加熱爐燃燒控制技術分析

一、國內外燃燒控制發(fā)展情況

加熱爐是軋鋼生產企業(yè)中的主要耗能設備，盡量提高燃料利用率，是節(jié)能降耗需解決的主要問題。國內外冶金行業(yè)的燃料主要為焦爐、高爐混合煤氣及各單一煤氣，部分使用天然氣，個別小型軋鋼廠使用重油。計算機控制燃燒過程，就是在各種燃燒工況條件下，找到合理的最佳空燃比，使燃燒處于較佳狀態(tài)，從而提高爐溫控制精度，保證鋼錠以較快的速度達到出鋼溫度，節(jié)約能源，減少氧化燒損。

軋鋼加熱爐通常配備的是以模擬調節(jié)儀表為核心的控制系統(tǒng)。當燃料的熱值與壓力穩(wěn)定時，這種控制系統(tǒng)的控制效果還比較好，而對于燃料的熱值與壓力頻繁波動的情況，常規(guī)模擬儀表系統(tǒng)就難以達到預期目標，操作者必須經常通過“看火孔”去觀察火焰，調節(jié)空燃比以改善燃燒效果。這不僅給操作者帶來許多不便，而且靠人工隨時調節(jié)空燃比，很難跟蹤熱值變化的速度，加之加熱爐都需要按照加熱工藝曲線進行周期性的加熱，而爐子的特性是變化的，要使加熱爐實現(xiàn)*的節(jié)能運行還應該考慮到進料狀況（冷錠或熱錠）以及軋機故障待軋的運行狀態(tài)。對這些要求，模擬控制系統(tǒng)是難以實現(xiàn)的。

國外從20世紀70年代，我國從80年開始對加熱爐生產過程進行計算機控制技術的研究。隨著檢測設備、儀表、計算機水平的提高，90年代我國軋鋼企業(yè)配置計算機控制的連續(xù)加熱爐逐漸增多，并進行了不同程度的控制，由于各自的控制內容和使用情況不同，所得到的效果也不盡相同。目前國內在控制理論和關鍵技術方面的開發(fā)與*國家相比差距不是很大，但在真正的應用上與歐美、日本、前蘇聯(lián)等冶金技術較*國家相比差距較大。從20世紀90年代末國內許多老企業(yè)，都對加熱爐進行了計算機燃燒控制方面的改造，計算機幾乎全是選用進口的，檢測設備、儀表部分采用國產的，新上項目大部分是整套設備進口。

二、主要燃燒控制方法及應用

1、串級并聯(lián)雙交叉限幅控制燃燒

雙交叉限幅經歷了燃料先行的比值或空氣先行的比值調節(jié)系統(tǒng)、串級串聯(lián)燃燒控制系統(tǒng)、串級并聯(lián)燃燒控制系統(tǒng)、串級并聯(lián)單交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)四個發(fā)展階段。它是以爐溫調節(jié)回路為主環(huán)，燃料流量和空氣流量調節(jié)為副環(huán)，構成串級并聯(lián)雙交叉限幅控制系統(tǒng)。雙交叉限幅控制系統(tǒng)在負荷變化時，系統(tǒng)各參數(shù)變化，根據(jù)實測空氣流量對燃料流量進行上、下限幅，而且還根據(jù)實測燃料流量對空氣流量進行上、下限幅。在負荷增加或減小時，燃料流量和空氣流量相互限制交替增加或減小，即使在動態(tài)情況下，系統(tǒng)也能保持良好的空燃比。

串級并聯(lián)雙交叉限幅控制燃燒是儀表控制調節(jié)回路的基本方式，以前計算機水平較低、應用較少，比值調節(jié)、交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)都是作為獨立的控制單元?，F(xiàn)在大多是計算機參與控制，與氧化鋯殘氧分析儀、熱值分析儀、專家尋優(yōu)、模糊控制等一起使用，控制效果比過去單獨使用要理想。

2、氧化鋯殘氧分析法

采用電化學法，利用氧化鋯固體電解質做成的檢測器通過氧化鋯測量煙氣中氧含量的辦法，判斷爐內煤氣燃燒是否充分，它可以避免煤氣熱值和壓力波動或管道漏氣而影響配比控制。殘氧檢測數(shù)據(jù)被送到計算機用來參與閉環(huán)控制，反饋速度快。計算機算出空燃比實現(xiàn)串級并聯(lián)燃燒自動控制。但目前存在的主要問題是氧化鋯探頭價格昂貴，且使用壽命短。

1999年，合作濟南鋼鐵集團總公司（簡稱濟鋼）綠援項目加熱爐高效燃燒控制系統(tǒng)，即采用日本橫河ZO21D型氧化鋯殘氧分析儀在濟鋼中厚板廠兩座推鋼式加熱爐上使用，起到了節(jié)能降耗，減少有害氣體排放量，保護環(huán)境的目的。

3、用熱值分析儀測煤氣的熱值

熱值分析儀實際是一個小型燃燒爐，將經過預處理后的干凈煤氣引入，通過減壓閥減壓，進入陶瓷過濾器進行過濾，并經恒壓調節(jié)，至燃燒室與機柜內的小型助燃風機經恒壓調節(jié)后的空氣混合燃燒。微機利用熱電偶檢測的燃燒裝置溫度場的廢氣溫度，結合標定的系數(shù)和煤氣、空氣壓差計算出熱值及空燃比，將該信號輸出至參與燃燒控制的計算機或其它顯示儀。

熱值分析儀測得的數(shù)據(jù)較準確，但是熱值分析儀一次性投資費用大，煤氣清潔麻煩，維修量大。但隨著熱值分析儀技術水平的提高和價格的降低，熱值分析儀在國內外大型加熱爐上將進一步廣泛運用，成為空燃比的主流檢測設備。

4、利用高焦混合煤氣成分理論推測空燃比

高焦比值即高爐煤氣流量與焦爐煤氣流量之比。假設現(xiàn)測高焦比為7：3 （計算時忽略空氣中的水分），根據(jù)煤氣成分（主要含CO、H₂、CH₄）可計算出理論空燃比[1]：

L_{理論空氣需要量}：L_{混合煤氣量}＝1.77（m³/m³）

取空氣過剩系數(shù)為1.05，則：

L_{實際空氣需要量}：L_{混合煤氣量}＝1.77×1.05=1.86（m³/m³）

當混合煤氣高焦比為7：3時，空燃比為1.86。

理論計算空燃比采用的是高爐、焦爐煤氣混合前的數(shù)值，再考慮煤氣壓力變化、含水分、雜質等因素，所以理論計算的只是一個近似值。

實踐證明通過高焦比計算空燃比與其它幾種方法結合使用，反應快，省去了大量的尋優(yōu)時間。萊蕪鋼鐵股份有限公司軋鋼廠將高焦比混合煤氣成分理論推測空燃比與多目標專家尋優(yōu)算法兩種辦法相結合，應用在初軋均熱爐上，取得良好的控制效果。

理論計算空燃比不需添置設備，計算簡單，作為參考值來用經濟合算。高爐煤氣、焦爐煤氣流量可根據(jù)混合前的流量計實測。

5、多目標專家尋優(yōu)算法

控制思想是：在煤氣熱值、壓力等爐況不穩(wěn)定的狀態(tài)下，把影響燃燒的多個因素考慮進來，爐溫升溫速度合理（可能快或一般）,煙氣升溫速度合理（滿足一定范圍）,爐壓合理（滿足一定范圍）,熱風升溫速度合理（滿足一定的范圍），滿足所有這些條件的才是“最佳空燃比”。

當計算機燃燒控制系統(tǒng)開始運行時，選用當前控制加熱爐的平均空燃比值作為基值，“專家尋優(yōu)系統(tǒng)”根據(jù)爐溫、煙氣上下部溫度、爐壓、熱風等條件的變化尋找合適的空燃比?？杖急群线m時，升溫、保溫曲線良好，“專家尋優(yōu)系統(tǒng)”不運行，保持這個狀態(tài)，煤氣流量、熱風流量、爐壓不變；當煤氣熱值、壓力變化時，專家尋優(yōu)系統(tǒng)推理機根據(jù)數(shù)據(jù)庫內專家經驗，判斷煤氣加減方向及推算加減量，尋找到“最佳空燃比”。多目標專家尋優(yōu)算法的優(yōu)點是避免了使用氧化鋯、熱值分析儀，缺點是不如氧化鋯、熱值分析儀反饋時間快、數(shù)據(jù)準確。但尋優(yōu)算法的思路在燃燒控制方面已得到廣泛承認，并越來越多地應用于實踐。

6、模糊控制技術的應用

隨著模糊控制技術的不斷發(fā)展完善，越來越多的模糊控制技術應用到加熱爐的燃燒控制中。常用的是二維模糊控制器，即選用誤差、誤差變化率為輸入，一個輸出量。多維模糊控制器（三維及以上）除了誤差外，還增加了誤差變化率及誤差變化的變化率，從理論上講，控制會更加精細。但是，由于模糊控制器輸入維數(shù)增多，控制規(guī)則的選取越來越困難，相應的控制算法也越來越復雜。

濟鋼中板廠采用二輸入一輸出的模糊控制器求空燃比。以爐膛溫度的增量ΔΤ（ΔΤ=Τ_i-Τ_i-1）和上一周期的尋優(yōu)步長u_i-1為輸入，輸出是本次尋優(yōu)步長u_i。代入公式：

合適煤氣量=當前煤氣量+煤氣加減方向×系數(shù)×步長

采用變步長的尋優(yōu)方法，可以提高搜索速度、減少搜索損失。如果步長固定不變，步長小，則收斂速度慢，對于一些不可控擾動的響應就難以適應；步長大，則搜索損失增大，有時還會引起振蕩，無法收斂,這是應當避免的。當在離極值點較近處,反映在溫差上是變化率較小時,可采用小步長搜索。

日本住友鹿島制鐵所初軋均熱爐采用模糊控制器在線調整PID調節(jié)器的參數(shù)，即隨系統(tǒng)狀態(tài)的變化，對比例、積分、微分系數(shù)f_p、f_i、f_d進行調整。該方法與常規(guī)模糊調節(jié)器和常規(guī)PID調節(jié)器相比，具有較強的適應性和魯棒性。
　　采用PID調節(jié)器的參數(shù)f_p、f_i、f_d在線構成模糊控制器，輸出u_p(e)、u_i(e)、u_d(e)，實現(xiàn)在線修正PID調節(jié)器的三個主要系數(shù)。

　　f_p(n)、f_i(n)、f_d(n)分別為比例、積分、微分系數(shù)；f_p0、f_i0、f_d0分別為比例、積分、微分系數(shù)的初值；r_p、r_i、r_d分別是u_p(e)、u_i(e)、u_d(e)的權數(shù)；e(n)、j、e為不同時間的誤差向量；y(n)為PID調節(jié)器的輸出[2]。

三、加熱爐控制技術發(fā)展趨勢

燃燒控制的另一條最為理想的途徑是人工智能化直接監(jiān)測火焰性能控制燃燒的方法，類似人工燒鋼通過觀察火焰顏色判斷燃燒情況。但由于加熱爐爐膛很大，長30、40m以上，寬5m以上，是一個時變、分布參數(shù)非線性、大慣性延遲的控制系統(tǒng)，爐氣、鋼錠、墻壁之間的傳熱過程復雜且是非線性的，還有影響燃燒控制的許多不確定因素，目前沒有實用儀器來實現(xiàn)。近年來，隨著人工智能理論的發(fā)展和實用化，以及計算機技術的進步和檢測設備、儀表性能的提高，專家系統(tǒng)、模糊控制等技術正在加熱爐燃燒控制上得到越來越廣泛的應用。蒙特卡洛隨機思想以及量子物理浮點思想在自動控制方面也引起研究者們的高度重視，隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，隨機系統(tǒng)濾波與控制理論也將被應用于加熱爐計算機控制中.