一種立式退火爐燃燒段溫度自動控制系統(tǒng)及其方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于退火爐冶金控制技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種立式退火爐燃燒段溫度自動 控制系統(tǒng)及其方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 退火爐是鍍鋁、鋅生產(chǎn)線中重要的組成部分，其控制系統(tǒng)承擔(dān)著為退火工藝和鍍 鋁、鋅工藝提供合適溫度和質(zhì)量的重要任務(wù)。為滿足市場的要求，高強度鍍鋁、鋅帶鋼的質(zhì) 量和鍍層的質(zhì)量要求也越來越高。由于退火爐燃燒過程的復(fù)雜性、滯后性以及工藝設(shè)備的 局限性，目前，退火爐燃燒方式由使用調(diào)節(jié)閥控制每段的天然氣和空氣的流量配比控制溫 度，過渡到由燒嘴采用最優(yōu)功率控制燃氣和空氣的比例控制?，F(xiàn)有技術(shù)中的天然氣和空氣 配比燃燒控制效果較差，溫度控制精度不高，對于退火爐燃燒這種大滯后的控制系統(tǒng)，目前 最常用的方法是采用PID調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)，空燃比是燃燒系統(tǒng)的主要參數(shù)，空燃比的設(shè)定是通 過人工實現(xiàn)的，實現(xiàn)對退火爐溫度的控制作用，其控制精度有所提高，并且沒有考慮燃氣熱 值的因素，導(dǎo)致在燃氣熱值不穩(wěn)定的情況下，溫度控制精度仍然不理想，并且由于燃燒不完 全，造成的環(huán)境污染問題也比較嚴(yán)重。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種立式退火爐燃燒段溫度自動控制系統(tǒng)及其方法，內(nèi)容 在于使用on/off控制的工藝模式，采用增加氧化鋯分析儀的方式，提供一種如何實現(xiàn)立式 退火爐燃燒段溫度控制的一種最優(yōu)控制系統(tǒng)及其方法。本發(fā)明提出的一種立式退火爐燃燒 段溫度自動控制系統(tǒng)，其特征在于:所述自動控制系統(tǒng)包括:控制中心、控制模塊、溫度傳感 器、輻射管、燒嘴煙道、氧化鋯分析儀、熱值儀、天然氣調(diào)節(jié)閥、空氣調(diào)節(jié)閥、流量傳感器、燃 燒控制單元;其中一個天然氣調(diào)節(jié)閥和一個空氣調(diào)節(jié)閥為一組，分別與一個流量傳感器相 連接，退火爐燃燒段包括初始加熱段、終了加熱段、均熱段;氧化鋯分析儀安裝在初始加熱 段的燒嘴煙道上;熱值儀安裝在天然氣總管道上;立式退火爐包括多個燒嘴，每個燒嘴包括 一個燃燒控制器，對燒嘴的開關(guān)進行控制，實現(xiàn)對燃燒段的加熱過程，初始加熱段和終了加 熱段又分成多個燃燒區(qū)域，每個燃燒區(qū)域各安裝一個天然氣調(diào)節(jié)閥和一個空氣調(diào)節(jié)閥以及 一個溫度傳感器;一個均熱段的上下部分各安裝一個溫度傳感器;控制模塊通過通信網(wǎng)絡(luò) 與氧化鋯分析儀、熱值儀、溫度傳感器、流量傳感器、天然氣調(diào)節(jié)閥和空氣調(diào)節(jié)閥相連接;所 述控制模塊接收氧化鋯分析儀、熱值儀、溫度傳感器、流量傳感器發(fā)送的測量數(shù)據(jù)，并將控 制指令發(fā)送給天然氣調(diào)節(jié)閥和空氣調(diào)節(jié)閥；氧化鋯分析儀測量所述燃燒段的殘氧含量，熱 值儀測量天然氣總管的天然氣的成分和各成分的含量，并計算得出天然氣的熱值信號;流 量傳感器測量天然氣和空氣的流量，溫度傳感器測量燃燒段的溫度;控制模塊接收氧化鋯 分析儀和熱值儀測得的殘氧含量信號以及熱值信號，流量傳感器測得的各燃燒區(qū)域的天然 氣、空氣的實際流量，以及溫度傳感器測得的溫度值，經(jīng)過理論空燃比計算、過?？諝庀禂?shù) 計算、空燃比計算、殘氧修正量計算、實際使用空燃比計算，對天然氣調(diào)節(jié)閥和空氣調(diào)節(jié)閥 發(fā)送控制信號，對閥門的開度進行控制，以達到合理的空燃配比；所述控制中心與控制模 塊、溫度傳感器、氧化鋯分析儀、熱值儀、天然氣調(diào)節(jié)閥、空氣調(diào)節(jié)閥、流量傳感器、燃燒控制 器等現(xiàn)場設(shè)備實現(xiàn)通信連接，并利用組態(tài)軟件完成上述現(xiàn)場設(shè)備的組態(tài)設(shè)置，實現(xiàn)對上述 現(xiàn)場設(shè)備的單獨控制和集中顯示。
[0004] 進一步地，所述控制模塊采用on/off的燃燒控制模式，即通過對各個燒嘴進行全 開或全關(guān)控制的方式，根據(jù)區(qū)域內(nèi)的燒嘴數(shù)量和每個燒嘴的燃燒能力，通過燒嘴燃燒數(shù)量 計算、燃燒時間計算和燃燒間隔時間計算，得到各個區(qū)域燒嘴燃燒數(shù)量、燃燒時間和燃燒間 隔時間，并這些參數(shù)發(fā)送給各個區(qū)域相對應(yīng)的燒嘴的控制器上。
[0005] 進一步地所述控制中心可以獲得溫度傳感器、氧化鋯分析儀、熱值儀、流量傳感器 測得的測量數(shù)據(jù)以及天然氣調(diào)節(jié)閥、空氣調(diào)節(jié)閥以及燃燒控制器的相關(guān)控制參數(shù)，并可以 對天然氣調(diào)節(jié)閥、空氣調(diào)節(jié)閥以及燃燒控制器進行具體的控制參數(shù)修改和設(shè)置，控制中心 也可以獲得控制模塊的數(shù)據(jù)，并對控制模塊的參數(shù)和程序進行編輯。
[0006] 進一步地，所述控制中心采用EI-TEK工控機，操作系統(tǒng)為微軟Windows Pro 7SP1; 組態(tài)軟件采用的是西門子Wincc7.0SP3版，用于對工藝流程進行監(jiān)控畫面的組態(tài)。
[0007] 本發(fā)明還提出一種立式退火爐燃燒段溫度自動控制系統(tǒng)，所述自動控制系統(tǒng)包 括：
[0008] 理論空燃比計算單元，根據(jù)熱值分析儀實際測量得出燃氣的成分及各成分的百分 比含量，利用測量的各成分與氧氣反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)式，根據(jù)5組成分差別較大的天然氣，得 到所需的空燃比和熱值的關(guān)系，最后對熱值和空燃比進行線性處理，可以計算得出熱值在 一定范圍內(nèi)時連續(xù)對應(yīng)的理論空燃比；
[0009]過?？諝庀禂?shù)計算單元，其執(zhí)行過?？諝庀禂?shù)計算:μ = μ〇+ Δ μ+μ〇2;其中μ0是理論 過?？諝庀禂?shù)，Α μ是小流量過?？諝庀禂?shù)補償，μ〇2是殘氧修正量;所述的殘氧修正量為：
其中02.mv是殘氧過程值和設(shè)定值控制器的輸出值，單 位為百分比，kl是貢獻率，k2是增益系數(shù)，Bias是偏差補償；
[0010] 空燃比計算單元，其執(zhí)行空燃比計算:Α = Α〇Χμ;其中A0是理論空燃比，μ是過?？?氣系數(shù)；
[0011]實際使用空燃比計算單元，其執(zhí)行實際使用空燃比計算：實際使用空燃比=理論 空燃比*過剩空氣系數(shù)+殘氧快速補償;所述的殘氧快速補償=(設(shè)定殘氧值-殘氧過程值)* 殘氧補償系數(shù)。
[0012]燒嘴燃燒數(shù)量計算單元，其執(zhí)行燒嘴燃燒數(shù)量計算:m=W X k;其中W為燃燒所需要 的功率，k為所在加熱段的相應(yīng)區(qū)域的系數(shù)；
[0013 ]燃燒時間計算單元，其執(zhí)行燃燒時間計算:Ti = W X a+b;其中W為燃燒所需要的功 率，a為所在加熱段的相應(yīng)區(qū)域的系數(shù)，b為所在區(qū)域的時間補償參數(shù)；
[0014] 燃燒間隔時間計算單元，其執(zhí)行燃燒間隔時間計算:T2 = WXc+d;其中W為燃燒所 需要的功率，c為所在加熱段的相應(yīng)區(qū)域的系數(shù)，d為所在區(qū)域的時間補償參數(shù)。
[0015] 本發(fā)明還提出一種立式退火爐燃燒段溫度自動控制方法，其采用上述任一的自動 控制系統(tǒng)實現(xiàn)，具體包括如下步驟：
[0016] 步驟一:安裝控制系統(tǒng)的控制中心和現(xiàn)場設(shè)備的軟硬件，通過以太網(wǎng)絡(luò)建立控制 中心和現(xiàn)場設(shè)備之間的通訊，并通過組態(tài)軟件實現(xiàn)控制中心對現(xiàn)場設(shè)備的有效控制。
[0017] 步驟二、對退火爐中每組天然氣和空氣調(diào)節(jié)閥設(shè)定一個天然氣流量，空氣流量根 據(jù)空燃比進行自動計算；
[0018] 步驟三、加熱開始后，各流量傳感器、溫度傳感器及氧化鋯分析儀、熱值儀向控制 模塊發(fā)送實時數(shù)據(jù)；
[0019] 步驟四、控制模塊通過理論空燃比計算、過?？諝庀禂?shù)計算、空燃比計算和實際使 用空燃比計算，得出每組天然氣與空氣比例，采用οη/ο?τ的燃燒控制模式，即通過對各個燒 嘴進行全開或全關(guān)控制的方式，根據(jù)區(qū)域內(nèi)的燒嘴數(shù)量和每個燒嘴的燃燒能力，通過燒嘴 燃燒數(shù)量計算、燃燒時間計算和燃燒間隔時間計算，得到各個區(qū)域燒嘴燃燒數(shù)量、燃燒時間 和燃燒間隔時間；
[0020] 步驟五、控制模塊將計算得到的各個區(qū)域的燒嘴燃燒數(shù)量、燃燒時間和燃燒間隔 時間發(fā)送給各個區(qū)域相對應(yīng)的燒嘴的燃燒控制器。根據(jù)燒嘴燃燒數(shù)量計算得出天然氣的流 量設(shè)定值，控制模塊根據(jù)天然氣的流量設(shè)定值與空氣按照實際使用空燃比控制流量數(shù)據(jù)， 并發(fā)送給每組調(diào)節(jié)閥；
[0021] 步驟六、控制中心將各個現(xiàn)場設(shè)備運行狀態(tài)、控制參數(shù)在組態(tài)軟件上進行顯示和 監(jiān)控。
[0022] 進一步地，步驟四的具體計算如下：
[0023]所述的理論空燃比計算:根據(jù)熱值分析儀實際測量得出燃氣的成分及各成分的百 分比含量，利用測量的各成分與氧氣反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)式，根據(jù)5組成分差別較大的天然氣， 得到所需的空燃比和熱值的關(guān)系，最后對熱值和空燃比進行線性處理，可以計算得出熱值 在一定范圍內(nèi)時連續(xù)對應(yīng)的理論空燃比；
[0024] 所述的過?？諝庀禂?shù)計算:μ = μ〇+Δμ+μ〇2;其中μ0是理論過?？諝庀禂?shù)，Δμ是小 流量過?？諝庀禂?shù)補償，μ〇2是殘氧修正量；
[0025]空燃比計算:Α = Α〇Χμ;其中Α0是理論空燃比，μ是過?？諝庀禂?shù)；
[0026] 所述的殘氧修正量為
其中02.mv是殘氧過程 值和設(shè)定值控制器的輸出值，單位為百分比，kl是貢獻率，k2是增益系數(shù)，Bias是偏差補償； [0027]所述的實際使用空燃比計算:實際使用空燃比=理論空燃比*過?？諝庀禂?shù)+殘氧 快速補償；
[0028]所述的殘氧快速補償=(設(shè)定殘氧值-殘氧過程值)*殘氧補償系數(shù)；
[0029]其中，理論空氣過剩系數(shù)μ0，由設(shè)計確定或由人工輸入，1.06 < μ0 < 1.18 ;小流量 空氣過剩系數(shù)〇. 01 < Δ μ < 〇. 016; Α0理論空燃比為8.83:1，由設(shè)計或工藝提供;02 .mv是殘 氧過程值和設(shè)定值的控制器輸出值，控制器的輸出為0-100范圍的百分比；系數(shù)kl、k2為經(jīng) 驗值，0.8 <kl <0.9;0.8 1.0;偏差補償0.0 < Bias <0.02;殘氧設(shè)定值，由操作人員 設(shè)定;殘氧過程值來自現(xiàn)場氧化鋯分析儀的檢測信號；1. 〇〈殘氧補償系數(shù)〈1.08。所述的T1 的范圍值為120 < T1 < 20;所述的T2的范圍值為10 < T2;所述的m的范圍值為20 10;
[0030]所述的燒嘴燃燒數(shù)量計算:m = WXk;其中W為燃燒所需要的功率，k為所在加熱段 的相應(yīng)區(qū)域的系數(shù)；
[0031 ]所述的燃燒時間計算:I^iWX a+b;其中W為燃燒所需要的功率，a為所在加熱段的 相應(yīng)區(qū)域的系數(shù)，b為所在區(qū)域的時間補償參數(shù)；
[0032] 所述的燃燒間隔時間計算:T2=W X c+d;其中W為燃燒所需要的功率，c為所在加熱 段的相應(yīng)區(qū)域的系數(shù)，d為所在區(qū)域的時間補償參數(shù)。