加熱爐爐氣溫度精準(zhǔn)控制技術(shù)

鐘海斌

摘要：針對(duì)現(xiàn)有加熱爐爐氣溫度控制系統(tǒng)無法滿足生產(chǎn)的需要，本公文開了一種加熱爐爐氣溫度精準(zhǔn)控制方法，利用設(shè)置在加熱爐各個(gè)燃燒段處的流量孔板，先對(duì)煤氣以及空氣流量進(jìn)行精準(zhǔn)測(cè)控，得出實(shí)際的流量反饋;對(duì)目標(biāo)溫度、燃?xì)庠隽恳约翱杖急阮A(yù)設(shè)值這三個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控和修正，對(duì)溫度進(jìn)行控制，在整個(gè)控制過程中，幾乎不再需要操作者進(jìn)行人工干預(yù)，基本實(shí)現(xiàn)智能燃燒。

關(guān)鍵詞：加熱爐;溫度;調(diào)節(jié);燃?xì)?控制;流量孔

1.0 引言

目前加熱爐爐氣溫度控制多使用閥門開口度控制，通過煤氣調(diào)節(jié)閥的開口度控制煤氣流量。當(dāng)需要升溫時(shí)，則增加煤氣調(diào)節(jié)閥閥門開口度，同時(shí)等比增加預(yù)設(shè)空燃比的空氣閥門開口度;當(dāng)需要降溫時(shí)，則減少煤氣閥門開口度，同時(shí)等比降低預(yù)設(shè)空燃比的空氣閥門開口度。同時(shí)根據(jù)各個(gè)加熱段殘氧分析儀采集上來爐內(nèi)含氧量，適當(dāng)調(diào)節(jié)空氣閥門開口度，以便得到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的燃燒環(huán)境，避免煤氣浪費(fèi)或產(chǎn)生過多的氧化鐵皮。

然而在實(shí)際應(yīng)用中，由于各種原因，加熱爐使用的煤氣壓力并非一個(gè)穩(wěn)定值，由于煤氣壓力的波動(dòng)，在同一閥門開口度下流量波動(dòng)較大，最終導(dǎo)致進(jìn)入加熱爐內(nèi)部煤氣總量的波動(dòng)，因此造成溫度的不穩(wěn)定。另外，由于目前使用的殘氧分析儀技術(shù)尚未成熟，故障率較高，且精度受到煤氣質(zhì)量的影響波動(dòng)很大，因此無法實(shí)時(shí)提供高精度的準(zhǔn)確數(shù)值。最終各種不利因素的疊加，造成整個(gè)加熱爐溫度控制精度的震蕩。使得加熱爐溫度控制精度通常在±30℃到±50℃之間。而這一控制精度，無法滿足二級(jí)燃燒模型的要求，因此也會(huì)制約二級(jí)模型的投入使用。

這類控制系統(tǒng)存在兩個(gè)致命缺陷，一是當(dāng)煤氣壓力波動(dòng)較大時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)控制溫度的精度也會(huì)跟隨煤氣壓力的波動(dòng)而大幅度震蕩，且當(dāng)煤氣壓力低于某一個(gè)數(shù)值時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)將無法正常投入;二是當(dāng)殘氧分析故障時(shí)，直接導(dǎo)致因?yàn)槊簹馊紵怀浞侄斐蔁焽杳盁熁蛑伎諝饬髁窟^大，氧化鐵皮大量生成，甚至?xí)拐麄€(gè)控制系統(tǒng)崩潰，使得自動(dòng)燃燒系統(tǒng)無法正常使用。

而在整個(gè)使用過程中，需要操作人員時(shí)刻關(guān)注各種工況，相應(yīng)的調(diào)整參數(shù)過多，例如需要調(diào)節(jié)目標(biāo)溫度、空氣閥最小開度、燃?xì)忾y最小開度、空氣閥最大開度、燃?xì)忾y最大開度、空氣閥劃分等分、煤氣閥劃分等分、閥門調(diào)節(jié)時(shí)間間隔、空氣閥修正時(shí)間間隔、空氣閥每次修正量、空氣閥設(shè)定調(diào)節(jié)量等共計(jì)14個(gè)參數(shù)。而這些參數(shù)存在相互影響，因此一般操作人員很難快速熟悉并掌握。

針對(duì)上述情況，我們需要設(shè)計(jì)出一種新的控制方式，避開所有影響系統(tǒng)精度的因數(shù)，且便于操作人員操作，并快速掌握的新控制方式。

2.0、加熱爐爐氣控制方法

本控制方法分為三個(gè)部分：煤氣及空氣流量精準(zhǔn)控制、溫度精準(zhǔn)控制、快切閥自動(dòng)控制（可選項(xiàng)）。其中煤氣及空氣流量精準(zhǔn)控制是此控制方式的基礎(chǔ)和前提;溫度精準(zhǔn)控制是此方法的核心部分;快切法自動(dòng)控制是當(dāng)無法通過流量調(diào)節(jié)時(shí)，可以通過快切閥有規(guī)律的切換達(dá)到溫度的精準(zhǔn)控制。

最終目的需要實(shí)現(xiàn)操作簡單，溫度控制精準(zhǔn)，且不需要?dú)堁醴治鰞x干預(yù)（預(yù)留接口，當(dāng)殘氧分析儀能夠提供可靠數(shù)據(jù)時(shí)，可以直接介入控制）。

其具體做法如下：

2.1 煤氣及空氣流量的精準(zhǔn)控制：

因?yàn)樗屑訜釥t各個(gè)燃燒段的支管都會(huì)擁有流量孔板，用于檢測(cè)支管煤氣流量和空氣流量，因此，我們可以利用此流量，作為流量反饋，分別控制各個(gè)支管的煤氣調(diào)節(jié)閥和空氣調(diào)節(jié)閥。具體方法如下：

利用PLC的PID調(diào)節(jié)模塊，將目標(biāo)流量作為輸入值，將實(shí)際流量作為反饋值，而閥門的開口度作為輸出控制值，建立PID調(diào)節(jié)系統(tǒng)。當(dāng)目標(biāo)流量小于實(shí)際流量時(shí)，則系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉閥門開口度;當(dāng)目標(biāo)流量大于實(shí)際流量時(shí)，則系統(tǒng)自動(dòng)打開閥門開口度。根據(jù)不同閥門的特性，調(diào)節(jié)相應(yīng)的比例系數(shù)和積分時(shí)間，最終需要得到一條快速收斂的流量控制曲線（例如圖一）。

由圖一可知，利用這個(gè)方法，可以讓目標(biāo)流量與實(shí)際流量和閥門開口度有效的統(tǒng)一起來，讓其動(dòng)作近似統(tǒng)一成同一曲線，最終實(shí)現(xiàn)流量的精準(zhǔn)控制。這一步驟是整個(gè)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，兩條曲線越接近，則控制精度越高。

然而由于各個(gè)加熱爐使用閥門質(zhì)量參差不齊，有些閥門動(dòng)作不靈敏，因此會(huì)造成閥門開口度波動(dòng)較大，因此無法使得流量控制曲線快速收斂，因此我們可以增大PID調(diào)節(jié)的比例系數(shù)，即：使閥門動(dòng)作速度加快，讓流量快速收斂于一定比例的區(qū)域，而在這一區(qū)域內(nèi)可以使煤氣及空氣相對(duì)穩(wěn)定，利用加熱爐的大滯后特性，使得溫度趨于穩(wěn)定（如圖二）。

如圖二可知，利用這個(gè)方法，當(dāng)閥門精度不高或反應(yīng)不靈敏時(shí)，可以利用提高閥門動(dòng)作頻率的方法，讓閥門快速動(dòng)作，使目標(biāo)流量與實(shí)際流量有效的統(tǒng)一起來，讓其動(dòng)作近似統(tǒng)一成同一曲線，最終實(shí)現(xiàn)流量的精準(zhǔn)控制。此時(shí)閥門動(dòng)作會(huì)非常頻繁，因此，建議如果使用這一方法控制的閥門，最好為氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥。如果使用電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，會(huì)由于頻繁動(dòng)作，大幅度降低閥門的使用壽命。

2.2 溫度精準(zhǔn)控制：

要實(shí)現(xiàn)溫度精準(zhǔn)控制且操作簡單，首先我們需要把很多相互作用的變量固化下來，即做單一調(diào)整（例如，如果可以調(diào)節(jié)兩個(gè)變量中任意一個(gè)就能達(dá)到同一效果的，我們將固化其中一個(gè)，只允許調(diào)整另外一個(gè)），以便操作人員快速熟悉并熟練改控制系統(tǒng)的各種操作，避免過于復(fù)雜的操作影響操作工對(duì)系統(tǒng)的熟悉進(jìn)度。經(jīng)過整體研究，我們只設(shè)定了3個(gè)變量，即目標(biāo)溫度、燃?xì)庠隽?、空燃比預(yù)設(shè)值。操作工只需要修正著這三個(gè)量，即可實(shí)現(xiàn)溫度的精準(zhǔn)控制。同時(shí)預(yù)留空燃比預(yù)設(shè)值接口，當(dāng)殘氧分析儀如果能夠正常使用后，可以利用殘氧分析儀的參數(shù)，重新控制空燃比的預(yù)設(shè)值，從而達(dá)到精確燃燒的目的。

具體做法如下：

（1）、固化參數(shù)：需要固化的參數(shù)有各個(gè)煤氣支管的流量孔板能夠檢測(cè)到的最小煤氣流量、各個(gè)加熱段能夠燃燒的最大煤氣流量（即：當(dāng)煤氣流量大于最大流量后，由于該段煤氣無法完全燃燒，富余的煤氣和相應(yīng)增加的空氣將會(huì)帶著部分熱量，加熱爐溫度不升反降。）、保護(hù)煤氣燒嘴的最小空氣流量，每次調(diào)節(jié)時(shí)間間隔、煤氣增量倍數(shù)。

（2）、總體程序控制思路：首先得到精準(zhǔn)的煤氣流量及空氣流量，利用空燃比預(yù)設(shè)值計(jì)算出空氣目標(biāo)流量;然后判斷出當(dāng)前是需要升溫還是降溫，同時(shí)根據(jù)溫差判斷執(zhí)行什么速度的升降溫，然后再通過溫差的等級(jí)判斷使用升溫或者降溫的倍數(shù)，最后通過倍數(shù)與煤氣增量的乘積，通過每次調(diào)節(jié)時(shí)間的間隔，一次次的疊加到目標(biāo)煤氣量，最終實(shí)現(xiàn)溫度的精確控制。具體做法如下：

①判斷空燃比預(yù)設(shè)值，當(dāng)空燃比預(yù)設(shè)值在一個(gè)合理范圍內(nèi)，則執(zhí)行預(yù)設(shè)的空燃比;當(dāng)空燃比預(yù)設(shè)值超出范圍時(shí)，則空燃比預(yù)設(shè)值執(zhí)行預(yù)設(shè)的最大或最小值。其目的在于確保空燃比始終保持在一個(gè)合理的范圍內(nèi)，同時(shí)也為后期投入空燃比自動(dòng)控制預(yù)留接口，使得空氣及煤氣的比例不至于因?yàn)椴僮魇д`或者系統(tǒng)計(jì)算出錯(cuò)給出錯(cuò)誤空燃比，造成燃燒不充分，導(dǎo)致煙囪冒煙。

②計(jì)算空氣目標(biāo)值：為確保燃?xì)獾某浞秩紵?，我們使用煤氣目?biāo)值與空燃比的乘積得到理論空氣計(jì)算值;使用煤氣實(shí)際流量與空燃比的乘積得到實(shí)際空氣計(jì)算值;當(dāng)理論空氣計(jì)算值小于實(shí)際空氣計(jì)算值時(shí)，我們的空氣目標(biāo)值取實(shí)際空氣計(jì)算值;當(dāng)理論空氣計(jì)算值大于等于實(shí)際空氣計(jì)算值時(shí)，取理論空氣計(jì)算值。同時(shí)，當(dāng)空氣目標(biāo)值小于等于最小空氣流量時(shí)，取最小空氣流量。這樣既能確保煤氣充分燃燒，又能確保不會(huì)因?yàn)槟繕?biāo)煤氣流量太小，導(dǎo)致需要的空氣流量過下，造成燒壞燒嘴的故障。

③利用PID調(diào)節(jié)模塊，計(jì)算出精準(zhǔn)的煤氣及空氣流量，用于控制閥門。具體做法，詳見上文敘述的煤氣及空氣流量的精準(zhǔn)控制。

④進(jìn)行無擾動(dòng)切換：當(dāng)投入溫度自動(dòng)控制時(shí)，將當(dāng)前空燃比存入空燃比預(yù)設(shè)值、將煤氣增量默認(rèn)值存入煤氣增量、將實(shí)際煤氣流量和存入目標(biāo)煤氣流量和目標(biāo)煤氣流量計(jì)算值、將實(shí)際溫度存入目標(biāo)溫度，以避免因?yàn)槟繕?biāo)溫度與實(shí)際溫度差別較大產(chǎn)生煤氣流量的大幅度波動(dòng)。

⑤判斷當(dāng)前狀態(tài)同時(shí)確定升降溫倍數(shù)：首先根據(jù)當(dāng)前溫度與目標(biāo)溫度的差值判斷需要升溫還是降溫，同時(shí)標(biāo)志出狀態(tài)位（即升溫標(biāo)志或降溫標(biāo)志），當(dāng)溫差小于5℃大于2℃時(shí)使用一倍速增量升降溫;當(dāng)溫差小于10℃且大于等于5℃時(shí)，使用2倍速增量升降溫;當(dāng)溫差大于10℃時(shí)，使用3倍數(shù)升降溫;當(dāng)溫差小于2℃時(shí)，處于保溫狀態(tài)，維持閥門開度不變的狀態(tài)。由于加熱爐屬于一個(gè)大慣性、大滯后的控制系統(tǒng)，因此在整個(gè)控制過程中需要考慮控制慣性和滯后性，所以在在升溫或降溫過程中，我們需要根據(jù)各個(gè)爐子的實(shí)際狀態(tài)，設(shè)置溫度緩沖區(qū)域，當(dāng)溫度上升或下降到溫度緩沖區(qū)域后，提前終止燃?xì)饬髁康脑鰷p，利用加熱系統(tǒng)的慣性和滯后性，讓其達(dá)到或略超過目標(biāo)值，以便提高控制精度，同時(shí)能夠大幅度避免控制上的超調(diào)量，也為下一次調(diào)節(jié)提供一定的超前量。

⑥調(diào)節(jié)時(shí)間及煤氣增量計(jì)算：首先我們固定了調(diào)節(jié)時(shí)間，即系統(tǒng)只在固定的時(shí)間內(nèi)調(diào)節(jié)，這樣如果想加快調(diào)節(jié)速度，只需要增大煤氣增量即可，這樣可以避免為了調(diào)節(jié)速度既可以調(diào)節(jié)增量，又可以速度，導(dǎo)致操作工的理解出現(xiàn)混亂，不容易掌握。然后確定計(jì)算標(biāo)志。在判斷計(jì)算標(biāo)志前，需要判斷當(dāng)前煤氣流量與目標(biāo)煤氣流量的流量差，同時(shí)設(shè)置一個(gè)門檻差值（門檻值的設(shè)定一定要根據(jù)閥門特性設(shè)定）。當(dāng)煤氣流量差低于門檻值時(shí)，開始計(jì)算煤氣調(diào)節(jié)時(shí)間;當(dāng)煤氣差大于門檻值時(shí)，則說明閥門還未達(dá)到應(yīng)有開度，需要系統(tǒng)給予其動(dòng)作的時(shí)間。這樣既可以避免因?yàn)殚y門卡死或動(dòng)作不靈敏導(dǎo)致煤氣的給定流量與實(shí)際流量差值過大，造成系統(tǒng)崩潰，同時(shí)也便于操作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障閥門。此計(jì)算標(biāo)志必須是一個(gè)脈沖信號(hào)，當(dāng)滿足條件時(shí)只在一個(gè)掃描周期內(nèi)生效一次，以避免系統(tǒng)重復(fù)計(jì)算。第三，根據(jù)計(jì)算標(biāo)志，結(jié)合之前的升降溫標(biāo)志與煤氣增量進(jìn)行計(jì)算，每一個(gè)計(jì)算周期，系統(tǒng)自動(dòng)將當(dāng)前煤氣目標(biāo)值加上或減去煤氣增量，再賦給目標(biāo)值，以便達(dá)到調(diào)節(jié)煤氣目標(biāo)值的效果

⑦煤氣目標(biāo)值到達(dá)極限的處理：當(dāng)煤氣目標(biāo)值通過計(jì)算小于最小值或大于最大值時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警，此報(bào)警標(biāo)志可以用于HMI畫面，提示操作工目前系統(tǒng)已經(jīng)處于極限狀態(tài)，無法繼續(xù)調(diào)節(jié)。同時(shí)將預(yù)先設(shè)定好的極限值賦予目標(biāo)值，以避免系統(tǒng)出錯(cuò)，確保加熱爐的安全。

⑧爐溫的極速升降溫控制：當(dāng)需要極速升降溫時(shí)，可以根據(jù)爐況設(shè)置一個(gè)門檻值，當(dāng)溫差絕對(duì)值大于等于門檻值時(shí)，則判斷當(dāng)前狀態(tài)處于極速升降溫狀態(tài)，表明系統(tǒng)需要做快速升降溫的動(dòng)作。如果需要升溫時(shí)，則直接把煤氣最大流量賦給煤氣流量目標(biāo)值;如果需要降溫時(shí)，則把煤氣最小流量賦給煤氣流量目標(biāo)值，這樣就可以直接進(jìn)行升降溫的操作，避免再次通過修改目標(biāo)流量造成的系統(tǒng)延時(shí)，從而快速升降溫。

⑨加熱爐溫度超前控制：由于加熱爐控制屬于一個(gè)大滯后的控制系統(tǒng)，常規(guī)控制方式將會(huì)受到嚴(yán)重滯后。即：當(dāng)需要升溫時(shí)，煤氣用量增加，溫度緩慢上升，當(dāng)溫度沒有到達(dá)目標(biāo)值時(shí)，煤氣量會(huì)持續(xù)增加，溫度會(huì)繼續(xù)上升;當(dāng)溫度到達(dá)目標(biāo)值后，需要降低煤氣用量，而由于系統(tǒng)慣性，即使在緩慢降低煤氣用量時(shí)，溫度還需繼續(xù)小幅度上升后再降低。因此可見，在溫度即將到達(dá)目標(biāo)值后，有一定的煤氣增量屬于無效值，它不僅屬于浪費(fèi)的能源，還會(huì)增加控制系統(tǒng)的慣性。由此可見超前控制的必要性。加熱爐超前控制的思路具體為判斷當(dāng)前溫度曲線的狀態(tài)（即：處于升溫狀態(tài)還是降溫狀態(tài)），然后根據(jù)爐子溫度變化曲線分析出爐子的慣性溫度，再這個(gè)溫度時(shí)提前記錄煤氣流量值（我們定義為：溫度拐點(diǎn)煤氣流量），當(dāng)溫度上升或下降到溫度拐點(diǎn)（溫度拐點(diǎn)，即溫度曲線上的峰值）后，不需要通過計(jì)算，直接將溫度拐點(diǎn)流量送到煤氣目標(biāo)流量，提高控制效率。

至此，整個(gè)加熱爐溫度精準(zhǔn)控制已經(jīng)完成。

三、結(jié)論

柳鋼熱軋板帶廠2032生產(chǎn)線，一共三座加熱爐，其中1#爐投產(chǎn)時(shí)間為2005年，2#爐投產(chǎn)時(shí)間為2006年，3#爐投產(chǎn)時(shí)間為2009年。其中1#爐由于使用年限最長，且當(dāng)時(shí)出于成本考慮，各種設(shè)備均使用較差的品牌，因此工況最差，且所有調(diào)節(jié)閥均無閥位反饋。如果使用常規(guī)的控制方法，必須先更換所有閥門，然而由于種種原因，我們暫時(shí)無法更換所有閥門，因此新的控制方法孕育而生。經(jīng)過3年的研發(fā)，目前這套控制系統(tǒng)已經(jīng)基本成熟，均已經(jīng)在三座加熱爐投入使用，并成功配合二級(jí)燃燒模型運(yùn)行，已經(jīng)初步實(shí)現(xiàn)了智能燃燒控制。整個(gè)加熱過程中，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)基本無需人工干預(yù)的效果。