利用高焦炉煤气热值实现加热炉燃烧系数动态调整系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种利用高焦炉煤气热值实现加热炉燃烧系数动态调整系统，其特征在于：包括煤气加压站、煤气加压站自动控制系统、加热炉自动燃烧自动控制系统、加热炉、残氧检测仪、第一流量检测仪及第二流量检测仪；煤气加压站通过管道与加热炉连接；煤气加压站自动控制系统通过信号线连接分别与煤气加压站、加热炉自动燃烧自动控制系统连接；加热炉自动燃烧自动控制系统通过信号线连接与加热炉的流量调节阀连接；残氧检测仪安装在加热炉的换热器前3±0.1m的位置；第一流量检测仪安装在高炉煤气鼓风机与加热炉之间；第二流量检测仪安装在焦炉煤气鼓风机与加热炉之间。本实用新型具有以下优点：控制效果显著提高；降低硬件成本；提高了产品质量，减少人工成本。
【专利说明】
利用高焦炉煤气热值实现加热炉燃烧系数动态调整系统
技术领域
[0001] 本实用新型涉及加热炉燃的控制系统，具体涉及一种利用高焦炉煤气热值实现加 热炉燃烧系数动态调整系统。
【背景技术】
[0002] 加热炉燃烧控制是一个多输入、多输出、大滞后、强耦合、扰动多的系统，输入量为 空气流量、煤气流量、热值、残氧等，输出量为空气调节阀和煤气调节阀的开口度参数。参数 之间互相干扰，且系统外部干扰因素众多，包括煤气热值、混合煤气压力、空气压力等参数 的波动，会干扰稳定的系统，因此需要制定完备的控制方案，避免出现大的振荡，使得自动 控制系统可以稳定运行。
[0003]工业加热炉燃料通常采用炼铁工艺产生的高炉煤气和焦化工艺产生的焦炉煤气， 经过净化后，按比例混合、加压，从而达到加热炉燃烧工艺要求的混合煤气。
[0004] 一般情况下，加热炉混合煤气的热值控制在1800 ±70kcal/m3,混合煤气压力控制 在5KPa以上并保持稳定，否则将引起加热炉燃烧控制出现波动，甚至导致加热炉停炉联锁 动作。
[0005] 高、焦炉煤气符合以下工艺特点参见表1:
[0006] 表1:
[0008] 目前大多数加热炉燃烧控制采用的
热值仪检测来进行燃烧系数〇值的调整，但热 值仪在长期运行过程中存在以下问题：1.混合煤气的热值波动大，导致检测不准确;2.混合 煤气杂质多，而热值仪中的管道比较细，容易造成堵塞，导致热值仪频繁熄火;3.混合煤气 压力波动较大，容易导致频繁点火。以上几点原因，使得煤气热值仪在工业加热炉的应用中 受到极大的限制，目前在国内的冶金加热炉行业，热值仪能长期稳定运行的例子寥寥无几。
[0009] 传统的加热炉燃烧控制系统采用串级并联双交叉限幅控制回路，其中最重要的燃 烧系数σ值采用手动的方式进行设定和调整，使得控制输出不能及时反应工况的变化，且控 制效果与人工经验有关，控制连续性不强，从而引起最终的产品质量的波动。
【发明内容】
[0010] 针对以上问题，本实用新型提供一种利用高焦炉煤气热值实现加热炉燃烧系数动 态调整系统。该系统在传统的加热炉串级并联双交叉限幅回路控制的基础上，引入σ值的动 态调整，使得燃烧控制效果明显提高，节能环保效率更高，并且最大限度降低硬件投资，提 高系统稳定性和可靠性。
[0011] 本实用新型采用以下技术方案实现:一种利用高焦炉煤气热值实现加热炉燃烧系 数动态调整系统，其特征在于:包括煤气加压站、煤气加压站自动控制系统、加热炉自动燃 烧自动控制系统、加热炉、残氧检测仪、第一流量检测仪及第二流量检测仪;所述煤气加压 站通过管道与加热炉连接;所述煤气加压站自动控制系统通过信号线连接分别与煤气加压 站、加热炉自动燃烧自动控制系统连接;加热炉自动燃烧自动控制系统通过信号线连接与 加热炉的流量调节阀连接;所述残氧检测仪安装在加热炉的换热器前3 ±O. Im的位置;第一 流量检测仪安装在高炉煤气鼓风机与加热炉之间；第二流量检测仪安装在焦炉煤气鼓风机 与加热炉之间。
[0012] 进一步的，所述残氧检测仪为直插式氧化锆分析仪。
[0013] 进一步的，第一流量检测仪及第二流量检测仪均为带温压补偿一体式涡街流量 计。
[0014] 与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：
[0015] 1.在线动态测量数据，控制效果显著提高：
[0016] 本实用新型技术方案，具有实时在线、动态计算、准确迅速的特点，能够计算出煤 气在加压站混合后的热值动态数据，并通过系统通讯的方式，迅速传递给加热炉自动燃烧 控制系统，再结合残氧分析仪的检测结果，对σ值进行动态调整；同时由于热值计算是在煤 气加压站实现，而燃烧控制系统是在加热炉完成，通过热值信号实施的控制，使得加热炉燃 烧控制系统具有超前调节的特点，能够及时反应热值波动情况，保证加热炉温度控制的稳 定性和连续性，控制效果显著提高。
[0017] 2.减少设备硬件投资
[0018] 据估算，如果采用常规的热值仪来检测混合煤气热值，以国产工业加热炉热值仪 为例，价格在25万元左右，如果是进口的热值仪设备，价格更高达60万元以上，再加上商家 将设备打包上热值仪分析软件，一般一套国产热值仪设备上线运行，成本至少达到80万元， 进口热值仪更高达140万元以上，这里面还不包括设备安装、调试费用以及后期维护费用 等。
[0019] 按照本实用新型设计，利用煤气加压站自动控制系统已有的高炉煤气流量和焦炉 煤气流量作为数据来源，完全利用软件的方法得到混合煤气热值的数据，并且仅用一根通 讯电缆线将热值信息传递给加热炉自动燃烧控制系统，省去了昂贵的热值仪硬件设备，硬 件的投入几乎可以忽略，而且系统软件功能也得到了充分的发挥，因此本实用新型的经济 效益是非常显著的。
[0020] 3.提高了产品质量，减少人工维护成本
[0021] 常规热值仪设备因为存在的一系列问题，使得频繁熄火、点火，检测系统运行不稳 定，测量数据不连续，直接影响了加热炉自动燃烧控制系统的控制效果，进而影响产品的加 热质量，并最终影响产品的成品质量，因而损失是无法估量的。同时，热值仪频繁出现故障， 还给设备维护人员带来了非常繁重的体力劳动，维护人员往往需要反复清洗、甚至更换烧 嘴、煤气切断阀、电磁阀、流量孔板等设备，给维护工作带来了巨大的挑战。因此，本实用新 型的社会效益也是非常明显的。
[0022] 4.降低备品备件运行费用
[0023]常规热值仪上线运行后，为了保证设备稳定运行，往往需要配备大量的备品备件， 而这些备品备件多属于专用设备，通用性差，同时部分备件还要依赖热值仪厂家订购，因此 备件费用非常高昂，设备利用率较低。采用本实用新型设计的方案，几乎不需要专门的硬件 设备，使现有设备的利用率大大提高，生产、管理成本大大下降，因此经济和社会效益十分 显著。
[0024] 5.提高了加热炉燃烧效率，降低了环境污染
[0025] 目前加热炉较常采用的控制系统是串级并联双交叉限幅控制回路，由于没有热值 和残氧量的修正，控制效果较差，导致加热炉燃烧效率低下，浪费了大量的燃料，并且排放 的废气中含有未充分燃烧有害气体，污染了大气环境。因此，本设计的实施可以带来可观经 济和社会效益。
【附图说明】
[0026] 图1为本实用新型的系统结构不意图。
[0027]图2为本实用新型的控制原理框图。
【具体实施方式】
[0028] 下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型做进一步及时说明。
[0029] 参见图1，本实用新型提供一种利用高焦炉煤气热值实现加热炉燃烧系数动态调 整系统，其包括煤气加压站1、煤气加压站自动控制系统2、加热炉自动燃烧自动控制系统3、 加热炉4、残氧检测仪7、第一流量检测仪5及第二流量检测仪6;所述煤气加压站1通过管道 与加热炉4连接;所述煤气加压站自动控制系统2通过信号线连接分别与煤气加压站1、加热 炉自动燃烧自动控制系统3连接;加热炉自动燃烧自动控制系统3通过信号线连接与加热炉 的流量调节阀8连接;所述残氧检测仪7安装在加热炉的换热器前3±0.1 m的位置;第一流量 检测仪5安装在高炉煤气鼓风机9与加热炉1之间；第二流量检测仪6安装在焦炉煤气鼓风机 10与加热炉1之间。图1中虚线表示信号走向，实线表示管道走向，QE为残氧检测仪，FE为流 量检测仪。首先高炉煤气(BFG)和焦炉煤气(COG)分别从上工序送到煤气加压站，在煤气加 压站完成混合煤气的控制，包括各组分煤气流量控制、混合煤气压力控制等，在煤气加压站 自动控制系统中，根据采集到的实时BFG和COG的流量数据（由第一流量计5和6测得），可以 计算出每种煤气在混合煤气中的比例，根据计算出混合煤气的热值的实时值，根据测算，计 算的热值和人工手动化验的热值数据误差可以达到1.1%左右，该误差能够满足加热炉对 热值检测误差的要求。
[0030] 然后利用煤气加压站自动控制系统将计算出的热值数据转换成4~20mA电信号， 通过模拟量输出端口接到加热炉自动燃烧控制系统的模拟量输入端口，然后将信号通过加 热炉操作画面显示出来，同时数据信号接入加热炉各段的燃烧控制回路中，根据式(2)和式 (3)分别计算出热值动态偏差值和〇值修正因子，可以根据工艺情况动态地调整各段煤气流 量和空气流量，最终达到最佳的空燃配比，使燃烧效率达到最高。
[0031 ]进一步的，所述残氧检测仪为直插式氧化锆分析仪。
[0032] 进一步的，第一流量检测仪及第二流量检测仪均为带温压补偿一体式涡街流量 计。
[0033] 工业加热炉的混合煤气来源于高炉、焦炉生产所排放出的废气，这些废气中的煤 气经过过滤、提纯后送往煤气加压站进行混合和加压，达到加热炉燃烧要求的工艺参数后 经过管道输送到加热炉，因此煤气加压站需要对单组分和混合煤气的流量、压力等参数进 行实时检测和控制。本实用新型就是利用煤气加压站自动控制系统对上述工艺参数的采 集，结合煤气加压站的计算机控制系统，计算得到混合煤气的热值Q，然后通过通讯的方式， 把Q值数据传递给加热炉自动燃烧控制系统，再由加热炉自动燃烧控制系统实施控制，调节 空气、煤气配比，达到最佳燃烧效率。目前各厂的煤气加压站和加热炉基本上都采用了计算 机控制系统，因此需要增加的硬件投资仅仅是一根通讯电缆，这样既提高了煤气加压站和 加热炉自动控制系统的功能利用率，同时又避免了常规热值仪工作过程中出现的重大缺 陷，减轻设备维护成本，并且大大地提高加热炉燃烧控制效果，提升产品的加热质量。
[0034]在本实用新型一具体实施例，具体的调整方法如下（该调整方法非本实用新要保 护的内容）：
[0035] 1.混合煤气热值动态计算：
[0036] (1)煤气各组分热值的确定
[0037]冶金工业加热炉采用的煤气一般为高炉煤气(BFG)和焦炉煤气(COG)的混合气体， 这两种气体是高炉冶炼和焦炉冶炼后产生的副产品，其成分和含量与冶炼的工艺有密切关 系，气体的性质相对稳定。根据煤化质检部门的人工化验结果，BFG的热值一般情况下为800 ± 50kcal/m3左右，COG的热值为4500 ± 30kcal/m3左右，由于工艺原因，这两个工艺参数在正 常生产情况下维持相对稳定。
[0038] (2)煤气各组分含量的确定
[0039]根据煤气加压站的自动控制系统，可以很容易得到BFG和COG的流量数据，进而可 以知道混合气体中两者之间的浓度关系。假设BFG的流量为F1，COG的流量SF2，那么在混合 气体中，BFG的比例3
[0040] (3)混合煤气热值的计算
[0041]根据各煤气组分的含量，结合各组分煤气的热值，可以计算出混合煤气的热值大 小。煤气热值的定义，混合煤气热值Q等于各个单一组分气体含量与热值乘积的和，以高煤 热值为800kca.l /m3,隹楳执倌为4500k⑶.1 /m3为例，混合煤气的热值Q为：
[0042] ⑴
[0043] (4)热值数据的通讯
[0044]在煤气加压站自动控制系统上定义一个AO点，在加热炉自动燃烧控制系统上定义 一个AI点，将煤气加压站自动控制系统上计算得到的热值数据转换成4~20mA信号，然后通 过一根电缆线接到加热炉自动燃烧控制系统定义好的AI点上，经过系统转换成热值信号， 既可以在加热画面上显示，提示操作工来气的Q值变化情况;又可以将Q值引入加热炉燃烧 控制回路中，实现空气、煤气流量的动态调节，使空、煤气燃烧达到合适的比例，提高燃烧效 率。
[0045] 2.加热炉燃烧系数动态调整
[0046] 为了能够合理地控制加热炉燃烧气氛，在传统的串级并联双交叉限幅控制回路里 面进行优化燃烧系数σ值的设计。具体方案是引入了煤气热值动态偏差值Qd和残氧量γ两 个数据进行修正，动态调整加热炉各燃烧段的σ值，以保证燃烧效率最优化。这部分软件设 计分为三部分：
[0047] (1)确定煤气热值的动态偏差值
[0048] -般情况下，受地区、企业的环境、工艺等因素的影响，混合煤气的Q值会在一个有 限的范围内波动，根据前面计算得到的混合煤气热值Q，就可以确定热值动态偏差值Qd。比 如某一钢铁厂混合煤气热值正常情况下为1800 ± 70kcal/m3，以ISOOkcal/m3为标准，混合煤 气热值动态偏差值Qd的计算公式为：
[0049] QD = Q+1800kcal/m3 (2)
[0050] 其中，Qd:热值动态偏差值。
[0051]式(2)计算得到的Qd，代表了混合煤气Q值波动的情况，将这一波动数据引入加热 炉σ值的计算中，就可以参与动态调节空气、煤气流量，使空、煤气达到较理想的燃烧比例。 [0052] (2)根据残氧分析仪的检测结果确定修正系数
[0053]在理想状态下，加热炉每段都应该有残氧检测，用来修正各个段的〇值，但因为加 热炉中各段温度均很高，一般的残氧分析仪不能正常工作。因此在考虑安装位置时，根据炉 内气体的流动方向，以及排烟道的抽力情况，可知换热器前烟气较为集中，且温度相对较 低，因此在换热器前3m左右的位置安装残氧分析仪。
[0054] 常用的残氧分析仪是直插式氧化锆分析仪，全体不锈钢的结构，具有灵敏度高、响 应速度快以及稳定性好等特点。它的工作原理是当被测气体(烟气)通过传感器进入氧化锆 管内侧时，空气通过自然对流进入传感器的外侧，当锆管内外侧的氧浓度不同的时候在氧 化错管内外侧产生氧浓差电势，输出的氧浓差电势和传感器的工作温度以及氧气浓度呈函 数对应关系，从而测量出燃烧过程中残余的氧气含量γ，其测量范围在〇~20%之内。
[0055] (3)设计新型的加热炉串级并联双交叉限幅燃烧控制系统
[0056]通过以上设计，可以得到加热炉炉内混合煤气的动态热值偏差值Qd和残氧含量数 据γ，将这两个参数按加权算法计算，可以得到加热炉各段σ值的修正因子S:
[0057] 5 = QdXa+γ Xb (3)
[0058] 其中，δ:各段燃烧系数修正因子;a、b:加权系数，可根据各段生产负荷变化情况进 行调整。得到了各段的3值，在与原来的燃烧系数σ值的进行比较，得到修正后的 〇值，
[0059] 〇 = 〇,+δ ⑷
[0000]其中，O7为修正前的燃烧系数，σ为修正后的燃烧系数。
[0061] 将〇值参与到串级并联双交叉限幅控制回路中，就可以使得空气、煤气流量动态地 响应残氧含量和混合煤气热值的变化情况。改进后的控制策略如图2所示。
[0062] 图2是针对加热炉中的某一段燃烧回路设计的，如果是不同的燃烧段，〇值修正的 计算可以根据实际情况，修改加权系数a，b来实现。如均热段因为受开关炉门频繁的影响， 〇 值应该相应偏小，这样才能减少因为炉头吸风造成的板坯氧化程度高的问题;预热段同样 也受开关炉门影响，但因为温度较低，产生的影响较小，因此σ值可以较均热段高一些。其中 Α:温度调节器输出；
[0063] B=(FA/c〇 XK3;C=(FA/c〇 XKl;D=FFXaXK4;E=FFXaXK2;〇:燃烧系数。
[0064] 以普通蓄热式工业加热炉为例，各段加权系数a、b的值如表2所示：
[0065] 表2:
[0067]以上数据可以根据加热炉实际工艺情况进行调整。经过各段〇值修正后，可以保证 加热炉各段燃烧效率达到最佳。
[0068]实践证明，本实用新型所设计的方法具有计算准确、实时性高、信号传递快速等特 点，同时具有提高煤气利用率、提高产品质量、减少空气污染、降低硬件成本、减少维护工作 量等一系列优点，可以极大地提高加热炉燃烧自动控制系统的稳定性。
[0069]以上是对本实用新型具体实施例进行描述和说明，实施例应被认为只是示例性 的，并不用于对本实用新型进行限制，本实用新型应根据所附的权利要求进行解释。
【主权项】
1. 一种利用高焦炉煤气热值实现加热炉燃烧系数动态调整系统，其特征在于:包括煤 气加压站、煤气加压站自动控制系统、加热炉自动燃烧自动控制系统、加热炉、残氧检测仪、 第一流量检测仪及第二流量检测仪;所述煤气加压站通过管道与加热炉连接;所述煤气加 压站自动控制系统通过信号线连接分别与煤气加压站、加热炉自动燃烧自动控制系统连 接;加热炉自动燃烧自动控制系统通过信号线连接与加热炉的流量调节阀连接;所述残氧 检测仪安装在加热炉的换热器前3±0.1 m的位置;第一流量检测仪安装在高炉煤气鼓风机 与加热炉之间;第二流量检测仪安装在焦炉煤气鼓风机与加热炉之间。2. 根据权利要求1所述的利用高焦炉煤气热值实现加热炉燃烧系数动态调整系统，其 特征在于:所述残氧检测仪为直插式氧化锆分析仪。3. 根据权利要求1所述的利用高焦炉煤气热值实现加热炉燃烧系数动态调整系统，其 特征在于:第一流量检测仪及第二流量检测仪均为带温压补偿一体式涡街流量计。
【文档编号】G05B13/04GK205539999SQ201620284110
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月7日
【发明人】陈文仪
【申请人】厦门大学嘉庚学院