一种蓄热式加热炉残氧含量自动控制系统及其方法.pdf

一种蓄热式加热炉残氧含量自动控制系统及其方法，属于加热炉燃烧控制技术领域。自动控制系统包括计算机终端、可编程控制器、调节阀、氧化锆分析仪和热值分析仪。加热炉燃烧段包括第一加热段、第二加热段和均热段3个段，氧化锆分析仪安装在各个段的顶部中间位置，热值仪安装在煤气总管入口前。在加热炉燃烧过程中，对3个段采用理论空燃比参与计算得到实际使用空燃比，采用氧化锆分析仪与热值分析仪相结合的控制方式，实现对炉膛内残氧含量的最优控制。本方法的优点在于，实现对煤气和空气流量调节阀的合理、准确和快速控制，有效地利用了调节阀的调节功能，实现了对加热炉炉膛内残氧含量的最优控制，节约了燃料，减少了污染。

权利要求书
1.  一种蓄热式加热炉残氧含量自动控制系统，其特征在于：系统包括PLC控制模块、 氧化锆分析仪(7)、热值仪(4)、加热炉、流量传感器(2)、温度传感器(6)、压力传感器 (1)和调节阀；
所述的调节阀由煤气调节阀(3)和空气调节阀(5)组成；每个煤气调节阀(3)和空 气调节阀(5)均与流量传感器(2)相连接；
所述的加热炉分为预热段、第一加热段、第二加热段和均热段；第一加热段、第二加热 段和均热段各安装氧化锆分析仪(7)、热值仪(4)、温度传感器(6)、压力传感器(1)；第 一加热段、第二加热段和均热段的上下部分各安装一套调节阀，第一加热段、第二加热段和 均热段的上下部分各安装一个温度传感器(6)；
PLC控制模块通过网络与氧化锆分析仪(7)、热值仪(4)、流量传感器(2)、温度传感 器(6)、压力传感器(1)及调节阀相连接；PLC控制模块通过氧化锆分析仪(7)和热值仪 (4)反馈的残氧含量信号、热值信号，以及各段煤气、空气的实际流量与炉膛各段的实际温 度、压力，对调节阀进行控制，达到合理的煤氧配比。

2.  一种蓄热式加热炉残氧含量自动控制方法，其特征在于：
步骤一、对加热炉中每组煤气和空气调节阀的调节阀人工设定一个煤气流量；
步骤二、加热开始后，各传感器及氧化锆分析仪、热值仪向PLC控制模块发送实时数据；
步骤三、PLC控制模块通过理论空燃比计算、烟气量计算、过剩空气系数计算和实际使 用空燃比计算，得出每组煤气与空气比例，并将煤气与空气控制流量数据发送给每组调节阀；
所述的理论空燃比计算：根据热值分析仪实际测量得出燃气的成分及比例，利用测量的 各成分与氧气反应的化学反应式，计算得出理论空燃比A0；
所述的烟气量计算：根据热值分析仪实际测量得出燃气的成分及比例，利用化学反应公 式计算得出理论烟气量和煤气流量的关系，根据烟气量实现炉膛压力的串级控制；
所述的过剩空气系数计算：μ＝μ0+Δμ+μo2；其中μ0是理论过剩空气系数，Δμ是 小流量过剩空气系数补偿，0.01≤Δμ≤0.016，μo2是残氧修正量；
空燃比计算：A＝Ao×μ；其中μ是过剩空气系数；
所述的残氧修正量为：其中O2.mv是氧化锆分析仪 的控制输出值，k1是贡献率，k2是增益系数，Bias是偏差补偿；
所述的实际使用空燃比计算：实际使用空燃比＝理论空燃比*过剩空气系数+残氧快 速补偿；
所述的残氧快速补偿＝(设定残氧值-残氧过程值)*残氧补偿系数。

3.  如权利要求2所述的自动控制方法，其特征在于：所述的k1的范围值为0.8≤k1≤0.9， 所述的k2的范围值为0.8≤k2≤1.0；所述的偏差补偿范围值为0.0≤Bias≤0.02；所述的残 氧补偿系数范围值为1.0<残氧补偿系数<1.08。

说明书一种蓄热式加热炉残氧含量自动控制系统及其方法
技术领域
本发明属于加热炉燃烧控制技术领域，特别涉及一种蓄热式加热炉炉膛内残氧含量自动 控制系统及其方法，一种基于氧化锆分析仪和热值仪结合计算空燃比来实现炉膛内残氧含量 最优的控制方法。
背景技术
加热炉是热轧生产线中重要的组成部分，其控制系统承担着为轧机提供合适温度钢坯的 重要任务。由于加热炉燃烧过程的复杂性、滞后性以及工艺设备的局限性，目前，加热炉燃 烧方式多采用蓄热式，其自动燃烧控制系统一直处于精度不高的状态。在提高加热炉温度控 制的精度时，炉膛内的残氧含量也相应的会受到影响，残氧含量过多会增加氧化铁皮的比例， 过少会使燃烧不充分，容易造成生产安全和大气污染。炉膛内残氧含量的范围受到煤气热值、 空燃比、炉膛压力和生产节奏等多种参数和工艺因素的影响，实际残氧含量的范围是加热炉 燃烧系统应用效果的一个重要指标。
对于加热炉燃烧这种大滞后的控制系统，目前最常用的方法是采用PID调节器来实现， 空燃比是燃烧系统的主要参数，空燃比的设定是通过人工实现的，通常也可以使用烟道中的 一个残氧值来修正空燃比，利用该空燃比来实现煤气和空气的合理使用，从而实现对加热炉 温度的控制作用。其空燃比的设定值是通过对煤气的采样计算得出，由设计和工艺提出的。 这种方法适用于用在热值较稳定的加热条件下，而实际上钢铁企业的煤气热值波动较大，给 工程上实际应用带来很大的难度，实际效果并不理想。在这种条件下，生产需要的实际使用 空燃比应该是实时变化的，同时由于温度控制系统的大滞后性，目前常用空燃比的确定方法 也需要进行一定的改善。
顾向涛同志提出的“蓄热式少氧化加热炉”专利主要讲述了蓄热式加热炉的一种少氧工 艺，其主要内容是设备和安装工艺，“少氧”工艺的实现主要是依靠烧嘴分层、喷嘴位置和氢 气气体保护等，该专利是依靠工艺设备来实现的。其主要目的是实现炉膛内的残氧含量尽量 少。本文提出利用氧化锆和热值分析仪，结合理论空燃比和实际空燃比的一些算法来实现炉 膛内残氧含量的最优控制，是保证炉膛内的残氧含量在工艺允许的范围内，控制功能主要是 依靠软件来实现的。与顾向涛同志提出的上述通过工艺设备实现的专利有明显区别，在发明 内容上有明显的不同之处。
发明内容
本发明的内容在于提供一种如何实现蓄热式加热炉炉膛内残氧含量最优的一种控制系 统及其方法。蓄热式加热炉残氧含量自动控制系统，系统包括：PLC控制模块、氧化锆分析 仪7、热值仪4、加热炉、流量传感器2、温度传感器6、压力传感器1和调节阀。所述的调 节阀由煤气调节阀3和空气调节阀5组成；每个煤气调节阀3和空气调节阀5均与流量传感 器2相连接。加热炉分为预热段、第一加热段、第二加热段和均热段。第一加热段、第二加 热段和均热段各安装氧化锆分析仪7、热值仪4、流量传感器2、温度传感器6、压力传感器 1；第一加热段、第二加热段和均热段的上下部分各安装一套调节阀。第一加热段、第二加热 段和均热段的上下部分各安装一个温度传感器6。PLC控制模块通过网络与氧化锆分析仪7、 热值仪4、温度传感器6、压力传感器1及调节阀相连接。PLC控制模块通过氧化锆分析仪7 和热值仪4反馈的残氧含量信号、热值信号，以及各段煤气、空气的实际流量与炉膛各段的 实际温度等参数，对调节阀进行控制，以达到合理的煤氧配比。
蓄热式加热炉残氧含量自动控制方法，包括如下步骤：
步骤一、对加热炉中每组煤气和空气调节阀的调节阀人工设定一个煤气流量；
步骤二、加热开始后，各传感器及氧化锆分析仪、热值仪向PLC控制模块发送实时数据；
步骤三、PLC控制模块通过理论空燃比计算、烟气量计算、过剩空气系数计算和实际使 用空燃比计算，得出每组煤气与空气比例，并将煤气与空气控制流量数据发送给每组调节阀；
所述的理论空燃比计算：根据热值分析仪实际测量得出燃气的成分及比例，利用测量的 各成分与氧气反应的化学反应式，计算得出理论空燃比；
所述的烟气量计算：根据热值分析仪实际测量得出燃气的成分及比例，利用化学反应公 式计算得出理论烟气量和煤气流量的关系，根据烟气量实现炉膛压力的串级控制；
所述的过剩空气系数计算：μ＝μ0+Δμ+μo2；其中μ0是理论过剩空气系数，Δμ是 小流量过剩空气系数补偿，μo2是残氧修正量；
空燃比计算：A＝Ao×μ；其中A0是理论空燃比，μ是过剩空气系数；
所述的残氧修正量为：其中O2.mv是氧化锆分析 仪的控制输出值，k1是贡献率，k2是增益系数，Bias是偏差补偿；
所述的实际使用空燃比计算：实际使用空燃比＝理论空燃比*过剩空气系数+残氧快 速补偿；
所述的残氧快速补偿＝(设定残氧值-残氧过程值)*残氧补偿系数。
其中，理论空气过剩系数μ0，由设计确定或由人工输入，1.06≤μ0≤1.18；小流量空气 过剩系数0.01≤Δμ≤0.016；A0理论空燃比为2.33:1，由设计或工艺提供；O2.mv是氧化 锆分析仪的控制器输出；系数k1、k2为经验值，0.8≤k1≤0.9；0.8≤k2≤1.0；偏差补偿0.0 ≤Bias≤0.02；设定残氧值，由操作人员设定；残氧过程值来自现场氧化锆分析仪；1.0<残 氧补偿系数<1.08。
在实现燃烧过程自动控制的同时，达到合理利用煤气，减少能源浪费和大气污染的效果。 特别对于蓄热式加热炉，并对第一加热段、第二加热段和均热段增加了氧化锆分析仪，采用 氧化锆分析仪和热值仪相结合，具有残氧含量信号和小流量修正信号参与控制的一种残氧含 量自动控制方法。在实际应用中，具体的氧化锆分析仪的安装位置见图1所示。
本发明的有益效果：
本发明是一套应用于蓄热式加热炉燃烧过程的自动控制系统，以煤气和空气流量调节阀 为控制对象，通过控制实际使用空燃比，实现炉膛内残氧含量参数最优的自动控制系统。本 系统从解决燃烧过程的自动控制入手，最终实现炉膛残氧含量的在最优范围内波动。提高了 加热炉煤气的利用率，减少了对环境的污染。
本方法始终关注加热炉炉膛内各段残氧含量的变化，按照当前的燃烧要求，精确地确定 参与燃烧的煤气流量和空气流量的合理范围，确定燃料和空气的合理配比，减少了钢坯的氧 化烧损和大气污染。
本发明重点实现燃烧过程炉膛内残氧含量的合理性，重点解决燃烧过程空燃比的自动实 现，最大限度地避免人为干预，减轻操作人员的工作强度。
附图说明
图1为本发明具体实施例的氧化锆分析仪的安装位置图。
图2为实际使用空燃比的程序逻辑控制图。
图3第一加热段、第二加热段和均热段的部件结构图。其中：1：压力传感器；2：流量 传感器；3：煤气调节阀4：热值仪；5：空气调节阀；6：温度传感器；7：氧化锆分析仪。
具体实施方式
本发明提出的一套应用于加热炉炉膛内残氧含量的自动控制方法，采用理论空燃比和氧 化锆分析仪来实现对实际使用空燃比的自动修正，下面以一个具体的加热炉为实施例，详细 说明对炉膛内残氧含量的控制过程。本实施例选用的是蓄热式、步进、混合煤气燃烧的加热 炉。该加热炉使用高、焦混合煤气作为燃料，其正常发热值:9630kj/m3，参考空燃比的比例 值2.33:1(空气量：煤气量)。加热炉分3个供热段，每个供热段分上、下两个部分，即包括 第一加热段上、第一加热段下、第二加热段上、第二加热段下、均热段上和均热段下。下面 详细说明整个实施过程的具体步骤。
1、安装控制系统的硬件、软件和现场设备：本方法以计算机编程终端和PLC设备为基 础，通过以太网络建立软件和硬件之间的通讯，实现对加热炉残氧含量以及其他现场设 备的有效控制。具体的实施步骤如下：
(1)安装控制系统软件：安装计算机编程终端的操作系统、西门子自动化编程软件和 监控软件。计算机编程终端采用研华工控机，操作系统为微软Windows XP SP3；编程软 件采用的是西门子Step 7 V5.4版本，编程软件用于对PLC控制系统进行PLC硬件组态和 编程；监控软件采用的是西门子Wincc7.0 SP2版，用于对工艺流程进行监控画面的组态。
(2)安装控制系统硬件：在PLC柜内安装与(1)中所述编程软件中配置的PLC硬件 类型和版本一致的模件和其他控制设备，完成柜内设备之间的硬线连接；对PLC模件进行 通道设置，选择输入、输出通道的信号类型，并做好记录，应用到编程软件。
(3)组态编程软件：在编程软件中完成对PLC硬件的相应组态，并且与(2)中实际 安装的PLC硬件的类型和版本一致；根据(2)中所述的PLC模件的通道设置、输入和输出 类型，对软件进行相应的配置，按照工艺要求完成控制系统的编程工作。
(4)组态监控软件：在计算机终端中，利用(1)中所述的监控软件进行工艺流程组 态，实现对现场设备的控制和参数显示功能。
(5)安装现场设备：包括现场的流量、压力、温度、热值仪、残氧分析仪和调节阀等 信号检测设备；实现现场设备与PLC柜内的端子正确连接。
(6)建立通讯网络：通过以太网络的连接，把(1)中所述编程软件、监控软件、(2) 中所述PLC模件和(5)中所述现场设备连接为一个控制系统，从而实现控制炉膛内残氧含 量所需的硬件和软件基础；设置以太网参数并选择通讯模式，采用ISO通讯方式进行通讯， 检测与PLC相连接的以太网实际连接线路。
(7)系统通讯：在现场设备安装完成后，根据控制系统的要求，实现(1)中所述编 程软件、监控软件、(2)中所述的PLC模件和(5)中所述现场设备之间的通讯功能，完成 对现场检测信号、编程软件与监控软件内部地址之间的对应关系。
2、系统参数组态过程：包括理论空燃比计算、烟气量计算、过剩空气系数计算和实际使 用空燃比计算，所述的计算过程在编程软件中实现，详细的步骤如下。
(1)理论空燃比计算：所述加热炉的设计空燃比为2.33:1(空气量：煤气量)。在本 实施例中，理论空燃比是实时变化的，是根据热值分析仪的成分及比例计算得出，利用CO、 H2和CH4等气体(以实际测量为准)的化学反应式计算得到所需氧气(空气)的体积，并 计算得出相应煤气量需要对应的空气量，即所述的空燃比，其范围为2.26≤理论空燃比≤ 2.38，并实时应用到上述PLC系统中。
(2)烟气量计算：根据热值分析仪实际测量得出燃气的成分及比例，利用化学反应式 计算得出理论烟气量和煤气流量的关系；根据实际空燃比计算得出实际烟气量；烟气量是实 时变化的，将烟气量与炉膛压力进行串级调节。
(3)过剩空气系数计算：μ＝μ0+Δμ+μo2；其中μ是过剩空气系数，μ0是理论过剩 空气系数，1.06≤μ0≤1.18；Δμ小流量过剩空气系数补偿，0.01≤Δμ≤0.016；μo2是 残氧修正量，-0.06≤μo2≤0.06。
(4)空燃比计算：A＝Ao×μ；其中A0是理论空燃比，μ是过剩空气系数。
(5)残氧修正量计算：其中O2.mv是残氧分析仪 的控制输出；K1是贡献率；K2是增益系数；Bias是偏差补偿。其中50是根据残氧分析控制 器的输出得到，已知该控制器的上、下限是70和30，由于(30+70)/2＝50；实际中，k1,k2设的都为0.86，Bias设为0.01。
(6)实际使用空燃比计算：实际使用空燃比＝理论空燃比*过剩系数+残氧快速补 偿。范围：2.27≤实际使用空燃比≤2.36，其中：-0.1≤残氧快速补偿≤0.1，残氧快速补偿 ＝(设定残氧值-残氧过程值)*残氧补偿系数。
3、组态调节阀参数：根据实际使用空燃比，对煤气和空气流量调节阀进行自动残氧含 量控制，并最终确定P、I参数和控制限幅的调节过程。其中1台煤气和1台空气调节阀为 一组调节阀，本实施例加热炉采用3段加热方式，每段分上、下两个部分，共6组调节阀。
(1)P和I参数：对每组煤气和空气调节阀的调节器，由人工设定一个煤气流量，根 据设定流量实现对残氧含量的过程控制；在实施时需要一个流量控制选择器，选择器是通过 画面的按钮来实现的。根据现场实际应用效果，最后确定煤气和空气调节阀P和I参数的范 围，在实际应用中，0.001≤P≤0.006，30≤I≤80。
(2)控制限幅：根据煤气流量过程值、空气流量过程值和调节阀位置反馈，结合工艺 确定煤气、空气控制器调节的上、下限值。煤气和空气的流量过程值是对测量流量进行温度 和压力补偿后得到。本实施例中，20.0≤煤气调节阀调节范围≤60.0，10.0≤空气调节阀调 节范围≤65.0。
(3)空燃比范围：根据实际使用空燃比对煤气和空气调节阀进行PID参数调节，实现 对实际使用空燃比的利用，并达到工艺所需的控制效果。在本实施例中实际使用空燃比的范 围为：2.27≤实际使用空燃比≤2.36。
(4)段内空燃比范围：对每个燃烧段的上段和下段分别进行空燃比的确定，同一段内 的空燃比采用比例算法。该比例关系可以在画面中自由修改，本实施例中限定为：0.99≤比 例值≤1.06。即下段空燃比＝实际使用空燃比*比例值，其中本实施例中的比例值＝1.01；上 段使用空燃比＝实际使用空燃比。
4、组态监控软件：监控软件能实现对PLC控制系统的控制和监视功能。在本实施例中， 在实现对残氧含量的控制时，需要在监控流程画面中组态以下内容：
(1)选择控制方式：有一个选择按钮用来选择调节阀的控制方式，即手动和自动的模 式切换；系统能够实现人工对P和I参数进行修改、调试，有一个按钮来实现对P和I的控 制模式选择，即参数投入或不投入模式。
(2)过剩空气系数：有一个选择按钮实现过剩空气系数的手动/自动模式切换，根据生 产节奏和所加热钢种等因素进行设定。画面中能够人工设定过剩空气系数，也能够自动设定 过剩空气系数。
(3)实际使用空燃比：有一个选择残氧投入空燃比的手动/自动切换按钮，有一个热值 投入空燃比的手动/自动切换按钮，有一个实际使用空燃比的数值显示窗口。
(4)热值仪控制模式：选择(3)中所述热值自动模式，则计算理论空燃比，使用理 论空燃比计算实际使用空燃比；否则选择手动模式，采用人工设定的空燃比作为实际使用空 燃比。
(5)氧化锆分析仪控制模式：选择(3)中所述残氧含量自动模式，依据设定残氧含 量和残氧含量过程值计算所需的修正量；否则选择手动模式，修正量为零。
(6)实际界面内容：显示的数据内容有煤气热值、理论空燃比、残氧过程值、残氧设 定值、实际使用空燃比和残氧快速补偿。