蓄熱式加熱爐的控制

新加熱爐蓄熱爐控制方法的基本原則是用雙交叉襯底密封法控制加熱爐內的溫度。加熱爐的重要部件的蓄熱裝置采用固定定向法控制。能使爐內溫度穩定,蓄熱效果明顯,既節能降耗又提高產品質量。蓄熱式加熱爐是一個具有大慣性、純滯后和分布參數的非線性系統,其加熱方式有連續式和批量式等多種形式。爐內的熱狀態、鋼坯溫度分布等許多重要參數難以直接在線監測,爐型結構和工藝參數也各不相同。這些因素一直阻礙著爐窯過程控制技術的進一步發展。在通常的加熱爐控制系統中,采用串級比值調節,溫度調節器的輸出直接做為空氣流量調節的給定,空氣流量實際值除以空燃比做為煤氣流量調節器的給定。在穩態時,煤氣流量可按一定的空燃比跟隨空氣實際流量而動,但在動態時,如升溫、降溫等變化時,這種常規系統就無法保證煤氣流量仍按一定的空燃比隨空氣流量變化而變化。雙交叉限幅控制方式可以保證無論在動態還是穩態時,都能滿足一定的空燃配比性能。這一技術的出現為解決鋼鐵領域內的控制難題,為鋼鐵企業在21世紀謀求發展提供了新的途徑。加熱爐控制系統一般加熱爐生產效率低,主要表現在:產出鋼坯受熱不均勻,影響軋出產品質量;爐中燃料燃燒時而過剩、時而不足,浪費燃料、污染環境,造成鋼坯過渡氧化。為解決這一問題,蓄熱式加熱爐應運而生。為充分發揮蓄熱式加熱爐的優點,配套PLC采用雙交叉限幅并聯副串級PID和燃燒換向控制方法。根據工藝要求,要將鋼坯循序漸進地、均勻地加熱到所有要求的溫度,才能送到軋鋼工序去軋制。為實現上述目的,對鋼坯分三個溫度段進行加熱,結構上加熱爐分三段。鋼坯第一步進入加熱一段進行預熱;達到一定溫度后,到加熱二段繼續升溫,在加熱二段達到要求溫度進入加熱三段(均熱段),均熱段溫度略低于加熱二段,以便鋼坯整體溫度均勻。采用雙交叉限幅并聯副串級控制的方法控制三個加熱段的溫度,雖然算法相對復雜,但控制效果好。為了提高爐子的燃燒效率,對燃料和助燃氣體控制閥采取定時定溫換向的方法,即利用燃燒所產生的煙氣熱量對助燃的空氣進行預熱,提高助燃空氣的溫度,即燃燒換向控制。加熱爐控制系統由控制計算機、PLC、執行器、傳感器組成。控制計算機采用西門子工控機、WinCC組態軟件,以冗余的配置方式對加熱爐進行監控。計算機與計算機以及計算機與PLC之間通過MPI網絡通信;可編程控制器采用西門子公司S7-300(CPU315),其中包括AI、AO、DI、DO及分布式I/O;執行器為帶有定位器的電動調節閥、變頻器控制的鼓風機和引風機等;高溫檢測傳感器(測爐溫)采用S型熱電偶,中低溫檢測傳感器采用RTD熱電阻,流量測量采用孔板(環室取壓)和壓力變送器。自動工況運行控制本控制系統完全采用計算機控制,從形式上看包括計算機手動(軟手動)和計算機自動控制。手動和自動間無擾動切換。當處于手動狀態時,可操作單個設備;當處于自動狀態時,按照設定好的參數自動運行。本系統控制從功能上看包括爐溫控制(雙交叉限幅控制)和蓄熱控制(燃燒換向控制)兩大部分。調節輸出曲線本爐的熱量來源于煤氣燃燒,一方面要使煤氣能充分燃燒,另一方面空氣又不能過剩。這就要求參與燃燒的空氣和煤氣要有一個適當的比例,即空燃比。經驗告訴我們,用簡單的控制方法很難使空燃比穩定,也就很難保持爐溫的穩定。在本系統中,我們采用了比較復雜的雙交叉限幅并聯副串級調節控制方式。雙交叉限幅并聯副串級調節控制方式的基本原理是:以爐膛溫度調節器作為主調節,煤氣和空氣調節器作為副調節,煤氣流量調節和空氣流量調節并聯再與爐膛溫度調節組成串級調節回路。在溫度調節器的輸出端加高、低限幅器,防止系統超調等不穩定現象發生。溫度調節器的調節輸出,經過處理后分別作為煤氣流量調節器和空氣流量調節器的流量設定值。既將空氣流量的實測值與空燃比1/β相乘,再乘以高低選限幅系數(1±K),作為煤氣流量設定值的允許范圍,調節煤氣流量;將煤氣流量的實測值與空燃比β相乘,再乘以高低選限幅系數(1±K),作為空氣流量設定值的允許范圍,調節空氣流量。采用這種方法,既保證了空氣和煤氣流量的合理配比,又能使空氣和煤氣流量根據配比互相跟隨,保證了煤氣流量和空氣流量控制穩定,提高了抗干擾能力。(1)系統可在手動和自動狀態間無擾動切換。當手動狀態時,將調節輸出與偏差的差送給積分初值;就是說,在手動狀態下,把手動值實時送給積分初值。當手動轉換成自動時,使積分初值有效,手動轉換為自動瞬間的調節輸出值即是積分初值。將調節輸出值送給手動值,當將自動轉換成手動時,起初的手動值與轉換前的自動值一致。(2)積分分離的PID控制引入積分環節的目的主要是為了消除靜差、提高精度。但在過程的啟動、結束或大幅度增減設定值時,短時間內系統輸出有很大的偏差,會造成PID運算的積分積累,致使算得的控制量超過執行機構可能最大動作范圍對應的極限控制量,最終引起系統較大的超調,甚至引起系統振蕩,這是絕對不允許的。引進積分分離PID控制算法,保持積分作用,減小了超調量,使得控制性能有了較大改善。(3)帶死區的PID控制為了避免控制動作過于頻繁,引起系統的振蕩,設置了調節死區。定溫換向裝置蓄熱器安裝在水平煙道內,利用加熱排出的高溫煙氣給蓄熱器加熱,使其溫度能從常溫升高到150℃左右。通過換向能利用高溫的蓄熱器對冷空氣進行預熱,同時避免長期受熱溫度過高而損壞蓄熱器。換向是由換向裝置實現的,本爐共有24組換向裝置,每組換向裝置由一個換向閥和兩個截止閥組成。每組換向裝置是一獨立單元。換向控制方式包括定時換向和定溫換向。以定時換向為主,定溫換向為輔。所謂定時換向,就是左右相對的兩組換向裝置,按一定周期、順序換向。所謂定溫換向,是當蓄熱器達到一定溫度時,為保護蓄熱器所進行的強制換向。定溫換向周期較定時換向周期短。定時換向原理是:24組換向裝置分左右各12組(其中每邊上下各6組),每組2個燒嘴,共48個燒嘴,如附圖,圖中每個方框代表1個燒嘴。左邊2個和右邊2個燒嘴組成一組,交叉對燒。即L1,L7,R1,R7組成一組,這4個燒嘴同時燃燒換向;L2,L8,R2,R8這4個燒嘴同時燃燒換向,在L1,L7,R1,R7燒嘴燃燒時,燒嘴L1′,L7′,R1′,R7′處于排煙狀態,同理,在L2,L8,R2,R8燒嘴燃燒時,燒嘴L2′,L8′,R2′,R8′處于排煙狀態,以此類推。此外,為了保證爐內壓力穩定,避免壓力過大向外噴火,浪費能源,危及人身安全,壓力過小吸入爐外冷空氣,