加熱爐內氧量氣氛場的控制方法

專利名稱：加熱爐內氧量氣氛場的控制方法
技術領域：
本發明涉及一種控制加熱爐內氣體氧含量的方法，特別是涉及一種加熱爐內氧量 氣氛場的控制方法。
背景技術：
鋼坯在高溫加熱爐中不同溫度段加熱，除了使被加熱的鋼坯按照工藝要求達到均 勻的溫度分布之外，在加熱過程中合理的控制空氣與燃料的配比也是非常重要的環節。參與燃燒的空氣量通常用空氣過剩系數μ來描述。μ為實際空氣量與理論空氣 量的比值。在實際生產過程中μ的取值與燃料種類、燃燒裝置形式及燃燒條件等因素相 關。按照燃燒產物中過剩氧含量的多少，可區分為強氧化氣氛和弱氧化氣氛。前者的過剩 氧含量為8 10% ；后者過剩氧含量為2 5%。當μ大于1. 10時，爐內剩余空氣量過高，會在鋼坯表面產生大量的氧化鐵皮，力口 劇了燒損。過量的煙氣在排放過程中同時造成大量的熱能流失。此外，在燃燒過程中，過量 的氧與空氣中的氮氣Ν2反應生成的二氧化氮Ν02、一氧化氮NO等氮氧化物隨煙氣排放將造 成環境污染。吸入過多的氮氧化物可致人神經、皮膚受損。加入的空氣量過少則又會使燃 料不完全燃燒，產生黑煙塵，生成游離炭及一氧化碳CO氣體等，污染空氣。控制爐內各段的氧含量，以最小的過剩空氣量達到燃料的充分燃燒、即低氧燃燒 可以有效減少煙氣量，降低燃料消耗。同時，低氧燃燒還可以減少氮氧化物和黑煙、一氧化 碳CO等有害物質的生成。因此，科學、精確地設置空燃比，是達到最佳燃燒控制，提高鋼材 加熱質量，減少大氣污染，改善生態環境的重要手段。目前，在冶金加熱爐熱工業控制過程中，均采用在爐尾預熱段之后的下降煙道附 近爐壁或煙道壁上安裝一臺氣體氧含量分析儀，根據在此檢測的氧量數據來修正爐內的燃 燒空氣量。這種控制方法可以在一定程度上能夠控制加入的空氣總量。但這種方無法精確 控制各爐段參與燃燒的空氣量，有可能造成爐內不同爐段過氧燃燒和欠氧燃燒同時存在的 情形。另外，該種氧量檢測存在較大的滯后；同時，常規的控制方法也存在很大的時滯性，無 法及時調解加熱爐內各段的空氣加入量。

發明內容
由于目前采用的調節方法只能控制加熱爐內的空氣總量，而無法精確地針對各爐 段的殘氧含量來調節本段參與燃燒的空氣量，且氧量檢測存在較大的滯后，有可能造成爐 內不同爐段過氧燃燒和欠氧燃燒同時存在，從而也有損鋼材的加熱質量。為解決上述技術 問題，本發明提出一種加熱爐內氧量氣氛場的控制方法。所述技術方案如下本發明的一種加熱爐內氧量氣氛場的控制方法，包括下列步驟步驟A 建立加熱爐內各段殘氧量控制模型和殘氧量目標值，同時檢測加熱爐內 各段的實際殘氧量；通過所述加熱爐內各段殘氧量目標值和所述加熱爐內各段的實際殘氧量計算出殘氧量偏差及其對時間的微分量，并將其輸入殘氧量模糊控制器；利用從所述殘氧量模糊控制器輸出的控制量計算出各段空氣過剩率補正值；步驟B:檢測所述加熱爐內各段的爐溫和爐壓，計算出在所述爐溫和爐壓條件下 的設定空氣流量和設定燃料流量；檢測所述加熱爐內各段的實際空氣流量和實際燃料流量；將設定空氣流量與實際空氣流量進行比較求出差值，將設定燃料流量和實際燃料 流量進行比較，求出差值；步驟C 根據所述設定空氣流量與實際空氣流量的差值、設定燃料流量與實際燃 料流量的差值以及所述各段空氣過剩率補正值計算出需要注入加熱爐內各段的空氣流量 和燃料流量。本發明的加熱爐內氧量氣氛場的控制方法，在所述步驟A中，所述殘氧量模糊控 制器根據加熱爐內各段殘氧量控制模型建立殘氧量與空氣過剩率的模糊控制規則，并通過 對所述模糊控制規則進行優化后獲得模糊控制表。本發明的加熱爐內氧量氣氛場的控制方法，在所述步驟C中，利用所述各段空氣 過剩率補正值調節加熱爐各段的空燃比，進而計算出需要注入加熱爐各段的空氣流量和燃 料流量。本發明的加熱爐內氧量氣氛場的控制方法，所述方法還包括步驟D:設置加熱爐 內總殘氧量模糊控制器，檢測加熱爐爐尾的煙氣總殘氧量及其變化速度，將其輸入所述總 殘氧量模糊控制器，經過計算輸出加熱爐內總空氣過剩率補正值，依據所述加熱爐內總空 氣過剩率補正值及加熱爐內總殘氧量控制模型得到所述加熱爐各段空氣過剩率補正值的 限幅值，將所述限幅值輸入到加熱爐各段的殘氧量模糊控制器作為其輸入約束。本發明提供的技術方案的有益效果是由于建立了爐內氧量控制模型，因而精確 了不同爐段煙氣殘氧含量與空氣過剩率的量化關系。同時，采用關于氧量偏差及其變化速 度的二維模糊控制器對空氣過剩率進行調節能顯著的改善因氧量檢測的滯后帶來的控制 滯后。各爐段均設置獨立的氧量模糊控制器，并使該控制器輸出的空氣過剩率補正值參 與各自燃燒回路中對空氣量和燃料量的調節，提高了控制效率的同時，也使工藝人員能實 時、準確地了解每個爐段爐內氣氛的性質，增加了加熱爐工藝過程的透明性和可控性。


圖1是本發明實施例提供的加熱爐內氧量氣氛場的控制方法中單一爐段的執行 流程圖；圖2是本發明實施例提供的加熱爐內氧量氣氛場的控制方法殘氧量模糊控制部 分的總流程圖；圖3是本發明實施例提供的加熱爐內氧量氣氛場的控制方法流程圖。
具體實施例方式為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本發明實施方 式作進一步地詳細描述。
本方法主要包括以下4個步驟參見圖1和圖3所示步驟101 首先，根據加熱爐11各爐段的工藝特點、爐內氧量控制目標曲線和各爐段空氣過剩率，建立爐內殘氧量控制模型1。同時，在加熱爐11的預熱段、加熱段和均熱段等各爐段分別設置氧量分析儀4對 加熱爐11內的氣氛取樣，并檢測出其中的殘氧含量值。控制系統根據爐內殘氧量控制模型1中的殘氧量目標值SV和由氧量分析儀4的 實際檢測值PV計算出氧量偏差e (t)，并經過微分器2經de/dt求出氧量偏差e (t)對時間 的微分e’(t)。氧量偏差的微分e’ (t)反映了偏差值隨時間的變化趨勢或變化速度。在控制系統中為加熱爐的每個爐段設置一個二維的殘氧量模糊控制器3，將氧量 偏差e(t)和氧量偏差的微分值e’ (t)輸入該模糊控制器3內。殘氧量模糊控制器3的輸 出控制量為u (t)。在殘氧量模糊控制器3中為偏差變化量e’和控制量u建立如下模糊集 {NB，NM, NS, 0，PS, PM, PB}。為提高穩態精度為氧量偏差e建立如下模糊集{NB, NM, NS, NO, P0, PS, PM, PB} ο根據加熱爐內殘氧量控制模型1建立殘氧量與空氣過剩率的模糊控制規則。對控 制規則優化后，獲得模糊控制表。殘氧量模糊控制器3根據輸入的氧量偏差和該偏差變化 速度，通過以上建立的模糊控制規則輸出控制量u(t)到空氣過剩率調節器5，并利用該空 氣過剩率調節器5計算出加熱爐內該段的空氣過剩率補正值。步驟102 下一步，檢測加熱爐11內每段的爐溫和爐壓，通過上級調節器6計算出 在所述爐溫和爐壓條件下設定的空氣流量和設定的燃料流量。由于空氣流量隨爐壓和煙氣溫度變化會產生很大變化，因此本發明的方法在對燃 燒回路空燃比進行修正的過程中還同時考慮了對空氣流量進行壓力和溫度補償的因素。同時，檢測所述加熱爐11各段的實際空氣流量和實際燃料流量，設定的空氣流量 與實際空氣流量進行比較求出空氣流量的差值；將設定的燃料流量和實際燃料流量進行比 較，求出燃料流量的差值。步驟103 再下一步，根據設定的空氣流量與實際空氣流量的差值、設定的燃料流 量和實際燃料流量的差值以及各段空氣過剩率補正值計算出需要注入加熱爐各段的空氣 流量和燃料流量。在該步驟中，將設定的空氣流量與實際空氣流量的差值輸入本段的空氣流量調節 器7，然后由執行器9執行注入該段需要注入的空氣流量；同樣，將設定的燃料流量和實際 燃料流量的差值輸入本段的燃料流量調節器8，然后由執行器10執行注入該段需要注入的 燃料流量。為了實現壓力和溫度補償的因素，將由空氣過剩率補正值分別反饋至燃燒回路修 正空燃比，設定的空氣流量與實際空氣流量的差值和空氣過剩率補正值輸入計算模塊12， 求出空燃比的倒數，然后將該結果輸入計算模塊14，經處理后將其結果輸入本段的燃料流 量調節器8。同樣，設定的燃料流量和實際燃料流量的差值和空氣過剩率補正值輸入計算 模塊13，求出空燃比，然后將該結果輸入計算模塊15，經處理后將其結果輸入本段的空氣 流量調節器7。其結果交叉控制空氣流量調節器7和燃料流量調節器8，以實現交叉限幅調 節。
此外，本發明的方法還可以總殘氧量控制。參見圖2所示由于加熱爐 內煙氣是由出鋼側向預熱段流動，在控制系統中可以同時構造一個爐 內總殘氧量模糊控制器16。在爐尾煙道壁設置氧含量分析儀用于檢測爐內排放煙氣的總殘 氧含量。該模糊控制器16以爐尾氧含量分析儀檢測出的煙氣總殘氧含量及其變化速度為 輸入量，經計算輸出爐內總空氣過剩率補正值。在此基礎上，依據加熱爐內總殘氧量模型和 得到的加熱爐內總空氣過剩率補正值計算出各爐段的空氣過剩率補正限幅值，并將這些限 幅值傳遞到各爐段殘氧量模糊控制器17作為其輸出約束，有效地增加了系統調節的穩定 性。 由于現有的爐內氣氛的氧含量檢測存在很大的滯后，常規方法是把其等效成一個 由純滯后環節和一個一階段性環節組成的時滯環節進行滯后補償控制，但因為參與控制的 等效模型參數因具體被控對象的差異而存在較大不同，所以控制效果也不穩定。在本發明 中，我們設計了加熱爐二維的氧含量模糊控制器，根據爐內殘氧量的偏差值以及該偏差值 的變化速度，來調節本爐段的空氣過剩率。并通過前饋通道將空氣過剩率的修正值前饋給 燃燒控制回路的計算模塊從而達到調節燃燒空氣量的作用。上述設計采用關于氧量偏差及其變化速度的二維模糊控制器對空氣過剩率進行 調節能顯著的改善因氧量檢測的滯后帶來的控制滯后。各爐段均設置獨立的氧量模糊控 制器，并使該控制器輸出的空氣過剩率補正值參與各自燃燒回路中對空氣量和燃料量的調 節，提高了控制效率的同時，也使工藝人員能實時、準確的了解每個爐段爐內氣氛的性質， 增加了加熱爐工藝過程的透明性和可控性。以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和 原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
一種加熱爐內氧量氣氛場的控制方法，其特征在于，所述方法包括下列步驟步驟A建立加熱爐內各段殘氧量控制模型和殘氧量目標值，同時檢測加熱爐內各段的實際殘氧量；通過所述加熱爐內各段殘氧量目標值和所述加熱爐內各段的實際殘氧量計算出殘氧量偏差及其對時間的微分量，并將其輸入殘氧量模糊控制器；利用從所述殘氧量模糊控制器輸出的控制量計算出各段空氣過剩率補正值；步驟B檢測所述加熱爐內各段的爐溫和爐壓，計算出在所述爐溫和爐壓條件下的設定空氣流量和設定燃料流量；檢測所述加熱爐內各段的實際空氣流量和實際燃料流量；將設定空氣流量與實際空氣流量進行比較求出差值，將設定燃料流量和實際燃料流量進行比較，求出差值；步驟C根據所述設定空氣流量與實際空氣流量的差值、設定燃料流量與實際燃料流量的差值以及所述各段空氣過剩率補正值計算出需要注入加熱爐內各段的空氣流量和燃料流量。
2.根據權利要求1所述的加熱爐內氧量氣氛場的控制方法，其特征在于，在所述步驟A 中，所述殘氧量模糊控制器根據加熱爐內各段殘氧量控制模型建立殘氧量與空氣過剩率的 模糊控制規則，并通過對所述模糊控制規則進行優化后獲得模糊控制表。
3.根據權利要求1所述的加熱爐內氧量氣氛場的控制方法，其特征在于，在所述步驟 C中，利用所述各段空氣過剩率補正值調節加熱爐各段的空燃比，進而計算出需要注入加熱 爐各段的空氣流量和燃料流量。
4.根據權利要求1所述的加熱爐內氧量氣氛場的控制方法，其特征在于，所述方法還包括步驟D 設置加熱爐內總殘氧量模糊控制器，檢測加熱爐爐尾的煙氣總殘氧量及其變 化速度，將其輸入所述總殘氧量模糊控制器，經過計算輸出加熱爐內總空氣過剩率補正值， 依據所述加熱爐內總空氣過剩率補正值及加熱爐內總殘氧量控制模型得到所述加熱爐各 段空氣過剩率補正值的限幅值，將所述限幅值輸入到加熱爐各段的殘氧量模糊控制器作為 其輸入約束。
全文摘要
本發明公開了一種加熱爐內氧量氣氛場的控制方法，屬于金屬冶煉領域。本方法通過加熱爐內各段殘氧量目標值和加熱爐內各段的實際殘氧量計算出殘氧量偏差及其對時間的微分量，并將其輸入殘氧量模糊控制器；輸出的控制量計算出各段空氣過剩率補正值，參與各自燃燒回路中對空氣量和燃料量的調節，根據設定空氣流量、燃料流量與實際空氣流量、燃料流量的差值計算出需要注入加熱爐內各段的空氣流量和燃料流量。能顯著的改善因氧量檢測的滯后帶來的控制滯后。提高了控制效率的同時，也使工藝人員能實時、準確的了解每個爐段爐內氣氛的性質，增加了加熱爐工藝過程的透明性和可控性。
文檔編號C21D9/70GK101876449SQ20091027280
公開日2010年11月3日 申請日期2009年11月17日 優先權日2009年11月17日
發明者王文菖, 田宏燾, 趙利洪, 郭偉, 陶茂鋼 申請人:武漢鋼鐵(集團)公司