加热炉智能燃烧控制技术应用
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摘 要：在加热炉原系统的基础上，增加智能优化燃烧控制系统完成对加热炉的节能优化控制。通过增加残氧、CO检测分析设备、燃烧式（测量残氧含量）热值仪及相应的软件计算，实现燃料和助燃空气的自动调节，进行炉温控制。
关键词：智能燃烧;分析设备;自动调节
安钢260机组使用一座步进式加热炉，来料为150mm2断面6-12米连铸坯。燃料采用安钢南三管网的高、焦、转混合煤气。该加热炉于2011年建成，在生产运行中主要存在以下问题：在实际生产中，由于煤气发生量和使用量的变化、导致高焦转混合煤气使用配比不稳定等因素会影响煤气热值的大幅度波动。而加热炉完全靠人工经验和人工观测到的炉况进行调整，炉温稳定性差，燃料和助燃空气的调节完全靠人工调节，加热炉的生产率和热效率不高。同时随着生产工艺的提高，要求加热炉出钢温度在长度、断面上进行精准控制，使得该加热炉燃烧系统手工调火已经不能满足工艺需求。
1 加热炉情况简介
该加热炉为直进侧出步进梁式加热炉，采用单排布料。加热炉炉长23m，宽13m，分为四段，即预热段、加热I段、加热II段和均热段。加热炉的预热段不设烧嘴，在加热段和均热段上部都为平焰烧嘴，下部为直焰烧嘴。
煤气分支总管上装有调节阀及压力计，现场通过手动调节阀后压力，无法实现自动调节，无法保证煤气分支总管阀后压力稳定。
煤气分支总管经8个支管向烧嘴输送煤气，且每个煤气支管上都安装有调节阀和流量计，现场操作是通过人工观察各控制段检测温度，手动调节各段空气、煤气阀门开度，控制精度低，反应迟缓，并且无法保证合理的空燃比，无法保证充分燃烧。煤气热值变化较大，且无热值仪，无法检测热值的变化并作出相应的控制措施。
2 工艺需求
加热炉的生产任务是将钢坯加热到轧钢工艺要求的温度范围，以保证正常轧制。保证钢坯加热质量，使钢坯出炉温度达到目标，满足轧制要求;实现燃料的合理燃烧，提高燃料利用率，降低能耗。
3 控制目标
通过煤气分支总管压力控制系统，达到煤气分支总管压力的稳定;通过实现煤气流量与炉温的串级控制、煤气流量与空气流量的比值控制，实现燃烧系统的自动控制，确保加热炉可以长期稳定运行;通过热值补偿控制系统，对阀门开度进行有效补偿;通过残氧控制，确定实时最优空燃比，使系统始终运行在最佳燃烧区，在提高加热炉的加热效率的同时减少氧化烧损，达到节能降耗的目的。
4 总体方案
系统设计原则是在加热炉原系统的基础上，通过外接热备控制系统完成对加热炉的节能优化控制。通过实时数据服务器，与原PLC控制系统进行数据交换，炉温预设定优化系统是通过读取实时数据服务器数据和红外温度检测系统，检测到的钢坯表面温度，得到最优炉温设定值，并发给燃烧控制系统，计算得到流量的阀门开度下发给原PLC控制系统。燃烧控制系统是通过分支总管煤气压力控制系统保持煤气压力稳定;并采用炉温—煤气流量串级控制、煤气流量—空气流量比值控制，残氧控制调节最佳空燃比，根据煤气热值的波动对煤气阀门进行补偿的综合控制系统。
（1）煤气分支总管压力控制系统。现场通过手动调节阀后压力，且一般处于全开状态，为了保证阀后的压力稳定，对分支总管的煤气压力调节阀进行自动调节。
（2）温度—流量串级比值控制。各回路采用温度—流量串级比值控制。
（3）残氧寻优控制。根据预热段检测的残氧信号，首先优化整体空燃比系数，根据各回路的煤气流量采用专家自寻优确定各回路的空燃比系数分配。
（4）煤气热值补偿系统。通过历史数据，对煤气热值偏差、煤气阀门开度补偿量，采用数据挖掘的方式，建立热值补偿模型。当煤气热值存在偏差时，通过模型输出煤气阀门补偿量。考虑其他因素的影响，微调模型参数。空燃比寻优控制模块为双闭环串级控制，提供最佳空燃比，煤气热值补偿模块根据热值波动对煤气阀门进行补偿。
5 炉温预设定优化系统
炉温预设定优化系统主要完成对炉内钢坯温度分布的实时跟踪与炉温的在线优化，实时为燃烧系统提供最佳的炉温设定值。
（1）炉温拟合。钢坯的升温过程由炉温来决定，钢坯进入加热炉后，以一定的速度在炉内移动，所以进行钢坯温度计算时需要首先确定钢坯所在位置的炉温。因此需要根据热电偶分布状况和实时测得的炉温，拟合得到沿炉长方向的炉温分布曲线。
（2）钢坯跟踪模型。该模型实时跟踪每块入炉钢坯的位置与该位置的钢坯温度分布。并可预测在当前炉温分布条件下，到达出炉位置时该钢坯内部温度分布，以给出钢坯表面预测温度、钢芯预测温度及钢坯断面温差。
6 硬件、软件方案
采用上、下位机的硬件结构模式。在主控机上，完成两部分工作，第一部分为主程序逻辑，包括：系统与原系统的切换逻辑、数据采集及存取、数据库维护与更新、专家策略的实时生成、人机界面交互等。第二部分为：加热炉燃烧控制系统的控制策略计算。在上位机中，主要完成炉内钢坯温度跟踪模型及炉温设定值优化模型的在线寻优。
7 结论
综上所述，通过对安钢260机组加热炉进行智能燃烧改造，实现了对该加热炉煤气热值和全炉燃烧状况进行实时监控，通过对各段燃烧进行控制、自动调节各段空燃比例，克服煤气热值波动带来的炉温、钢温的波动，实现合理的空燃比和低氧燃烧，提高了加热炉的生产率和热效率，实现了节能降耗，经济和环保效益顯著。
参考文献：
[1]廖常初.S7-300/400 PLC应用技术[M].机械工业出版社，2010.
[2]胡寿松.自动控制原理[M].机械工业出版社，2012.
[3]王晓丽.加热炉操作与控制[M].冶金工业出版社，2016.
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