CN101876449B - 加热炉内氧量气氛场的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加热炉内氧量气氛场的控制方法，属于金属冶炼领域。本方法通过加热炉内各段残氧量目标值和加热炉内各段的实际残氧量计算出残氧量偏差及其对时间的微分量，并将其输入残氧量模糊控制器；输出的控制量计算出各段空气过剩率补正值，参与各自燃烧回路中对空气量和燃料量的调节，根据设定空气流量、燃料流量与实际空气流量、燃料流量的差值计算出需要注入加热炉内各段的空气流量和燃料流量。能显著的改善因氧量检测的滞后带来的控制滞后。提高了控制效率的同时，也使工艺人员能实时、准确的了解每个炉段炉内气氛的性质，增加了加热炉工艺过程的透明性和可控性。

Description

加热炉内氧量气氛场的控制方法

技术领域

本发明涉及一种控制加热炉内气体氧含量的方法，特别是涉及一种加热炉内氧量气氛场的控制方法。

背景技术

钢坯在高温加热炉中不同温度段加热，除了使被加热的钢坯按照工艺要求达到均匀的温度分布之外，在加热过程中合理的控制空气与燃料的配比也是非常重要的环节。

参与燃烧的空气量通常用空气过剩系数μ来描述。μ为实际空气量与理论空气量的比值。在实际生产过程中μ的取值与燃料种类、燃烧装置形式及燃烧条件等因素相关。按照燃烧产物中过剩氧含量的多少，可区分为强氧化气氛和弱氧化气氛。前者的过剩氧含量为8～10％；后者过剩氧含量为2～5％。

当μ大于1.10时，炉内剩余空气量过高，会在钢坯表面产生大量的氧化铁皮，加剧了烧损。过量的烟气在排放过程中同时造成大量的热能流失。此外，在燃烧过程中，过量的氧与空气中的氮气N2反应生成的二氧化氮NO2、一氧化氮NO等氮氧化物随烟气排放将造成环境污染。吸入过多的氮氧化物可致人神经、皮肤受损。加入的空气量过少则又会使燃料不完全燃烧，产生黑烟尘，生成游离炭及一氧化碳CO气体等，污染空气。

控制炉内各段的氧含量，以最小的过剩空气量达到燃料的充分燃烧、即低氧燃烧可以有效减少烟气量，降低燃料消耗。同时，低氧燃烧还可以减少氮氧化物和黑烟、一氧化碳CO等有害物质的生成。因此，科学、精确地设置空燃比，是达到最佳燃烧控制，提高钢材加热质量，减少大气污染，改善生态环境的重要手段。

目前，在冶金加热炉热工业控制过程中，均采用在炉尾预热段之后的下降烟道附近炉壁或烟道壁上安装一台气体氧含量分析仪，根据在此检测的氧量数据来修正炉内的燃烧空气量。这种控制方法可以在一定程度上能够控制加入的空气总量。但这种方无法精确控制各炉段参与燃烧的空气量，有可能造成炉内不同炉段过氧燃烧和欠氧燃烧同时存在的情形。另外，该种氧量检测存在较大的滞后；同时，常规的控制方法也存在很大的时滞性，无法及时调解加热炉内各段的空气加入量。

发明内容

由于目前采用的调节方法只能控制加热炉内的空气总量，而无法精确地针对各炉段的残氧含量来调节本段参与燃烧的空气量，且氧量检测存在较大的滞后，有可能造成炉内不同炉段过氧燃烧和欠氧燃烧同时存在，从而也有损钢材的加热质量。为解决上述技术问题，本发明提出一种加热炉内氧量气氛场的控制方法。所述技术方案如下：

本发明的一种加热炉内氧量气氛场的控制方法，包括下列步骤：

步骤A：建立加热炉内各段残氧量控制模型和残氧量目标值，同时检测加热炉内各段的实际残氧量；

通过所述加热炉内各段残氧量目标值和所述加热炉内各段的实际残氧量计算出残氧量偏差及其对时间的微分量，并将其输入残氧量模糊控制器；

利用从所述残氧量模糊控制器输出的控制量计算出各段空气过剩率补正值；

步骤B：检测所述加热炉内各段的炉温和炉压，计算出在所述炉温和炉压条件下的设定空气流量和设定燃料流量；

检测所述加热炉内各段的实际空气流量和实际燃料流量；

将设定空气流量与实际空气流量进行比较求出差值，将设定燃料流量和实际燃料流量进行比较，求出差值；

步骤C：根据所述设定空气流量与实际空气流量的差值、设定燃料流量与实际燃料流量的差值以及所述各段空气过剩率补正值计算出需要注入加热炉内各段的空气流量和燃料流量。

本发明的加热炉内氧量气氛场的控制方法，在所述步骤A中，所述残氧量模糊控制器根据加热炉内各段残氧量控制模型建立残氧量与空气过剩率的模糊控制规则，并通过对所述模糊控制规则进行优化后获得模糊控制表。

本发明的加热炉内氧量气氛场的控制方法，在所述步骤C中，利用所述各段空气过剩率补正值调节加热炉各段的空燃比，进而计算出需要注入加热炉各段的空气流量和燃料流量。

本发明的加热炉内氧量气氛场的控制方法，所述方法还包括步骤D：设置加热炉内总残氧量模糊控制器，检测加热炉炉尾的烟气总残氧量及其变化速度，将其输入所述总残氧量模糊控制器，经过计算输出加热炉内总空气过剩率补正值，依据所述加热炉内总空气过剩率补正值及加热炉内总残氧量控制模型得到所述加热炉各段空气过剩率补正值的限幅值，将所述限幅值输入到加热炉各段的残氧量模糊控制器作为其输入约束。

本发明提供的技术方案的有益效果是：由于建立了炉内氧量控制模型，因而精确了不同炉段烟气残氧含量与空气过剩率的量化关系。同时，采用关于氧量偏差及其变化速度的二维模糊控制器对空气过剩率进行调节能显著的改善因氧量检测的滞后带来的控制滞后。

各炉段均设置独立的氧量模糊控制器，并使该控制器输出的空气过剩率补正值参与各自燃烧回路中对空气量和燃料量的调节，提高了控制效率的同时，也使工艺人员能实时、准确地了解每个炉段炉内气氛的性质，增加了加热炉工艺过程的透明性和可控性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的加热炉内氧量气氛场的控制方法中单一炉段的执行流程图；

图2是本发明实施例提供的加热炉内氧量气氛场的控制方法残氧量模糊控制部分的总流程图；

图3是本发明实施例提供的加热炉内氧量气氛场的控制方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本方法主要包括以下4个步骤：

参见图1和图3所示：

步骤101：首先，根据加热炉11各炉段的工艺特点、炉内氧量控制目标曲线和各炉段空气过剩率，建立炉内残氧量控制模型1。

同时，在加热炉11的预热段、加热段和均热段等各炉段分别设置氧量分析仪4对加热炉11内的气氛取样，并检测出其中的残氧含量值。

控制***根据炉内残氧量控制模型1中的残氧量目标值SV和由氧量分析仪4的实际检测值PV计算出氧量偏差e(t)，并经过微分器2经de/dt求出氧量偏差e(t)对时间的微分e’(t)。氧量偏差的微分e’(t)反映了偏差值随时间的变化趋势或变化速度。

在控制***中为加热炉的每个炉段设置一个二维的残氧量模糊控制器3，将氧量偏差e(t)和氧量偏差的微分值e’(t)输入该模糊控制器3内。残氧量模糊控制器3的输出控制量为u(t)。在残氧量模糊控制器3中为偏差变化量e’和控制量u建立如下模糊集：{NB，NM，NS，O，PS，PM，PB}。为提高稳态精度为氧量偏差e建立如下模糊集：{NB，NM，NS，NO，PO，PS，PM，PB}。

根据加热炉内残氧量控制模型1建立残氧量与空气过剩率的模糊控制规则。对控制规则优化后，获得模糊控制表。残氧量模糊控制器3根据输入的氧量偏差和该偏差变化速度，通过以上建立的模糊控制规则输出控制量u(t)到空气过剩率调节器5，并利用该空气过剩率调节器5计算出加热炉内该段的空气过剩率补正值。

步骤102：下一步，检测加热炉11内每段的炉温和炉压，通过上级调节器6计算出在所述炉温和炉压条件下设定的空气流量和设定的燃料流量。

由于空气流量随炉压和烟气温度变化会产生很大变化，因此本发明的方法在对燃烧回路空燃比进行修正的过程中还同时考虑了对空气流量进行压力和温度补偿的因素。

同时，检测所述加热炉11各段的实际空气流量和实际燃料流量，设定的空气流量与实际空气流量进行比较求出空气流量的差值；将设定的燃料流量和实际燃料流量进行比较，求出燃料流量的差值。

步骤103：再下一步，根据设定的空气流量与实际空气流量的差值、设定的燃料流量和实际燃料流量的差值以及各段空气过剩率补正值计算出需要注入加热炉各段的空气流量和燃料流量。

在该步骤中，将设定的空气流量与实际空气流量的差值输入本段的空气流量调节器7，然后由执行器9执行注入该段需要注入的空气流量；同样，将设定的燃料流量和实际燃料流量的差值输入本段的燃料流量调节器8，然后由执行器10执行注入该段需要注入的燃料流量。

为了实现压力和温度补偿的因素，将由空气过剩率补正值分别反馈至燃烧回路修正空燃比，设定的空气流量与实际空气流量的差值和空气过剩率补正值输入计算模块12，求出空燃比的倒数，然后将该结果输入计算模块14，经处理后将其结果输入本段的燃料流量调节器8。同样，设定的燃料流量和实际燃料流量的差值和空气过剩率补正值输入计算模块13，求出空燃比，然后将该结果输入计算模块15，经处理后将其结果输入本段的空气流量调节器7。其结果交叉控制空气流量调节器7和燃料流量调节器8，以实现交叉限幅调节。

此外，本发明的方法还可以总残氧量控制。

参见图2所示：

由于加热炉内烟气是由出钢侧向预热段流动，在控制***中可以同时构造一个炉内总残氧量模糊控制器16。在炉尾烟道壁设置氧含量分析仪用于检测炉内排放烟气的总残氧含量。该模糊控制器16以炉尾氧含量分析仪检测出的烟气总残氧含量及其变化速度为输入量，经计算输出炉内总空气过剩率补正值。在此基础上，依据加热炉内总残氧量模型和得到的加热炉内总空气过剩率补正值计算出各炉段的空气过剩率补正限幅值，并将这些限幅值传递到各炉段残氧量模糊控制器17作为其输出约束，有效地增加了***调节的稳定性。

由于现有的炉内气氛的氧含量检测存在很大的滞后，常规方法是把其等效成一个由纯滞后环节和一个一阶段性环节组成的时滞环节进行滞后补偿控制，但因为参与控制的等效模型参数因具体被控对象的差异而存在较大不同，所以控制效果也不稳定。在本发明中，我们设计了加热炉二维的氧含量模糊控制器，根据炉内残氧量的偏差值以及该偏差值的变化速度，来调节本炉段的空气过剩率。并通过前馈通道将空气过剩率的修正值前馈给燃烧控制回路的计算模块从而达到调节燃烧空气量的作用。

上述设计采用关于氧量偏差及其变化速度的二维模糊控制器对空气过剩率进行调节能显著的改善因氧量检测的滞后带来的控制滞后。各炉段均设置独立的氧量模糊控制器，并使该控制器输出的空气过剩率补正值参与各自燃烧回路中对空气量和燃料量的调节，提高了控制效率的同时，也使工艺人员能实时、准确的了解每个炉段炉内气氛的性质，增加了加热炉工艺过程的透明性和可控性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种加热炉内氧量气氛场的控制方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：

步骤A：建立加热炉内各段残氧量控制模型和残氧量目标值，同时检测加热炉内各段的实际残氧量；

通过所述加热炉内各段残氧量目标值和所述加热炉内各段的实际残氧量计算出残氧量偏差及其对时间的微分量，并将所述残氧量偏差和所述残氧量偏差对时间的微分量输入残氧量模糊控制器；

利用从所述残氧量模糊控制器输出的控制量计算出各段空气过剩率补正值；

步骤B：检测所述加热炉内各段的炉温和炉压，计算出在所述炉温和炉压条件下的设定空气流量和设定燃料流量；

检测所述加热炉内各段的实际空气流量和实际燃料流量；

将设定空气流量与实际空气流量进行比较求出差值，将设定燃料流量和实际燃料流量进行比较，求出差值；

步骤C：根据所述设定空气流量与实际空气流量的差值、设定燃料流量与实际燃料流量的差值以及所述各段空气过剩率补正值计算出需要注入加热炉内各段的空气流量和燃料流量。

2.根据权利要求1所述的加热炉内氧量气氛场的控制方法，其特征在于，在所述步骤A中，所述残氧量模糊控制器根据加热炉内各段残氧量控制模型建立残氧量与空气过剩率的模糊控制规则，并通过对所述模糊控制规则进行优化后获得模糊控制表。

3.根据权利要求1所述的加热炉内氧量气氛场的控制方法，其特征在于，在所述步骤C中，利用所述各段空气过剩率补正值调节加热炉各段的空燃比，进而计算出需要注入加热炉各段的空气流量和燃料流量。

4.根据权利要求1所述的加热炉内氧量气氛场的控制方法，其特征在于，所述方法还包括

步骤D：设置加热炉内总残氧量模糊控制器，检测加热炉炉尾的烟气总残氧量及其变化速度，将所述烟气总残氧量和所述烟气总残氧量的变化速度输入所述总残氧量模糊控制器，经过计算输出加热炉内总空气过剩率补正值，依据所述加热炉内总空气过剩率补正值及加热炉内总残氧量控制模型得到所述加热炉各段空气过剩率补正值的限幅值，将所述限幅值输入到加热炉各段的残氧量模糊控制器作为其输入约束。

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