CN103672948A - 工业炉窑的燃烧控制***及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种工业炉窑的燃烧控制***及控制方法，所述燃烧控制***包括：激光光谱检测装置用于检测所述工业炉窑内的气体含量；激光光谱检测装置包括激光器、探测器及分析模块；燃烧控制装置用于根据所述激光光谱检测装置传送来的数据而优化、调整所述工业炉窑内的燃烧状况；氧化烧损检测装置用于检测经过所述工业炉窑内的工件的氧化烧损，并将检测结果传送到比对装置；比对装置用于根据接收到的所述检测结果、原有氧化烧损情况而获知比对结果，并传送到计算装置；计算装置用于根据接收到的所述比对结果而获得所述工业炉窑的燃烧控制效果。本发明具有检测精度高、快速、成本低、节能等优点。
Description
技术领域
本发明涉及加热炉，特别涉及工业加热炉窑的燃烧控制***及控制方法。
背景技术
加热炉是轧钢厂的能源消耗大户，同时又在轧钢生产中占有十分重要的地位，主要用于提高钢材的塑性、降低变形抗力，按照轧机的轧制节奏将钢材加热到工艺要求的温度水平和加热质量。在保证优质生产的前提下，需尽可能地降低燃料消耗，减少氧化烧损。
当加热炉内的空气消耗系数处于最佳燃烧区域内时，燃料***热效率利用最高。空气消耗系数低于下限(最小值)，燃料燃烧不充分，导致燃料浪费；空气消耗系数大于上限(最大值)，燃烧后的烟气中剩余大浓度的氧气(空气带入)，使得氧化烧损量增大，氧气浓度越高，钢坯的氧化烧损越大，且过多的烟气带走大量的热量，使燃烧***热效率过低。因此，加热炉炉内的气氛控制显得非常重要，气氛控制的好坏直接影响燃料吨耗和钢材的成材率。
目前，加热炉控制***主要以加热温度为控制目标，炉内气氛控制方式主要为：人工控制进入炉内的空气流量和煤气流量，即人工控制设定空气消耗系数或空燃比(空气消耗系数和空燃比可通过固定公式换算)，从而达到控制炉内气氛的目的。具体实施方式为：设定固定的空气消耗系数或空燃比，改变煤气流量(空气消耗系数不变)而使得炉内加热温度符合热工要求。
上述加热炉***控制方法存在的主要问题：
1、由于加热炉容积大，温度反应滞后大，温度调节缓慢；
2、人工设定的空燃比往往与炉内实际空燃比不一致，误差较大。炉内燃烧状态受煤气热值波动、流量计量误差、阀门开度误差、气体泄漏、排烟速度等因素影响而发生偏离；
3、无法实时、连续地获得加热炉各段氧气和一氧化碳浓度，无法确定加热炉各段炉内实际空气消耗系数，即无法确定加热炉各段是否处于最佳燃烧状态；
4、由于无法准确获知加热炉内燃烧情况，仅仅靠人工经验，实际空气消耗系数往往较大，大部分达到1.4及以上，增加了燃料消耗，同时氧化烧损率偏高，一般≥1.0％，高的甚至超过1.5％；
5、一般温度控制调节幅度范围大(目标温度T±50℃)，能耗高；
6、无法获知炉内残余燃料含量，往往会造成安全隐患，导致后续工艺管道、排烟风机等设备的***事故，造成设备财产损失和人员安全事故。
因此，怎样快速、准确、可靠地检测加热炉内气氛并加以反馈控制(加热炉各段独立优化控制)是冶金等领域迫切需要解决的技术难题。
发明内容
为了解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种检测快速、准确、可靠且成本低的工业炉窑的燃烧控制***。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种工业炉窑的燃烧控制***，所述工业炉窑的燃烧控制***包括：
激光光谱检测装置，所述激光光谱检测装置用于检测所述工业炉窑内的气体含量；所述激光光谱检测装置包括激光器、探测器及分析模块；
燃烧控制装置，所述燃烧控制装置用于根据所述激光光谱检测装置传送来的数据而优化、调整所述工业炉窑内的燃烧状况；
氧化烧损检测装置，所述氧化烧损检测装置用于检测经过所述工业炉窑内的工件的氧化烧损，并将检测结果传送到比对装置；
比对装置，所述比对装置用于根据接收到的所述检测结果、原有氧化烧损情况而获知比对结果，并传送到计算装置；
计算装置，所述计算装置用于根据所述控制***的运行时间、接收到的所述比对结果而获得所述工业炉窑的燃烧控制效果。
根据上述的燃烧控制***，优选地，在所述激光光谱检测装置形成的测量光路上，单位光程上工业炉窑内中心区域的气体对测量光的吸收比边缘区域强。
根据上述的燃烧控制***，优选地，所述激光光谱检测装置形成的用于检测气体含量的光路处于所述工业炉窑内烧嘴的上方10-50cm，或加热工件与烧嘴之间。
根据上述的燃烧控制***，可选地，所述激光光谱检测装置设置在预热段、加热段和均热段中的至少一段上。
根据上述的燃烧控制***，可选地，所述激光光谱检测装置还用于检测所述工业炉窑内的温度。
根据上述的燃烧控制***，可选地，所述燃烧控制装置进一步包括：
第一比对模块，所述第一比对模块用于比对温度设定值、所述分析模块传送来的温度实测值，比对情况传送到第一控制模块；
第一控制模块，所述第一控制模块用于根据所述比对情况而控制通往所述工业炉窑内的燃料及氧气流量：
若实测温度值高于设定值，则降低燃料流量和/或氧气流量；
若实测温度值低于设定值，则提高燃料流量和/或氧气流量。
根据上述的燃烧控制***，可选地，所述燃烧控制装置进一步包括：
第二比对模块，所述第二比对模块用于比对含量设定值、所述工业炉窑内的含量实测值，比对状况传送到第二控制模块；
第二控制模块，所述第二控制模块用于根据所述比对状况而控制通往所述工业炉窑内的燃料或氧气流量：
若燃料气含量实测值高于设定值，则提高氧气流量；
若氧气含量实测值高于设定值，则降低氧气流量。
根据上述的燃烧控制***，优选地，所述激光光谱检测装置形成的用于检测温度的光路处于工业炉窑内工件的上方2-20cm。
根据上述的燃烧控制***，优选地，所述激光光谱检测装置到所述工业炉窑的预热段的入钢侧的距离至少为1.5m。
根据上述的燃烧控制***，优选地，所述激光光谱检测装置到所述工业炉窑的均热段的出钢侧的距离至少为1m。
本发明还提供了一种准确、快速、低成本的工业炉窑的燃烧控制方法。该发明目的是通过以下技术方案实现的：
一种工业炉窑的燃烧控制方法，所述工业炉窑的燃烧控制方法包括以下步骤：
(A1)在所述工业炉窑上设置激光光谱检测装置，用于检测所述工业炉窑内的气体含量；
(A2)根据所述激光光谱检测装置传送来的数据而优化、调整所述工业炉窑内的燃烧状况；
(A3)氧化烧损检测装置检测经过所述工业炉窑内的工件的氧化烧损，并将检测结果传送到比对装置；
(A4)比对装置根据接收到的所述检测结果、原有氧化烧损情况而获知比对结果，并传送到计算装置；
(A5)计算装置根据运行时间、接收到的所述比对结果而获得所述工业炉窑的燃烧控制效果。
根据上述的工业炉窑的燃烧控制方法，可选地，所述氧化烧损检测装置采用重量比表面积相似法或氧化铁皮称重法或钢坯称重法或测厚法。
根据上述的工业炉窑的燃烧控制方法，优选地，所述工业炉窑的均热段和加热段为还原性气氛。
根据上述的工业炉窑的燃烧控制方法，优选地，所述工业炉窑的预热段为部分还原性气氛或部分氧化性气氛或中性气氛。
根据上述的工业炉窑的燃烧控制方法，可选地，所述激光光谱检测装置还用于检测所述工业炉窑内的温度。
根据上述的工业炉窑的燃烧控制方法，可选地，步骤(A2)进一步包括以下步骤：
(B1)第一比对模块用于比对温度设定值、所述工业炉窑内的温度实测值，比对情况传送到第一控制模块；
(B2)第一控制模块根据所述比对情况而控制通往所述工业炉窑内的燃料及氧气流量：
若实测温度值高于设定值，则降低燃料流量和/或氧气流量，并返回到步骤(B1)；
若实测温度值低于设定值，则提高燃料流量和/或氧气流量，并返回到步骤(B1)；
若实测温度值等于设定值，进入下一步骤。
根据上述的工业炉窑的燃烧控制方法，可选地，步骤(A2)进一步包括以下步骤：
(C1)第二比对模块比对气体含量设定值、所述检测装置传送来的气体含量实测值，比对状况传送到第二控制模块；
(C2)第二控制模块根据所述比对状况而控制通往所述工业炉窑内的燃料或氧气流量：
若燃料含量实测值高于设定值，则提高氧气流量，返回到步骤(B1)；
若氧气含量实测值高于设定值，则降低氧气流量，返回到步骤(B1)；
若气体含量实测值符合设定值，进入下一步骤。
根据上述的工业炉窑的燃烧控制方法，可选地，步骤(A2)进一步包括以下步骤：
(D1)第三比对模块比对氧气含量设定值、所述激光光谱检测装置传送来的氧气含量实测值，比对状况传送到第三控制模块；
(D2)第三控制模块调整输往工业炉窑的氧气的量，使得工业炉窑内的氧气含量实测值达到所述设定值。
根据上述的工业炉窑的燃烧控制方法，可选地，步骤(A2)进一步包括以下步骤：
(D3)判断所述激光光谱检测装置传送来的燃料含量实测值是否超标：
若燃料含量实测值超标，则调整氧气含量设定值，返回到步骤(D1)；
若燃料含量实测值不超标，则维持当前氧气含量设定值。
根据上述的工业炉窑的燃烧控制方法，优选地，在所述激光光谱检测装置形成的测量光路上，单位光程上工业炉窑内中心区域的气体对测量光的吸收比边缘区域强。
根据上述的工业炉窑的燃烧控制方法，可选地，计量输入工业炉窑的燃料及氧气流量，并传送到所述比对装置；
所述比对装置根据所述燃料及氧气流量、原有的消耗量而获得燃料及氧气的节约量，并传送到所述计算装置；
所述计算装置根据所述节约量、运行时间而获得工业炉窑的燃烧控制效果。
根据上述的工业炉窑的燃烧控制方法，优选地，分别独立地调整所述工业炉窑的预热段、均热段、加热段内的燃烧状况。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
1、独立优化各段(预热段、加热段、均热段)空燃比：加热炉各段气氛分段检测，分段控制；
2、节能效果优异：动态调整燃烧状态，使得燃烧处于最佳状态，节约了大量的燃料，同时降低了工件在炉窑内的氧化烧损量，明显地提高了生产企业的经济效益，燃料使用量可节约2％～10％，氧化烧损量可降低10％～50％；
3、安全可靠：实时监控燃料含量，及时调整氧气和燃料(如煤气)流量，使得燃烧后烟气中***性气体浓度处于安全范围内，避免***事故的发生。
4、激光光谱分析技术的显著优势，如：
a、检测准确性高：测量范围为加热炉炉膛内部的平均浓度，能准确地反应炉内气氛环境，测量值可用于燃烧优化自动连锁控制；
b、具备最佳燃烧状态寻优功能：根据检测的O2和燃料的(如CO)含量，可实现燃烧状态动态调整，并确定最佳燃烧状态；
c、响应速度快：响应时间＜1S。
附图说明
参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：
图1是根据本发明实施例1的工业炉窑的控制***的结构简图；
图2是根据本发明实施例1的燃烧控制装置的结构简图；
图3是根据本发明实施例1的工业炉窑的燃烧控制方法的流程图；
图4是根据本发明实施例2的激光光谱检测装置的水平方向安装简图；
图5是根据本发明实施例2的激光光谱检测装置的竖直方向安装简图。
具体实施方式
图1-5和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。
实施例1：
图1示意性地给出了本发明实施例的工业炉窑的燃烧控制***的结构简图，如图1所示，所述工业炉窑的燃烧控制***包括：
激光光谱检测装置，所述激光光谱检测装置设置在所述工业炉窑上，用于检测所述工业炉窑内的气体含量，如氧气、一氧化碳的含量；所述激光光谱检测装置包括激光器、探测器及分析模块。所述激光器和探测器可以分别安装在工业炉窑相对的两侧，使得测量光路穿过工业炉窑内的气体；还可以使激光器和探测器安装在一侧，光反射部件安装在相对的另一侧，使得测量光两次穿过工业炉窑内的气体。
燃烧控制装置，所述燃烧控制装置用于根据所述激光光谱检测装置传送来的数据而优化、调整所述工业炉窑内的燃烧状况；具体地，所述激光光谱检测装置测得的氧气、一氧化碳等气体含量的参数反映了工业炉窑内的燃烧状况，控制装置根据实测的燃烧状况去调整输入工业炉窑内的氧气、一氧化碳等气体的流量，或者其他类型燃料的量，如油品，从而使得所述工业炉窑各段内的燃烧处于最优状态，一方面降低了燃料消耗量，另一方面也降低了过多氧气带来的加热工件的氧化烧损。
氧化烧损检测装置，所述氧化烧损检测装置用于检测经过所述工业炉窑内的工件的氧化烧损，并将检测结果传送到比对装置；氧化烧损检测装置是本领域的现有技术，在此不再赘述。
比对装置，所述比对装置用于根据接收到的所述检测结果、原有氧化烧损情况而获知比对结果，并传送到计算装置；该对比装置可通过软件或电路来实现。
计算装置，所述计算装置用于根据所述控制***的运行时间、接收到的所述比对结果而获得所述工业炉窑的燃烧控制效果，也即采用燃烧控制后氧化烧损的减少量，该减少量可折算成控制***业主单位的经济效益，而控制***的供应商可从所述经济效益中提取一部分以作为收益。
为了更有效地检测工业炉窑内中心区域的气体含量或温度，以克服氧化锆传感器的固有缺点，优选地，在所述激光光谱检测装置形成的测量光路上，单位光程上工业炉窑内中心区域(温度高)的气体对测量光的吸收比边缘区域(温度低)强，使得边缘区域的吸收可忽略不计。
为了能真实反映工业炉窑内的燃烧状况并用于反馈控制，优选地，所述激光光谱检测装置形成的用于检测气体含量的光路处于所述工业炉窑内烧嘴的上方10-50cm，该区域为火焰燃烧区域，或加热工件与烧嘴之间，以准确地检测工件附近的燃烧气氛。
为了准确、快速、低成本地测得工业炉窑内的燃烧温度，可选地，所述激光光谱检测装置还用于检测所述工业炉窑内的温度，具体测量方式是本领域的现有技术，在此不再赘述。
图2示意性地给出了本发明实施例的燃烧控制装置的结构简图，如图2所示，所述燃烧控制装置进一步包括：
第一比对模块(电路或软件)，所述第一比对模块用于比对(工业炉窑内燃烧处于最优状态时的)温度设定值、所述工业炉窑内的温度实测值，比对情况传送到第一控制模块；
第一控制模块(电路或软件)，所述第一控制模块用于根据所述比对情况而控制通往所述工业炉窑内的燃料及氧气流量：
若实测温度值高于设定值，则降低燃料(如一氧化碳、油、煤等气态、液态、固态燃料)流量及氧气流量，如调节煤气流量控制装置，如蝶阀；
若实测温度值低于设定值，则提高燃料流量及氧气流量，如增大燃料管道上阀门的开度。
根据上述的控制***，可选地，所述燃烧控制装置进一步包括：
第二比对模块(电路或软件)，所述第二比对模块用于比对(工业炉窑内燃烧处于最优状态时的)气体含量设定值、所述激光光谱检测装置送来的气体含量实测值，比对状况传送到第二控制模块；
第二控制模块(电路或软件)，所述第二控制模块用于根据所述比对状况而控制通往所述工业炉窑内的燃料或氧气流量：
若燃料含量实测值高于设定值，则提高氧气流量，如调节控制空气流量的阀门；
若氧气含量实测值高于设定值，则降低氧气流量。
为了有效地测得工业炉窑内的温度，优选地，所述激光光谱检测装置形成的用于检测温度的光路处于工业炉窑内工件的上方2-20cm。
为了进一步地获得燃烧控制效果，流量计计量燃料及氧气的流量，并传送到所述比对装置，比对装置获得与现有的控制方式相比所节约的燃料及气体量，并传送到计算装置，计算装置根据节约的燃料及气体量、氧化烧损的减少量、运行时间而计算得到由于采用上述燃烧控制***及方法而获得的经济效益，燃烧控制***供应商从所述经济效益中提取部分作为收益，提取比例由业主单位、供应商通过事先节能改造协议约定。
为了避开入钢口漏风影响区域，优选地，所述激光光谱检测装置到所述工业炉窑的预热段的入钢侧的距离至少为1.5m。
为了避开出钢口漏风影响区域，优选地，所述激光光谱检测装置到所述工业炉窑的均热段的出钢侧的距离至少为1m。
图3示意性地给出了一种工业炉窑的燃烧控制方法，也即上述工业炉窑的燃烧控制***的工作方法，如图3所示，所述工业炉窑的燃烧控制方法包括以下步骤：
(A1)在所述工业炉窑上设置激光光谱检测装置，用于检测所述工业炉窑内的气体含量；
(A2)根据所述激光光谱检测装置传送来的数据而优化、调整所述工业炉窑内的燃烧状况；
(A3)氧化烧损检测装置检测经过所述工业炉窑内的工件的氧化烧损，并将检测结果传送到比对装置；
(A4)比对装置根据接收到的所述检测结果、原有氧化烧损情况而获知比对结果，并传送到计算装置；
(A5)计算装置根据运行时间、接收到的所述比对结果而获得所述工业炉窑的燃烧控制效果。
可选地，所述氧化烧损检测装置采用重量比表面积相似法或氧化铁皮称重法或钢坯称重法或测厚法。这些检测方法都是现有技术，在此不再赘述。
为了使工业炉窑内的燃烧处于最优状态，优选地，所述工业炉窑的均热段和加热段为还原性气氛，更进一步地，所述工业炉窑的预热段为部分还原性气氛或部分氧化性气氛或中性气氛。
为了有效地测得工业炉窑内的温度，可选地，所述激光光谱检测装置还用于检测所述工业炉窑内的温度。
为了准确、快速反馈控制工业炉窑内的燃烧状况，以使得燃烧处于最优状态，可选地，步骤(A2)进一步包括以下步骤：
(B1)第一比对模块(软件或电路)用于比对(工业炉窑内燃烧处于最优状态时的)温度设定值、所述工业炉窑内的温度实测值，比对情况传送到第一控制模块；
(B2)第一控制模块(软件或电路)根据所述比对情况而控制通往所述工业炉窑内的燃料和/或氧气流量：
若实测温度值高于设定值，则降低燃料流量和/或氧气流量，并返回到步骤(B1)；
若实测温度值低于设定值，则提高燃料流量和/或氧气流量，并返回到步骤(B1)；
若实测温度值等于设定值，则进入下一步骤。
为了更好地优化工业炉窑内的燃烧，可选地，步骤(A2)进一步包括以下步骤：
(C1)第二比对模块(软件或电路)比对(工业炉窑内燃烧处于最优状态时的)气体含量设定值、所述激光光谱检测装置传送来的含量实测值，比对状况传送到第二控制模块；
(C2)第二控制模块(软件或电路)根据所述比对状况而控制通往所述工业炉窑内的燃料或氧气流量：
若燃料含量实测值高于设定值，则提高氧气流量，返回到步骤(B1)；
若氧气含量实测值高于设定值，则降低氧气流量，返回到步骤(B1)；
若气体含量符合设定值，进入下一步骤。
根据上述的工业炉窑的燃烧控制方法，可选地，步骤(A2)进一步包括以下步骤：
(D1)第三比对模块比对氧气含量设定值、所述激光光谱检测装置传送来的氧气含量实测值，比对状况传送到第三控制模块；
(D2)第三控制模块调整输往工业炉窑的氧气的量，使得工业炉窑内的氧气含量实测值达到所述设定值。
根据上述的工业炉窑的燃烧控制方法，可选地，步骤(A2)进一步包括以下步骤：
(D3)判断所述激光光谱检测装置传送来的燃料含量实测值是否超标：
若燃料含量实测值超标，则调整氧气含量设定值，返回到步骤(D1)；
若燃料含量实测值不超标，则维持当前氧气含量设定值。
为了更好地计量燃烧控制效果，可选地，在上述控制过程中，流量计计量燃料及空气输入加热炉的流量，并传送到比对装置(存有以往加热同样工件所消耗的气体流量)，从而获得与现有的控制方式相比所节约的燃料及气体量，并传送到计算装置，计算装置根据节约的燃料及气体量、氧化烧损的减少量、运行时间而计算得到由于采用上述燃烧控制***及方法而获得的经济效益，燃烧控制***供应商从所述经济效益中提取部分作为收益，提取比例由业主单位、供应商通过事先节能改造协议约定。
为了进一步增强工业炉窑的燃烧控制效果，分别独立地控制工业炉窑内加热段、预热段、均热段的燃烧状况。
根据本发明实施例1的工业炉窑的控制***及控制方法达到的益处在于：采用的激光光谱检测装置测得的气体含量、温度准确、快速地反映了工业炉窑内的燃烧状况，而控制方式的引入使得工业炉窑内的燃烧处于最佳，使得燃料及气体消耗处于最佳状态，加热工件的氧化烧损也处于较低水平，大大提高了业主单位的经济效益，进而提高了供应商的收益。
实施例2：
根据本发明实施例1的工业炉窑的燃烧控制***及控制方法在轧钢加热炉内的应用例。
图4、5分别给出了本应用例的激光光谱检测装置的水平、竖直方向安装简图，如图4、5所示，加热炉分为预热段、加热段和均热段，激光光谱检测装置的安装位置具体为：在高度上，处于各段上部烧嘴上方10～50cm；该高度位置上，安装、维护方便，且光路良好；在水平方向上，预热段：避开入钢口漏风影响区域(距离入钢侧2.2m)，取段中心略偏向加热段的两个烧嘴中心位置；加热段：取段中心位置；均热段：避开出钢口漏风影响区域(距离出钢侧2m)，取段中心略偏向加热段的两个烧嘴中心位置。测得的气体(氧气和一氧化碳)浓度为加热炉宽度方向的平均浓度，测量光程为加热炉炉内宽度，宽度一般≥6米，炉壁附件几个局部点区域的浓度无规律大幅值波动对炉内组分平均浓度几乎没有影响，平均浓度可真实反映炉内气氛环境，测量值可用于自动连锁控制。
在上述控制***的工作过程中：
控制***的业主单位的原DCS/PLC根据钢坯品种设定加热目标温度和加热目标温度上下限，预设空燃比，激光燃烧控制***(FOCS)设定氧气和一氧化碳浓度上下限。
设置均热段空气消耗系数为0.9～1.0；加热段空气消耗系数为0.95～1.05；预热段空气消耗系数为1.05～1.15；均热段和加热段为弱还原性气氛(有燃料剩余)，即高温低氧下可大幅度降低钢坯的氧化烧损量；预热段为弱氧化性气氛(有氧剩余)，均热段和加热段剩余的燃料与预热段剩余的氧气在预热段混合充分燃烧，保证燃料不浪费。
具体的燃烧控制方式为：
(B1)第一比对模块比对温度设定值、常规方式测得的工业炉窑内的温度值，比对结果传送到第一控制模块；
(B2)第一控制模块根据比对结果反馈控制加热炉各段内的燃烧状况：
1、若实测温度符合设定要求：业主单位原DCS/PLC***不调节煤气流量，激光光谱检测装置将测得的氧气和一氧化碳浓度传送到第二比对模块；
第二比对模块比对浓度设定值、实测的气体浓度值，结果传送到第二控制模块；
第二控制模块根据接收到的结果而反馈控制输入加热炉各段内的气体流量：
若氧气浓度超过设定上限，降低空气流量，使得氧含量低于设定值上限，并返回到步骤(B1)；
若一氧化碳含量超过设定上限，增加空气流量，使得一氧化碳含量低于设定值上限，并返回到步骤(B1)；
若气体浓度值符合设定值，则进入下一步骤。
2、若实测温度上升超过设定上限：业主单位的原DCS/PLC***降低煤气流量，FOCS***跟踪煤气流量调节而降低空气流量(空燃比为预设值)，并返回到步骤(B1)。
3、实测温度下降超过设定下限：业主单位原DCS/PLC***增加煤气流量，FOCS***跟踪煤气流量设定值调节空气流量(空燃比为预设值，***中设定联动，空气先调节)，并返回到步骤(B1)。
上述控制方式可在加热炉各段内独立进行。
采用蝶阀分别控制煤气和空气的流量，输入端连接第一控制模块和第二控制模块，采用流量计分别计量煤气和空气的流量，输出端连接比对装置。比对装置获得与现有控制方式相比，煤气及空气的节约量，计算装置根据所述节约量、氧化烧损减少量而获得采用本燃烧控制***及方法后带来的经济效益，并根据业主单位和控制***供应商事先签订的节能分享协议而得出供应商应得到的收益。
实施例3：
根据本发明实施例1的工业炉窑的燃烧控制***及控制方法在轧钢加热炉内的应用例。
在该应用例中，加热炉分为预热段、加热段和均热段，第一套激光光谱检测装置的安装位置具体为：在高度上，处于各段烧嘴和工件之间；该高度位置上，安装、维护方便，且光路良好，较好地检测工件附件的燃烧气氛；在水平方向上，预热段：避开入钢口漏风影响区域(距离入钢侧2m)，取段中心略偏向加热段的两个烧嘴中心位置；加热段：取段中心位置；均热段：避开出钢口漏风影响区域(距离出钢侧1.8m)，取段中心略偏向加热段的两个烧嘴中心位置。测得的气体(氧气和一氧化碳)浓度为加热炉宽度方向的平均浓度，测量光程为加热炉炉内宽度，宽度一般≥6米，炉壁附件几个局部点区域的浓度无规律大幅值波动对炉内组分平均浓度几乎没有影响，平均浓度可真实反映炉内气氛环境，测量值可用于自动连锁控制。
第二套激光光谱检测装置形成的用于检测温度的光路处于工业炉窑内工件的上方2-20cm。
在上述控制***的工作过程中：
业主单位原DCS/PLC根据钢坯品种设定加热目标温度和加热目标温度上下限，设置预设空燃比，激光燃烧控制***(FOCS)设定氧气和一氧化碳浓度上下限。
设置均热段空气消耗系数为0.9～1.0；加热段空气消耗系数为0.95～1.05；预热段空气消耗系数为1.05～1.15；均热段和加热段为弱还原性气氛(有燃料剩余)，即高温低氧下可大幅度降低钢坯的氧化烧损量；预热段为弱氧化性气氛(有氧剩余)，均热段和加热段剩余的燃料与预热段剩余的氧气在预热段混合充分燃烧，保证燃料不浪费。
具体的燃烧控制方式为：
(B1)第一比对模块比对温度设定值、激光光谱检测装置测得的温度值，比对结果传送到第一控制模块；
(B2)第一控制模块根据比对结果反馈控制加热炉各段内的燃烧状况：
1、若实测温度符合设定要求：FOCS***不调节煤气流量，激光光谱检测装置将测得的氧气和一氧化碳浓度传送到第二比对模块；
第二比对模块比对浓度设定值、实测的气体浓度值，结果传送到第二控制模块；
第二控制模块根据接收到的结果而反馈控制输入加热炉各段内的气体流量：
若氧气浓度超过设定上限，降低空气流量，使得氧含量低于设定值上限，并返回到步骤(B1)；
若一氧化碳含量超过设定上限，增加空气流量，使得一氧化碳含量低于设定值上限，并返回到步骤(B1)；
若气体浓度值符合设定值，则进入下一步骤。
2、若实测温度上升超过设定上限：FOCS***自动降低煤气和氧气流量(空燃比为预设值)，并返回到步骤(B1)。
3、实测温度下降超过设定下限：FOCS***自动增加煤气和氧气流量(空燃比为预设值，***中设定联动，先增加氧气流量，再增加煤气流量)，并返回到步骤(B1)。
上述控制方式在加热炉各段内独立进行。
采用蝶阀分别控制煤气和空气的流量，输入端连接第一控制模块和第二控制模块，采用流量计分别计量煤气和空气的流量，输出端连接比对装置。比对装置获得与现有控制方式相比，煤气及空气的节约量，计算装置根据所述节约量、氧化烧损减少量而获得采用本燃烧控制***及方法后带来的经济效益，并根据业主单位和控制***供应商事先签订的节能分享协议而得出供应商应得到的收益。
现场实验结果表明：通过上述燃烧控制，可实现加热炉内各段气氛的准确控制，使得空气消耗系数控制在合理的范围内，热效率利用得到大幅度提高，同时加热温度波动幅值大幅减小，降低了钢坯的燃料吨耗。
实施例4：
根据本发明实施例1的工业炉窑的燃烧控制***及控制方法在轧钢加热炉内的应用例。
在该应用例中，加热炉分为预热段、加热段和均热段，激光光谱检测装置的安装位置具体为：在高度上，处于各段烧嘴的上方10-50cm；该高度位置上，安装、维护方便，且光路良好；在水平方向上，预热段：避开入钢口漏风影响区域(距离入钢侧为1.8m)，取段中心略偏向加热段的两个烧嘴中心位置；加热段：取段中心位置；均热段：避开出钢口漏风影响区域(距离出钢侧1.2m)，取段中心略偏向加热段的两个烧嘴中心位置。测得的气体(氧气和一氧化碳)浓度为加热炉宽度方向的平均浓度，测量光程为加热炉炉内宽度，宽度一般≥6米，炉壁附件几个局部点区域的浓度无规律大幅值波动对炉内组分平均浓度几乎没有影响，平均浓度可真实反映炉内气氛环境，测量值可用于自动连锁控制。
在上述控制***的工作过程中：激光燃烧控制***(FOCS)设定氧气目标浓度、煤气目标浓度区间。
具体的燃烧控制方式为：
(D1)第三比对模块比对氧气目标浓度、所述激光光谱检测装置传送来的氧气浓度实测值，比对状况传送到第三控制模块；
(D2)第三控制模块调整输往工业炉窑的空气的量，使得工业炉窑内的氧气浓度实测值达到所述氧气目标浓度；
如：
实测氧气浓度3％，氧气目标浓度2％，则降低空气流量，使得实测氧气浓度调整至2％；
实测氧气浓度1％，氧气目标浓度2％，则增加空气流量，使得实测氧气浓度调整至2％；
上述调整也可通过增量PID调节方式完成。
(D3)判断所述激光光谱检测装置传送来的煤气浓度实测值是否超标：
若煤气浓度实测值超标，则调整氧气目标浓度，返回到步骤(D1)；
若煤气浓度实测值不超标，则维持当前氧气目标浓度。
如：
实测煤气(CO)浓度5000ppm，煤气目标浓度3000ppm，氧气目标浓度2％，则氧气目标浓度调整为2.2％，并返回到步骤(D1)；
实测煤气(CO)浓度1500ppm，煤气目标浓度3000ppm，氧气目标浓度2％，则氧气目标浓度不变，并返回到步骤(D1)；
上述控制方式在加热炉各段内独立进行。
采用蝶阀分别控制煤气和空气的流量，输入端连接第一控制模块和第二控制模块，采用流量计分别计量煤气和空气的流量，输出端连接比对装置。比对装置获得与现有控制方式相比，煤气及空气的节约量，计算装置根据所述节约量、氧化烧损减少量而获得采用本燃烧控制***及方法后带来的经济效益，并根据业主单位和控制***供应商事先签订的节能分享协议而得出供应商应得到的收益。
现场实验结果表明：通过上述燃烧控制，可实现加热炉内各段气氛的准确控制，使得空气消耗系数控制在合理的范围内，热效率利用得到大幅度提高，同时加热温度波动幅值大幅减小，降低了钢坯的燃料吨耗。
实施例5：
根据本发明实施例1的工业炉窑的燃烧控制***及控制方法在轧钢加热炉内的应用例。
在该应用例中，加热炉分为预热段、加热段和均热段，激光光谱检测装置的安装位置具体为：在高度上，处于各段烧嘴和工件之间；该高度位置上，安装、维护方便，且光路良好；在水平方向上，预热段：避开入钢口漏风影响区域(距离入钢侧1.5m)，取段中心略偏向加热段的两个烧嘴中心位置；加热段：取段中心位置；均热段：避开出钢口漏风影响区域(距离出钢侧1m)，取段中心略偏向加热段的两个烧嘴中心位置。测得的气体(氧气和一氧化碳)浓度为加热炉宽度方向的平均浓度，测量光程为加热炉炉内宽度，宽度一般≥6米，炉壁附件几个局部点区域的浓度无规律大幅值波动对炉内组分平均浓度几乎没有影响，平均浓度可真实反映炉内气氛环境，测量值可用于自动连锁控制。
在上述控制***的工作过程中：
激光燃烧控制***(FOCS)设定氧气目标浓度、目标温度、煤气目标浓度区间。
具体的燃烧控制方式为：
(B1)第一比对模块比对目标温度、传统模式测得的温度值，比对结果传送到第一控制模块；
(B2)第一控制模块根据比对结果反馈控制加热炉各段内的燃烧状况：
调整输往工业炉窑的煤气的量，使得工业炉窑内的温度达到所述目标温度；
(D1)第三比对模块比对氧气目标浓度、所述激光光谱检测装置传送来的氧气浓度实测值，比对状况传送到第三控制模块；
(D2)第三控制模块调整输往工业炉窑的空气的量，使得工业炉窑内的氧气浓度实测值达到所述氧气目标浓度；
如：
实测氧气浓度3％，氧气目标浓度2％，则降低空气流量，使得实测氧气浓度调整至2％；
实测氧气浓度1％，氧气目标浓度2％，则增加空气流量，使得实测氧气浓度调整至2％；
上述调整可通过增量PID调节方式完成。
(D3)判断所述激光光谱检测装置传送来的煤气浓度实测值是否超标：
若燃料浓度实测值超标，则调整氧气目标浓度，返回到步骤(D1)；
若燃料浓度实测值不超标，则维持当前氧气目标浓度。
如：
实测煤气(CO)浓度5000ppm，煤气目标浓度3000ppm，氧气目标浓度2％，则氧气目标浓度调整为2.2％，并返回到步骤(D1)；
实测煤气(CO)浓度1500ppm，煤气目标浓度3000ppm，氧气目标浓度2％，则氧气目标浓度不变，并返回到步骤(D1)；
上述控制方式在加热炉各段内独立进行。
采用蝶阀分别控制煤气和空气的流量，输入端连接第一控制模块和第二控制模块，采用流量计分别计量煤气和空气的流量，输出端连接比对装置。比对装置获得与现有控制方式相比，煤气及空气的节约量，计算装置根据所述节约量、氧化烧损减少量而获得采用本燃烧控制***及方法后带来的经济效益，并根据业主单位和控制***供应商事先签订的节能分享协议而得出供应商应得到的收益。
现场实验结果表明：通过上述燃烧控制，可实现加热炉内各段气氛的准确控制，使得空气消耗系数控制在合理的范围内，热效率利用得到大幅度提高，同时加热温度波动幅值大幅减小，降低了钢坯的燃料吨耗。
Claims (20)
1.一种工业炉窑的燃烧控制***，所述工业炉窑的燃烧控制***包括：
激光光谱检测装置，所述激光光谱检测装置用于检测所述工业炉窑内的气体含量；所述激光光谱检测装置包括激光器、探测器及分析模块；
燃烧控制装置，所述燃烧控制装置用于根据所述激光光谱检测装置传送来的数据而优化、调整所述工业炉窑内的燃烧状况；
氧化烧损检测装置，所述氧化烧损检测装置用于检测经过所述工业炉窑内的工件的氧化烧损，并将检测结果传送到比对装置；
比对装置，所述比对装置用于根据接收到的所述检测结果、原有氧化烧损情况而获知比对结果，并传送到计算装置；
计算装置，所述计算装置用于根据所述控制***的运行时间、接收到的所述比对结果而获得所述工业炉窑的燃烧控制效果。
2.根据权利要求1所述的燃烧控制***，其特征在于：所述激光光谱检测装置形成的用于检测气体含量的光路处于所述工业炉窑内烧嘴的上方10-50cm，或加热工件与烧嘴之间。
3.根据权利要求1所述的燃烧控制***，其特征在于：所述激光光谱检测装置还用于检测所述工业炉窑内的温度。
4.根据权利要求1所述的燃烧控制***，其特征在于：所述燃烧控制装置进一步包括：
第一比对模块，所述第一比对模块用于比对温度设定值、工业炉窑内的温度实测值，比对情况传送到第一控制模块；
第一控制模块，所述第一控制模块用于根据所述比对情况而控制通往所述工业炉窑内的燃料及氧气流量：
若实测温度值高于设定值，则降低燃料或/和氧气流量；
若实测温度值低于设定值，则提高燃料或/和氧气流量。
5.根据权利要求1所述的燃烧控制***，其特征在于：所述燃烧控制装置进一步包括：
第二比对模块，所述第二比对模块用于比对含量设定值、所述激光光谱检测装置传送来的含量实测值，比对状况传送到第二控制模块；
第二控制模块，所述第二控制模块用于根据所述比对状况而控制通往所述工业炉窑内的燃料或氧气流量：
若燃料含量实测值高于设定值，则提高氧气流量；或者，
若氧气含量实测值高于设定值，则降低氧气流量。
6.根据权利要求1或3所述的燃烧控制***，其特征在于：在所述激光光谱检测装置形成的测量光路上，单位光程上工业炉窑内中心区域的气体对测量光的吸收比边缘区域强。
7.根据权利要求3所述的燃烧控制***，其特征在于：所述激光光谱检测装置形成的用于检测温度的光路处于工业炉窑内工件的上方2-20cm。
8.根据权利要求1所述的燃烧控制***，其特征在于：所述激光光谱检测装置到所述工业炉窑的预热段的入钢侧的距离至少为1.5m。
9.根据权利要求1所述的燃烧控制***，其特征在于：所述激光光谱检测装置到所述工业炉窑的均热段的出钢侧的距离至少为1m。
10.一种工业炉窑的燃烧控制方法，所述工业炉窑的燃烧控制方法包括以下步骤：
(A1)在所述工业炉窑上设置激光光谱检测装置，用于检测所述工业炉窑内的气体含量；
(A2)根据所述激光光谱检测装置传送来的数据而优化、调整所述工业炉窑内的燃烧状况；
(A3)氧化烧损检测装置检测经过所述工业炉窑内的工件的氧化烧损，并将检测结果传送到比对装置；
(A4)比对装置根据接收到的所述检测结果、原有氧化烧损情况而获知比对结果，并传送到计算装置；
(A5)计算装置根据运行时间、接收到的所述比对结果而获得所述工业炉窑的燃烧控制效果。
11.根据权利要求10所述的燃烧控制方法，其特征在于：所述氧化烧损检测装置采用重量比表面积相似法或氧化铁皮称重法或钢坯称重法或测厚法。
12.根据权利要求10所述的燃烧控制方法，其特征在于：所述工业炉窑的均热段和加热段为还原性气氛。
13.根据权利要求12所述的燃烧控制方法，其特征在于：所述工业炉窑的预热段为部分还原性气氛或部分氧化性气氛或中性气氛。
14.根据权利要求10所述的燃烧控制方法，其特征在于：所述激光光谱检测装置还用于检测所述工业炉窑内的温度。
15.根据权利要求10所述的燃烧控制方法，其特征在于：步骤(A2)进一步包括以下步骤：
(B1)第一比对模块用于比对温度设定值、所述工业炉窑内的温度实测值，比对情况传送到第一控制模块；
(B2)第一控制模块根据所述比对情况而控制通往所述工业炉窑内的燃料及氧气流量：
若实测温度值高于设定值，则降低燃料流量和/或氧气流量，并返回到步骤(B1)；
若实测温度值低于设定值，则提高燃料流量和/或氧气流量，并返回到步骤(B1)；
若实测温度值等于设定值，进入下一步骤。
16.根据权利要求10或15所述的燃烧控制方法，其特征在于：步骤(A2)进一步包括以下步骤：
(C1)第二比对模块比对气体含量设定值、所述激光光谱检测装置传送来的气体含量实测值，比对状况传送到第二控制模块；
(C2)第二控制模块根据所述比对状况而控制通往所述工业炉窑内的燃料或氧气流量：
若燃料含量实测值高于设定值，则提高氧气流量，返回到步骤(B1)；
若氧气含量实测值高于设定值，则降低氧气流量，返回到步骤(B1)；
若气体含量实测值符合设定值，进入下一步骤。
17.根据权利要求10或15所述的燃烧控制方法，其特征在于：步骤(A2)进一步包括以下步骤：
(D1)第三比对模块比对氧气含量设定值、所述激光光谱检测装置传送来的氧气含量实测值，比对状况传送到第三控制模块；
(D2)第三控制模块调整输往工业炉窑的氧气的量，使得工业炉窑内的氧气含量实测值达到所述设定值。
18.根据权利要求17所述的燃烧控制方法，其特征在于：步骤(A2)进一步包括以下步骤：
(D3)判断所述激光光谱检测装置传送来的燃料含量实测值是否超标：
若燃料含量实测值超标，则调整氧气含量设定值，返回到步骤(D1)；
若燃料含量实测值不超标，则维持当前氧气含量设定值。
19.根据权利要求10所述的燃烧控制方法，其特征在于：计量输入工业炉窑的燃料及氧气流量，并传送到所述比对装置；
所述比对装置根据所述燃料及氧气流量、原有的消耗量而获得燃料及氧气的节约量，并传送到所述计算装置；
所述计算装置根据所述节约量、运行时间而获得工业炉窑的燃烧控制效果。
20.根据权利要求10所述的燃烧控制方法，其特征在于：分别独立地调整所述工业炉窑的预热段、均热段、加热段内的燃烧状况。
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