邵南銀
(寶武集團(tuán)鄂城鋼鐵軋材廠,湖北 鄂州 436000)
加熱爐是熱軋工序的一個(gè)重要設(shè)備,燃燒過程的控制質(zhì)量高低與本生產(chǎn)工序的制造成本息息相關(guān)。同時(shí),隨著國家節(jié)能減排政策的不斷推進(jìn),特別是“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)的提出,低碳工藝將是重工業(yè)企業(yè)未來發(fā)展與探尋的方向[1]。智慧制造是中國工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的方向,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),深入實(shí)現(xiàn)智慧制造企業(yè)的效率會(huì)提高大約20%,成本可以下降20%,節(jié)能減排可以下降10%左右。如何利用智能化的調(diào)節(jié)手段促進(jìn)加熱爐的高效節(jié)能和廢氣的超低排放變得尤為重要,為此,我們積極推動(dòng)智能燃燒系統(tǒng)的應(yīng)用升級(jí)。
寶武集團(tuán)鄂城鋼鐵棒三生產(chǎn)線加熱爐的爐型為雙蓄熱式加熱爐,燃料為高轉(zhuǎn)焦混合爐煤氣,燃燒系統(tǒng)為人工手動(dòng)調(diào)節(jié),操作工根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際爐溫手動(dòng)調(diào)節(jié)閥門開度進(jìn)行加熱鋼坯,需要人工在現(xiàn)場一直監(jiān)控溫度變化情況,如出現(xiàn)溫度波動(dòng)未及時(shí)處理,會(huì)造成溫度超出設(shè)定工藝范圍,影響鋼坯的加熱質(zhì)量;煤氣壓力和熱值波動(dòng)將無法精準(zhǔn)地控制空燃比,造成能源的浪費(fèi)和爐內(nèi)氣氛不穩(wěn)定,加劇了坯料的氧化燒損;純手動(dòng)的燃燒控制操作會(huì)造成爐壓波動(dòng)較大,爐壓過大會(huì)造成熱量外泄;煙溫控制不及時(shí)導(dǎo)致煤煙管道超溫,嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起煙道閃爆;為節(jié)約能源,棒三產(chǎn)線為鋼坯輥道紅送,紅鋼進(jìn)爐加熱時(shí),部分燃燒單元會(huì)雙關(guān),雙關(guān)時(shí)間較長,蓄熱箱內(nèi)蓄熱體燒紅,失去吸能作用,再次投入此單元時(shí),需要對(duì)雙關(guān)的蓄熱箱進(jìn)行進(jìn)氣燃燒降溫,否則直接排煙的話,會(huì)使?fàn)t內(nèi)的高溫?zé)煔馕唇?jīng)冷卻直接排入煙道,引起煙溫超溫或者煙道閃爆。
鑒于上述弊端,為減少燃料消耗,降低氧化燒損,提高加熱質(zhì)量,降低勞動(dòng)強(qiáng)度,增加加熱爐操作的及時(shí)性、穩(wěn)定性、安全性。計(jì)劃增加自動(dòng)化燃燒二級(jí)控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操作,達(dá)到自動(dòng)加熱燃燒控制目的,通過自動(dòng)控制使?fàn)t內(nèi)燃?xì)獾玫匠浞值娜紵?,使?fàn)t膛內(nèi)的燃燒氣氛最佳,全面優(yōu)化鋼坯加熱質(zhì)量、爐內(nèi)溫度、爐內(nèi)氣氛(空燃比)、爐壓、排煙溫度等工藝參數(shù),控制好燃燒產(chǎn)物中的殘氧含量,從而達(dá)到提高加熱效率、加熱質(zhì)量的目的[2]。
自動(dòng)化爐溫設(shè)定控制是智能燃燒控制系統(tǒng)的核心。為了實(shí)現(xiàn)爐溫設(shè)定的優(yōu)化控制,必須以人工創(chuàng)設(shè)的熱工模型作為計(jì)算依據(jù),通過設(shè)置具體公式,將如下參數(shù)列入其中從而得出結(jié)論:燃燒爐熱工條件、生產(chǎn)狀況、爐內(nèi)坯料的位置及溫度、幾種燃燒情況下的最佳溫度值等。為了得到有效的爐內(nèi)數(shù)據(jù)并加以優(yōu)化控制,以下軟、硬件與測量條件必須具備,如數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)、爐內(nèi)坯料跟蹤、搭建特定生產(chǎn)所需的控制模型、自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)配置等。
實(shí)現(xiàn)智能化燃燒控制,必須要了解燃燒爐內(nèi)的基本情況,并以此作為電腦熱工模型創(chuàng)建的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲得,分別需要與軋線計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和加熱爐順控PLC、加熱爐燃控PLC互聯(lián)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、讀取等數(shù)據(jù)通訊。
(1)與軋線計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的通訊,如軋制溫度、軋機(jī)電流反饋、坯料基本數(shù)據(jù)信息、軋制計(jì)劃。
(2)與加熱爐順控PLC的通訊,如 裝鋼完成信號(hào)、出鋼完成信號(hào)、坯料爐內(nèi)位置信號(hào)。
(3)與加熱爐燃控PLC的通訊,如爐溫測量值、當(dāng)前爐溫設(shè)定值、加熱爐工作狀態(tài)、給定爐溫設(shè)定值。
坯料在爐內(nèi)的準(zhǔn)確位置是爐溫優(yōu)化控制的基礎(chǔ),系統(tǒng)為爐內(nèi)每一塊坯料建立一個(gè)記錄,這些記錄在計(jì)算機(jī)內(nèi)以坯料的入爐順序依次排列,并隨著坯料的向前移動(dòng)而移動(dòng)。裝鋼完成時(shí),系統(tǒng)獲取坯料的基本信息,建立一個(gè)新的記錄,而當(dāng)坯料的出爐時(shí),則刪除相應(yīng)的坯料記錄。當(dāng)實(shí)際坯料的位置和計(jì)算機(jī)跟蹤的坯料位置產(chǎn)生偏差時(shí),操作人員通過人機(jī)界面上的跟蹤修正功能,消除偏差。
(1)爐溫優(yōu)化控制模型。建立該模型的作用在于根據(jù)燃燒坯料的屬性(鋼種、規(guī)格)。結(jié)合坯料在燃燒爐中的位置分布及加熱狀等信息,以此作為數(shù)據(jù)源來計(jì)算并優(yōu)化不同燃燒控制段下的溫度控制數(shù)值,以確保加熱爐處于高效低耗的燃燒狀態(tài)。其主要優(yōu)點(diǎn)有:結(jié)合燃燒坯料屬性及坯料的爐內(nèi)燃燒情況,爐溫控制模型的構(gòu)建更具有針對(duì)性。同時(shí)有效地進(jìn)行各燃燒控制段的溫度設(shè)定,符合加熱爐燃燒的自然特點(diǎn),并最大程度地提能降耗、確保坯料燃燒質(zhì)量,從而穩(wěn)定和提高產(chǎn)。
(2)混裝控制模型?;煅b控制模型包含了針對(duì)不同屬性、不同規(guī)格鋼坯的冷/熱混裝的溫度設(shè)置控制方案。如在一批熱裝坯后接著裝冷鋼坯,按熱裝加熱制度進(jìn)行加熱,而緊接熱裝坯的冷鋼坯也是按熱裝加熱制度進(jìn)行加熱,這樣可能會(huì)導(dǎo)致冷鋼坯加熱不足。反之則會(huì)發(fā)生過熱過燒現(xiàn)象,造成坯料燃燒損失和增加能耗損失。因此,智能化燃燒控制系統(tǒng)在處理混合加熱情況時(shí),必須具備智能化統(tǒng)籌分析能力,即運(yùn)用坯料加熱權(quán)重規(guī)則動(dòng)態(tài)調(diào)整爐溫設(shè)定值,在進(jìn)行爐溫設(shè)定計(jì)算時(shí),首先確定每根坯料的必要爐溫,同時(shí)結(jié)合加熱權(quán)重規(guī)則,確定每根坯料的加熱權(quán)重,從而對(duì)每個(gè)燃燒控制段內(nèi)的所有坯料必要爐溫進(jìn)行加權(quán)平均處理,最終確定每個(gè)燃燒控制段的設(shè)定爐溫值,并在裝爐前做好不同加熱制度坯料的空位預(yù)留[3]。坯料權(quán)重規(guī)則所需考慮的主要因素有:鋼種、目標(biāo)溫度、目標(biāo)規(guī)格、段內(nèi)位置等因素。為此,根據(jù)模型計(jì)算的每塊鑄坯溫度,需要建立一套規(guī)則來確定加熱爐各段爐溫。
(3)坯料信息模型。胚料是燃燒爐產(chǎn)生溫度的基礎(chǔ)物質(zhì)。胚料信息模型的構(gòu)建,能從根本上解決胚料適用的燃燒形式及如何更有效率地完成燃燒,以及燃燒溫度控制,能從胚料入爐伊始進(jìn)行爐內(nèi)胚料燃料效果分析,實(shí)現(xiàn)最終胚料的快速、高效、充分地燃燒。胚料信息內(nèi)容,首先是胚料入爐后的胚料基本數(shù)據(jù)獲取,包括胚料材質(zhì)、體積(長寬高及進(jìn)入燃燒爐的狀態(tài)和位置)、目標(biāo)軋制溫度等。只有對(duì)胚料的基本情況做好了解,才能有效地實(shí)現(xiàn)胚料的合理燃燒并做好最適宜的燃燒方式。例如,由于胚料形態(tài)不同,各部分的燃燒并不均勻,可利用系統(tǒng)二維有限差分模型,通過網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)方式來計(jì)算胚料各部分的燃燒溫度,進(jìn)而加以更加合理的胚料助燃,以確保胚料各部分的充分燃燒。
(4)坯料溫度模型。熱工模型通常以60秒為一個(gè)周期,計(jì)算坯料溫度通過二元有限差分模型、以熱輻射、對(duì)流、傳導(dǎo)等熱交換模型為參數(shù),同時(shí)考慮到上述胚料信息,每種不同物理特性的胚料溫度均進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)來綜合進(jìn)行計(jì)算。系統(tǒng)內(nèi)所有的熱交換計(jì)算都使用同上所述的熱工模塊,包括設(shè)定值計(jì)算,加熱爐生產(chǎn)率計(jì)算和離線模擬應(yīng)用[4]。在二級(jí)界面上增加參數(shù)可調(diào)整接口,使得模型能夠適應(yīng)加熱爐富氧狀態(tài)、加熱爐爐況、耐材等爐況變化情況,實(shí)現(xiàn)鋼坯溫度的準(zhǔn)確計(jì)算。
(5)爐溫設(shè)定值管理。爐溫均衡對(duì)于胚料的燃燒加熱具有重要意義。通常以1分鐘為周期進(jìn)行加熱爐溫度值設(shè)定的計(jì)算控制頻率。爐溫設(shè)定值管理的意義在于使胚料在整個(gè)加熱過程中均勻地達(dá)到并保持控制在預(yù)期的溫度值范疇內(nèi),同時(shí)燃燒的效果不受胚料長度、厚度、體積、在燃燒爐中位置等因素的影響,胚料表面和中心不超過預(yù)設(shè)的最大溫差。其計(jì)算過程如下:
①鋼坯裝爐計(jì)算。
這是爐溫控制的初始準(zhǔn)備。
a.初始信息錄入:主要是對(duì)裝入燃燒爐的胚料情況進(jìn)行原始建模,如提供胚料鋼坯的規(guī)格、型號(hào)及成分組成,胚料的長寬高尺寸并設(shè)定裝入位置、再入胚料的指定軋制工藝參數(shù)等。
b.燃燒物坯料種類界定:根據(jù)軋制計(jì)劃(RPDT),按照坯料標(biāo)明的化學(xué)成分來判斷坯料所屬鋼種。
c.燃燒溫度預(yù)設(shè):燃燒溫度與坯料物理尺寸和化學(xué)工藝有關(guān),還要考慮到坯料在入爐前的溫度,應(yīng)用差分模型進(jìn)行計(jì)算。
②周期計(jì)算處理。
考慮到鋼坯傳熱過程的特殊性,鋼坯寬度遠(yuǎn)大于鋼坯厚度,因而鋼坯傳熱過程采用一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程,即將鋼坯視為無限大平板傳熱,其數(shù)學(xué)描述為:
式中:ρ——鋼坯的密度,kg/m3;
c——鋼坯的比熱,J/(kg·K);
λ——鋼坯導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·K);
T——鋼坯絕對(duì)溫度,K;
x——鋼坯厚度方向的坐標(biāo),m;
τ——時(shí)間,s。
σ綜合輻射系數(shù);g代表爐膛熱電偶溫度;1、2、3分別代表爐膛上下熱流系數(shù);D為鋼坯的厚度(m)。
以全隱差分格式對(duì)加熱過程數(shù)學(xué)模型進(jìn)行離散化,時(shí)間步長以分鐘計(jì)量,以追趕法求解。
③鋼坯在爐時(shí)間預(yù)測計(jì)算。
根據(jù)各鋼坯的軋制節(jié)奏,算出出爐節(jié)奏,根據(jù)位置補(bǔ)正,預(yù)測爐內(nèi)各段板及爐外后續(xù)鋼坯在爐時(shí)間。
下一塊鋼坯出爐剩余時(shí)間計(jì)算:
利用前塊鋼坯出爐時(shí)處理計(jì)算的出爐預(yù)定時(shí)刻,計(jì)算出下一塊鋼坯出爐剩余時(shí)間。
ΔTF:出爐剩余時(shí)間(sec)
TPRE:出爐預(yù)定時(shí)刻
TNOW:現(xiàn)在時(shí)刻
④爐溫自動(dòng)設(shè)定處理。
目前加熱爐分3個(gè)段,加熱1段、加熱2段和均熱段。二級(jí)模型根據(jù)鑄坯出爐目標(biāo)溫度,當(dāng)前加熱爐爐溫、軋制節(jié)奏及各段傳熱系數(shù),依據(jù)周期計(jì)算鋼坯溫度,1分鐘計(jì)算1次(加熱1段、加熱2段和均熱段)需要的必要爐溫。
當(dāng)均熱段出鋼鋼坯計(jì)算溫度低于出鋼目標(biāo)溫度,模型會(huì)根據(jù)計(jì)算值-目標(biāo)溫度的差值,自動(dòng)提高加熱爐段爐溫,再計(jì)算各段出口溫度,(1分鐘計(jì)算1次)
假如出鋼溫度還是不夠,模型將加熱段爐溫升至工藝允許的最高爐溫,然后依次提高均熱段、直到預(yù)熱段爐溫。
當(dāng)加熱爐各段爐溫都提高到工藝允許的最高爐溫,還是達(dá)不到出鋼目標(biāo)溫度,這時(shí)模型會(huì)根據(jù)爐溫、軋制節(jié)奏計(jì)算出鋼在爐內(nèi)加熱的延長時(shí)間。
反之模型計(jì)算的均熱段出口溫度高于目標(biāo)溫度,模型根據(jù)軋制節(jié)奏,首先降低預(yù)熱段爐溫,依次加熱、均熱段,直至滿足出鋼目標(biāo)溫度。
整個(gè)計(jì)算過程是動(dòng)態(tài)的,軋制節(jié)奏、爐溫隨機(jī)變化,模型會(huì)追蹤它們1分鐘計(jì)算1次,實(shí)時(shí)計(jì)算出加熱爐各段出口溫度。(這個(gè)過程依靠模型內(nèi)建立的傳熱控制方程來實(shí)現(xiàn)的)?;驹硪娤旅鏀⑹觥?/p>
鋼坯在加熱爐內(nèi)加熱根據(jù)導(dǎo)熱理論,可認(rèn)為是一維傳熱,其導(dǎo)熱控制微分方程式為:
將它近似為無限大平板加熱,由第三類邊界條件可知,已知爐溫θGK,綜合換熱系數(shù)αk,加熱時(shí)間t,鋼坯溫度θs,厚度H,可解出方程式的解析解。
(6)延時(shí)策略。延時(shí)策略適用于因軋機(jī)生產(chǎn)延誤造成的燃燒爐未按照正常高效燃燒狀態(tài)下進(jìn)行的燃燒速度和效率的延緩。未按正常高效進(jìn)行的燃燒,則是將燃燒爐溫度逐步降低并穩(wěn)定在一定程度,待軋機(jī)生產(chǎn)正常后即可恢復(fù)正常高效燃燒狀態(tài)。采用延時(shí)策略,可降低能耗、減少過燒等對(duì)胚料的不利影響。主要分為非計(jì)劃延遲和計(jì)劃延遲。待軋期間實(shí)現(xiàn)燃燒氣氛為弱還原性氣氛,爐膛壓力為微正壓。
(7)軋制溫度反饋控制。當(dāng)坯料通過第一架軋機(jī)時(shí),由軋線計(jì)算機(jī)把測得的坯料溫度(電流)反饋回來,系統(tǒng)根據(jù)反饋回來的信息執(zhí)行這個(gè)功能。它用來根據(jù)軋制溫度(軋機(jī)的電流負(fù)荷)的要求來修正目標(biāo)出鋼溫度。軋線安裝的測溫儀是沒有除磷裝置,可采用軋機(jī)負(fù)荷電流來反饋修正出鋼溫度。
(8)模糊邏輯PID參數(shù)控制。PID參數(shù)采用模糊邏輯設(shè)定,模擬人工操作經(jīng)驗(yàn),能達(dá)到自整定效果。這樣就避免了長時(shí)間燃燒爐工作而出現(xiàn)的各種PID控制效率差的執(zhí)行效果。同時(shí)也減少了特殊燃燒情況下的PID響應(yīng)慢的問題。通過系統(tǒng)與PID控制器以模糊邏輯作為適應(yīng)基礎(chǔ)進(jìn)行及時(shí)控制,能確保燃燒系統(tǒng)始終保持用最優(yōu)化的方案執(zhí)行[5]。
模糊邏輯PID的使用,通常以如下兩項(xiàng)作為PID模糊控制的主要參數(shù):誤差e和誤差的變化率de/dt(ec)。這樣就可以通過隨時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測e和ec數(shù)值來控制和表達(dá)任意燃燒時(shí)段PID。以模糊控制原理來修改PID參數(shù),由此便構(gòu)成了自適應(yīng)模糊PID控制器。
PID參數(shù)模糊自整定是找出PID三個(gè)參數(shù)與誤差e和誤差的變化率ec之間的模糊關(guān)系,以模糊控制三個(gè)參數(shù)根據(jù)不同的燃燒狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)修改,以符合坯料的燃燒環(huán)境和條件,使由PID控制的各項(xiàng)功能達(dá)到更好的適用效果。
自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),L2與爐區(qū)外其他系統(tǒng)如廠區(qū)L3系統(tǒng),軋線L2系統(tǒng)等采用以太網(wǎng)進(jìn)行連接,通訊方式由通訊雙方協(xié)商決定,建議采用TCP/IP通訊協(xié)議進(jìn)行通訊,L2與L1系統(tǒng)采用以太網(wǎng)連接,L1與遠(yuǎn)程I/O和變頻傳動(dòng)系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線的方式進(jìn)行連接。
網(wǎng)絡(luò)配置采用光纖以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)爐區(qū)L2與爐區(qū)外其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換,實(shí)現(xiàn)整個(gè)工廠的自動(dòng)化;采用光纖以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)爐區(qū)L1(PLC、HMI服務(wù)器等)內(nèi)部數(shù)據(jù)交換,實(shí)施對(duì)整個(gè)加熱爐區(qū)的一級(jí)監(jiān)控;通過100M/1000M以太網(wǎng),實(shí)現(xiàn)HMI服務(wù)器同客戶機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換和實(shí)現(xiàn)加熱爐區(qū)L1同爐區(qū)L2的數(shù)據(jù)交換;基礎(chǔ)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò):采用PROFIBUS-DP。
智能燃燒除了實(shí)現(xiàn)節(jié)能以外,精確地控制廢氣中的CO和NOX排放也是此系統(tǒng)應(yīng)用的重要目標(biāo),實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能的工作主要包括:
煙氣分析系統(tǒng)是檢測燃燒情況和坯料加熱效果的輔助系統(tǒng)。在加熱爐中搭建煙氣分析系統(tǒng)的硬件設(shè)施,即在加熱爐的取樣管中連接3個(gè)煙道,這三個(gè)煙道分別設(shè)置在加熱爐的不同燃燒控制段。原理上是通過對(duì)不同燃燒段CO/O2/NOx的濃度比檢測計(jì)算得出坯料加熱效果。為了提高設(shè)備檢測準(zhǔn)確性,可同時(shí)接入疏水接口并吹入氮?dú)?,以獲得純度較高的煙氣,并將分析檢測效果通過信息端口作為智能化燃燒控制的一個(gè)模塊提供給系統(tǒng)。
空燃比調(diào)節(jié)一般采用兩個(gè)方法:
煤氣壓力:空燃比過剩系數(shù)由空氣/煤氣流量比控制來調(diào)節(jié),并用煤氣壓力補(bǔ)償進(jìn)行修正。
煤氣熱值:空燃比過剩系數(shù)由空氣/煤氣流量比控制來調(diào)節(jié),并用煤氣熱值補(bǔ)償進(jìn)行修正。
一級(jí)系統(tǒng)自動(dòng)采用煤氣熱值及煤氣總管壓力的變化,利用系統(tǒng)的前饋控制功能自動(dòng)修正煤氣支管和空氣支管的流量,另外系統(tǒng)在燃燒中自動(dòng)調(diào)節(jié)空氣和煤氣的流量,可以精確修正空燃比。
智能燃燒應(yīng)用改造主要內(nèi)容為新增加熱爐二級(jí)控制模型系統(tǒng),建立燃燒模型,優(yōu)化燒鋼工藝,自動(dòng)調(diào)整設(shè)定爐溫。根據(jù)燃燒胚料的類型不同以及在燃燒爐中的燃燒效果,及不用燃燒環(huán)境下的最佳燃燒效果并以構(gòu)建的控制系統(tǒng)通過智能方式進(jìn)行爐溫控制,使蓄熱式加熱爐達(dá)到最優(yōu)加熱狀態(tài),從而改善鋼坯的加熱質(zhì)量。新增巡檢式煙氣分析系統(tǒng),自動(dòng)調(diào)節(jié)空燃配比,通過系統(tǒng)對(duì)爐內(nèi)氣氛進(jìn)行分析,并計(jì)算出空氣過剩系數(shù),根據(jù)當(dāng)前煤氣供入量自動(dòng)調(diào)節(jié)空氣用量,達(dá)到空燃比最優(yōu)方案。重新編寫加熱爐一級(jí)燃控系統(tǒng),使得二級(jí)模型系統(tǒng)下發(fā)的溫度策略值能夠穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)。并通過二級(jí)控制系統(tǒng)打通現(xiàn)有加熱爐控制系統(tǒng)與公司MES系統(tǒng)的通信,實(shí)現(xiàn)加熱爐控制系統(tǒng)與軋線控制系統(tǒng)和MES系統(tǒng)的互聯(lián)互通。