步進(jìn)式軋鋼加熱爐燃燒控制參數(shù)優(yōu)化的研究

摘 要：軋鋼企業(yè)要求加熱爐在較低的燃燒消耗和環(huán)境污染下把鋼坯按指定加熱周期加熱到所需溫度，因此優(yōu)化加熱爐的燃燒控制是步進(jìn)式加熱爐溫度控制的重要環(huán)節(jié)。本文以馬鋼H型鋼加熱爐（異型坯）為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了加熱爐燃燒控制參數(shù)優(yōu)化的方法，并以現(xiàn)場(chǎng)加熱爐的數(shù)學(xué)模型為研究對(duì)象，通過MATLAB的仿真和實(shí)際生產(chǎn)分析對(duì)比，結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的燃燒參數(shù)優(yōu)化PID溫度控制器性能得到明顯改善，同時(shí)減少了燃料消耗和環(huán)境污染，對(duì)優(yōu)化加熱爐的控制具有指導(dǎo)性意義。

關(guān)鍵詞：步進(jìn)式加熱爐；MATLAB；交叉雙限幅；PID參數(shù)優(yōu)化

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.15.055

馬鋼H型鋼步進(jìn)式加熱爐，其最大坯料加熱能力是160 t/h。加熱爐有2臺(tái)PLC（順序控制PLC和燃燒控制PLC）和2臺(tái)MMI組成，分別為SIEMENS公司的SIMATIC S7系列PLC與MMI人機(jī)界面系統(tǒng)，PLC與MMI之間采用H1網(wǎng)通訊。燃燒控制PLC主要完成加熱爐的燃燒控制功能，包括燃料流量控制和爐溫設(shè)定控制、空燃比交叉限幅控制、爐膛和助燃風(fēng)機(jī)壓力控制、換熱器保護(hù)控制等功能。馬鋼H型鋼加熱爐為三段式加熱方式，分別為預(yù)熱段、加熱段、均熱段，加熱爐燃燒控制有8個(gè)燒嘴，分別采用可調(diào)的直焰燒嘴和平面燒嘴。H型鋼加熱爐的順序控制主要完成加熱爐區(qū)域的0#液壓系統(tǒng)控制、ITAM步進(jìn)梁和爐門升降控制、變頻入爐輥道傳動(dòng)控制、異型鋼坯測(cè)長與定位等功能。

1 交叉限幅燃燒控制

H型鋼步進(jìn)式加熱爐當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)，加熱爐內(nèi)助燃空氣流量與混合煤氣（焦?fàn)t煤氣和高爐煤氣）流量的變化會(huì)發(fā)生互相制約，在燃燒過程中，焦?fàn)t煤氣和高爐煤氣的熱值參與空燃比的修正，從而確保溫度調(diào)節(jié)過程中加熱爐內(nèi)達(dá)到最優(yōu)燃燒狀態(tài)。雙交叉限幅燃燒控制方式優(yōu)點(diǎn)是能夠有效地抑制助燃空氣與混合煤氣的燃燒比值變化，提高加熱爐的加熱效率，減少有害氣體對(duì)外排放，對(duì)環(huán)境保護(hù)十分有利。但燃燒控制工藝對(duì)加熱爐溫差要求較高。加熱爐雙交叉限幅的基本原理是：加熱爐溫度升高時(shí)，助燃空氣先行；加熱爐需要降溫時(shí)，混合煤氣燃料先行。采用上述方法，使加熱爐系統(tǒng)無論處于穩(wěn)態(tài)或動(dòng)態(tài)時(shí)，都能夠獲得較好的空燃比，同時(shí)解決了加熱爐長期存在的過氧和缺氧燃燒的現(xiàn)象，提高加熱爐節(jié)能降耗效果[1]。馬鋼H型鋼加熱爐系統(tǒng)通過高通、低通選擇器和相應(yīng)的空氣和燃料流量反饋，及時(shí)完成加熱爐溫度升高時(shí)空氣調(diào)節(jié)器先行動(dòng)作，加熱爐降溫時(shí)煤氣調(diào)節(jié)器先行動(dòng)作的交叉限幅功能，使得加熱爐溫度達(dá)到有效的控制[2]。

2 H型鋼加熱爐模型

加熱爐是一個(gè)大慣性、純滯后的對(duì)象，一般采用一階慣性環(huán)節(jié)和延遲環(huán)節(jié)來近似模擬加熱爐的模型，可得加熱爐的傳遞函數(shù)，如式（1）所示：

3 參數(shù)優(yōu)化

3.1 調(diào)節(jié)器選擇

選用PID控制器用于主回路上對(duì)爐溫進(jìn)行調(diào)節(jié)的溫度調(diào)節(jié)器，PI控制器用于副回路上對(duì)燃料流量進(jìn)行調(diào)節(jié)的燃料調(diào)節(jié)器，PI用于副回路上對(duì)空氣流量進(jìn)行調(diào)節(jié)的空氣調(diào)節(jié)器。對(duì)于控制系統(tǒng)的性能分別起調(diào)節(jié)作用，所以調(diào)節(jié)器的選用以及參數(shù)的最優(yōu)設(shè)定直接關(guān)系到控制系統(tǒng)的性能。

3.2 主回路調(diào)節(jié)器整定

溫度控制回路為主回路，此控制器采用PID調(diào)節(jié)器，加熱爐可用一階慣性環(huán)節(jié)和一個(gè)延遲環(huán)節(jié)來近似，這樣可得到模擬部分各個(gè)環(huán)節(jié)組成的傳遞函數(shù)式，如式（1）所示。通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，馬鋼H型鋼加熱爐的傳遞函數(shù)如（2）所示。可采用Ziegler-Nichols整定公式進(jìn)行計(jì)算確定，式中T時(shí)間常數(shù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定為600，τ延遲時(shí)間現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得為20，K比例系數(shù)選為1，由此可計(jì)算得到=36，=40，=10，因所處環(huán)境的不同，這一計(jì)算結(jié)果在仿真過程中并不能達(dá)到很好的效果，可以通過在仿真過程中對(duì)， ，參數(shù)取不同的數(shù)值時(shí)進(jìn)行比較，選取一組能夠滿足工作的參數(shù)作為PID最優(yōu)控制參數(shù)。

3.3 系統(tǒng)仿真

在MATLAB仿真環(huán)境下建立燃燒系統(tǒng)的仿真模型圖，仿真模型主要有三大部分組成：以溫度控制為主回路的PID調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)，以燃料流量控制為副回路的PI調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)和以空氣流量為副回路的PI調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)。

設(shè)定階躍信號(hào)的初值給定值為0，溫度給定值為20，而回路中的反饋比例為0.2，最終應(yīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)的流量值為100。在調(diào)節(jié)過程中，由于內(nèi)環(huán)是燃料和空氣回路，燃料和空氣回路是隨動(dòng)系統(tǒng)，燃料流量和空氣流量由于外界環(huán)境以及氣壓的變化容易引起波動(dòng)，使輸出信號(hào)也不斷波動(dòng)，而微分在信號(hào)開始改變時(shí)起作用，容易引起震蕩，因此將微分值定為零，那么燃料調(diào)節(jié)器就為PI調(diào)節(jié)器。

4 爐溫檢測(cè)與分析

通過H型鋼加熱爐在線熱電偶對(duì)鋼坯的溫度檢測(cè)，分別記錄下參數(shù)優(yōu)化前和參數(shù)優(yōu)化后的預(yù)熱段、加熱段和均熱段溫度，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析繪制成鋼坯加熱溫度曲線如圖1和圖2所示。分析可知，參數(shù)優(yōu)化后當(dāng)鋼坯加熱90分鐘時(shí)，上表面溫度1235℃，下表面溫度1247℃，上下表面溫差12℃。當(dāng)鋼坯加熱75分鐘時(shí)，上表面溫度隨著加熱時(shí)間的延長而緩慢下降，使鋼坯出爐溫差下降到12℃。 優(yōu)化前鋼坯加熱90分鐘時(shí)，溫度波動(dòng)明顯增加，上下表面溫差30余℃。

5 最佳加熱溫度曲線確定

H型鋼步進(jìn)式加熱爐是軋制工序的重要組成部分，它將異型鋼坯加熱到指定的軋制溫度，是軋鋼過程中重要的能源消耗和環(huán)境污染控制設(shè)備。生產(chǎn)過程中諸多動(dòng)態(tài)因素（鋼坯溫度波動(dòng)、產(chǎn)品規(guī)格變化、生產(chǎn)線待軋）的影響使得加熱爐不能完全工作在穩(wěn)定工況下，加熱爐的溫度過程控制也變得十分復(fù)雜。生產(chǎn)線待軋是加熱爐操作中一個(gè)十分典型的動(dòng)態(tài)過程，如果此時(shí)爐溫設(shè)定值不當(dāng)，不僅會(huì)導(dǎo)致混合煤氣燃料浪費(fèi)，而且會(huì)引起更多的氧化燒損，對(duì)鋼坯的加熱質(zhì)量有較大的影響。生產(chǎn)線待軋可以分為兩種：即生產(chǎn)計(jì)劃性待軋和非生產(chǎn)性計(jì)劃待軋，其中換輥、交接班、檢修停產(chǎn)等都屬于生產(chǎn)性計(jì)劃待軋，生產(chǎn)性待軋時(shí)間是預(yù)知的，可以提前采取措施。如預(yù)先降低加熱段爐溫，當(dāng)生產(chǎn)性待軋開始時(shí)再降低均熱段爐溫，待軋之后再將鋼坯溫度升到正常值。非生產(chǎn)性計(jì)劃性待軋是不可預(yù)知，如軋制生產(chǎn)線的意外事故，導(dǎo)致待軋時(shí)間的長短僅能根據(jù)處理事故時(shí)間的長短憑經(jīng)驗(yàn)確定，當(dāng)非生產(chǎn)性計(jì)劃性待軋發(fā)生時(shí)立刻降低加熱爐各段的爐溫，等事故處理結(jié)束后再恢復(fù)各段爐溫。對(duì)于較短的非生產(chǎn)性計(jì)劃性待軋時(shí)間（小于30min ），加熱爐溫降至保溫階段溫度，并一直保持到系統(tǒng)決定升溫為止。H型鋼加熱爐根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)情況，分別設(shè)置短期待軋和長期待軋的加熱爐溫度數(shù)學(xué)模型，提出靜態(tài)與動(dòng)態(tài)相結(jié)合的待軋控制策略，方便操作人員在給定的待軋降溫和升溫速度基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)加熱爐溫度在待軋過程的在線控制，這種加熱方式對(duì)延長加熱爐的使用壽命、提高異型鋼坯加熱質(zhì)量和減少鋼坯的氧化燒損都有著十分重要的意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]王曉麗.加熱爐操作與控制[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2016：

76-82.

[2]曾有文.軋鋼加熱爐空氣消耗系數(shù)的影響及控制[J].工業(yè)加熱，2005（03）：61-63.

作者簡介：邵林（1974-），男，安徽全椒人，研究生，講師，研究方向：控制理論與控制工程。