蓄熱式加熱爐自動控制系統(tǒng)

馬翠紅+王俊琦+孟凡偉

摘要：為了確定提高蓄熱式加熱爐的加熱質(zhì)量減少運行成本，保證蓄熱式加熱爐在較高的效率下工作，設計了一套自動化控制系統(tǒng).本文首先介紹了蓄熱式控制技術(shù)，然后分別設計出蓄熱式加熱爐燒嘴燃燒控制方案、燒嘴換向控制方案、爐膛壓力控制方案，最后采用PID控制算法并對爐溫控制系統(tǒng)進行仿真，仿真結(jié)果表明，蓄熱式加熱爐自動控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好、溫度調(diào)節(jié)準確、響應快速，能夠使蓄熱式加熱爐穩(wěn)定且高效的工作。

關(guān)鍵詞：加熱爐；蓄熱式燃燒技術(shù)；自動控制系統(tǒng)

0 引言

隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，國內(nèi)外鋼鐵企業(yè)之間的競爭愈演愈烈，對能源的需求與日俱增，其中冶金工業(yè)消耗了大量能源，同時也浪費了大量能源，采用先進的控制方法和燃燒技術(shù)，在降低能耗的同時提高產(chǎn)品質(zhì)量，對我國冶金工業(yè)的發(fā)展極其重要[1]。蓄熱式加熱爐是基于蓄熱式燃燒技術(shù)的大型加熱設備，目前蓄熱式加熱爐普遍應用在我國冶金工業(yè)的加工生產(chǎn)工序之中[2]。

蓄熱式加熱爐是應用于冶金工業(yè)的一種新型的加熱爐，具有高效燃燒、回收利用煙氣及低二氧化碳排放等優(yōu)點[3-4]。加熱爐能否穩(wěn)定運行不僅會影響鋼坯的加熱質(zhì)量和效率，還會對鋼板的成材率造成影響。作為軋制生產(chǎn)中的重要環(huán)節(jié)，采用先進的控制方法和燃燒技術(shù)，提高其自動控制系統(tǒng)性能，降低能耗提高產(chǎn)品質(zhì)量，對我國鋼鐵企業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義。

1 蓄熱式控制技術(shù)

蓄熱式加熱爐自動控制系統(tǒng)主要分為三個部分，即爐膛溫度控制部分、燒嘴換向控制部分以及爐膛壓力控制部分。其中爐膛溫度控制部分一般通過控制爐內(nèi)燒嘴的燃燒來實現(xiàn)。加熱爐自動控制系統(tǒng)的設計理念是通過選用合適的控制算法和策略，使加熱爐內(nèi)燃氣能夠最大程度的實現(xiàn)充分燃燒，并能夠控制加熱溫度快速精準的達到設定值[5]。在我國的冶金行業(yè)中蓄熱式加熱爐的控制算法主要為PID控制，它的控制優(yōu)點是能夠精確快速的達到控制要求，且控制系統(tǒng)較為穩(wěn)定，但是當出現(xiàn)較大的干擾及出現(xiàn)突發(fā)狀況時，控制效果并不是很理想[6]。由于目前控制技術(shù)領域的發(fā)展還不夠完善，所以蓄熱式加熱爐的自動控制系統(tǒng)還需要更加仔細的研究。

2 設計方案

2.1 燒嘴燃燒控制方案

加熱爐燒嘴燃燒方案選用脈沖燃燒控制方案，采用獨立脈沖燃燒和時序脈沖燃燒二者相結(jié)合的方法，燒嘴獨立脈沖燃燒，它主要的控制方式是通過一定的計算，得到該區(qū)域的熱需求量，應用脈寬調(diào)制技術(shù)來調(diào)節(jié)系統(tǒng)加熱燃燒的占空比，進而控制燒嘴的燃燒時間。燒嘴時序脈沖燃燒，就是每過一定的時間間隔，控制全爐的燒嘴按事先設定順序依次打開。

2.2 燒嘴換向控制方案

燒嘴換向控制方案，采用全分散換向控制策略，換向模式為時序隊列式換向控制與定溫換向控制以及手動換向控制相結(jié)合的方式。此控制方案的操作流程為：當蓄熱式加熱爐正常加熱運行時，此控制方案將燒嘴按照事先設定的順序依次進行換向；當燒嘴的排煙側(cè)溫度高于設定值上限時，強制控制系統(tǒng)完成換向動作，當排煙側(cè)溫度恢復到設定值范圍內(nèi)時，系統(tǒng)則恢復到正常的換向狀態(tài)；當加熱爐切換到手動控制狀態(tài)時，系統(tǒng)可由人工操作進行換向。其換向模式選擇示意圖如圖1所示，其中手動換向的優(yōu)先級最高。

2.3 爐膛壓力控制方案

爐膛壓力的控制結(jié)構(gòu)較為簡單，可以設計為負反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖2所示，采用PID控制策略，通過調(diào)節(jié)PID參數(shù)來控制引風機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對爐膛壓力的控制。

3 蓄熱式加熱爐控制算法仿真

蓄熱式加熱爐溫度控制系統(tǒng)是一個比較復雜的自動控制系統(tǒng)，控制設計時可以采用具滯后環(huán)節(jié)的線性模型來表示，經(jīng)查閱資料得出，溫度控制系統(tǒng)的模型可以用二階延遲系統(tǒng)來近似表示。某蓄熱式加熱爐爐溫控制系統(tǒng)模型簡化后的傳遞函數(shù)為[7]：

采用PID控制算法并對傳遞函數(shù)在單位階躍響應下進行仿真，用Ziegler-Nichols整定方法對溫度控制系統(tǒng)模型的PID參數(shù)進行整定。次方法利用Simulink軟件仿真得到單位階躍響應曲線，得到S型曲線，在轉(zhuǎn)折點處作切線，得出切線方程：

得到放大系數(shù)、時間常數(shù)和延遲時間。，已知K、T、L，由表1，能夠分別計算出PID控制器在PID控制下的比例放大系數(shù)KP、微分時間常數(shù)T和積分時間常數(shù)Ti的值[8]。

通過Simulink仿真出溫度控制系統(tǒng)在PID控制時的單位階躍響應曲線如圖3所示，此時的PID參數(shù)為 。

4 結(jié)論

本文根據(jù)蓄熱式控制技術(shù)工作原理，采用基于脈沖燃燒控制方式的PID控制策略。并在此基礎上設計了燒嘴燃燒控制方案、燒嘴換向控制方案以及爐膛壓力控制方案，最后通過Simulink軟件對PID控制算法進行仿真，結(jié)果表明，該蓄熱式加熱爐自動控制系統(tǒng)穩(wěn)定性好、溫度調(diào)節(jié)準確、響應快速，能夠使蓄熱式加熱爐高效穩(wěn)定的工作。在資源緊張、大氣污染日趨嚴重的今天，蓄熱式加熱爐自動控制系統(tǒng)的研究及應用具有特別重大的意義。

基金項目：國家自然科學基金資助項目（編號：61171058）

參考文獻

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[8] 王正林，王勝開，陳國順等. MATLAB/Simulink與控制系統(tǒng)仿真[M].第2版.北京：電子工業(yè)出版業(yè)，2008：223-228.

作者簡介

馬翠紅：1960年生，女，漢族，河北唐山人，碩士生導師，教授. 主要研究方向：復雜工業(yè)系統(tǒng)的建模與控制.

通訊作者 王俊琦：男，漢族，河北唐山人，碩士研究生。endprint