一种蓄热式工业加热炉的优化燃烧控制系统及其方法与流程

本发明涉及燃烧控制领域，特别是一种蓄热式工业加热炉的优化燃烧控制系统及其方法。

背景技术：

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。

冶金工业加热炉的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，两者经过净化后，按比例混合、加压，从而得到符合加热炉燃烧控制要求的混合煤气。

正常情况下，加热炉混合煤气的热值应该控制在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。其中高、焦炉煤气热值和压力范围见表1。

目前较先进的加热炉燃烧控制系统一般采用串级并联双交叉限幅控制回路，这种控制的效果是煤气和空气流量相互协调，保持一定合适的比例，使得在保证炉膛温度满足工艺要求的同时，煤气燃烧更充分，因而对提高加热炉热效率起到了很好的促进。在这一控制过程中，空煤配比系数δ值起到非常至关重要的作用。但是由于传统串级并联双交叉限幅控制回路的δ值多采用手动的方式进行设定，使得控制输出不能及时反应工况的变化，如煤气热值、烟气中含氧量的变化，且控制效果与人工设定经验有关，控制连续性不强，从而引起最终的加热质量的波动。

目前大多数加热炉采用的热值仪来检测混合煤气热值，并把热值信号显示在操作画面上，用来对人工操作进行指导，即在煤气热值偏高时，操作工人降低空煤配比系数δ值，相反时则提高。热值参数只作为操作指导，并没有参与到加热炉燃烧控制中，导致加热炉燃烧控制系统在热值波动时没有自动的控制手段进行干预，使得控制效果差。另外，热值仪硬件设备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引起信号中断。以上原因，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。以上因素都是制约加热炉燃烧控制效果进一步提高的难题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种蓄热式工业加热炉的优化燃烧控制系统及其方法，极大地提高了加热炉燃烧效率，且在线动态测量高、焦炉煤气流量数据，煤气热值信号准确且稳定，另外，节约了燃料，降低了环境污染且提高了产品质量，减少人工维护成本。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种蓄热式工业加热炉的优化燃烧控制系统，包括煤气加压站、用于控制煤气加压站工作状态的煤气加压站自动控制系统、与煤气加压站通过管道连接的加热炉、用于控制加热炉工作状态的加热炉自动燃烧控制系统，所述煤气加压站自动控制系统与所述加热炉自动燃烧控制系统连接，所述煤气加压站自动控制系统包括用于检测煤气加压站中煤气热值的煤气热值分析仪，所述加热炉自动燃烧控制系统包括用于检测加热炉中残氧量的残氧分析仪；还包括串级调节回路，包括用于检测加热炉炉膛温度的pid温度调节器、用于调节加热炉内煤气流量的煤气流量调节器、用于调节加热炉内空气流量的空气流量调节器、设于pid温度调节器与煤气流量调节器之间且由煤气热值分析仪输出信号控制的热值修正模块、设于pid温度调节器与空气流量调节器之间且由残氧分析仪输出信号控制的残氧修正模块；该系统工作方式为：系统开始工作，pid温度调节器检测加热炉炉膛温度，通过煤气流量调节器、空气流量调节器调节加热炉的煤气流量、空气流量，此时，煤气热值分析仪、残氧分析仪分别检测煤气加压站、加热炉中的煤气热值、残氧量，进而将检测结果分别反馈至热值修正模块、残氧修正模块，进而控制煤气流量调节器、空气流量调节器修正调节加热炉的煤气流量、空气流量，从而达到燃烧效率最优化。

在本发明一实施例中，所述残氧检测仪安装在加热炉的换热器前3m的位置。

在本发明一实施例中，所述残氧检测仪为直插式氧化锆分析仪。

在本发明一实施例中，所述热值修正模块、残氧修正模块均采用反相比例运算电路。

在本发明一实施例中，所述空气流量调节器包括空气流量计、空气流量调节阀，所述煤气流量调节器包括煤气流量计、煤气流量调节阀。

本发明还提供了一种基于上述所述系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤s1、系统开始工作，pid温度调节器检测加热炉炉膛温度，根据工艺条件设定的温度，设置煤气流量设定信号、空气流量设定信号，并通过煤气流量调节器、空气流量调节器调节加热炉的煤气流量、空气流量；

步骤s2、煤气热值分析仪、残氧分析仪分别检测煤气加压站、加热炉中的煤气热值、残氧量，并将检测结果分别反馈至热值修正模块、残氧修正模块；

步骤s3、热值修正模块接收到的煤气热值高于煤气热值阈值时，降低煤气流量设定信号，相反时则增加煤气流量设定值；同理，残氧修正模块接收到的残氧量高于残氧量阈值时，降低空气流量设定信号，相反时则增加空气流量设定值；

步骤s4、空气流量调节器的空气流量计检测进入加热炉的空气流量fa，将空气流量fa与预设的空煤配比系数δ进行除法计算后，与预设系数k1、k3进行乘法运算，分别得到b和c值，计算公式如下：

b=(fa/δ)×k3

c=(fa/δ)×k1

将b值与热值修正模块修正后的煤气流量设定信号相比较取最大值，再与c值进行比较，取最小值作为煤气流量调节器的设定信号，输出控制信号调节煤气流量调节器的煤气流量调节阀的开口度，实现煤气流量的交叉限幅控制；

同理，煤气流量调节器的煤气流量计检测进入加热炉的煤气流量ff，将空气流量ff与预设的空煤配比系数δ进行除法计算后，与预设系数k2、k4进行乘法运算，分别得到d和e值，计算公式如下：

d=ff×δ×k4

e=ff×δ×k2

d、e再与残氧修正模块修正后的空气流量设定信号进行与b、c类似的限幅运算，得到空气流量调节器的设定信号，输出控制信号控制空气流量调节器的空气流量调节阀的开口度，实现空气的交叉限幅控制。

在本发明一实施例中，所述预设系数k1、k2、k3、k4根据加热炉炉型结构、工艺参数、控制要求进行整定调节。

在本发明一实施例中，所述步骤s1的煤气流量、空气流量调节过程与步骤s4相同。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、极大地提高了加热炉燃烧效率

利用煤气热值和残氧信号分别对煤气流量和空气流量的设定值进行修正，能够快速地反映燃烧工况的变化，及时调整空、煤气流量，有效提高了加热炉燃烧效果，从而保证了加热炉炉膛温度控制的准确和时效性；

2、在线动态测量高、焦炉煤气流量数据，煤气热值信号准确且稳定；

采用高、焦炉煤气流量计算的方法，能够实时、在线计算热值动态数据的变化，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，从而可以提前调整加热炉燃料流量，以减小因为热值波动造成的炉温波动，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；

3、改善了煤气加压站控制工艺

在煤气加压站控制系统上，利用已有的高、焦炉煤气的流量来计算混合煤气热值，因此可以得到实时、直观的热值信号，从而完善煤气加压站的控制工艺，降低了生产管理成本，为进一步优化煤气加压站控制系统提供了条件；

4、节约了燃料，降低了环境污染

充分利用了煤气热值和残氧浓度信号在燃烧控制中的重要作用，优化改进了传统的串级并联双交叉限幅控制回路，减少了燃料消耗量、热损失，节从而提高了加热炉的燃烧效率，降低环境污染；因此，本发明的实施可以带来可观经济和社会效益；

5、提高了产品质量，减少人工维护成本

利用煤气热值计算的方法来得到混合煤气的热值，具有较高的经济效益和社会效益；

6、减少设备硬件投资，降低备品备件成本

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，并且仅增加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及备品备件的费用，硬件的投入几乎可以忽略，并且控制系统的功能也得到了充分的发挥；

综合以上分析，本发明的蓄热式加热炉的优化燃烧控制系统及其方法具有良好的经济效益和社会效益，值得推广借鉴。

附图说明

图1为本发明改进后的燃烧控制流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明提供了一种蓄热式工业加热炉的优化燃烧控制系统，包括煤气加压站、用于控制煤气加压站工作状态的煤气加压站自动控制系统、与煤气加压站通过管道连接的加热炉、用于控制加热炉工作状态的加热炉自动燃烧控制系统，所述煤气加压站自动控制系统与所述加热炉自动燃烧控制系统连接，所述煤气加压站自动控制系统包括用于检测煤气加压站中煤气热值的煤气热值分析仪，所述加热炉自动燃烧控制系统包括用于检测加热炉中残氧量的残氧分析仪；还包括串级调节回路，包括用于检测加热炉炉膛温度的pid温度调节器、用于调节加热炉内煤气流量的煤气流量调节器、用于调节加热炉内空气流量的空气流量调节器、设于pid温度调节器与煤气流量调节器之间且由煤气热值分析仪输出信号控制的热值修正模块、设于pid温度调节器与空气流量调节器之间且由残氧分析仪输出信号控制的残氧修正模块；该系统工作方式为：系统开始工作，pid温度调节器检测加热炉炉膛温度，通过煤气流量调节器、空气流量调节器调节加热炉的煤气流量、空气流量，此时，煤气热值分析仪、残氧分析仪分别检测煤气加压站、加热炉中的煤气热值、残氧量，进而将检测结果分别反馈至热值修正模块、残氧修正模块，进而控制煤气流量调节器、空气流量调节器修正调节加热炉的煤气流量、空气流量，从而达到燃烧效率最优化。

所述残氧检测仪安装在加热炉的换热器前3m的位置。所述残氧检测仪为直插式氧化锆分析仪。

所述热值修正模块、残氧修正模块均采用反相比例运算电路。

所述空气流量调节器包括空气流量计、空气流量调节阀，所述煤气流量调节器包括煤气流量计、煤气流量调节阀。

本发明还提供了一种基于上述所述系统的控制方法，包括如下步骤：

步骤s1、系统开始工作，pid温度调节器检测加热炉炉膛温度，根据工艺条件设定的温度，设置煤气流量设定信号、空气流量设定信号，并通过煤气流量调节器、空气流量调节器调节加热炉的煤气流量、空气流量；

步骤s2、煤气热值分析仪、残氧分析仪分别检测煤气加压站、加热炉中的煤气热值、残氧量，并将检测结果分别反馈至热值修正模块、残氧修正模块；

步骤s3、热值修正模块接收到的煤气热值高于煤气热值阈值时，降低煤气流量设定信号，相反时则增加煤气流量设定值；同理，残氧修正模块接收到的残氧量高于残氧量阈值时，降低空气流量设定信号，相反时则增加空气流量设定值；

步骤s4、空气流量调节器的空气流量计检测进入加热炉的空气流量fa，将空气流量fa与预设的空煤配比系数δ进行除法计算后，与预设系数k1、k3进行乘法运算，分别得到b和c值，计算公式如下：

b=(fa/δ)×k3

c=(fa/δ)×k1

将b值与热值修正模块修正后的煤气流量设定信号相比较取最大值，再与c值进行比较，取最小值作为煤气流量调节器的设定信号，输出控制信号调节煤气流量调节器的煤气流量调节阀的开口度，实现煤气流量的交叉限幅控制；

同理，煤气流量调节器的煤气流量计检测进入加热炉的煤气流量ff，将空气流量ff与预设的空煤配比系数δ进行除法计算后，与预设系数k2、k4进行乘法运算，分别得到d和e值，计算公式如下：

d=ff×δ×k4

e=ff×δ×k2

d、e再与残氧修正模块修正后的空气流量设定信号进行与b、c类似的限幅运算，得到空气流量调节器的设定信号，输出控制信号控制空气流量调节器的空气流量调节阀的开口度，实现空气的交叉限幅控制。

所述预设系数k1、k2、k3、k4根据加热炉炉型结构、工艺参数、控制要求进行整定调节。

所述步骤s1的煤气流量、空气流量调节过程与步骤s4相同。

以下为本发明的具体实现过程。

本设计方案主要包含三部分，第一部分是在煤气加压站采用高、焦煤气流量计算的方式，得到热值信号，将此热值信号传递给加热炉自动燃烧控制系统，对煤气的流量进行修正控制；第二部分是采用残氧分析仪，从加热炉燃烧后的烟气中，检测出残氧浓度的高低，然后将残氧浓度信号传递给加热炉自动燃烧控制系统，修正空气流量的控制信号；第三部分是串级并联双交叉限幅控制回路的改进，包括引入热值修正和残氧修正模块，对炉温调节器的输出进行修正。本发明的主要保护重点在于第三部分。下面就这三部分进行详细描述。

1、混合煤气热值信号

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，达到加热炉燃烧的工艺参数要求后，经过管道输送到加热炉，因此煤气加压站工艺控制主要是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。

本发明结合煤气加压站自动控制系统对上述工艺参数的采集，利用煤气加压站的计算机控制系统，采用软件计算的方法得到混合煤气的热值q，然后通过通讯的方式，把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，调节煤气流量，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的控制功能利用率，同时又避免了常规热值仪工作过程中出现的故障频繁的缺陷，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。

（1）煤气各组分热值的确定

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，这两个工艺参数在正常生产情况下维持相对稳定。

（2）煤气各组分含量的确定

通过煤气加压站原有的自动控制系统，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的流量为f2，那么在混合气体中，bfg的比例为,cog的比例为。

（3）混合煤气热值的计算

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bfg标准热值为800kcal/m³，cog标准热值为4500kcal/m³为例，得到混合煤气的热值q为：

（1）

在煤气加压站自动控制系统中，将q值在操作画面上面显示出来，可以直观地让操作人员了解当前煤气热值大小，鉴于目前煤气加压站通常采用压力控制来保证煤气热值的控制方式，本方案的实施为进一步改善煤气加压站的控制工艺提供了可能。

（4）热值数据的通讯

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，经过信号转换成热值大小的信号，既可以在加热炉的操作画面上显示，提示操作工来气的q值变化情况；又可以将q值引入加热炉串级并联双交叉限幅控制回路中，实现空气、煤气流量的动态调节，提高燃烧效率。

煤气热值信号的大小，直接影响了参与完全燃烧的煤气流量的多少，如果煤气热值高，则应该减少用于燃烧的煤气流量，保证煤气能够充分燃烧；如果煤气热值低，则应增加煤气流量，以保证炉膛温度满足工艺控制要求。所以将得到的煤气热值信号用来修正传统控制回路中的煤气流量，可以有效提高加热炉的燃烧效率，进而提高加热炉控制质量。

2、残氧浓度信号

在理想状态下，加热炉每段都应该有残氧检测，用来修正各个段的流量控制，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。

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锆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0~20%之内。

加热炉的残氧信号直接反应了燃烧控制中空气含量的多少，如果残氧量过高，说明参与燃烧的空气流量过剩；同样的如果残氧量过低，说明空气流量欠缺。空气过剩容易带走炉内热量，造成热量损失，空气欠缺使得煤气不能完全燃烧，导致能源浪费，同时还会出现烟囱冒黑烟的现象。因此，通过检测烟气中残氧量浓度的高低，来调节空气流量的大小，可以使得空气流量动态调节性能提高，提高加热炉燃烧效率。

3、串级并联双交叉限幅控制回路的改进

综合以上分析，为了有效控制加热炉炉膛温度，控制空、煤气流量的比例，本方案在传统的串级并联双交叉限幅控制回路里面进行优化设计。具体方案是引入了煤气热值信号q和残氧量γ两个数据进行修正，以保证燃烧效率最优化，如图1所示。

图1中，pid温度调节器作为主调节器，主要根据工艺条件，控制炉膛温度满足设定温度，煤气流量调节器fic和空气流量调节器fic作为副调节器，主要根据主调节器的输出信号，分别调节煤气和空气流量大小，主调节器和副调节器一起构成串级调节回路；热值修正模块和残氧修正模块参与到主调节器的输出修正中，分别对主调节器的输出信号进行修正，即对煤气、空气的流量设定值进行修正，修正模块采用反相比例运算电路，当煤气热值信号高时，降低煤气设定信号，相反时则增加煤气流量设定值；同理，当残氧信号偏高时，降低空气流量设定信号，相反时增加空气流量设定值。检测到的空气流量fa与空煤配比系数δ进行除法计算后，与系数k1、k3进行乘法运算，分别得到b和c值，计算公式如下：

b=(fa/δ)×k3

c=(fa/δ)×k1

将b值与热值修正模块修正后的煤气流量设定信号相比较取最大值，再与c值进行比较，取最小值作为煤气流量调节器的设定信号，输出控制信号调节煤气流量调节器的煤气流量调节阀的开口度，实现煤气流量的交叉限幅控制；

同理，煤气流量调节器的煤气流量计检测进入加热炉的煤气流量ff，将空气流量ff与预设的空煤配比系数δ进行除法计算后，与预设系数k2、k4进行乘法运算，分别得到d和e值，计算公式如下：

d=ff×δ×k4

e=ff×δ×k2

d、e再与残氧修正模块修正后的空气流量设定信号进行与b、c类似的限幅运算，得到空气流量调节器的设定信号，输出控制信号控制空气流量调节器的空气流量调节阀的开口度，实现空气的交叉限幅控制。

在以上控制回路中，系数k1、k2、k3、k4可以根据加热炉炉型结构、工艺参数、控制要求进行整定调节，并且相对稳定，满足加热炉炉膛温度控制效果；热值修正模块和残氧修正模块采用反相比例控制算法，分别根据输入的煤气热值计算值和残氧分析仪信号进行控制，实现在煤气热值信号增大时，热值修正模块的输出信号减小，相反时输出信号增大，从而使得煤气设定信号根据热值信号变化而调整；残氧分析仪参数升高时，残氧修正模块输出减小，相反时输出信号增大，从而使得空气流量设定值跟随残氧浓度信号的变化而变化。这样设计，能够最大限度地利用现场工艺参数变化，准确、有效地提高煤、空气控制准确度，进而提高加热炉燃烧效率。

实施例：

根据以上所述的技术方案，在某冶金企业热轧板厂加热炉进行了技术改进并投入运行，经过长时间跟踪测试结果得出，本设计方案可以大大降低加热炉燃烧配比系数的值，即在相同的目标温度要求下，所需要的煤气量和空气量大大降低，这样的好处是减少了燃料量、热损失，降低了加热板坯的氧化烧损，从而提高了加热效率和加热质量。

通过实施改进方案后的参数跟踪测试，在某一段时间内，节约燃料（煤气）率数据如表2所示。

从表2数据可以看出，经过控制方案改进后，在加热炉不同热负荷（装炉温度）情况下，优化后的控制系统相比传统的串级双交叉限幅控制回路节约燃料率优势明显，并且随着热负荷的增加，节约燃料率大幅度增加。在加热炉长期运行时，能够有效降低燃料消耗、减少热损失和降低环境污染，从而提高经济效益和社会效益。因此本方案具有较大的推广价值。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。