轧钢加热炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法与流程

1.本发明属于轧钢加热炉控制技术，具体是轧钢加热炉的外部空气进入量控制技术和空气过剩系数控制技术；本发明不涉及控制系统、控制设备及仪器仪表的选型。


背景技术：

2.目前国内轧钢加热炉炉内氧含量范围大部分为2％～3％，且波动较大，由此引起的氧化烧损约为0.8％～1.5％，有的甚至更高，已成为轧钢生产企业经济损失的主要部分；过大的氧含量意味着空气过剩系数过大，会降低加热炉的热效率；同时空气过剩系数过大还有其它害处，如过剩空气中的氮在高温状态下生成氮氧化物no
x
，增加了污染物的排放，过剩空气中的氧气加剧了炉内炉体和炉内构件的氧化，氧气与高温钢坯发生氧化反应，产生氧化铁皮，产生氧化烧损，在造成材料损失的同时带走了大量的热量，降低了加热炉燃烧热效率和加热炉的有效产量；高温氧化气氛增加了so2向so3的转化，从而加剧了低温露点腐蚀，还会加剧炉体结垢。另一方面，轧钢加热炉也存在空气过剩系数过小的现象，即燃烧不够充分，降低了加热炉热效率，此时烟气中将含有co有害气体，既造成了能源浪费，也污染了环境，还存在安全隐患。
3.轧钢加热炉氧含量过高或co过多的现象主要是缺失对空气过剩系数的控制造成的，在轧钢加热炉领域，现有技术利用氧含量检测和co浓度检测来控制空燃比，来调节空气过剩系数，但由于轧钢加热炉普遍存在漏风现象，氧含量的测量不能充分反映真实燃烧情况，使调节结果难以预测，故难以实现自动控制，事实上是采取经验数据指导下的手动控制。在控制策略上，现有技术几乎采取了所有的现代控制技术，包括串级比值控制、单交叉控制、双交叉控制、模糊控制、双模糊控制或其它专家系统的控制，但一直没有获得突破性的成果，即技术遭遇了瓶颈。近几年所谓的燃烧优化控制多半是在温度检测精度、压力检测精度、火焰燃烧方面做了些修修补补的工作，现有技术也意识到了空气过剩系数对轧钢加热炉的影响，但苦于找不到解决办法，对加热炉炉内气氛的调节还是主要依赖总结操作经验、运行经验，技术方面没有根本性的变革。
4.综上所述，由于缺失对空气过剩系数的控制功能，现有技术从根本上适应不了轧钢加热炉深度节能减排的需求，理论研究和应用技术亟待有所突破。
5.轧钢加热炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法还未见到公开发表的出版物、文献或资料。


技术实现要素：

6.本发明的目的是根据轧钢加热炉运行工况的特点，寻求突破制约现有技术的技术瓶颈，研究开发与轧钢加热炉非对称运行工况相适应的动态控制方法，以实现轧钢加热炉深度节能减排的效果。
7.本发明的要点是研究现有技术存在的问题，突破现有技术的基础和框架，根据轧钢加热炉运行工况特点及轧钢加热炉烟气管网的物理特性，创新性地确立了轧钢加热炉非
对称系统理论，研发了轧钢加热炉外部空气进入量计算数学模型和轧钢加热炉空气过剩系数计算数学模型，研发了基于轧钢加热炉非对称系统理论的轧钢加热炉外部空气进入量及空气过剩系数的动态控制方法，通过烟气分析检测的氩含量来计算轧钢加热炉外部空气的进入量，然后根据轧钢加热炉外部空气进入量设定值与外部空气进入量计算值之差，对引风机入口阀开度进行调节，构成了轧钢加热炉外部空气进入量闭环动态调节系统，使轧钢加热炉外部空气进入量始终控制在设定值范围内；根据烟气分析检测的氧含量和一氧化碳含量对空气流量和燃气流量进行调节，来控制轧钢加热炉空气过剩系数，构成了轧钢加热炉空气过剩系数闭环动态调节系统，使轧钢加热炉空气过剩系数始终控制在设定值范围内；外部空气进入量和空气过剩系数的有效控制获得了提高轧钢加热炉燃烧效率、减少生成烟气总量、提高引风机节能量、减少nox污染排放量、实现轧钢加热炉全自动控制、减轻操作者劳动强度，提高生产作业率的多重节能减排效果，获得了节能减排、增产保质的多重效益。
附图说明
8.图1是轧钢加热炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法的技术方案框图，图1中1是轧钢加热炉控制系统hmi操作站，2是外部空气进入量设定值，3是调节系数k1，4是空气引风机入口阀开度调节，5是调节系数k2，6是煤气引风机入口阀开度调节，7是轧钢加热炉外部空气进入量计算数学模型，8是空气烟道中ar含量检测，9是煤气烟道中ar含量检测，10是空气烟道烟气流量，11是煤气烟道烟气流量，12是助燃空气风量实际值，13是占比系数k输入，14是轧钢加热炉空气过剩系数计算数学模型，15是空气烟道中o2量，16是煤气烟道中o2量，17是空气过剩系数设定值，18是空气调节阀i调节，19是空气调节阀n调节，20是空燃比，21是炉膛温度设定值，22是炉膛温度实际值，23是燃气调节阀i调节，24是燃气调节阀n调节，25是轧钢加热炉co设定值，26是空气烟道中co量，27是煤气烟道中co量，28是炉膛压力设定值，29是调节系数k3，30是空气引风机风量调节，31是调节系数k4，32是煤气引风机风量调节，33是炉膛压力实际值，34是轧钢加热炉温度i检测，35是轧钢加热炉温度n检测，36是轧钢加热炉压力i检测，37是轧钢加热炉压力n检测，38是轧钢加热炉现场工艺设备。
9.图2是轧钢加热炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法的控制系统构成图，图2中1是轧钢加热炉主工艺控制系统，2是轧钢加热炉控制系统hmi操作站，3是外部空气进入量设定值，4是空气过剩系数设定值，5是轧钢加热炉co设定值，6是炉膛压力设定值，7是炉膛温度设定值，8是空燃比设定输入，9是占比系数k输入，10是轧钢加热炉及其烟气管网非对称系统动态控制器，11是空气烟道中ar含量检测，12是煤气烟道中ar含量检测，13是空气烟道中o2含量检测，14是煤气烟道中o2含量检测，15是空气烟道中co含量检测，16是煤气烟道中co含量检测，17是空气烟道烟气流量检测，18是煤气烟道烟气流量检测，19是助燃空气风量实际值，20是炉膛压力检测，21是炉膛温度检测，22是空气引风机入口阀开度调节，23是煤气引风机入口阀开度调节，24是空气引风机风量调节，25是煤气引风机风量调节，26是空气调节阀i调节，27是空气调节阀n调节，28是燃气调节阀i调节，29是燃气调节阀n调节，30是轧钢加热炉温度i检测，31是轧钢加热炉温度n检测，32是轧钢加热炉压力i检测，33是轧钢加热炉压力n检测，34是现场工艺设备过程信息，35是轧钢加热炉现场工艺设备。
10.图1的系统是按轧钢加热炉的一般特点构建的，实际上，轧钢加热炉工艺及设备种
类繁多，具有多种型式的轧钢加热炉，工艺参数和设备布置也不尽相同，为避免叙述缛琐造成混乱，本技术方案的叙述仅为便于阐述控制原理，所以考虑的是具有一般特点的通用情况，而不区分具体轧钢加热炉工艺设备组成的细节；然而本文阐述的控制原理、得出的结论、获得的有益效果适于各类轧钢加热炉的应用。
具体实施方式
11.基本术语及定义：轧钢加热炉系统中空气过剩系数亦称过量空气系数或过剩空气系数，定义为“燃料燃烧时实际空气需要量与理论空气需要量之比值”，用字母α表示。
12.根据定义，空气过剩系数是指轧钢加热炉燃烧系统在所设置的空燃比时所得到的结果，即在该空燃比条件下，助燃空气与燃料的燃烧效果。该燃烧效果不包括轧钢加热炉外部空气进入量所发生的燃烧，虽然外部空气进入量会引起部分燃烧，但与空燃比燃烧系统相比，由于外部空气进入量是冷空气，所以还是产生了一定的负面影响，不利于提高轧钢加热炉的热效率；况且轧钢加热炉的外部空气进入量增加了铸坯氧化烧损，是目前轧钢加热炉须解决的重点问题之一；所以空气过剩系数和外部空气进入量具有不同的含义，因此烟气管网中测得的氧含量既不代表空气过剩系数，也不代表外部空气进入量，该氧含量是两者混合的结果。
13.现有技术控制轧钢加热炉空气过剩系数的方法是根据烟气分析检测出的氧或一氧化碳来计算空气过剩系数。为了衡量、判断计算出来的空气过剩系数的性质，不同类型的轧钢加热炉都利用所谓最佳空气过剩系数或空气过剩系数限值，用于指导操作人员手动控制空气过剩系数，实际上这种方法是不可取的。
14.原因在于：
15.第一，现有技术对轧钢加热炉空气过剩系数的认识存在问题，根据空气过剩系数的定义，现有技术检测烟气中氧含量所得到的所谓空气过剩系数，不是真正意义上的空气过剩系数，因为它包含了轧钢加热炉外部空气进入量中的氧含量，而真正的空气过剩系数是指经过设定空燃比控制后燃烧所产生的结果，并不包括外部空气进入量中的氧含量。这个概念从新版锅炉大气污染物排放标准gb13271
‑
2014可得到佐证，新国标对污染物排放浓度采用了“基准含氧量”的说法，而不是原国标gb13271
‑
2001的“过量空气系数”，即烟气中检测的氧含量不等于“过量空气系数”，纠正了过去模糊的概念；以前根据烟气中检测的氧含量计算“空气过剩系数”也缺乏理论依据，而现有技术又没有准确计算“空气过剩系数”的方法，所以目前新国标对污染物排放浓度采用“基准含氧量”的说法是明智之举，避免引起误导。
16.第二，认识的偏差使现有技术实施困难，因为没有理论依据作为具体指导，操作人员也只能根据经验，试验性地根据推荐的空气过剩系数范围或空气过剩系数限值进行调节，很难得到预想的结果，事实上目前在轧钢加热炉系统中缺失对空气过剩系数的动态自动控制功能。
17.轧钢加热炉空气过剩系数动态控制技术是典型的、长期困扰人们的工业控制疑难问题，是具有类似工况轧钢加热炉的共性问题，是业内称之为复杂工业系统控制的问题，极具代表性。迄今为止现有技术还没有找到轧钢加热炉空气过剩系数动态控制的方法，还停留在控制策略并非正确的手动调节或自动+手动干预的控制方式中。
18.烟气中测得的氧含量不代表空气过剩系数α，用氧含量来代表或换算空气过剩系数对燃烧进行控制会产生错误的结果。下面定性分析一下现有技术控制策略将会产生的危害。
19.设烟气中检测的氧含量为a，因为烟气中的氧由两部分组成，一是空燃比不当造成的剩余的氧，设为b；二是炉窑外部空气进入带入的氧，设为c；由于b存在α＞1、α＝1和α＜1三种情况；而c仅存在一种情况，即根据加热炉的基本特性，不可能一点外部空气也不进入，所以不存在氧＝零的情况，只存在氧＞0的情况；若考虑c会与烟气中co发生部分燃烧、全部燃烧或者不燃烧以及c会在高温条件下与氮化合反应，生成nox，故设燃烧掉和化合反应掉的部分氧为d；根据这些条件，烟气中测得的氧是b和c两部分氧组合而成，组合成a的情况有三种，第一种情况是当α＞1时，b和c混合,则a＝b+c
‑
d；第二种情况是当α＝1时，即空燃比为1时，此时b为零，则a＝c
‑
d；第三种情况是当α＜1时，即b的剩余氧为零，但存在剩余的co，则a＝c
‑
d。
20.现有技术根据a进行控制，第一种情况时，操作员调节助燃空气减少或增加燃气比例，使b减小，但实际上是参照a来控制的，由于a＞b，所以控制的结果将使α＜1；第二种情况时，由于空燃比为1，操作员调节助燃空气减少或增加燃气比例，控制的结果必然使α＜1；第三种情况时，控制的结果与第二种情况相同，也将使α＜1，区别在于燃烧情况更加恶化。
21.根据上述分析，按照现有技术根据a进行控制的策略，不论是哪一种情况控制结果都是α＜1，因此与未控制前的状况相比，造成燃烧恶化是必然结果，结果是造成燃料消耗增加，炉窑热效率下降，nox排放增加，所以现有技术的控制策略是不可取的。
22.那么，如何进行燃烧优化控制？怎样做才能提高加热炉热效率？现有技术的症结究竟是什么？具体如何解决现有技术存在的问题？下面本发明将给出理论分析、结论、控制策略以及技术解决方案。
23.理论分析：
24.技术遭遇了瓶颈，必然存在致命的障碍。要突破技术瓶颈就必须具有不同于现有技术的思维，必须突破现有技术框架的束缚才行，重要的是有必要重新审视被控对象的实质，即需要颠覆现有技术对被控对象的不正确认知。
25.先分析一般炉窑的情况，随着工艺过程参数或生产负荷的变化，炉窑内所产生的炉气量是变化的，随着生产负荷的增加或降低，炉气量也增加或减少；但炉窑有个共同的特点是，在没有外界预先施加控制的情况下，炉气量增加时，炉膛压力将升高；当炉气量减少时，炉膛压力并不会降低，而是保持在原来的状态；炉窑的这个现象是炉窑设备本身特点和烟气管网特性共同形成的，炉窑设备是不很严密的封闭式设备，通常运行在炉膛压力为微负压状态，炉窑内生成的炉气在引风机的作用下由烟气管网排出。当炉窑负荷增加时，炉气量增加，炉膛压力变大，炉膛压力检测及调节系统控制引风机速度或引风机入口阀开度，改变烟气输出流量，使压力得到平衡；当炉窑负荷降低时，炉气量减少，但此时炉膛压力并没有变化，或者并没有显著的变化，原因是当炉气量逐渐减少时，减少的部分被炉窑外部进入的空气及其生成的烟气逐渐充填，所以炉膛压力仍处于平衡状态，此时炉膛压力检测及调节系统未启动炉膛压力调节。炉窑的这个现象，我们称之为“非对称系统”过程。
[0026]“非对称系统”具有很大的隐蔽性和欺骗性，因此蒙蔽、欺骗了现有技术。试想，现有技术采用一贯使用的对称性控制策略来控制非对称系统，根据炉膛压力检测形成压力闭
环对炉膛压力进行调节，实际上造成了单边调节的现象，即实际上只对炉气量增加时有调节作用，对炉气量减少时并没有调节作用，若是系统重复几次炉气量增加和减少的过程，则炉膛压力调节系统将会崩溃，或者将进入不稳定的运行状态，这就是长期以来炉窑所遭遇的炉膛压力系统难以稳定控制的问题；对于生产负荷比较稳定的炉窑，虽然炉膛压力显示的是压力在较小的范围内波动，使人们感觉炉膛压力处于良好的控制状态，但通过烟气中检测的氧含量指标则可印证出，在炉膛压力稳定的表象下，实际上系统的氧含量指标已逐渐恶化，说明了现有技术对于外部空气进入量实际上处于失控状态；同时，氧含量的升高误导了现有技术去手动调节过量空气系数，使本来处于稳定运行的燃烧系统进入了混乱状态，由此影响了温度控制的紊乱，这就是长期以来炉窑所遭遇的炉膛温度系统难以稳定控制的根源，但现有技术一直没有意识到“非对称系统”的影响，反而将炉膛温度系统难以稳定控制的原因归结为燃烧介质管网压力的不稳定、燃烧介质成分变化等因素的影响，所以采取的温度控制策略与客观实际南辕北辙，才形成了炉膛温度系统难以稳定控制的被动局面。
[0027]
轧钢加热炉也是一种炉窑，也具有炉窑的一般特性，因此炉窑的非对称特性也存在于轧钢加热炉，直接影响了轧钢加热炉炉膛压力及温度的稳定控制，轧钢加热炉不同于一般炉窑之处在于它是运行工况较为复杂的一种炉窑，具有不同的工艺和设备的特点。
[0028]
技术解决方案：
[0029]
理论上说，揭示了炉窑及其烟气管网运行物理特性从而确立的炉窑非对称系统理论为实现轧钢加热炉炉膛压力及温度动态控制奠定了理论基础，接下来是具体解决现有技术没有解决或不能解决的问题。
[0030]
现有技术没有解决轧钢加热炉空气过剩系数动态控制问题，特别是还没有意识到轧钢加热炉外部空气进入量对轧钢加热炉炉膛压力和温度控制的影响，更谈不上如何去解决该问题，还局限在通过烟气分析检测氧含量，然后换算成所谓的空气过剩系数，再由操作人员手动调节助燃风量的方式；实际上，由于烟气分析检测的氧含量并不代表真正的空气过剩系数，系统试验或仿真计算所得出的所谓的最佳空气过剩系数亦是在并非正确的条件下进行的，所以现有技术获取的空气过剩系数及采取的控制策略从根本上就存在严重技术瑕疵，也因此造成了现有技术不可能实现空气过剩系数动态自动控制。
[0031]
解决问题的切入点就在于对空气过剩系数的正确分析和准确计算，烟道烟气中检测的氧含量一部分是由于燃烧系统空燃比系数不当，致使空气过剩系数过大剩余的氧，另一部分是轧钢加热炉外部进入空气在轧钢加热炉中和烟气管网中燃烧或未燃烧后所含有的氧；如何准确地计算出各部分的氧量是本技术方案需要解决的关键问题，要想知道与空气过剩系数相关的氧量，首先要计算出轧钢加热炉外部空气进入量所含氧量，然后用烟道烟气中测得的氧量减去轧钢加热炉外部空气进入量所含氧量，就可得到与空气过剩系数相关的氧量；要计算出轧钢加热炉外部空气进入量所含氧量，先要知道轧钢加热炉外部空气进入量，由此产生了轧钢加热炉外部空气进入量动态控制技术，这是又一项相对于现有技术质的飞越的创新技术。
[0032]
为实施对外部空气进入量的控制，首先需要准确计算出外部空气进入量，对此本发明研发了轧钢加热炉外部空气进入量计算数学模型式(1)。
[0033][0034]
式中：
[0035]
q
f
：助燃风机空气流量，m3/s；
[0036]
a
rb
：空气中基准氩摩尔分数，mol％；
[0037]
q
w1
：空烟管路烟气流量，m3/s；
[0038]
q
w2
：煤烟管路烟气流量，m3/s；
[0039]
a
r1
：空烟管路烟气中氩摩尔分数，mol％；
[0040]
a
r2
：煤烟管路烟气中氩摩尔分数，mol％；
[0041]
q
air
：轧钢加热炉外部进入的空气量，m3/s；
[0042]
根据惰性气体很难参与化学反应的特点，为保证计算的准确性，采用烟气分析检测惰性气体计算轧钢加热炉外部空气进入量，本技术方案采用了氩气作为烟气分析计算的基础介质，但对于实际应用中的具体情况，并不限于采用氩气。
[0043]
由于轧钢加热炉的引风机是两台，分别是空烟管路引风机和煤烟管路引风机，所以在进行加热炉外部空气进入量计算时，总氩量计算为两个管路氩量之和；在计算出外部空气进入量之后，须对两个引风机的入口阀分别进行调节，两个入口阀的调节量与它们的管路中检测的氩量成正比；
[0044]
空烟管网引风机入口阀调节比例：
[0045]
k1＝q
w1
×
a
r1
÷
(q
w1
×
a
r1
+q
w2
×
a
r2
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0046]
式(2)中：
[0047]
k1：空烟管网引风机入口阀调节比例，0～1；
[0048]
q
w1
：空烟管路烟气流量，m3/s；
[0049]
q
w2
：煤烟管路烟气流量，m3/s；
[0050]
a
r1
：空烟管路烟气中氩摩尔分数，mol％；
[0051]
a
r2
：煤烟管路烟气中氩摩尔分数，mol％；
[0052]
煤烟管网引风机入口阀调节比例：
[0053]
k2＝q
w2
×
a
r2
÷
(q
w1
×
a
r1
+q
w2
×
a
r2
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0054]
式(3)中：
[0055]
k2：煤烟管网引风机入口阀调节比例，0～1；
[0056]
q
w1
：空烟管路烟气流量，m3/s；
[0057]
q
w2
：煤烟管路烟气流量，m3/s；
[0058]
a
r1
：空烟管路烟气中氩摩尔分数，mol％；
[0059]
a
r2
：煤烟管路烟气中氩摩尔分数，mol％；
[0060]
由轧钢加热炉外部空气进入量计算数学模型准确计算出外部空气进入量后，则可进行关于氧量的分析和计算，根据式(1)得出轧钢加热炉外部空气进入量中的氧量计算数学模型为式(4)；
[0061][0062]
式中：
[0063]
q
f
：助燃风机空气流量，m3/s；
[0064]
a
rb
：空气中基准氩摩尔分数，mol％；
[0065]
q
w1
：空烟管路烟气流量，m3/s；
[0066]
q
w2
：煤烟管路烟气流量，m3/s；
[0067]
a
r1
：空烟管路烟气中氩摩尔分数，mol％；
[0068]
a
r2
：煤烟管路烟气中氩摩尔分数，mol％；
[0069]
o
2e
：轧钢加热炉外部空气进入量中的氧量，mol；
[0070]
由烟气中检测的氧量减去式(4)数学模型计算出的外部空气进入量中的氧量，则可求得空气过剩系数中的氧含量实际值，该值由式(5)空气过剩系数中的氧含量计算数学模型进行计算；
[0071][0072]
式中：
[0073]
o
2a
：空气过剩系数中的氧含量实际值，％；
[0074]
q
w1
：空烟管路烟气流量，m3/s；
[0075]
q
w2
：煤烟管路烟气流量，m3/s；
[0076]
o
21
：空烟管路烟气中氧摩尔分数，mol％；
[0077]
o
22
：煤烟管路烟气中氧摩尔分数，mol％；
[0078]
o
2e
：轧钢加热炉外部空气进入量中的氧量，mol；
[0079]
k：占比系数，0～1。
[0080]
式(5)中的k为外部空气进入量中的氧量到达空气、煤气烟道检测点时所剩余的百分比，即剩余的氧占外部空气进入量中的氧量的比例，简称占比系数，取值范围为0～1；因为外部进入的氧量o
2e
有可能未燃烧、部分燃烧或者全部燃烧，是与轧钢加热炉及其管网的漏风量相关的变量，无法进行准确数学计算，故采取工程系数的方法解决；占比系数k由轧钢加热炉工艺工程师根据加热炉本体外部空气进入量和烟气管网漏风量的检测统计数据确定，在hmi操作站输入。
[0081]
将式(5)代入简化的空气过剩系数计算数学模型式(6)，则得到了式(7)空气过剩系数计算数学模型。
[0082][0083]
式中：
[0084]
o
2a
：空气过剩系数中的氧含量实际值，％；
[0085]
α：空气过剩系数，＞0。
[0086][0087]
式中：
[0088]
q
w1
：空烟管路烟气流量，m3/s；
[0089]
q
w2
：煤烟管路烟气流量，m3/s；
[0090]
o
21
：空烟管路烟气中氧摩尔分数，mol％；
[0091]
o
22
：煤烟管路烟气中氧摩尔分数，mol％；
[0092]
o
2e
：轧钢加热炉外部空气进入量中的氧量，mol；
[0093]
k：占比系数，0～1；
[0094]
α：空气过剩系数，＞0。
[0095]
有了式(1)、式(4)、式(5)、式(6)和式(7)数学模型，然后基于炉窑非对称系统理论及采取相应控制策略来解决轧钢加热炉的动态控制问题。
[0096]
图1是轧钢加热炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法的技术方案框图，图1中轧钢加热炉控制系统hmi操作站(1)是轧钢加热炉及其烟气管网非对称特性动态控制系统的人机交互界面；外部空气进入量设定值(2)与轧钢加热炉控制系统hmi操作站(1)、调节系数k1(3)、调节系数k2(5)和轧钢加热炉外部空气进入量计算数学模型(7)相连接，该设定值由人机交互界面输入；空气引风机入口阀开度调节(4)经调节系数k1(3)与外部空气进入量设定值(2)、轧钢加热炉外部空气进入量计算数学模型(7)及轧钢加热炉现场工艺设备(38)相连接，由外部空气进入量设定值(2)与轧钢加热炉外部空气进入量计算数学模型(7)的差值及调节系数k1对空气引风机入口阀开度进行调节，控制流经该入口阀的烟气流量，抑制外部空气进入，使轧钢加热炉外部空气进入量控制在设定值范围内；煤气引风机入口阀开度调节(6)经调节系数k2(5)与外部空气进入量设定值(2)、轧钢加热炉外部空气进入量计算数学模型(7)及轧钢加热炉现场工艺设备(38)相连接，由外部空气进入量设定值(2)与轧钢加热炉外部空气进入量计算数学模型(7)的差值及调节系数k2对煤气引风机入口阀开度进行调节，控制流经该入口阀的烟气流量，抑制外部空气进入，使轧钢加热炉外部空气进入量控制在设定值范围内；轧钢加热炉外部空气进入量计算数学模型(7)与空气烟道中ar含量检测(8)、煤气烟道中ar含量检测(9)、空气烟道烟气流量(10)、煤气烟道烟气流量(11)、助燃空气风量实际值(12)、轧钢加热炉空气过剩系数计算数学模型(14)和外部空气进入量设定值(2)相连接，根据空气烟道中ar含量、煤气烟道中ar含量、空气烟道烟气流量、煤气烟道烟气流量和助燃空气风量实际值进行轧钢加热炉外部空气进入量计算，计算结果送至外部空气进入量设定值(2)进行比较和送至轧钢加热炉空气过剩系数计算数学模型(14)；空气烟道中ar含量检测(8)与轧钢加热炉外部空气进入量计算数学模型(7)和轧钢加热炉现场工艺设备(38)相连接；煤气烟道中ar含量检测(9)与轧钢加热炉外部空气进入量计算数学模型(7)和轧钢加热炉现场工艺设备(38)相连接；空气烟道烟气流量(10)与轧钢加热炉外部空气进入量计算数学模型(7)和轧钢加热炉现场工艺设备(38)相连接；煤气烟道烟气流量(11)与轧钢加热炉外部空气进入量计算数学模型(7)和轧钢加热炉现场工艺设备(38)相连接；助燃空气风量实际值(12)与轧钢加热炉外部空气进入量计算数学模型(7)和轧钢加热炉现场工艺设备(38)相连接；占比系数k输入(13)与轧钢加热炉控制系统hmi操作站(1)和轧钢加热炉空气过剩系数计算数学模型(14)相连接；轧钢加热炉空气过剩系数计算数学模型(14)与轧钢加热炉外部空气进入量计算数学模型(7)、空气烟道中o2量(15)和煤气烟道中o2量(16)相连接，进行空气过剩系数计算，结果与空气过剩系数设定值(17)进行比较；空气烟道中o2量(15)与轧钢加热炉空气过剩系数计算数学模型(14)和轧钢加热炉现场工艺设备(38)相连接；煤气烟道中o2量(16)与轧钢加热炉空气过剩系数计算数学模型(14)和轧钢加热炉现场工艺设备(38)相连接；空气过剩系数设定值(17)为设定值，由轧钢加热炉控制系统hmi操作站(1)人机交互接口输入；轧钢加热炉空气过剩系数计算数学模型(14)进行空气过剩系数计算，结果与空气过剩系数设定值(17)进行比较，其差值送至空气调节阀i调节(18)和空气调节阀n调节(19)；空气调节阀i调节(18)和空气调节阀n调节(19)
是被控量，空气过剩系数设定值与空气过剩系数计算值的比较差值用于调节空气调节阀i～n的空气流量，对空气过剩系数进行调节；空燃比(20)从轧钢加热炉控制系统hmi操作站(1)人机交互接口输入；炉膛温度设定值(21)为设定值，由轧钢加热炉控制系统hmi操作站(1)人机交互接口输入；炉膛温度实际值(22)是炉膛温度检测反馈值；燃气调节阀i调节(23)和燃气调节阀n调节(24)是被控量，根据炉膛温度设定值与炉膛温度实际值的差值，调节燃气调节阀i～n的流量，对炉膛温度进行动态控制；轧钢加热炉co设定值(25)是设定值，由轧钢加热炉控制系统hmi操作站(1)人机交互接口输入；空气烟道中co量(26)和煤气烟道中co量(27)是co量实际值，作为负反馈与轧钢加热炉co设定值(25)进行比较，其差值用于调节燃气调节阀i～n的流量，以改善燃烧状况；炉膛压力设定值(28)为设定值，由轧钢加热炉控制系统hmi操作站(1)人机交互接口输入；空气引风机风量调节(30)和煤气引风机风量调节(32)与轧钢加热炉现场工艺设备(38)相连接，并分别经由调节系数k3(29)和调节系数k4(31)与炉膛压力设定值(28)和炉膛压力实际值(33)相连接，按照炉膛压力设定值与炉膛压力实际值反馈之差对空气引风机风量和煤气引风机风量进行调节，对炉膛压力进行动态控制；轧钢加热炉温度i检测(34)和轧钢加热炉温度n检测(35)是轧钢加热炉炉体和管网上设置的温度i～n检测，根据加热炉具体情况，温度检测点数和检测位置会有所不同，这些温度检测信号送至轧钢加热炉控制系统hmi操作站(1)，用于温度状态监视、用于趋势曲线记录和用于故障追索；轧钢加热炉压力i检测(36)和轧钢加热炉压力n检测(37)是轧钢加热炉炉体和管网上设置的压力i～n检测，根据加热炉具体情况，压力检测点数和检测位置会有所不同，这些压力检测信号送至轧钢加热炉控制系统hmi操作站(1)，用于压力状态监视、用于趋势曲线记录和用于故障追索；轧钢加热炉现场工艺设备(38)是轧钢加热炉现场在线设备。
[0097]
本技术方案通过图2所示轧钢加热炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法的控制系统构成图付诸实施，图2中轧钢加热炉主工艺控制系统(1)是轧钢加热炉主控制系统，包括轧钢加热炉本体及其附属设备的控制，与轧钢加热炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(10)相连接；轧钢加热炉控制系统hmi操作站(2)是计算机为基础的操作及画面显示的人机交互界面，与轧钢加热炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(10)相连接；外部空气进入量设定值(3)是系统控制目标设定值，设定值来自轧钢加热炉控制系统hmi操作站(2)，送至轧钢加热炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(10)；空气过剩系数设定值(4)是系统控制目标设定值，设定值来自轧钢加热炉控制系统hmi操作站(2)，送至轧钢加热炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(10)；轧钢加热炉co设定值(5)是系统控制目标设定值，设定值来自轧钢加热炉控制系统hmi操作站(2)，送至轧钢加热炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(10)；炉膛压力设定值(6)是系统控制目标设定值，设定值来自轧钢加热炉控制系统hmi操作站(2)，送至轧钢加热炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(10)；炉膛温度设定值(7)是系统控制目标设定值，设定值来自轧钢加热炉控制系统hmi操作站(2)，送至轧钢加热炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(10)；空燃比设定输入(8)是系统控制设定值，设定值来自轧钢加热炉控制系统hmi操作站(2)，送至轧钢加热炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(10)；占比系数k输入(9)是数学模型计算参数输入，来自轧钢加热炉控制系统hmi操作站(2)，送至轧钢加热炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(10)；轧钢加热炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(10)是轧钢加热炉及其烟气管网非对称特性动态控制
的核心，由dcs或同类数字式控制器组成，本身建有轧钢加热炉外部空气进入量计算数学模型、轧钢加热炉空气过剩系数计算数学模型、轧钢加热炉外部空气进入量闭环动态控制及轧钢加热炉空气过剩系数闭环动态控制软件；空气烟道中ar含量检测(11)是空气烟道烟气检测实际值，送至轧钢加热炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(10)，用于数学模型计算外部空气进入量；煤气烟道中ar含量检测(12)是煤气烟道烟气检测实际值，送至轧钢加热炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(10)，用于数学模型计算外部空气进入量；空气烟道中o2含量检测(13)是空气烟道o2含量检测值，送至轧钢加热炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(10)，用于数学模型计算外部空气进入量中的氧量；煤气烟道中o2含量检测(14)是煤气烟道o2含量检测值，送至轧钢加热炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(10)，用于数学模型计算外部空气进入量中的氧量；空气烟道中co含量检测(15)是空气烟道co含量检测值，送至轧钢加热炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(10)，用于调节燃气调节阀i～n，对co含量进行控制；煤气烟道中co含量检测(16)是煤气烟道co含量检测值，送至轧钢加热炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(10)，用于调节燃气调节阀i～n，对co含量进行控制；空气烟道烟气流量检测(17)是空气烟道烟气流量实际值，与轧钢加热炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(10)相连接，用于数学模型计算外部空气进入量；煤气烟道烟气流量检测(18)是煤气烟道烟气流量实际值，与轧钢加热炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(10)相连接，用于数学模型计算外部空气进入量；助燃空气风量实际值(19)是助燃空气风量检测值，送至轧钢加热炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(10)，用于数学模型计算外部空气进入量；炉膛压力检测(20)是炉膛压力检测实际值，送至轧钢加热炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(10)，用于调节空气引风机风量和煤气引风机风量，对炉膛压力进行动态控制；炉膛温度检测(21)是炉膛温度检测实际值，送至轧钢加热炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(10)，用于炉膛温度动态调节；空气引风机入口阀开度调节(22)与轧钢加热炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(10)相连接，用于空气引风机入口阀开度的调节，以抑制外部空气进入，使外部空气进入量得到控制；煤气引风机入口阀开度调节(23)与轧钢加热炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(10)相连接，用于煤气引风机入口阀开度的调节，以抑制外部空气进入，使外部空气进入量得到控制；空气引风机风量调节(24)与轧钢加热炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(10)相连接，用于炉膛压力动态调节；煤气引风机风量调节(25)与轧钢加热炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(10)相连接，用于炉膛压力动态调节；空气调节阀i调节(26)和空气调节阀n调节(27)与轧钢加热炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(10)相连接，用于轧钢加热炉温度调节和空气过剩系数调节；燃气调节阀i调节(28)和燃气调节阀n调节(29)与轧钢加热炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(10)相连接，用于轧钢加热炉温度调节和co调节；轧钢加热炉温度i检测(30)和轧钢加热炉温度n检测(31)与轧钢加热炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(10)相连接，用于轧钢加热炉温度监视、记录和故障分析；轧钢加热炉压力i检测(32)和轧钢加热炉压力n检测(33)与轧钢加热炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(10)相连接，用于轧钢加热炉压力监视、记录和故障分析；现场工艺设备过程信息(34)收集轧钢加热炉现场工艺设备(35)的设备、检测器的运行信号和状态信息并送至轧钢加热炉及其烟气管网非对称系统动态控制器(10)；轧钢加热炉现场工艺设备(35)为轧钢加热炉现场在线设备。
[0098]
要获得轧钢加热炉热效率的提高，不仅要实现空气过剩系数可控，也要实现轧钢加热炉外部空气进入量可控；实现了空气过剩系数可控，可获得燃烧效果的优化；实现了轧钢加热炉外部空气进入量可控，可获得减少轧钢加热炉热损失的优化及轧钢加热炉炉膛压力稳定控制；实现这两个可控，就突破了制约现有技术的技术瓶颈，实现了对轧钢加热炉非对称系统的动态控制。
[0099]
①
轧钢加热炉外部空气进入量动态控制系统
[0100]
在轧钢加热炉外部空气进入量计算数学模型的计算中，采取检测烟气中氩含量计算轧钢加热炉外部空气进入量是非常简捷、准确、可靠的方法；根据轧钢加热炉外部空气进入量设定值与计算值的偏差按照k1和k2比例系数分别调节空气引风机入口阀开度和煤气引风机入口阀开度，使该入口阀开度与轧钢加热炉实际炉气量基本匹配，抑制外部空气进入，进而采取炉膛压力检测按照k3和k4比例系数分别调节空气引风机速度和煤气引风机速度，对炉膛压力进行动态控制，解决了轧钢加热炉非对称系统不可控的问题，即使轧钢加热炉负荷降低，由于轧钢加热炉外部空气进入量动态控制系统的调节作用，调节引风机入口阀减小开度，炉膛压力将会减小，炉膛压力调节系统将调节引风机速度，使炉膛压力得到新的平衡，轧钢加热炉负荷变化对压力的扰动得到了有效控制，不会出现压力失控现象，引风机入口阀开度与实际炉气量基本匹配时，风机管网特性也得到了良好改善，引风机的变速范围得到了很大提高，不会发生风机喘振问题，能满足引风机全工况范围节能优化的需求。
[0101]
炉膛压力稳定是满足轧钢加热炉正常运行的必要条件之一，只有在对轧钢加热炉外部空气进入量进行了有效控制的前提下，炉膛压力才能得到稳定控制，即在物理特性上，轧钢加热炉非对称特性产生的外部空气进入量严重影响了炉膛压力的稳定；在根据轧钢加热炉外部空气进入量对引风机入口阀开度进行控制的前提条件下，进而采取炉膛压力检测控制引风机的速度是调节轧钢加热炉非对称系统的关键技术。
[0102]
图1轧钢加热炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法的技术方案框图中轧钢加热炉控制系统hmi操作站(1)、外部空气进入量设定值(2)、调节系数k1(3)、空气引风机入口阀开度调节(4)、调节系数k2(5)、煤气引风机入口阀开度调节(6)、轧钢加热炉外部空气进入量计算数学模型(7)、空气烟道中ar含量检测(8)、煤气烟道中ar含量检测(9)、空气烟道烟气流量(10)、煤气烟道烟气流量(11)、助燃空气风量实际值(12)、炉膛压力设定值(28)、调节系数k3(29)、空气引风机风量调节(30)、调节系数k4(31)、煤气引风机风量调节(32)、炉膛压力实际值(33)和轧钢加热炉现场工艺设备(38)构成了轧钢加热炉外部空气进入量闭环动态控制系统。
[0103]
②
轧钢加热炉空气过剩系数动态控制系统
[0104]
采取检测烟气中氧含量和一氧化碳含量的方法，根据轧钢加热炉空气过剩系数计算数学模型计算出空气过剩系数，再根据空气过剩系数设定值与空气过剩系数计算值之差，去调节空气调节阀流量，以及根据检测的co值与co设定值之差，去调节燃气调节阀的流量，使空气过剩系数稳定在设定值范围内。
[0105]
图1轧钢加热炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法的技术方案框图中轧钢加热炉控制系统hmi操作站(1)、占比系数k输入(13)、轧钢加热炉空气过剩系数计算数学模型(14)、空气烟道中o2量(15)、煤气烟道中o2量(16)、空气过剩系数设定值(17)、空气调节阀i调节(18)、空气调节阀n调节(19)、空燃比(20)、炉膛温度设定值(21)、炉膛温度实际值
(22)、燃气调节阀i调节(23)、燃气调节阀n调节(24)、轧钢加热炉co设定值(25)、空气烟道中co量(26)、煤气烟道中co量(27)和轧钢加热炉现场工艺设备(38)构成了轧钢加热炉空气过剩系数闭环动态控制系统。
[0106]
实际工程应用中，轧钢加热炉外部空气进入量不可能为0，空气过剩系数不可能为1，烟气中的co量也不可能为0，所以分别设置了轧钢加热炉外部空气进入量设定值、空气过剩系数设定值和轧钢加热炉co设定值，该设定值由轧钢加热炉工艺工程师根据轧钢加热炉具体工况确定，在轧钢加热炉控制系统hmi操作站输入。
[0107]
关于轧钢加热炉外部空气进入量，其中管网漏风量可在系统调试阶段或设备维修阶段通过试验方法确定，具体方法是调节轧钢加热炉外部空气进入量动态控制系统，使轧钢加热炉炉膛压力为0，通过烟气分析测得的氩含量，计算轧钢加热炉外部空气进入量，由于此时轧钢加热炉本体的外部空气进入量为0，故此时计算得出的轧钢加热炉外部空气进入量即为管网漏风量；管网漏风量计算结果显示在人机界面操作站上，管网漏风量用于空气过剩系数计算，亦可用于设备维护指导，当计算得出的管网漏风量过大时，应尽快组织进行设备维修。
[0108]
由于轧钢加热炉烟气溢出具有增加加热炉热损失、烧损加热炉附属设备、增加烟气量、造成轧钢加热炉空气过剩系数计算困难的危害，所以轧钢加热炉不适于采取微正压控制，应采取轧钢加热炉微负压控制；顺便指出，由于现有技术还不具备轧钢加热炉非对称系统控制技术，所以实际上也不具备轧钢加热炉微正压控制的基础。
[0109]
轧钢加热炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法的特点是科学、合理、充分、有效地发挥了轧钢加热炉外部空气进入量闭环动态控制系统和轧钢加热炉空气过剩系数闭环动态控制系统两个闭环动态控制系统的作用，系统简捷，运行可靠、稳定、高效，调试也很方便，适于实现轧钢加热炉动态全自动控制。
[0110]
与现有技术相比，轧钢加热炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法突破了技术瓶颈，为轧钢加热炉实现深度节能减排、增产保质开创了全新的、广泛的视野和空间，具有突出的实质性特点和显著的进步，其有益的特征是：
[0111]
(a)首次提出了轧钢加热炉非对称系统理论，为突破长期困扰轧钢加热炉稳定控制的技术瓶颈奠定了理论基础；
[0112]
(b)首次提出了轧钢加热炉非对称系统动态控制方法，使轧钢加热炉外部空气进入量可控，使轧钢加热炉空气过剩系数可控；
[0113]
(c)研发了轧钢加热炉外部空气进入量计算数学模型和轧钢加热炉外部空气进入量闭环动态控制技术；
[0114]
(d)研发了轧钢加热炉空气过剩系数计算数学模型和轧钢加热炉空气过剩系数闭环动态控制技术；
[0115]
(e)实现了轧钢加热炉非对称系统的炉膛压力有效稳定控制和轧钢加热炉全自动控制；
[0116]
(f)由于实现了外部空气进入量和空气过剩系数的动态控制，节约了燃气消耗，减少了轧钢加热炉热损失，降低了nox排放，提高了轧钢加热炉热效率；
[0117]
(g)由于实现了过程全自动控制，减轻了操作人员劳动强度，提高了生产作业率；
[0118]
(h)风机管网特性的良好改善使引风机实现了深度节能；
[0119]
(i)外部空气进入量可控、空气过剩系数可控使作为炉窑一员的轧钢加热炉烟气污染物排放得到根本性治理，可从根本上解决雾霾问题，对国家大气污染治理具有非常重要的意义。
[0120]
轧钢加热炉及其烟气管网非对称特性动态控制方法可广泛应用于新建、扩建和改造的轧钢加热炉系统；本技术方案所述仅为本发明的一个应用领域的例子，不用于限制本发明，尽管参照所述例子对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对所述例子所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；凡在本发明的控制原理和控制策略之内所做的修改、等同替换和改进均应包含在本发明的保护范围之内。