浅谈双交叉限幅在加热炉燃烧过程中的应用

浅谈双交叉限幅在加热炉燃烧过程中的应用

李成新

李成新

上海宝钢工业技术服务有限公司上海201900

摘要：在加热炉生产工艺系统中，燃烧控制是一个相当重要的环节，一方面要保证炉膛温度达到一定是数值，以满足炉内板坯轧制的要求，同时要考虑燃料的经济成本。本文简述某工业炉在技术改造项目过程中，升级采用的双交叉限幅控制系统，在加热炉燃烧过程中的成功应用。

关键词：双交叉限幅；加热炉；燃烧控制

1、加热炉改造前的工艺系统组成

某轧制厂配置3座步进式加热炉，燃烧采用为天然气为燃料，设计提供的技术数据其低发热数值为33.821MJ/m3，，，根据冷、热装钢条件及加热钢种的不同，板坯在炉膛的加热时间、加热曲线以及热平衡效应均不一样。该加热炉的有效长度为41.7米，设计分为4个工艺燃烧段，即：预热段、第1加热段、第2加热段、均热段。

加热炉上部采用大调节的平焰烧嘴与低NOx侧向烧嘴相结合的方式给加热炉供热，下部仅采用大调节的低NOx侧向烧嘴供热，这样确保了炉膛升温快、炉温均匀；燃烧火焰不直接冲刷炉料，氧化烧损少，而且有效利用炉底面积，增大了装钢容量。在各个控制段顶部和侧面分别设置两支S分度号的热电偶，两支热电偶同时工作，分别将检测信号送给控制系统，由于加热炉的燃烧控制系统能够进行炉温自动控制，能够充分满足炉子对不同钢种及产品的变化以及板坯长度方向不同温度的要求，可以对钢坯实现灵活有效的加热，其控制工艺系统组成如图1所示：（以1个控制段为例）

图1加热炉一般工艺流程图

改造前的加热炉燃烧自动调节采用单交叉限幅控制系统，主要包括热负荷、送风、引风三个调节回路。其中，燃料量和送风量的比例是影响燃烧经济性的主要因素。把加热炉炉膛温度加热到设计预定值，天然气作为加热炉的单一燃料，必须保证天然气的燃烧热值，因此，对天然气的流量控制是一个关键，如果天然气过剩，燃烧过程中多余的天然气会随燃烧尾气排放到大气中，而且多余的燃料容易在烟道内引起二次燃烧，甚至爆炸，既是一种危险又是一种浪费；如果天然气不足，则燃烧不能充分进行，无法使加热炉炉膛温度达到工艺设定值。为了防止不完全燃烧，保证动态过程中助燃空气始终有一定的裕量，原有系统设计采用单交叉控制（或称选择性控制）实现加负荷时燃料增加时风量同比例同时增加，减负荷时燃料减小时风量同时同比例减小。

从上不难看出，燃烧自动控制过程中，单交叉控制系统只有风量（助燃空气）对燃料（天然气）的限制，没有燃料对风量的限制；所以在生产过程中很容易出现助燃空气大大过剩，达不到最佳燃烧的效果。因此，为了保证风量始终有一定富裕量，又不至于风量过大造成热量损失。在升级改造过程中，系统采用双交叉限幅控制，即在风量调节回路中再增加一个低值选择器，在燃料回路中在增加一个高值选择器及必要的运算组件；以实现增加炉温设定值，先应加大助燃空气的流量，再增加天然气的流量；当减少炉温设定值时，先应减小天然气的流量，再减小助燃空气的流量。

2、双交叉限幅控制系统的组成

加热炉的燃烧双交叉限幅控制系统控制原理如图2所示：

图2双交叉限幅控制系统原理图

双交叉限幅系统的调节过程简述如下：

（1）正常工作时，温度调节器SP=PV，天然气和空气的流量调节器设定值均有温度输出值e决定。

（2）当检测温度PV小于温度调节器的设定值SV（升温、负荷增加）时，由于温度调节器为PID反作用式，故其输出值e大幅度增加；对天然气回路：在HS中，e与c进行比较，因为e＞c，故选e为输出；在LS中，e与a进行比较，因为e＞a，故选a为输出；此时a成为天然气调节器的设定值；对空气回路：由于e增加，e＞d，LS输出为d，又因为d＞b，所以HS输出为d，由d作为空气调节器的给定值；由此表明，升温时，天然气和空气同时取上限限幅值；随着温度的上升，e值逐渐变小，当温度上升到温度调解器的PV=SV时，双交叉限幅过程结束；

（3）当检测温度PV高于温度调节器的设定值SV（降温、负荷减小）时，其输出值e大幅度减小；对天然气回路：在HS中，e与c进行比较，因为e＜c，故选c为输出；在LS中，c与a进行比较，因为c＞a，故选c为输出，；此时c成为天然气调节器的设定值；对空气回路：由于e减少，e＜d，LS输出为e，又因为e＜b，所以HS输出为b，由b作为空气调节器的给定值；由此表明，降温时，天然气和空气同时取下限限幅值；随着温度的下降，e值逐渐增大，当温度上升到温度调解器的PV=SV时，双交叉限幅过程结束；

由图2可知，在各个控制段顶部（上部）和侧壁（下部）设置2支热电偶，将信号送至控制系统，每支热电偶的运算平均值在CRT上显示，通过选择其中一支热电偶的信号或者两支热电偶的信号的高选值进行燃烧控制，在加热炉改进型双交叉限幅全自动燃烧控制系统中，炉内部温度调节器输出信号，通过与温度设定值的偏差进行连续比例、积分、微分控制（PID控制），正常工作时，上部段和下部段的燃烧控制分别进行。在必要时，主—从控制系统将上部段的温度调节信号作为下部段温度回路的设定控制，下部段原有温度的检测值用来监视炉况；获将下部段的温度调节信号作为上部段温度回路的设定控制，上部段原有温度的检测值用来监视炉况，这样可以较好的协调上、下段燃烧供热平衡，使上下燃烧均匀。

在炉内坯料出现空缺的情况下，该部位炉段优先采用主—从控制；另一方面在操作过程中，炉温设定值增加时，温度调节输出增加，另外升温前由天然气流量经过比值计算得出助燃空气流量值，一路经过高值选择器，两者比较高值，使得空气调节阀的调节器输出值增大，从而使助燃空气流量调节阀开度加大，助燃空气流量增加。而另一路经过低值选择器，使天然气调节阀输出值仍保持原值，天然气流量调节阀不动作，即天然气流量暂不增加。反之，当加热炉炉内温度设定值减小时，天然气流量调节阀开度减小，而助燃空气流量暂不变化。这样实现了“升温时空气先行，降温时天然气先行”的控制要求。

双交叉限幅经历了燃料先行的比值或空气先行的比值调节系统、串级串联燃烧控制系统、串级并联燃烧控制系统、串级并联单交叉限幅燃烧控制系统四个发展阶段。它是以炉温调节回路为主环，天然气流量和空气流量调节为副环，构成串级并联双交叉限幅控制系统。双交叉限幅控制系统在负荷变化时，系统各参数变化，根据实测空气流量对天然气流量进行上、下限幅；而且还根据实测天然气流量对空气流量进行上、下限幅。在负荷增加或减小时，天然气流量和空气流量相互限制交替增加或减小，及时在动态情况下，系统也能保持良好的可燃比。

再分析有干扰作用的情况，假设天然气流量受到干扰增加时，天然气流量调节器输出值经过高值选择器，使空气流量随着增加，保证天然气充分燃烧；反之，当空气流量受到干扰增加时，由于低值选择器的作用，限制了天然气流量跟随增加。另外，为了使炉内绕处于最佳状态，在加热炉预热段设置氧气（O2）分析仪，检测废气中不完全燃烧的残留含O2量，含氧量系数（η）测量值经过转换处理后，送到每一个区段的燃烧控制回路来修正空燃比K，已实现更佳的燃烧工况。

3结束语：

双交叉限幅控制系统是在单交叉限幅设置燃料过剩冒黑烟界限限制的基础上增加了空气过剩界限限制的一种控制系统。双交叉限幅可消除单限幅空气过剩或减轻天然气流量，系统相互影响引起震荡的问题。具体表现为：双交叉限幅控制系统保证了加热炉主要燃料天然气在正常工况条件和异常工况波动条件下，都能稳定地与空气保持一定偏差范围里的比例，并以天然气流量为主控变量，以空气流量为从动变量，实现了燃烧过程的经济性和合理性，在降负荷时，空气过剩系数不会超过上限值；在升负荷时，空气过剩系数不低于防止冒黑烟的下限值，这样确保了燃烧过程中都在最佳燃烧区内进行，达到节能、完全燃烧、防止污染和提高成品质量。这一控制方法在改造后的热轧加热炉生产工程中运行平稳，效果良好。在其它工业炉，如热风炉、退火炉等均可采用类似的控制系统。

参考文献：

[1]李文涛；《过程控制》；科学出版社2012.2

[1]李忠虎；李希胜；《过程参数检测技术及仪表》中国计量出版社2009.1

[2]俆克军；马修水；李晓林；《传感器与检测技术》电子工业出版社2011.1

[3]薛兴昌；马竹梧；沈标正等《钢铁工业自动化-轧钢卷》冶金工业出版社2010.1

[4]何衍庆；《工业生产过程控制》第1版北京.化学工业出版社2004

[5]翁维勤；《过程控制系统及工程》北京.化学工业出版社2002.7

[6]戚翠芬；《加热炉》北京.冶金工业出版社2004.2

[7]戚翠芬；张树海；《加热炉基础知识与操作》北京.冶金工业出版社2005.3

[8]施仁；《自动化仪表过程控制》北京电子工业出版社2003