào)節(jié)閥。所述 的調(diào)節(jié)閥由煤氣調(diào)節(jié)閥3和空氣調(diào)節(jié)閥5組成；每個(gè)煤氣調(diào)節(jié)閥3和空氣調(diào)節(jié)閥5均與流 量傳感器2相連接。加熱爐分為預(yù)熱段、第一加熱段、第二加熱段和均熱段。第一加熱段、 第二加熱段和均熱段各安裝氧化鋯分析儀7、熱值儀4、流量傳感器2、溫度傳感器6、壓力傳 感器I ;第一加熱段、第二加熱段和均熱段的上下部分各安裝一套調(diào)節(jié)閥。第一加熱段、第 二加熱段和均熱段的上下部分各安裝一個(gè)溫度傳感器6。PLC控制模塊通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與氧化鋯 分析儀7、熱值儀4、溫度傳感器6、壓力傳感器1及調(diào)節(jié)閥相連接。PLC控制模塊通過(guò)氧化 鋯分析儀7和熱值儀4反饋的殘氧含量信號(hào)、熱值信號(hào)，以及各段煤氣、空氣的實(shí)際流量與 爐膛各段的實(shí)際溫度等參數(shù)，對(duì)調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，以達(dá)到合理的煤氧配比。
[0006] 蓄熱式加熱爐殘氧含量自動(dòng)控制方法，包括如下步驟：
[0007] 步驟一、對(duì)加熱爐中每組煤氣和空氣調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)閥人工設(shè)定一個(gè)煤氣流量；
[0008] 步驟二、加熱開(kāi)始后，各傳感器及氧化鋯分析儀、熱值儀向PLC控制模塊發(fā)送實(shí)時(shí) 數(shù)據(jù)；
[0009] 步驟三、PLC控制模塊通過(guò)理論空燃比計(jì)算、煙氣量計(jì)算、過(guò)?？諝庀禂?shù)計(jì)算和實(shí) 際使用空燃比計(jì)算，得出每組煤氣與空氣比例，并將煤氣與空氣控制流量數(shù)據(jù)發(fā)送給每組 調(diào)節(jié)閥；
[0010] 所述的理論空燃比計(jì)算：根據(jù)熱值分析儀實(shí)際測(cè)量得出燃?xì)獾某煞旨氨壤?，利?測(cè)量的各成分與氧氣反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)式，計(jì)算得出理論空燃比；
[0011] 所述的煙氣量計(jì)算：根據(jù)熱值分析儀實(shí)際測(cè)量得出燃?xì)獾某煞旨氨壤没瘜W(xué) 反應(yīng)公式計(jì)算得出理論煙氣量和煤氣流量的關(guān)系，根據(jù)煙氣量實(shí)現(xiàn)爐膛壓力的串級(jí)控制；
[0012] 所述的過(guò)剩空氣系數(shù)計(jì)算：μ = μ d+Δ μ + μ O2;其中μ ^是理論過(guò)?？諝庀禂?shù)， Δ μ是小流量過(guò)?？諝庀禂?shù)補(bǔ)償，μ 〇2是殘氧修正量；
[0013] 空燃比計(jì)算：A = AtjX μ ;其中Atl是理論空燃比，μ是過(guò)?？諝庀禂?shù)；
[0014] 所述的殘氧修正量為：//隊(duì)=(°2::5〇)χ< X夂+價(jià)仍；其中〇2.mv是氧化鋯分 ' 100 ' 析儀的控制輸出值，ki是貢獻(xiàn)率，k 2是增益系數(shù)，Bias是偏差補(bǔ)償；
[0015] 所述的實(shí)際使用空燃比計(jì)算：實(shí)際使用空燃比=理論空燃比*過(guò)?？諝庀禂?shù)+殘 氧快速補(bǔ)償；
[0016] 所述的殘氧快速補(bǔ)償=(設(shè)定殘氧值-殘氧過(guò)程值）*殘氧補(bǔ)償系數(shù)。
[0017] 其中，理論空氣過(guò)剩系數(shù)μ。，由設(shè)計(jì)確定或由人工輸入，1.06彡μ。彡1. 18 ;小流 量空氣過(guò)剩系數(shù)0.01彡Δ μ彡0.016 ;AQ理論空燃比為2. 33:1，由設(shè)計(jì)或工藝提供；O2. mv 是氧化鋯分析儀的控制器輸出；系數(shù)h、k2為經(jīng)驗(yàn)值，0. 8 < k 0. 9 ;0. 8 < k I. 0 ;偏 差補(bǔ)償0. 0 < Bias < 0. 02 ;設(shè)定殘氧值，由操作人員設(shè)定；殘氧過(guò)程值來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)氧化鋯分 析儀；I. 0〈殘氧補(bǔ)償系數(shù)〈1. 08。
[0018] 在實(shí)現(xiàn)燃燒過(guò)程自動(dòng)控制的同時(shí)，達(dá)到合理利用煤氣，減少能源浪費(fèi)和大氣污染 的效果。特別對(duì)于蓄熱式加熱爐，并對(duì)第一加熱段、第二加熱段和均熱段增加了氧化鋯分析 儀，采用氧化鋯分析儀和熱值儀相結(jié)合，具有殘氧含量信號(hào)和小流量修正信號(hào)參與控制的 一種殘氧含量自動(dòng)控制方法。在實(shí)際應(yīng)用中，具體的氧化鋯分析儀的安裝位置見(jiàn)圖1所示。
[0019] 本發(fā)明的有益效果：
[0020] 本發(fā)明是一套應(yīng)用于蓄熱式加熱爐燃燒過(guò)程的自動(dòng)控制系統(tǒng)，以煤氣和空氣流量 調(diào)節(jié)閥為控制對(duì)象，通過(guò)控制實(shí)際使用空燃比，實(shí)現(xiàn)爐膛內(nèi)殘氧含量參數(shù)最優(yōu)的自動(dòng)控制 系統(tǒng)。本系統(tǒng)從解決燃燒過(guò)程的自動(dòng)控制入手，最終實(shí)現(xiàn)爐膛殘氧含量的在最優(yōu)范圍內(nèi)波 動(dòng)。提高了加熱爐煤氣的利用率，減少了對(duì)環(huán)境的污染。
[0021] 本方法始終關(guān)注加熱爐爐膛內(nèi)各段殘氧含量的變化，按照當(dāng)前的燃燒要求，精確 地確定參與燃燒的煤氣流量和空氣流量的合理范圍，確定燃料和空氣的合理配比，減少了 鋼坯的氧化燒損和大氣污染。
[0022] 本發(fā)明重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)燃燒過(guò)程爐膛內(nèi)殘氧含量的合理性，重點(diǎn)解決燃燒過(guò)程空燃比的 自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，最大限度地避免人為干預(yù)，減輕操作人員的工作強(qiáng)度。
【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1為本發(fā)明具體實(shí)施例的氧化鋯分析儀的安裝位置圖。
[0024] 圖2為實(shí)際使用空燃比的程序邏輯控制圖。
[0025] 圖3第一加熱段、第二加熱段和均熱段的部件結(jié)構(gòu)圖。其中：1 :壓力傳感器；2 :流 量傳感器；3 :煤氣調(diào)節(jié)閥4 :熱值儀；5 :空氣調(diào)節(jié)閥；6 :溫度傳感器；7 :氧化鋯分析儀。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 本發(fā)明提出的一套應(yīng)用于加熱爐爐膛內(nèi)殘氧含量的自動(dòng)控制方法，采用理論空燃 比和氧化鋯分析儀來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際使用空燃比的自動(dòng)修正，下面以一個(gè)具體的加熱爐為實(shí)施 例，詳細(xì)說(shuō)明對(duì)爐膛內(nèi)殘氧含量的控制過(guò)程。本實(shí)施例選用的是蓄熱式、步進(jìn)、混合煤氣燃 燒的加熱爐。該加熱爐使用高、焦混合煤氣作為燃料，其正常發(fā)熱值：9630kj/m3,參考空燃 比的比例值2. 33:1 (空氣量：煤氣量）。加熱爐分3個(gè)供熱段，每個(gè)供熱段分上、下兩個(gè)部 分，即包括第一加熱段上、第一加熱段下、第二加熱段上、第二加熱段下、均熱段上和均熱段 下。下面詳細(xì)說(shuō)明整個(gè)實(shí)施過(guò)程的具體步驟。
[0027] 1、安裝控制系統(tǒng)的硬件、軟件和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備：本方法以計(jì)算機(jī)編程終端和PLC設(shè)備 為基礎(chǔ)，通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)建立軟件和硬件之間的通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)加熱爐殘氧含量以及其他現(xiàn)場(chǎng) 設(shè)備的有效控制。具體的實(shí)施步驟如下：
[0028] (1)安裝控制系統(tǒng)軟件：安裝計(jì)算機(jī)編程終端的操作系統(tǒng)、西門子自動(dòng)化編程軟 件和監(jiān)控軟件。計(jì)算機(jī)編程終端采用研華工控機(jī)，操作系統(tǒng)為微軟Windows XP SP3;編程軟 件采用的是西門子Step 7 V5. 4版本，編程軟件用于對(duì)PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行PLC硬件組態(tài)和 編程；監(jiān)控軟件采用的是西門子Wincc7.0 SP2版，用于對(duì)工藝流程進(jìn)行監(jiān)控畫面的組態(tài)。
[0029] (2)安裝控制系統(tǒng)硬件：在PLC柜內(nèi)安裝與（1)中所述編程軟件中配置的PLC硬 件類型和版本一致的模件和其他控制設(shè)備，完成柜內(nèi)設(shè)備之間的硬線連接；對(duì)PLC模件進(jìn) 行通道設(shè)置，選擇輸入、輸出通道的信號(hào)類型，并做好記錄，應(yīng)用到編程軟件。
[0030] (3)組態(tài)編程軟件：在編程軟件中完成對(duì)PLC硬件的相應(yīng)組態(tài)，并且與⑵中實(shí)際 安裝的PLC硬件的類型和版本一致；根據(jù)（2)中所述的PLC模件的通道設(shè)置、輸入和輸出類 型，對(duì)軟件進(jìn)行相應(yīng)的配置，按照工藝要求完成控制系統(tǒng)的編程工作。
[0031] (4)組態(tài)監(jiān)控軟件：在計(jì)算機(jī)終端中，利用⑴中所述的監(jiān)控軟件進(jìn)行工藝流程組 態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制和參數(shù)顯示功能。
[0032] (5)安裝現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備：包括現(xiàn)場(chǎng)的流量、壓力、溫度、熱值儀、殘氧分析儀和調(diào)節(jié)閥等 信號(hào)檢測(cè)設(shè)備；實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與PLC柜內(nèi)的端子正確連接。
[0033] (6)建立通訊網(wǎng)絡(luò)：通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)的連接，把（1)中所述編程軟件、監(jiān)控軟件、（2) 中所述PLC模件和（5)中所述現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接為