劉光軍，蘇艷濤

（濟(jì)南鋼鐵股份有限公司 中型軋鋼廠，山東 濟(jì)南250100）

煤氣單蓄熱加熱爐控制系統(tǒng)的應(yīng)用

劉光軍，蘇艷濤

（濟(jì)南鋼鐵股份有限公司 中型軋鋼廠，山東 濟(jì)南250100）

為提高溫度控制精度，濟(jì)鋼采用時(shí)序脈沖燃燒控制系統(tǒng)，通過(guò)控制燒嘴的燃燒時(shí)序和燃燒時(shí)間來(lái)控制加熱爐的溫度。采用S7-300可編程控制器，通過(guò)Profibus網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)以太網(wǎng)連接，構(gòu)建5個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制站和2個(gè)操作監(jiān)控站的集散控制系統(tǒng)，用于完成加熱全過(guò)程的數(shù)據(jù)采集、過(guò)程控制、邏輯控制、快速聯(lián)鎖等，實(shí)現(xiàn)全過(guò)程自動(dòng)控制。應(yīng)用后系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，減少了故障時(shí)間。

單蓄熱加熱爐；溫度控制；集散控制系統(tǒng)；可編程控制器

1 前 言

近年來(lái)，隨著燃燒控制技術(shù)的發(fā)展，一些熱值較高的燃料（如天然氣、重油等）被逐步應(yīng)用于熱處理工藝中。在傳統(tǒng)的燃燒控制方式中，給加熱爐加熱一般是通過(guò)調(diào)節(jié)燃料和空氣的流量使之充分混合、燃燒來(lái)完成的，但在燃料熱值較高的情況下，使用少量的燃料就可以滿足熱處理工藝的要求。因此燃料和空氣的流量都比較小，輸送燃料的管路截面也比較小，如果采用連續(xù)燃燒的方式進(jìn)行控制，控制燃料流量的碟閥就要做得很小，而控制系統(tǒng)的響應(yīng)能力無(wú)法滿足流量變化的需要，控制溫度的誤差就會(huì)很大。為此，采用時(shí)序脈沖燃燒控制系統(tǒng)，通過(guò)控制燒嘴的燃燒時(shí)序和燃燒時(shí)間來(lái)控制爐子的溫度。

2 控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)工藝

濟(jì)鋼中軋廠加熱爐采用端進(jìn)側(cè)出雙排料方式，出料端為實(shí)爐底結(jié)構(gòu)。兩段燃燒室，加熱段設(shè)9套蓄熱式燒嘴和9個(gè)煤氣快切閥，均熱段每側(cè)均設(shè)4套蓄熱式燒嘴和4個(gè)煤氣快切閥。每套蓄熱式燒嘴均配帶空氣快切閥和排煙快切閥，可完成由爐膛煙氣余熱對(duì)空氣進(jìn)行預(yù)熱。1套蓄熱式燒嘴配合1個(gè)煤氣快切閥實(shí)現(xiàn)加熱爐的燃燒換向控制。加熱爐采用分散換向脈沖控制。煤氣主管管道帶有吹掃放散系統(tǒng)，接點(diǎn)設(shè)盲板閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、快速切斷閥，煤氣總管末端安裝防爆閥。煤氣主管布置在爐頂兩側(cè)，燒嘴前各支管都從主管上引出，燒嘴前有氣動(dòng)調(diào)節(jié)煤氣閥。助燃風(fēng)機(jī)1臺(tái)，助燃風(fēng)機(jī)帶有入口調(diào)節(jié)閥，供風(fēng)總管也布置在加熱爐爐頂兩側(cè)，然后由各支管接至燒嘴。引風(fēng)機(jī)1臺(tái)，引風(fēng)機(jī)帶有入口調(diào)節(jié)閥。排煙總管布置在加熱爐底兩側(cè)，由各支管接至燒嘴。

2.2 控制要求

蓄熱式加熱爐采用空氣單蓄熱的加熱模式，加熱控制分為開(kāi)關(guān)量控制和模擬量控制兩部分。開(kāi)關(guān)量控制主要控制脈沖換向邏輯部分，模擬量則控制空煤氣流量及配比、加熱爐爐膛壓力等。

2.3 硬件配置

整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)采用西門子控制設(shè)備，分為兩層。下層為控制層，主控制系統(tǒng)采用315-2DP CPU，模塊是S7-300 I/O模塊，汽包、風(fēng)機(jī)、輥道系統(tǒng)采用IM153遠(yuǎn)程控制器，入爐出爐輥道、推鋼機(jī)和出鋼機(jī)由變頻器控制，通過(guò)Profibus網(wǎng)絡(luò)通訊；上層為監(jiān)控層，主控制系統(tǒng)插有以太網(wǎng)模塊，通過(guò)MAXO交換機(jī)同監(jiān)控站組成以太網(wǎng)［1］。

2.4 系統(tǒng)軟件

控制器采用的系統(tǒng)軟件是Step 7 V5.3，監(jiān)控軟件為Wincc V6.2?？刂葡到y(tǒng)可進(jìn)行梯形圖、語(yǔ)句表、功能圖等3種方式編程，能夠通過(guò)在Step 7中安裝驅(qū)動(dòng)程序連接第3方產(chǎn)品，靈活實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)監(jiān)控、回路控制、數(shù)學(xué)運(yùn)算、報(bào)警提示、趨勢(shì)曲線、報(bào)表打印等功能。系統(tǒng)具有豐富的功能模塊，編程時(shí)可根據(jù)工藝過(guò)程控制特點(diǎn)設(shè)計(jì)控制方案。

3 主要控制功能

分散換向脈沖控制蓄熱式加熱爐控制系統(tǒng)是多變量復(fù)雜的過(guò)程控制系統(tǒng)。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性、控制精度和響應(yīng)的及時(shí)性，根據(jù)設(shè)計(jì)要求、設(shè)備的實(shí)際狀況和生產(chǎn)工藝，針對(duì)被控對(duì)象大滯后、非線性的特點(diǎn)，采用了模糊PID控制、自適應(yīng)控制等高級(jí)的控制算法和策略。

3.1 換向控制

加熱爐換向控制程序有定時(shí)換向、定溫?fù)Q向和強(qiáng)迫換向等基本控制功能，另外還設(shè)有一些輔助控制功能，這些功能均可對(duì)各閥組單獨(dú)設(shè)定。定時(shí)換向、定溫?fù)Q向是自動(dòng)方式，定溫?fù)Q向優(yōu)先級(jí)高于定時(shí)換向，正常生產(chǎn)時(shí)一般使用自動(dòng)方式；手動(dòng)換向是手動(dòng)方式，生產(chǎn)過(guò)程中根據(jù)情況靈活使用，可供調(diào)試和故障檢修時(shí)使用。

3.1.1 換向過(guò)程

1）所有快切閥開(kāi)始狀態(tài)為關(guān)，設(shè)有關(guān)到位信號(hào)。2）燃燒周期。燃燒狀態(tài)：確認(rèn)排煙快切閥處于關(guān)閉狀態(tài)。打開(kāi)空、煤氣燃燒電磁閥，空、煤氣快切閥同時(shí)打開(kāi)，快切閥開(kāi)關(guān)時(shí)間一般為1 s，正常有開(kāi)到位信號(hào)，開(kāi)關(guān)時(shí)間超過(guò)2 s沒(méi)有開(kāi)到位信號(hào)則報(bào)警。燃燒關(guān)閉：關(guān)閉空、煤氣電磁閥，空、煤氣快切閥同時(shí)關(guān)閉，快切閥開(kāi)關(guān)時(shí)間一般為1 s，正常有開(kāi)到位信號(hào)，開(kāi)關(guān)時(shí)間超過(guò)2 s沒(méi)有開(kāi)到位信號(hào)則報(bào)警。此時(shí)排煙快切閥也為關(guān)閉狀態(tài)。3）排煙周期。排煙狀態(tài)：確認(rèn)燃燒快切閥處于關(guān)閉狀態(tài)。打開(kāi)空、煤氣排煙電磁閥，空、煤氣排煙快切閥同時(shí)打開(kāi)，快切閥開(kāi)關(guān)時(shí)間一般為1 s，正常有開(kāi)到位信號(hào)，開(kāi)關(guān)時(shí)間超過(guò)2 s沒(méi)有開(kāi)到位信號(hào)則報(bào)警。排煙關(guān)閉：關(guān)閉空、煤氣排煙電磁閥，空、煤氣排煙快切閥同時(shí)關(guān)閉，快切閥開(kāi)關(guān)時(shí)間一般為1 s，正常有開(kāi)到位信號(hào)，開(kāi)關(guān)時(shí)間超過(guò)2 s沒(méi)有開(kāi)到位信號(hào)則報(bào)警。此時(shí)燃燒快切閥也為關(guān)閉狀態(tài)。

每段一側(cè)的換向燃燒系統(tǒng)交替蓄熱與燃燒工作，一側(cè)處在燃燒工作狀態(tài)時(shí)，另一側(cè)處在蓄熱狀態(tài)，換向后反之。加熱段和均熱段的換向不可同時(shí)進(jìn)行，若兩段燃燒室換向時(shí)刻同時(shí)到達(dá)，則需根據(jù)換向優(yōu)先級(jí)進(jìn)行排序，時(shí)間錯(cuò)開(kāi)5 s，以防止瞬時(shí)氮?dú)鈿庠磯毫档汀?/p>

如果出現(xiàn)開(kāi)關(guān)不到位的情況，在流程監(jiān)控畫(huà)面上出現(xiàn)故障閥報(bào)警閃爍，提醒操作人員確認(rèn)處理。同時(shí)系統(tǒng)將該燒嘴狀態(tài)鎖定，不再參與燃燒系統(tǒng)的控制，直至處理完畢，信號(hào)正常自動(dòng)投入運(yùn)行。此時(shí)也可由操作人員判斷，強(qiáng)制投入運(yùn)行。

3.1.2 時(shí)間換向

正常換向都是時(shí)間換向，1個(gè)換向周期分4段：燃燒時(shí)間、燃燒停止時(shí)間、排煙時(shí)間、排煙停止時(shí)間。每個(gè)時(shí)間可由系統(tǒng)和人工設(shè)定，1個(gè)周期一般為360 s，停止時(shí)間可設(shè)為0。換向周期調(diào)試時(shí)確定，時(shí)間應(yīng)盡量長(zhǎng)一些。

3.1.3 定溫?fù)Q向

由于受蓄熱燒嘴切斷閥本身材質(zhì)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)、檢測(cè)元件的耐溫限制，切斷閥通過(guò)的煙氣溫度不能過(guò)高，當(dāng)排煙溫度過(guò)高時(shí)，系統(tǒng)將強(qiáng)制換向，直至排煙溫度下降到設(shè)定的溫度范圍內(nèi)。系統(tǒng)隨時(shí)檢測(cè)煙氣溫度，一旦煙氣超過(guò)設(shè)定溫度（一般是150℃，也可手動(dòng)設(shè)定），系統(tǒng)自動(dòng)控制蓄熱燒嘴進(jìn)行換向。定溫?fù)Q向優(yōu)先級(jí)高于定時(shí)換向，即在定溫?fù)Q向時(shí)，定時(shí)換向不起作用，而在定時(shí)換向時(shí)，一旦檢測(cè)到煙氣超過(guò)一定溫度，不論定時(shí)時(shí)間是否到，系統(tǒng)立即進(jìn)行切換，重新開(kāi)始計(jì)時(shí)。

3.1.4 手動(dòng)換向

當(dāng)系統(tǒng)檢修或故障異常時(shí)，操作人員根據(jù)具體情況手動(dòng)控制一側(cè)蓄熱燒嘴換向，便于調(diào)試和故障處理，也可用于在沒(méi)有完成換向周期時(shí)強(qiáng)制結(jié)束。

換向程序控制流程如圖1所示。

圖1 換向程序控制流程

3.2 爐膛溫度調(diào)節(jié)

通過(guò)每段燒嘴的燃燒個(gè)數(shù)和時(shí)間及總管煤氣流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)1個(gè)換向周期內(nèi)的供熱量，即加熱爐通過(guò)脈沖調(diào)節(jié)與比例調(diào)節(jié)組合控制調(diào)節(jié)爐膛溫度。

3.3 脈沖控制

由于蓄熱燒嘴是通過(guò)開(kāi)停控制的，并且每個(gè)燒嘴都可以單獨(dú)操作，蓄熱燒嘴的數(shù)量相對(duì)較多，因此可以采用脈沖控制方式。以加熱段為例，因?qū)嶋H生產(chǎn)中容易出現(xiàn)爐頭爐門處噴火現(xiàn)象，將加熱段爐頭側(cè)第一組燒嘴獨(dú)立出來(lái)單獨(dú)進(jìn)行換向，實(shí)際投用情況由操作決定。因此，實(shí)際參與加熱段燃燒換向控制的蓄熱燒嘴共16套，處于燃燒狀態(tài)的燒嘴最多為8套。供熱能力最大為8/8，也可以選擇7/8、6/8、5/8等低能加熱方式。

3.4 比例調(diào)節(jié)

比例調(diào)節(jié)是燃燒控制模式，通過(guò)煤氣流量調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)煤氣供應(yīng)量。比例調(diào)節(jié)為脈沖控制的輔助手段，脈沖控制投用前可采用比例調(diào)節(jié)。

比例調(diào)節(jié)時(shí)，應(yīng)控制煤氣調(diào)節(jié)閥后的壓力穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，以保證火焰長(zhǎng)度。比例調(diào)節(jié)應(yīng)以加熱均勻?yàn)槟康模苊庖蛎簹鈮毫Φ驮斐傻臋M向溫差大。

3.5 各段上下供熱比例調(diào)節(jié)

通過(guò)上下加熱燒嘴的燃燒個(gè)數(shù)和時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)上下加熱的供熱量。8套燒嘴有4套是上加熱，4套為下加熱，根據(jù)加熱工藝，上下加熱的供熱量是不同的，下加熱一般為上加熱的1.2倍。按脈沖控制原理，在分配燃燒時(shí)間時(shí)應(yīng)以下加熱多分配一些，系統(tǒng)計(jì)算上下加熱燃燒時(shí)間比為1∶1.2，可根據(jù)加熱質(zhì)量進(jìn)行人工調(diào)整。

3.6 各段空燃比控制調(diào)節(jié)

通過(guò)空、煤氣流量調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)各段空燃比。混合煤氣熱值是7 536 kJ/m3，空氣過(guò)剩系數(shù)1.05，空氣量是煤氣量的1.76倍。根據(jù)各段煤氣流量，調(diào)整各段空氣流量調(diào)節(jié)閥，使空氣量與煤氣量匹配。

3.7 各段爐膛壓力調(diào)節(jié)

輔助調(diào)節(jié)引風(fēng)機(jī)出口調(diào)節(jié)閥通過(guò)每段燒嘴的排煙個(gè)數(shù)和時(shí)間調(diào)節(jié)總的排煙量，以調(diào)節(jié)爐膛壓力。正常生產(chǎn)時(shí)，處于排煙周期的蓄熱燒嘴都在排煙狀態(tài)，排煙關(guān)閉狀態(tài)的時(shí)間為0。調(diào)節(jié)排煙量會(huì)影響到排煙溫度，排煙量越大，排煙溫度越高。排煙溫度一般控制在110～150℃。如果煙氣溫度過(guò)低，煙氣中的硫化物將會(huì)凝結(jié)，造成管道腐蝕；排煙溫底過(guò)低時(shí)，應(yīng)減小排煙周期內(nèi)蓄熱燒嘴的數(shù)量或間隔增加排煙關(guān)閉時(shí)間。每個(gè)燒嘴的排煙快切閥帶有超溫自動(dòng)切斷功能，當(dāng)單個(gè)燒嘴的排煙溫度達(dá)到180℃時(shí)將自動(dòng)切斷。排煙溫度還受換向周期的影響，換向周期短，則排煙溫度低。

爐膛壓力調(diào)節(jié)與廢氣溫度調(diào)節(jié)采用同一個(gè)調(diào)節(jié)閥，主要用于調(diào)節(jié)煙氣溫度，故爐膛壓力一般靠手動(dòng)控制引風(fēng)機(jī)出口調(diào)節(jié)閥實(shí)現(xiàn)。由于入、出鋼時(shí)爐膛壓力下降很大，故應(yīng)采集裝、出鋼狀態(tài)，屏蔽掉這段時(shí)間的爐膛壓力值。

3.8 冷卻調(diào)節(jié)功能

通過(guò)壓力變送器檢測(cè)汽包壓力，當(dāng)汽包壓力超過(guò)規(guī)定值時(shí)，遠(yuǎn)程控制電動(dòng)閥的開(kāi)啟量，調(diào)節(jié)汽包壓力。用差壓計(jì)檢測(cè)汽包水位，當(dāng)汽包水位超過(guò)規(guī)定值時(shí)，遠(yuǎn)程控制電動(dòng)閥的開(kāi)啟量，調(diào)節(jié)汽包水位。

4 結(jié)語(yǔ)

在蓄熱式加熱爐上使用分散換向脈沖控制，減少了加熱爐的建設(shè)和檢修時(shí)間，僅為傳統(tǒng)工期的1/3；在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，改變了傳統(tǒng)的分區(qū)集中控制方式，克服了傳統(tǒng)燃燒時(shí)容易造成爐膛內(nèi)較大溫差的弊端。完備了換向過(guò)程出錯(cuò)時(shí)的診斷及調(diào)整功能，提供了更有效的換向調(diào)試界面。蓄熱爐的故障80%以上來(lái)自于換向出錯(cuò)，換向出錯(cuò)導(dǎo)致整座加熱爐換向停止，處理不及時(shí)將導(dǎo)致設(shè)備損壞、局部過(guò)燒等。以往蓄熱爐控制系統(tǒng)只能對(duì)故障進(jìn)行整體報(bào)警，不易查找具體故障點(diǎn)。為了降低故障處理時(shí)間，把診斷做到每一個(gè)邏輯點(diǎn)，降低了故障處理時(shí)間。系統(tǒng)應(yīng)用后，現(xiàn)場(chǎng)部分工作良好，設(shè)備故障率較低。

［1］ 廖常初.S7-300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008：10-32.

Development and Application of the Control System for Single Regenerative Gas Heating Furnace

LIU Guang-jun,SU Yan-tao
（The Medium Rolling Mill of Jinan Iron and Steel Co.,Ltd.,Jinan 250100,China）

In order to improve the temperature control accuracy,Jinan Steel adopted sequential pulse-combustion control system to control the temperature of the heating furnace by the combustion timing of the burner and combustion time.Using S7-300 programmable controller,the distributed control system was set up by connecting Profibus networks and Industrial Ethernet,which was composed of five field control stations and two operation monitor stations.This DCS could complete data acquisition,process control,logic control and fast interlock etc and realize automatic control for the whole process.Application showed that the system worked stable and reduced maintenance down time.

single regenerative furnace;heating temperature control;distributel control system;programmable controller

TM921.51

A

1004-4620（2010）04-0056-03

2009-11-16

劉光軍，男，1979年生，2001年畢業(yè)于華北水利水電學(xué)院機(jī)電一體化專業(yè)。現(xiàn)為濟(jì)鋼中型軋鋼廠檢修車間書(shū)記，副主任，從事電氣管理工作。