针对加热炉燃烧控制中普遍存在的燃气热值不稳定和生产节奏经常变化的问题，本发明专利技术提出了一种燃烧控制的新方法。该方法保留了传统的温度-燃气流量串级控制，即以温度控制为主回路，燃气流量为副回路，串级系统结构可以较好克服燃气压力的波动问题；引入生产率模糊前馈模块叠加于副回路设定值上，可以有效提高在生产节奏变化时温度控制系统跟随温度设定值的快速性。同时，按照生产率模型优化设定空气流量，根据供热量计算可以准确得到合理的最优空气需要量，客观上得到了最佳的空燃比，克服了以往燃烧控制技术中无法解决的燃气热值波动时空燃比难以自动修正的缺陷。该发明专利技术中的控制技术不但较好地解决热值和生产节奏波动时燃烧效率问题，而且可以大大改善炉膛温度的控制质量，控制方案简单易行，易于现场实施和维护。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】针对加热炉燃烧控制中普遍存在的燃气热值不稳定和生产节奏经常变化的问题，本专利技术提出了一种燃烧控制的新方法。该方法保留了传统的温度-燃气流量串级控制，即以温度控制为主回路，燃气流量为副回路，串级系统结构可以较好克服燃气压力的波动问题；引入生产率模糊前馈模块叠加于副回路设定值上，可以有效提高在生产节奏变化时温度控制系统跟随温度设定值的快速性。同时，按照生产率模型优化设定空气流量，根据供热量计算可以准确得到合理的最优空气需要量，客观上得到了最佳的空燃比，克服了以往燃烧控制技术中无法解决的燃气热值波动时空燃比难以自动修正的缺陷。该专利技术中的控制技术不但较好地解决热值和生产节奏波动时燃烧效率问题，而且可以大大改善炉膛温度的控制质量，控制方案简单易行，易于现场实施和维护。【专利说明】一种克服燃气热值和生产节奏波动的加热炉燃烧控制技术
本专利技术涉及一种热轧加热炉的燃烧控制技术。
技术介绍
加热炉传统的燃烧控制的目的一方面是保证炉温控制精度，另一方面要保证燃气与助燃空气流量的合理比值，从而保证其可以充分燃烧，取得最高的燃烧效率。优秀的加热炉控制技术不但可以提高制品加热质量，同时对于节能减排具体重要意义.实际上，在目前国内运行的大部分加热炉中，大都采用高炉煤气和焦炉煤气的混合燃气，其热值常常受到高炉和焦炉工作状况的影响而经常波动。串级比值、双交叉限幅燃烧控制策略仍然是目前加热炉燃烧控制中最常见的控制方案，该方案是建立在燃气热值恒定的基础上的。当混合煤气热值的波动时，必然导致燃气流量和空气流量的不匹配，从而浪费能源。目前，常见的解决方法有:①燃气热值是确定空燃比的理想方法，但热值信号检测常常缺乏稳定性，而且仪器价格昂贵；②根据烟气氧含量闭环校正空燃比，也同样由于分析仪器的耐久稳定性和对象的大滞后特性而实际效果不佳空燃比自寻优，这些方法在理论上是可行的，但在实际过程中由于过程的随机波动和干扰的存在，很难保证一个完整的自寻优过程，因而也很难长期稳定运行。因此，在实际应用中，大多加热炉还是通过操作工的实际经验手动修正空燃比.一般来说，加热炉生产的节奏跟随轧制节奏进行生产，随着制品规格变化、换辊、故障等情况的发生，轧制节奏必然会出现变化，这经常导致加热炉的温度出现较大的波动。这种情况发生的主要原因是温度对象的大惯性造成的，如果在轧制节奏变化时不能及时增减燃气必然会造成一段时间的燃气过剩或者欠缺，结果是温度会快速升高或者降低，而且调整起来必然很慢。目前，大多数的加热炉温度控制在轧制节奏波动较大时都不可避免地需要人工干预。
技术实现思路
燃气热值波动时，空气和燃料流量的比值(空燃比)不再是一个固定值，应该随着热值波动而变化，既然自寻优手段在实际应用时难以应用，因此有必要将比值回路解开，分别进行控制。具体控制策略如图1所示。按照生产率模型优化设定空气流量，根据供热量计算可以得到合理的最优空气需要量；同时，温度控制在采用串级控制系统结构的基础上(将燃气流量控制作为副回路可以较好克服燃气压力的扰动)，为了提高生产节奏波动时温度控制的响应速度，设置模糊前馈控制器，该控制器可以根据生产节奏(生产率)的量值和其变化速率的情况，给出合理的燃气流量前馈值，在温度由于滞后尚未反应的情况下，提前对燃气进行调整。(I)基于生产率优化模型的空气需要量计算策略 从供热平衡角度分析，设加热炉的生产率为/7吨/小时，钢入炉时的温度为Tin，出炉温度设定值为Tsp，钢的比热为C，则要把钢加热至希望值单位时间内应需要吸收的热量为Q1=C*P*(Tsp-Tin)。设加热炉燃气为高炉煤气和焦炉煤气的混合煤气，其发热量约为5900^9200 KJ/Nm3。燃气所需的空气的配比k (空燃比)应与热值R呈线性关系，即k=n*R，其中η为常系数。设煤气的热值为R，即每立方米煤气完全燃烧能发出来的热量为R，则单位时间内燃气完全燃烧能发出的热量为Fgas*R，其中Fgas为煤气流量。另外，排烟温度要带走一部分的热量Q2，冷却水要带走一部分的热量Q3，再加上炉子本身不可避免的一部分热损失Q4，包括炉门及其它不严密的地方逸出气体带走的热损失及不完全燃烧造成的热损失等等，都需要从煤气燃烧发热量来提供。从供热需求平衡角度，有Fgas*R= Q1+Q2+Q3+Q4。设k为理论上应设定的空燃比，即每立方米的燃气完全燃烧需要k立方米的空气，为保证燃烧系统工作在最佳燃烧区域内，k应该随着燃气质量(与热值相关)的变化而变化。且有，Fair=k*Fgas，其中Fair为保证完全燃烧时的理想空气流量。于是有，Fair=k*(Q1+Q2+Q3+Q4) /R。上面已经分析过，空燃比k与燃气的热值R近似呈正比关系，则上式可写成=Fair=n* (Q1+Q2+Q3+Q4) = n*【OP* (Tsp-Tin) +Q2+Q3+Q4】。从公式可以看出，在正常生产情况下，Q2、Q3和Q4都是基本稳定的，Tsp和Tin也在品种相近时几乎不变，因此上式可以简单描述为F=c*P+d的形式，式中c和d的取值难以精确计算，实践中可以分别根据待温、正常生产、高速生产几个典型生产率情况下的数据插值计算得出。因此，空气需要量是生产率P和出钢温度Tsp设定值的函数，按照这一模型即可得到合理的空气需要量值。换句话说，当生产率和出钢温度设定不变时，供风量可以保持不变。即使此时出现炉温波动，就说明燃气的热值发生了变化，这种情况下只需将燃气量调整合适，炉温自然可以稳定回来。烧嘴在不同负荷下工作时，若想实现完全燃烧还必须考虑空气过剩系数的问题。如图2所示，小负荷下工 作需要较大的过剩系数，满负荷工作时只需要较小的过剩系数。因此起作用的空燃比kl应该包含两部分:理论空燃比k和空气过剩系数b，有kl=k*b。本专利技术将图2优化曲线拟合成非线性函数b=f(Fgas)，最终的空气需要量Fairsp为:Fairsp=b*(c*P+d)。最终实现了图1中“空气需要量模型”模块的计算方法。(2)基于生产率模糊前馈的温度控制策略 加热炉炉温控制采用串级-模糊前馈控制策略，结构如图1上半部所示。该系统有如下两个特色:第一，在原有温度控制回路上增加基于生产率的模糊前馈控制器，提高系统对于生产节奏波动的快速响应；第二，保持串级结构，可以对压力波动有较好的抗干扰能力。模糊前馈控制器以生产率P和生产率变化率P’为输入，以燃气流量前馈值FFSP为输出。模糊控制器设计需要遵循如下三个步骤。步骤一，模糊化。根据一座加热炉生产过程选定控制器参数。生产率P的模糊论域为全部生产率范围(单位t/h)，生产率变化率P’模糊论域为生产上经常出现的最大波动幅度。输出值FFSP的模糊论域为燃气流量的前馈校正范围。模糊控制器的输入量和变化量都分为η档，定义统一的模糊子集选择词集，选择三角形隶属度函数进行模糊化。步骤二，模糊规则制定。模糊规则制定原则来自于对加热炉过程生产节奏波动时，优秀调火工的专家级操作经验。其核心思想是强调变化速率的重要性，在生产节奏波动时，更及时地对燃料进行调整。例如:IF生产率P和变化率P’都是“正大”时，FFSP取“负大”； IF生产率P为“正大”而变化率P’是“负大”时，FFSP取“正中”，等等。步骤三，反模糊化。采用最大隶属度本文档来自技高网...
【技术保护点】
基于生产率优化模型的空气需要量计算策略从供热平衡角度分析，要把钢加热至希望值单位时间内应需要吸收的热量Q1为生产率P和目标温度Tsp的函数，同时，考虑排烟温度要带走一部分的热量Q2，冷却水要带走一部分的热量Q3，再加上炉子本身不可避免的一部分热损失Q4，包括炉门及其它不严密的地方逸出气体带走的热损失及不完全燃烧造成的热损失等等，于是总吸热量Q1+Q2+Q3+Q4；由于发热量通过煤气燃烧来提供，总发热量在完全燃烧的情况下为煤气流量Fgas和热值R之积，根据热平衡原则??总发热量和总吸热量相等，以及考虑完全燃烧情况下空气和煤气流量的理论空燃比k，可以得到理论需要空气量Fair=k*(Q1+Q2+Q3+Q4)/R；在正常生产情况下，Q2、Q3和Q4都是基本稳定的，因此上式可以简单描述为Fair=c*P+d的形式，式中c和d的取值难以精确计算，实践中可以分别根据待温、正常生产、高速生产几个典型生产率情况下的数据插值计算得出；考虑烧嘴在不同负荷下工作时，若想实现完全燃烧还必须考虑空气过剩系数的问题，如图2所示，引入空气过剩系数b，有优化修正后的空燃比k1=k*b；本专利技术将图2优化曲线拟合成非线性函数b=f(Fgas)，最终的空气需要量Fairsp为b*(c*P+d)?。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：杨英华，秦树凯，陈晓波，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：
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