步进式加热炉工艺及燃烧控制策略

中国仪器仪表 CHINA INSTRUMENTATION

2011年 第2期

步进式加热炉工艺及燃烧控制策略

Technology of Walking-beam Furnace and Methods for Combustion Control

1 引言

加热炉是轧钢中的重要设备，也是消耗能源的加热炉的主要任务是在尽可能低主要设备之一。

的燃烧消耗和环境污染的情况下把钢坯加热到所要求的温度。莱钢轧钢厂步进式加热炉采用了含氧修正双交叉限幅燃烧控制方式和二级温度设定等策略实现炉温控制，并借助西门子S7-400PLC来实现，提高了炉温控制精度，克服了在加热过程中各种扰动因素引起的炉温波动，在燃烧负荷发生变化的时候保持最佳空燃比，从而提高钢坯加热质量，降低燃料消耗，减少环境污染。

2 步进式加热炉结构及工艺

轧钢厂步进式加热炉炉型结构为锯齿形炉顶结构，侧进侧出步进梁式，单排布料，步进周期为40s。加热炉炉长26.3m，宽8.7m；入炉钢坯温度：热装冷装：常温；出炉温度：1250℃左右；燃料≥750℃，

采用高、焦炉混合煤气，煤气热值：7534~8372kJ/m3

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（1800~2000kcal/m）。

加热炉采用三段式加热制度，即将钢坯放在3个温度条件不同的区段内加热，依次是预热（或时期）期、加热期、均热期快速加热期、均（或称应力期、热期）这种加热制度是比较完善的加热制度，钢坯，首先在低温区域进行预热，这时加热速度比较慢，温度应力小，不会造成危险。等到金属中心温度超过500℃以后，进入塑性范围，这时就可以快速加热，

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本期主题节能环保

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直到表面温度迅速升高到出炉所要求的温度。加热期结束时，金属断面上还有较大的温度差，需要进入均热期进行均热。此时钢的表面温度基本不再升高，而使中心温度逐渐上升，缩小断面的温度差。

使高温区热效率提高，这就是最佳燃烧区。通常情况下，燃料的燃烧系统的最佳空气过剩系数在1.0~1.2之间。要使μ值处于最佳燃烧区域，温度控制系统中应包含空燃比控制系统，以控制燃料流量和空气流量的比例。3.2.2 空燃比优化

维持加热炉燃烧的空燃比保持基本不变，这是

热

效率和公害

过氧燃烧的热损

不完全燃烧热损失

1.001.02

1.10

1.20

μ

热效率

3 加热炉燃烧控制策略

轧钢厂加热炉燃烧控制策略包括：炉压控制、预热空气流量温差补偿，预热煤气流量温差补偿，预热空气流量控制，预热煤气流量控制，含氧修正双交叉限幅控制，空燃比优化控制，主从控制，各段炉温高选控制、联锁保护等。3.1 炉压控制系统

加热炉采用微正压燃烧，炉膛压力控制技术是一项比较成熟的技术。其调节回路一般由负压调节器、引风挡板、前馈—反馈控制系统构成，如图1。

图2 空气过剩率与热效率、热损失、公害关系图

燃烧过程自动控制的一项基本内容。通过控制空燃比保持烟道中规定的氧含量可实现加热炉的优化控制。空燃比控制系统如图3所示，将燃料流量和空燃比曲线经过一种运算，得到的结果作为空气流量调节的设定值，来调节空气流量的大小，当炉出

图1 炉膛压力控制回路

口温度出现波动时，炉出口温度调节器的输出将发生变化，于是改变了燃料流量控制回路的设定值，使得燃料流量发生变化，使炉子出口温度保持在规定的范围内。同时，由于燃料流量与空燃比曲线经过运算作为空气流量调节器的设定值，在燃料流量变化的瞬时，燃料流量的变化改变了空气调节器的设定值，从而相应地改变空气流量的大小，达到了空气流量随燃料流量变化而及时成比例变化的目的，消除了空气流量随燃料流量变化的滞后，改善了燃料流量变化过程中加热炉的燃烧效果，使燃烧达到最佳状态，提高了加热炉的热效率。3.3 含氧修正双交叉燃烧控制策略

通过对串级燃烧控制方式的分析，进行了系统的比较，在此采用了双交叉限幅燃烧控制方式，此种燃烧的控制方式是对串级燃烧控制方式的一种改进，当负荷没有波动的时候就是一种串级控制方式。

取燃料给定量这个主要干扰信号构成炉膛压比取炉膛压力变化信号构成反馈力的前馈控制，

控制要及时得多。例如，当负荷增加时，燃料给定值增加，燃料量空气量增加，这将导致炉膛压力上升。由于前馈调节器作用，这时使前馈调节器输出增加，虽然炉压调节器输出还未改变，但引风挡板已开大，不等炉膛压力变化反应到炉压调节器，就调整了引风挡板，保持了炉膛压力的稳定。前馈控制所不能克服的扰动，再由反馈调节器加以校正，使炉膛压力保持在给定值上。3.2 炉温控制系统3.2.1 最佳燃烧区域

从图2中可以看出，在上述两种情况之间存在着一个热损失小、污染小和热效率最高的低氧燃烧区，这种状态使排烟量减少，火焰温度升高，并

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面改变而使得整个炉子温度发生大的波动。炉温调节与燃料及空气流量调节构成串级控制系统。在燃料流量控制回路中，温度调节器输出与空气流量实测值一同送入高选器HS（赋予负偏置k3后）（选择特性为高值通过）高选器输出值再与空气流量实；测值一同送入低选器LS（赋予正偏置k1后）（选择特性为低值通过）低选器输出值即为燃料流量调节。器的设定值。

类似地，在空气流量控制回路中，温度调节器输出与燃料流量实测值（赋予正偏置k2后）一同送入低选器LS；低选器输出值再与燃料流量实测值一同送入高选器HS。高选器输（赋予负偏置k4后）

出值即为空气流量调节器的设定值。

图3 空燃比控制系统

这种控制方式的基本原理就是，当负荷发生变化时空气流量的变化与煤气流量的变化互相制约，在燃烧过程中，燃料热值参与空燃比的修正，以保证调温过程中的最佳燃烧状态。这种方式的最主要的优点就是抑制空燃比的变化，可达到最佳燃烧控制的要求。它是一种低氧燃烧控制系统，通过这种控制系统可以提高热效率，减少炉内废气中的有害成分，从而提高钢坯加热质量，减少表面氧化，还可以节约燃料，减少环境污染。双交叉限幅燃烧控制方式如图4所示。

炉温控制器

4 结束语

莱钢轧钢厂步进式加热炉系统在基础级控制

通过研究不同的控制方上，

SPO

AB

O2C

PVO

式的优缺点，取长补短，采用带含氧修正双交叉限幅燃烧控制、具备自学习功能的炉压前馈控制、空燃比自寻优等控制方式实现对煤气和空气流量、炉膛压力等控制，达到了控制稳定、准确的目的。使得被加热钢坯在达到轧制工艺要求的温度分布的同时，实现了最小的加热炉能耗。

高选1低选1

CD

1+k4

1-k31+k1

1-k2Fa

低选2高选2β.μSPaAFIC

LL

H

SPg

Fg

GFIC

煤气流量设定值

空气流量设定值

FE

煤气

FE

空气

到燃烧器

参考文献

1 杨友良, 潘德惠. 环形加热炉最优炉温分布与控制.控制理论与应用,1993,(3).

图4 双交叉限幅燃烧控制原理图

图4中：FE为流量变μ为空燃比，β为转换系数，送器，GFIC为煤气流量控制器，AFIC为空气流量变送，k1、k2、k3、k4为偏置系数，SPO、PVO为烟气中氧含量设定值与测量值

燃料燃烧过程中，不会因为燃料或空气的单方

2 胡祖宝.偏差比例双交叉限幅控制在生产中应用.控制工程,2004,11(5).

3 张元福.加热炉空/燃比自寻优模糊控制器研究.山东冶金,2000,22(5).

作者简介：吴灿辉，工程师，多年从事冶金工程建设。

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