杨伟
摘 要 马钢H型钢厂加热炉燃烧控制系统采用二级计算机控制系统。二级监控系统基于先进的最佳加热温度控制曲线数据库，采集并计算炉内坯料的实际温度，进行最佳燃烧控制。一级燃烧控制采用软件控制代替传统的仪表控制系统，实现温度自动控制、煤气／空气的交叉限幅控制。其控制水平、高效节能、灵活可靠诸方面均达到国际90年代初的先进水平。 关键词 最佳燃烧控制 温度控制 煤气／空气交叉限幅控制 The combustion control system for the reheating furnace of H-beam mill in Maanshan Iron and Steel Company Ltd
Yang Wei
(H-Beam Mill， Maanshan Iron and Steel Company Ltd Maanshan 243002)
Abstract The two level computer control system is adopted on the reheating furnace in H-Beam Mill of Magang Ltd. Based on the data base in which a quantity of the optimum he
ating curves are stored, the optimum combustion control is carried out comparing with the actual stock temperature that is calculated by mathematical model on-line. The control functions of the gas/air flow and temperature for each zone in the furnace are realized by software in level 1 system. The advanced world level earlier in the 1990s is reached by the system in the respects of the control technology, efficiency and energy saving, flexibility and reliability.
Key words optimum combustion control; temperature control; gas/air control in limitation by each other
1 加热炉控制系统概况 马钢H型钢轧机系统的步进式加热炉(用混合煤气作燃料，炉长31m，炉宽12.3m)控制系统是从美国ITAM公司引进的，其结构框图如图1所示。其中，监控计算机以COMPAQ PROLIANT 1000RM为主机，主要功能有炉料跟踪、钢温在线模拟、基于最佳加热曲线以及轧线停轧时间和出炉实际温度反馈诸因素的各段炉温自动设定、步进节奏控制和设置在操作室的显示画面提供对上述功能进行监视、实时修改。顺控PLC及其相应MMI主要完成加热炉区的液压系统控制，步进梁、进出料机及其炉门控制，入炉辊道传动，钢坯自动测 长与炉前自动定位，与轧线自动化控制系统的逻辑信号联锁等功能。燃控PLC及其相应MMI可根据来自监控计算机的燃烧指令实施最佳燃烧控制。在监控计算机离线时亦可独立完成加热炉燃烧控制功能。本文将就加热炉一、二级控制系统中相应的燃烧控制部分作一分析说明。
输电线路覆冰
图制动室1 加热炉燃烧控制系统结构框图
2 燃烧控制系统的主要功能及其结构
加热炉燃烧控制系统的主要功能有：燃烧控制；炉膛压力控制；助燃风机及空气压力控制；换热器保护控制。
燃烧控制系统可分为两级。二级为监控计算机系统，主要完成加热炉最佳燃烧设定控制；一级由西门子公司的可编程控制器S5-155U(C-PLC)和操作员工作站(MMI)COROS-LB及其
相应检测执行元件系统来完成其功能的。系统采用远程输入／输出组件ET-200，通过L2-DP数据通信网络来完成数据采集和设备驱动。
通过操作员工作站的20几幅画面可对炉内燃烧状况进行监视并进行相应操作。通常C-PLC接受来自监控计算机的温度设定值进行温控，亦可直接在MMI上人工设定温度进行控制。
助燃风机控制采用西门子SIMOVERT-MASTER交直交变频传动控制装置。燃烧控制系统共控制8个燃烧段，每段控制结构基本相同，其结构框图如图2所示。
图2 燃烧控制系统结构框图
加热炉炉膛温度的测量采用双支S型热电偶；热风温度测量采用单支K型热电偶；水温测量采用RTD热电阻。流量采用SS孔板，环室取压；煤气和其他介质流量采用SS孔板，法
兰取压。变送器为1151型智能变送器；执行器为带有电／气定位器的气动执行器。
3 燃烧监控(二级)系统
加热炉燃烧控制中的监控系统对于提高加热炉效率及其加热质量是必不可少的。其主要目的是使物料具有所要求的金属特性和热特性，且能量消耗、氧化和脱碳都控制在最小。系统针对坯料的钢种、进炉温度、产品尺寸及生产节奏确定最佳加热温度曲线，且在加热的动态过程中根据实际情况周期性修正设定值，以使实际的加热温度曲线和设定最大程度的吻合。
3.1 最佳加热温度曲线的确定
印第安笛 最佳加热温度曲线实际上是由静态的温度加热曲线和在实际控制中动态的修正以完成最佳加热温度控制的过程。在确定最佳加热温度曲线时，其控制要求呈多样性，诸如最大的产量、最小的燃料消耗、耐火材料和换热器的寿命、合适的出炉温度以及最小的脱碳和氧化铁皮损耗等等。显然，各种要求是有着互相制约的关系的，系统只能根据某种原则来进行最佳控制。
马钢H型钢加热炉燃烧系统采用了在确定的出炉温度前提下，对各控制段温度设定将使燃料消耗最少的原则。ITAM公司根据其长期的经验以及实验用加热炉所获得的各种参数及数据，对应于不同的钢种、入炉温度、坯料形状和尺寸范围，并考虑到不同的生产节奏，计
算出相应的最佳加热温度曲线，建立以上述各类变量为函数关系的数据库。
3.2 数学模型计算
在实际应用中，由于炉况、煤气热值、环境温度等诸多因素的影响，实际的加热温度曲线会因此而不断的动态调整，形成动态加热温度曲线，它将最大限度地和设定曲线吻合。因而，系统必须周期地采集坯料在相应控制区段的温度，以便对下一个设定值进行相应调整，从而达到实际意义上的最佳燃烧控制的目的。但是，炉内的钢坯温度仅仅靠热电偶检测是不足以反映钢坯的实际温度的。事实上钢坯温度是炉膛温度、坯料在炉内位置及时间、坯料形状、炉墙和炉顶结构、耐火材料特性、烧嘴特性、燃料特性、坯料钢种信息等诸因素的函数。其坯料钢种信息包括密度、热能吸收系数、含碳量、热传导温度、燃料热函温度。据此经过相应数学模型计算得出的钢坯在线温度将被系统作为钢坯相应的实际温度。
ITAM公司根据其长期的加热炉燃烧控制经验，使用了一个二维在线数学模型对坯料沿其步进方向移动时计算其横截面的温度分布。它主要包括下列几类计算：
.燃料的化学当量和废气平衡计算
对于炉内的每一控制区段都有相应的热输入。根据实际空气流量、燃料流量以及设定燃料
类型及其化学成分当量的数据，且考虑到从加热炉的均热区段贯穿全炉至入炉处的烟道方向的每个控制区段的废气流平衡，计算相应的由燃烧导致的废气流量和热流量。
.氧化和脱碳的计算
钢坯的氧化和脱碳现象的量化表述是坯料的氧化物的厚度和钢坯上下表面脱碳的深度，脱碳深度可以从钢坯的厚度角度来理解。氧化和脱碳分别以氧化层和脱碳层的形式动态扩散，系统用一组描述氧化和脱碳扩散动力学的微分方程同时解出氧化和脱碳的深度，其深度初始值一般设定为0。在方程中，炉压和钢种将作为其中的变量。
.加热炉和坯料的热交换计算
这主要基于炉内相应坯料的表面温度和炉内纵向相应位置温度的热交换。如果我们设想炉内是由许多温度元素在加热炉内部进行热量的传递交换，那么实际上，这些温度元素之间的热交换以及与相应坯料的热交换是不同的。各燃烧控制区段纵向相应位置的热电偶所采集的温度实际上是火焰、炉膛、炉顶、燃烧煤气和钢坯之间的热交换综合效应的反映。故可根据Stefan-Boltzmann辐射热交换定律得出在炉内温度元素i和钢坯j的热交换Fij为
Fij=Kij×(Ti4－Tj4)
因为热交换并不仅仅在机械物体上发生，在加热炉和坯料之间也存在着热传递和热导现象。
虽然对于相对于有效的热传递，此类现象的影响不大，但也必须考虑。式中Kij作为可调整常数，可在调试时确定。
.坯料内部温度计算
钢坯内部的热扩散过程可以用有限差分法解傅立叶差分方程的数学模型来描述：
免火再煮锅其中 K为物料的热传导系数；Cp为比热；D为钢的密度；t为时间；T为钢坯厚度方向的任意一点的温度；参数K和Cp是温度和钢种的函数。
坯料中的热扩散方程如下：
其中 x和y是把钢坯的横截面作为坐标系其中的任意一点。方程式有解的条件是：
时间t＝0时，温度T=T0eva母且0＜x＜hx；0＜y＜hy
其中 hx是坯料的厚度；hy是坯料的宽度。
工作台面 另外，由于上述各类因素所表征的炉况特性的实际性将使模型计算出的钢坯温度出现偏差。为了实时修正这个偏差，系统设置了温度自适应控制功能，即系统在钢坯出炉后经高压水除鳞和开坯机轧制一道次后由红外测温装置进行一次温度测量，该测量值送监控计算
机，经过对相应钢种的坯料一段时间测量后的统计计算，加之采集并考虑钢坯出炉至测温装置的时间因素，计算出钢坯实际出炉温度并和数学模型所计算的出炉温度比较得出修正值。当这种补偿经过一定量的统计分析后，系统将自动产生对应这个钢种的有效补偿数据而修正数学模型。
4 燃烧控制(一级)系统
马钢H型钢加热炉可分预热、加热、均热3个区域，8个燃烧控制段，采用平面烧嘴和火焰长度可调的直焰烧嘴。具体为预热段(顶部)4只，预热段(底部)4只；加热段(顶部)24只，加热段(底部)6只；均热段(左／右顶部)二段24只，均热段(左／右底部)二段6只。其每段控制回路均由软件实现，即采用西门子STEP5语言编程在S5-155U可编程控制器(C-PLC)协调完成各个燃烧控制回路的控制功能，且各段控制基本相同。
4.1 温度控制回路
各段的温度控制回路控制框图如图3所示。温度控制回路的温度设定可有二种方式，其一为远程设置，其二为本地设置。远程设置值来自监控计算机系统。本地设置值来自C-PLC相应的MMI跟踪站，由操作工根据需要和经验设定。但监控计算机仍然进行实际钢温和最佳加热曲线所设计的钢温温差计算，但仅作为显示，不参与控制。远程控制和本地控制通
过选择开关控制。
图3 温度控制结构框图
炉膛温度反馈通过双支热电偶采集后通过温度变送器直接输入C-PLC。其后的各种处理则均以软件完成。温度报警中可设定温度的上下限值，当此值达到并持续确定的时间，系统将使相应的煤气切断阀动作，停止供热。热电偶两路采集为可靠起见，操作工可通过检测切换来选择通路A或通路B或二者取高值者作为温度实际值。
系统根据远程给定或本地给定和基于采集的温度实际值进行相应的数学计算产生的钢坯实际温度的偏差而给出控制调节器的调节输出量。
4.2 煤气／空气交叉限幅控制
在通常的燃烧控制系统中，采用串级比值调节系统。温度调节器的输出直接作为空气流量调节控制器的给定，然后空气流量实际值除以空／燃比作为煤气流量调节控制器的给定。在稳态时，煤气量可按一定的空燃比跟随空气实际流量而动，但在动态时，如升温、降温等变化时，这种常规系统就无法保证煤气量仍按一定的空燃比随空气量变化而变化。
在马钢H型钢加热炉燃烧控制系统中，采用了软件实现交叉限幅控制方式来保证无论在动态还是稳态时，都能满足一定的空燃配比性能。
交叉限幅控制的基本原则是：升温时，空气先行；降温时，煤气先行。采用这种方式，使系统无论在稳态还是在动态时，都可获得较好的空燃比性能。同时由于没有过氧燃烧和缺氧燃烧而起到节能降耗的效果。从图4可见，系统通过高低选择器及其相应的空气和煤气实际反馈来完成升温空气调节先行，降温煤气调节先行的交叉限幅功能，达到控制目的。
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