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(nèi)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?fàn)t內(nèi)溫度穩(wěn)定,蓄熱效果明顯,既節(jié)能降耗又提高產(chǎn)品質(zhì)量。蓄熱式加熱爐是一個(gè)具有大慣性、純滯后和分布參數(shù)的非線性系統(tǒng),其加熱方式有連續(xù)式和批量式等多種形式。爐內(nèi)的熱狀態(tài)、鋼坯溫度分布等許多重要參數(shù)難以直接在線監(jiān)測(cè),爐型結(jié)構(gòu)和工藝參數(shù)也各不相同。這些因素一直阻礙著爐窯過(guò)程控制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。在通常的加熱爐控制系統(tǒng)中,采用串級(jí)比值調(diào)節(jié),溫度調(diào)節(jié)器的輸出直接做為空氣流量調(diào)節(jié)的給定,空氣流量實(shí)際值除以空燃比做為煤氣流量調(diào)節(jié)器的給定。在穩(wěn)態(tài)時(shí),煤氣流量可按一定的空燃比跟隨空氣實(shí)際流量而動(dòng),但在動(dòng)態(tài)時(shí),如升溫、降溫等變化時(shí),這種常規(guī)系統(tǒng)就無(wú)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(wú)論在動(dòng)態(tài)還是穩(wěn)態(tài)時(shí),都能滿足一定的空燃配比性能。這一技術(shù)的出現(xiàn)為解決鋼鐵領(lǐng)域內(nèi)的控制難題,為鋼鐵企業(yè)在21世紀(jì)謀求發(fā)展提供了新的途徑。加熱爐控制系統(tǒng)一般加熱爐生產(chǎn)效率低,主要表現(xiàn)在:產(chǎn)出鋼坯受熱不均勻,影響軋出產(chǎn)品質(zhì)量;爐中燃料燃燒時(shí)而過(guò)剩、時(shí)而不足,浪費(fèi)燃料、污染環(huán)境,造成鋼坯過(guò)渡氧化。為解決這一問(wèn)題,蓄熱式加熱爐應(yīng)運(yùn)而生。為充分發(fā)揮蓄熱式加熱爐的優(yōu)點(diǎn),配套PLC采用雙交叉限幅并聯(lián)副串級(jí)PID和燃燒換向控制方法。根據(jù)工藝要求,要將鋼坯循序漸進(jìn)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(shí)現(xiàn)上述目的,對(duì)鋼坯分三個(gè)溫度段進(jìn)行加熱,結(jié)構(gòu)上加熱爐分三段。鋼坯第一步進(jìn)入加熱一段進(jìn)行預(yù)熱;達(dá)到一定溫度后,到加熱二段繼續(xù)升溫,在加熱二段達(dá)到要求溫度進(jìn)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(lián)副串級(jí)控制的方法控制三個(gè)加熱段的溫度,雖然算法相對(duì)復(fù)雜,但控制效果好。為了提高爐子的燃燒效率,對(duì)燃料和助燃?xì)怏w控制閥采取定時(shí)定溫?fù)Q向的方法,即利用燃燒所產(chǎn)生的煙氣熱量對(duì)助燃的空氣進(jìn)行預(yù)熱,提高助燃空氣的溫度,即燃燒換向控制。加熱爐控制系統(tǒng)由控制計(jì)算機(jī)、PLC、執(zhí)行器、傳感器組成。控制計(jì)算機(jī)采用西門(mén)子工控機(jī)、WinCC組態(tài)軟件,以冗余的配置方式對(duì)加熱爐進(jìn)行監(jiān)控。計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)以及計(jì)算機(jī)與PLC之間通過(guò)MPI網(wǎng)絡(luò)通信;可編程控制器采用西門(mén)子公司S7-300(CPU315),其中包括AI、AO、DI、DO及分布式I/O;執(zhí)行器為帶有定位器的電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、變頻器控制的鼓風(fēng)機(jī)和引風(fēng)機(jī)等;高溫檢測(cè)傳感器(測(cè)爐溫)采用S型熱電偶,中低溫檢測(cè)傳感器采用RTD熱電阻,流量測(cè)量采用孔板(環(huán)室取壓)和壓力變送器。自動(dòng)工況運(yùn)行控制本控制系統(tǒng)完全采用計(jì)算機(jī)控制,從形式上看包括計(jì)算機(jī)手動(dòng)(軟手動(dòng))和計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。手動(dòng)和自動(dòng)間無(wú)擾動(dòng)切換。當(dāng)處于手動(dòng)狀態(tài)時(shí),可操作單個(gè)設(shè)備;當(dāng)處于自動(dòng)狀態(tài)時(shí),按照設(shè)定好的參數(shù)自動(dòng)運(yùn)行。本系統(tǒng)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(diào)節(jié)輸出曲線本爐的熱量來(lái)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(guò)剩。這就要求參與燃燒的空氣和煤氣要有一個(gè)適當(dāng)?shù)谋壤?即空燃比。經(jīng)驗(yàn)告訴我們,用簡(jiǎn)單的控制方法很難使空燃比穩(wěn)定,也就很難保持爐溫的穩(wěn)定。在本系統(tǒng)中,我們采用了比較復(fù)雜的雙交叉限幅并聯(lián)副串級(jí)調(diào)節(jié)控制方式。雙交叉限幅并聯(lián)副串級(jí)調(diào)節(jié)控制方式的基本原理是:以爐膛溫度調(diào)節(jié)器作為主調(diào)節(jié),煤氣和空氣調(diào)節(jié)器作為副調(diào)節(jié),煤氣流量調(diào)節(jié)和空氣流量調(diào)節(jié)并聯(lián)再與爐膛溫度調(diào)節(jié)組成串級(jí)調(diào)節(jié)回路。在溫度調(diào)節(jié)器的輸出端加高、低限幅器,防止系統(tǒng)超調(diào)等不穩(wěn)定現(xiàn)象發(fā)生。溫度調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)輸出,經(jīng)過(guò)處理后分別作為煤氣流量調(diào)節(jié)器和空氣流量調(diào)節(jié)器的流量設(shè)定值。既將空氣流量的實(shí)測(cè)值與空燃比1/β相乘,再乘以高低選限幅系數(shù)(1±K),作為煤氣流量設(shè)定值的允許范圍,調(diào)節(jié)煤氣流量;將煤氣流量的實(shí)測(cè)值與空燃比β相乘,再乘以高低選限幅系數(shù)(1±K),作為空氣流量設(shè)定值的允許范圍,調(diào)節(jié)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(jù)配比互相跟隨,保證了煤氣流量和空氣流量控制穩(wěn)定,提高了抗干擾能力。(1)系統(tǒng)可在手動(dòng)和自動(dòng)狀態(tài)間無(wú)擾動(dòng)切換。當(dāng)手動(dòng)狀態(tài)時(shí),將調(diào)節(jié)輸出與偏差的差送給積分初值;就是說(shuō),在手動(dòng)狀態(tài)下,把手動(dòng)值實(shí)時(shí)送給積分初值。當(dāng)手動(dòng)轉(zhuǎn)換成自動(dòng)時(shí),使積分初值有效,手動(dòng)轉(zhuǎn)換為自動(dòng)瞬間的調(diào)節(jié)輸出值即是積分初值。將調(diào)節(jié)輸出值送給手動(dòng)值,當(dāng)將自動(dòng)轉(zhuǎn)換成手動(dòng)時(shí),起初的手動(dòng)值與轉(zhuǎn)換前的自動(dòng)值一致。(2)積分分離的PID控制引入積分環(huán)節(jié)的目的主要是為了消除靜差、提高精度。但在過(guò)程的啟動(dòng)、結(jié)束或大幅度增減設(shè)定值時(shí),短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)輸出有很大的偏差,會(huì)造成PID運(yùn)算的積分積累,致使算得的控制量超過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)可能最大動(dòng)作范圍對(duì)應(yīng)的極限控制量,最終引起系統(tǒng)較大的超調(diào),甚至引起系統(tǒng)振蕩,這是絕對(duì)不允許的。引進(jìn)積分分離PID控制算法,保持積分作用,減小了超調(diào)量,使得控制性能有了較大改善。(3)帶死區(qū)的PID控制為了避免控制動(dòng)作過(guò)于頻繁,引起系統(tǒng)的振蕩,設(shè)置了調(diào)節(jié)死區(qū)。定溫?fù)Q向裝置蓄熱器安裝在水平煙道內(nèi),利用加熱排出的高溫?zé)煔饨o蓄熱器加熱,使其溫度能從常溫升高到150℃左右。通過(guò)換向能利用高溫的蓄熱器對(duì)冷空氣進(jìn)行預(yù)熱,同時(shí)避免長(zhǎng)期受熱溫度過(guò)高而損壞蓄熱器。換向是由換向裝置實(shí)現(xiàn)的,本爐共有24組換向裝置,每組換向裝置由一個(gè)換向閥和兩個(gè)截止閥組成。每組換向裝置是一獨(dú)立單元。換向控制方式包括定時(shí)換向和定溫?fù)Q向。以定時(shí)換向?yàn)橹?定溫?fù)Q向?yàn)檩o。所謂定時(shí)換向,就是左右相對(duì)的兩組換向裝置,按一定周期、順序換向。所謂定溫?fù)Q向,是當(dāng)蓄熱器達(dá)到一定溫度時(shí),為保護(hù)蓄熱器所進(jìn)行的強(qiáng)制換向。定溫?fù)Q向周期較定時(shí)換向周期短。定時(shí)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(gè)燒嘴,共48個(gè)燒嘴,如附圖,圖中每個(gè)方框代表1個(gè)燒嘴。左邊2個(gè)和右邊2個(gè)燒嘴組成一組,交叉對(duì)燒。即L1,L7,R1,R7組成一組,這4個(gè)燒嘴同時(shí)燃燒換向;L2,L8,R2,R8這4個(gè)燒嘴同時(shí)燃燒換向,在L1,L7,R1,R7燒嘴燃燒時(shí),燒嘴L1′,L7′,R1′,R7′處于排煙狀態(tài),同理,在L2,L8,R2,R8燒嘴燃燒時(shí),燒嘴L2′,L8′,R2′,R8′處于排煙狀態(tài),以此類推。此外,為了保證爐內(nèi)壓力穩(wěn)定,避免壓力過(guò)大向外噴火,浪費(fèi)能源,危及人身安全,壓力過(guò)小吸入爐外冷空氣,