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1、摘要 加热炉是将物料或工件加热的设备。在冶金工业中加热炉习惯上是指把金属加热到轧制成锻造温度的工业炉，包括有连续加热炉和室式加热炉等。连续加热炉广义来说，包括推钢式炉、步进式炉、转底式炉、分室式炉等连续加热炉。由于本设计的内容是关于步进梁式加热炉，所以要对其做一些简单的介绍:步进式连续加热炉靠炉底或水冷金属梁的上升、前进、下降、后退的动作把料坯一步一步地移送前进的连续加热炉。炉子有固定炉底和步进炉底，或者有固定梁和步进梁。前者叫做步进底式炉，后者叫做步进梁式炉。轧钢用加热炉的步进梁通常由水冷管组成。步进梁式炉可对料坯实现上下双面加热。 本文以厚板加热炉的技术改造为研究背景，对目前国内外加热炉控
2、制技术的发展和现状进行了综述。介绍了加热炉集散控制系统的主要构成、系统配置及工控组态软件的功能，深入分析了集散控制系统对步进式加热炉燃烧的自动控制原理，实现了双交叉限幅燃烧控制、流量控制、加热炉炉温控制、炉压控制、煤气总管和空气总管的压力控制等。关键词：步进式加热炉，燃烧工艺流程，集散控制系统 目 录一、绪论 3二、步进式加热炉 42.1步进加热炉概述42.2步进式加热炉的工艺过程5三、DCS选型83.1 JX-300系统概要83.2系统的整体结构83.3系统主要设备和软件93.4系统的主要特点 103.5硬件选型 10四、步进式加热炉控制系统设计124.1炉温控制 124.2流量控制 144
3、.3炉压控制 19 五、监控系统硬件连接及软件使用255.1 系统软件255.2 通信网络265.3 组态软件29六、实时监控操作画面316.1工艺流程图 316.2温度报警图 316.3温度实时/历史趋势图及报警记录图326.4阀门控制简图 33七、心得体会34八、参考资料35一、绪论随着世界人口的不断增加以及国民经济的迅速发展，能源危机日益加深。在1973年发生第一次石油危机以后，开发新能源和节能的研究便成为世界各国关注的主要课题。自70年代中期以来，各工业先进园对各种燃烧设备的节能控制进行了广泛深入的研究，大大降低了能耗。冶金工业是耗能大户，其中钢坯加热炉就占钢铁工业总能耗的25。因此，
4、提高加热炉热效率、降低能耗，对整个钢铁工业节能具有重要意义，在国内外都得到了广泛的重视。随着现代化轧机向连续、大型、高速、高精度和多品种方向发展，对钢坯加热质量的要求也越来越高，从而也对加热过程提出了更高的要求。加热炉是钢铁工业轧钢生产线关键设备之一，也是主要的耗能设备。加热炉燃烧过程具有非线性、强耦合、不确定性、分布参数特性，是一个高度复杂的工业过程。钢坯加热的质量直接影响到钢材的质量、产量、能源消耗和轧机寿命，加热炉燃烧过程控制技术成为钢铁企业研究的重要课题之一，在国内外都得到了广泛的重视。从双交叉限幅燃烧控制、流量控制、加热炉炉温控制、炉压控制、煤气总管和空气总管的压力控制等方面进行深入
5、研究。二、步进式加热炉2.1步进加热炉概述加热炉即是将金属加热至轧制温度要求的工业炉。最初，在轧线规模和效率的限制下，小型的均热炉即可满足轧线需求。均热炉即是坑状的加热炉，上面有炉盖。均热炉内温度不分段，原坯在炉中加热至轧制温度，在轧线需要时由人工的方式将原坯送入轧线。这种炉生产能力低，炉子热效率较低。在轧线生产效率的提升的情况下，新建均热坑虽然是一种解决方法，但是受到生产场地和距离等因素限制。推钢式加热炉是更大型的连续加热炉。按照原坯进入轧线的顺序，原坯在推钢式加热炉内，由推钢机向前推行。由于原坯仅需要在出炉前达到轧制温度，因此推钢式加热炉炉内的温度并不一致，而是分为几个温度段，这样就避免了
6、热量的浪费。一般的，炉膛沿长度方向分为预热段、加热段和均热段。进料端炉温较低为预热段，其作用在于利用炉气热量，以提高炉子的热效率。加热段为主要供热段，炉气温度较高，以利于实现快速加热。均热段位于出料端，炉气温度与金属料温度差别很小，保证出炉料坯的断面温度均匀。推钢式加热炉由于是推钢机手臂将原坯推入炉中，因此原坯之间没有间隙。而由于推钢机手臂的原因，炉长不能大幅增加。在5060年代，轧线的生产效率迅速提高，为了提高单位炉底面积的生产率，开始在进料端增加供热段，取消不供热的预热段。但是供热段的长度增加，意味着高温原坯的数量增加。由于推钢式加热炉的原坯之间处于一种“接触”状态，因此容易出现粘钢，拱钢
7、。1967年4月，由美国米德兰公司设计的全世界第一座“二面供热步进梁式加热炉，在美国格兰拉特城钢铁公司问世;紧接着同年5月，日本中外炉公司设计的全世界第二座步进梁式加热炉又在日本名古屋钢铁厂投产。这两座步进梁式加热炉的投产，宣告加热炉进入了崭新的时代。相对于推钢式加热炉，步进梁式加热炉的优点显而易见。首先，步进梁式加热炉中的原坯是放置于横跨整个加热炉的步进梁上，并由步进梁的运动带动其向前移动，因此步进梁式加热炉的炉长(规模)理论上可以不受限制。其次，步进梁式加热炉中的原坯不是用“推动”的方式移动，因此原坯之间有一定距离，这就完美的解决了粘钢，拱钢的故障问题。并且原坯之间不相互接触，炉内热气可以
8、使原坯更加均匀的加热。由于步进梁式加热炉的炉长受限的因素少，其最大特点是规模大。原苏联契涅波维茨钢铁厂热带车间所用的步进梁式加热炉，炉内宽11.25m，有效炉长49.59m，炉子产量达420比;德国克勒克纳公司的不莱梅钢铁厂热轧线采用的步进梁式加热炉，产量400曲;法国索拉克热轧带钢铁厂的步进梁式加热炉，有效炉长53.9m，产量更达到525t/h。随着近二十年来控制理论和电子技术的长足进步，在DCS等先进控制系统的带动下，步进梁式加热炉又在最优炉温控制和节能等方面取得突破。如今的步进梁式加热炉，己经向着功能多，规模大，耗能少的方向发展。功能多，既可以适应多种不同原坯，如板坯、方坯等;规模大，即
9、单位时间的产量高;耗能少，即符合国际能源和污染排放的规定。我国的钢铁生产起步较晚，在建国后虽有所发展，但受历史和技术原因，七十年代仍处于世界落后。八十年代后，在国家经济建设的号召下，大量引入外国先进技术，国内钢铁生产有了长足进步。我国在1979年投产的步进梁式炉长为犯.5米，生产能力为270比t/h。步进梁式加热炉虽然优点多，但其投资也较其他加热炉高。若引进外国技术，投资更会增加一倍。随着我国钢铁技术的发展，我国已经逐步开始自行设计步进梁式加热炉，并使用国产加热炉部件。近年来在国家提出“节能减排”的目标指引下，一大批钢铁企业开始对其生产线进行大规模改造。而加热炉是钢铁厂重耗能重污染的单位，因此
10、其改造相当普遍。2.2步进梁式加热炉工艺过程步进梁式加热炉是整个系统的核心部分。步进梁是一种梁式的搬运装置，分为定梁和动梁。步进梁的工作原理如图1.2所示。固定梁移动梁固定梁水平面3214下降上升图2.2步进式炉内钢坯的运动炉底由固定梁和步进梁组成。开始钢坯放置在固定梁上，这时移动梁位于钢坯下面最低点1。开始动作时，移动梁由1点垂直上升到2点的位置，在到达固定梁水平面时把钢坯托起，接着移动梁载着钢坯沿水平方向移动一段距离从2点到3点；然后推动梁再垂直下降到4点位置，当经过固定梁水平面时又把钢坯放到固定梁上。这时钢坯实际已经前进到一个新的位置。这样移动梁经过上升-前进-下降-后退四个动作，完成了
11、一个周期，钢坯便迁进一步。然后开始第二个周期，不断循环使钢坯一步步前进。移动梁往复一个周期所需的时间和升降倒退的距离，是按操作和设计的要求规程确定的。可以根据不同钢种和断面尺寸确定钢材在炉内加热的时间，并按加热时间的需要，调整步进周期的时间和进退的行程。为了对钢坯实现有效地加热，步进式加热炉沿炉长方面分为：预热段、加热段和均热段，如图2.3所示。图2.3步进式加热炉工艺图步进式加热炉加热段分为I加热段和II加热段。预热段长度较长，可出充分利用烟气来预热装炉钢坯，从而提高燃料的利用率。钢坯在加热初期会因温差过大而产生热应力，因此要求控制升温速度。钢坯经过预热段预热后进入加热段，加热段是加热炉中最
12、重要的段，钢坯在加热段被加热的程度决定了钢坯是否能被烧透、炉口能否正常出钢。均热段主要将钢坯均匀加热到规定的出钢温度。若均热段温度过高，将出现钢体打滑现象，温度过低，则不能出钢。三段的温度互相耦合，互相影响。加热炉的热工制度主要包括：温度制度、燃料燃烧制度帮炉压割度等。为了保证燃烧的正常进行，一般采用双交叉限幅燃烧控制系统和带动番补偿的炉膛压力控制系统，同时对煤气的温度，压力与助燃控制的温度、压力以及热风放散温度分别进行控制。图2.1 步进式加热炉工艺流程图三、DCS选型基于DCS控制技术的步进式加热炉控制系统简介。3.1JX-300系统概要浙江浙大中控自动化有限公司于1997 年推出了全数字
13、化的新一代的集散控制系统JX-300。该系统不仅具有原JX-100 集散控制系统的一切功能和优良的性能， 更吸纳了九十年代在微处理器、CRT 图形显示和络通讯等领域的最新技术，成为近几年国外著名DCS 系统在中国市场的最主要竞争对手。公司本着不断改进完善系统性能，最大限度地满足应用需要的原则，充分应用了最新信号处理技术、高速网络通信技术、可靠的软件平台和软件设计技术和现场总线技术，采用了高性能的微处理器和成熟的先进控制算法，全面提高了JX-300 的性能和功能，使其兼具了高速可靠的数据输入输出、运算、过程控制功能和 PLC 联锁逻辑控制功能，能适应更广泛更复杂的应用要求，成为一个全数字化的、结
14、构灵活、功能更加完善的新型开放式集散控制系统。区别于早期推出的JX-300 系统，我们称该新型系统为JX-300X。JX-300X 的基本组成包括工程师站（ES）、操作站（OS）、控制站（CS）和通讯网络SCnet II。 通过在JX-300X 的通讯网络上挂接总线变换单元（BCU）可实现与JX-100、JX-200、JX-300 系统的连接；在通讯网络上挂接通信接口单元（CIU）可实现JX-300X 与PLC等数字设备的连接；通过多功能计算站（MFS）和相应的应用软件Advantrol-PI 可实现与企业管理计算机网的信息交换，实现企业网络（Intranet）环境下的实时数据采集、实时流程查
15、看、实时趋势浏览、报警记录与查看、开关量变位记录与查看、报表数据存贮、历史趋势存贮与查看、生产过程报表生成与输出等功能，从而实现整个企业生产过程的管理、控制全集成综合自动化。3.2系统的整体结构：JX-300X 系统的整体结构如图2.1 所示。图3.1JX300-系统结构图图3.1 中构成系统的主要设备说明如下：OS：操作站 ES：工程师站 MFS：多功能计算站BCU：总线变换单元 CIU：通信接口单元PCS：过程控制站 LCS：逻辑控制站 DAS：数据采集站SBUS：系统I/O 总线 IOU：IO 单元 RIOU：远程IO 单元3.3 系统主要设备和软件 3.3.1系统主要设备 作为典型的通
16、讯系统，JX-300X 系统有如下类型的节点： 现场过程控制设备节点； 操作监视设备节点； 智能设备的通信接口节点； 工程师站； 高级计算站。3.3.2系统软件 用于给CS、OS、MFS 进行组态的专用软件，包括：SCKey （系统定义）、SCNetDiag（系统诊断）、SCFBD（功能块图）等工具软件包，称之为组态软件包。 用于过程实时监视、操作、记录、打印、事故报警等功能的人机接口软件称为实时监控软件AdvanTrol。3.4 系统的主要特点 JX-300X 覆盖了大型集散系统的安全性、冗余
17、功能、网络扩展功能、集成的用户界面及信息存取功能，除了具有模拟量信号输入输出、数字量信号输入输出、回路控制等常规DCS 的功能，还具有高速数字量处理、高速顺序事件记录（SOE）、可编程逻辑控制等特殊功能；它不仅提供了功能块图（SCFBD）、梯形图（SCLD）等直观的图形组态工具，又为用户提供开发复杂高级控制算法（如模糊控制）的类C 语言编程环境SCX。系统规模变换灵活，可以实现从一个单元的过程控制，到全厂范围的自动化集成。3.5 硬件选型根据系统实际测点和控制情况，选择系统需要的硬件设备（机柜、机笼、卡件、操作站等），使硬件配置可以满足设计中的数据监控、画面浏览等要求，并为将来的系统扩展升级留
18、有一定的余量。加热炉I/O点数检测区域AI点数AO点数DI点数DO点数热电偶热电阻420mA420mA预热段上11334226预热段下11335842一加上13335232一加下13337252二加上13335232二加下13337252均热上22222均热中22222均热下11335840公共部分7171264220汽化冷却部分2842510硬件配置：卡件类型卡件名称所需数量控制站SP243X2块数据转发卡SP23315块（考虑到冗余配置）I/O卡件SP314(4路电压型号输入卡)26块（考虑到冗余配置及备用）SP316(2路热电阻信号输入卡)10块（考虑到冗余配置及备用）SP313(4路电
19、流型号输入卡)18块（考虑到冗余配置及备用）SP322（4路模拟信号输出卡)10块（考虑到冗余配置及备用）FW366(16路数字信号输入卡)32块（考虑到冗余配置及备用）FW367(16路数字信号输出卡)24块（考虑到冗余配置及备用）四、步进式加热炉控制系统设计4.1炉温控制加热炉分三段实现炉温自动控制，包括加热一段、加热二段和均热段。每段炉温各自独立控制，每段取炉顶和炉侧2点温度为测量值，正常情况以炉顶测量温度为控制目标值，当炉项处热电偶出现故障时，以炉侧测量温度为控制目标值。加热一段炉温控制范围：1 1 00-1 200，加热二段温度控制范围：1200-1300，均热段温度控制范围：120
20、0-1280。三段炉温采用相同的温度控制方案，炉温自动控制是以炉温控制为主环，煤气流量调节为副环的串级回路控制，下面以均热段为例说明炉温是如何实现自动控制的。4.1.1串级控制简介所谓串级控制系统就是由两台控制器串联在一起，控制一个控制阀的控制系统。串级控制系统原理图如图31所示。图4.1串级控制系统原理图串级控制系统与单回路控制系统相比，由于在系统结构上多了一个副回路，因而具有以下主要特点：(1)改善了被控过程的动态特性，可以使系统的响应加快，控制更为及时；(2)提高了系统的工作频率，可使振荡周期缩短；(3)具有较强的抗扰动能力；(4)具有一定的自适应能力。综上所述，串级控制系统与单回路控制
21、系统相比具有许多特点，其控制质量较高，但是所用仪表较多，投资较高，调节器参数整定较复杂。所以在工业应用中，串级控制并不是任何场合都适用，往往应用于以下场合：(1)用于克服被控过程较大的容量滞后：(2)用于克服被控过程的纯滞后：(3)用于抑制变化剧烈而且幅度大的扰动；(4)用于克服被控过程的非线性。4.1.2炉温一煤气流量串级控制由于加热炉炉温过程是一个具有大惯性、非线性和多扰动等特点的过程，根据串级控制系统的特性，本文采用炉温一煤气流量串级控制方案来实现加热炉炉膛温度的自动控制。在此串级控制系统中，将变化较剧烈的煤气流量等扰动包含在副环回路中，利用副环回路的优良特性来抑制这些扰动对被控量即炉膛
22、温度的影响。同时，利用串级控制系统可以改善被控过程动态特性和具有较强自适应能力的特点，来克服加热炉炉温过程的较大的容量滞后以及非线性等问题。图4.2加热炉炉温与煤气流量串级控制系统框图在图4.2中，炉温控制器为主控制器，它的输出作为副控制器即煤气流量控制器的设定值，而由煤气流量控制器的输出去控制煤气的调节阀，调节阀采用气开式，炉温控制器和煤气控制器均采用反作用方式。在稳定状态下，炉温控制器和煤气控制器的输出都处于相对稳定值，煤气调节阀也相应地处于某一开度上。如果稳定状态被破坏，炉温控制器和煤气控制器的串级控制开始作用。第一种情况：煤气流量发生变化。当煤气流量变送器检测出流量值与设定值进行比较，
23、当实际流量值高于设定值4000 Nm3h时，煤气流量控制器输出减小，通过执行器调整煤气流量，直至达到设定值。所以对于煤气流量的小变化，经过煤气流量控制器这一控制的结果，将不会引起炉温的变化；对于煤气流量的大变化，也将会大大削弱它对炉温的影响。随着时间的增长，煤气流量变化对炉温的影响将显示出来。炉温发生变化，炉温控制器开始工作，不断改变控制输出，直到炉温重新回到设定值为止。第二种情况：炉温发生变化。假定当实测炉温高于1280，根据炉温控制器的反作用，控制输出减小，即煤气流量的设定值减小。由于此时煤气流量并没有变，即测量值暂时没有变化，又根据煤气流量控制器的反作用，其控制输出减小，调节阀应减小开度
24、，煤气流量减小，炉温逐渐下降，直到炉温回到1200l280为止。炉温降低时，其调节过程相反。第三种情况：假定炉温和煤气流量同时发生变化。这时分为两种情形：一种情形是温度、煤气流量同向发生变化；另一种情形是温度、煤气流量反向发生变化。对于第一种情形，以炉温升高、煤气流量增大为例进行分析。这时，炉温控制器输出应减小，即煤气流量设定值减小。同时，煤气流量测量值增大，两方面作用一综合，这样流量控制器的输出应大幅度的减小，调节阀将大幅度关小开度，煤气流量大幅度减小，炉温很快回到设定值。对于第二种情形，以炉温升高、煤气流量减小为例进行分析。这时，炉温控制器输出应减小，即煤气流量设定值减小。同时，煤气流量测
25、量值减小，两方面的作用结果，比较煤气控制器的输入是正偏差还是负偏差，然后经煤气控制器的作用控制调节阀的开度，使炉温回到设定值。4.2流量控制为了使煤气充分燃烧必须供给足够量的空气，即保证一定的过剩空气系数u或空燃比。它们的定义分别为其中，Fa和Famax分别为空气流量的测量值和最大值，Ff和Ffmax分别为煤气流量的测量值和最大值，A。为单位体积或质量的煤气完全燃烧所需的理论空气量。空燃比与过剩空气系数的关系为=*其中，称为量程修正系数，它的计算式为以煤气为原料的燃烧过程中空气过剩系数与节能防止污染是非常关键的。空气不足燃烧不完全、冒黑烟、热损失增大，即热效率降低。空气过量又会从炉内带走大量的
26、热能、降低火焰温度并导致氧化氮、氧化硫排量增加，污染环境。热效率与热损失及空气过剩系数之间的关系，见图43。图4.3各种热损失与过剩空气系数之间的关系有图可见，在上述两种情况之间存在着一个热损失小与污染最小、热效率最高的低氧燃烧区，这种状态使排烟量减少，此外火焰温度升高又使高温区热效率提高。这就是最佳燃烧区，一般以煤气为燃烧的燃烧系统最佳燃烧区的空气过剩系数u在105110之间。理想的燃烧过程应该是无论负荷稳定还是急剧变化的情况下都能在最佳燃烧区内进行。在加热炉燃烧过程中，为保证燃料煤气的合理经济燃烧，就必须对进入炉膛的煤气流量与空气流量进行合理配比。本文采用比值控制方法来保证进入炉膛的煤气流
27、量与空气流量之间的恰当比值关系。双闭环比值控制方案是比值控制系统的一种，由于它对比值控制系统的主、从动量均进行了闭环调节，因此它不但能够保证两种物料流量之间的静态比值关系，而且控制系统的动态比值特性也较好。双闭环比值控制系统的主动量控制回路能克服主动量的扰动，实现其定值控制。从动量控制回路能克服作用于从动量回路中的扰动，维持与主动量之间的比值关系。但是，在燃烧负荷发生急剧变化的情况下，煤气流量一空气流量双闭环比值控制无法很好的保证煤气流量与空气流量之间的动态比值关系。在燃烧负荷发生急剧变化的情况下，为了保持燃料煤气的最佳燃烧，本文采用双交叉限幅控制策略来克服双闭环比值控制系统动态比值特性不优的
28、缺陷。双交叉限幅控制是在双闭环比值控制的荃础上，增加了交叉限幅功能，可以很好地解决上述问题。由于双交叉限幅控制响应速度慢，因此当负荷较平稳时，采用煤气一空气流量双闭环比值控制策略，只有当负荷发生剧烈变化时，才采用双交叉限幅控制策略。4.2.1煤气流量一空气流量双闭环比值控制本加热炉燃烧过程中，当燃烧负荷较平稳时，本文采用了双闭环比值控制方案来实现煤气流量和空气流量之间的合理配比。在本系统中，煤气流量是主动量，空气流量是从动量，煤气流量和空气流量双闭环比值控制系统框图如图44所示。图4.4煤气和空气双闭环比值控制系统框图在稳定状态下，煤气流量和空气流量以一定的比值(1：105)定量地进入加热炉中
29、。当炉膛温度受干扰作用，燃烧负荷波动不大时，或工艺上需要升降负荷的时候，炉温控制器的输出一方面输入煤气流量控制器进行煤气流量的控制；另一方面经比值器后作为空气控制器的设定值。煤气和空气双闭环比值控制开始作用：当炉温稍稍升高时，在炉温控制器反作用下，其输出减小，即煤气流量设定值减小，同时，炉温控制器输出经比值器给空气流量的设定值也减小。此时，煤气流量的测量值暂时没有变化，经煤气流量控制器输出减小，控制煤气调节阀开度减小：同样空气流量的测量值暂时也没有变化，经空气流量控制器输出也减小，相应地控制空气调节阀开度减小。当炉温稍稍降低时，炉温控制器反作用下输出增大，即煤气流量设定值增大，同时，炉温控制器
30、输出经比值器给空气流量的设定值也增大。此时，煤气流量的测量值暂时没有变化，经煤气流量控制器输出增大，控制煤气调节阀开度增大：同样空气流量的测量值暂时也没有变化，经空气流量控制器输出也增大，相应地控制空气调节阀开度增大。综上，不论炉温稍稍升高还是稍稍降低，通过煤气流量和空气流量的双闭环比值控制，可以实现较好的动态比值特性。4.2.2煤气流量一空气流量双交叉限幅控制在燃烧负荷发生急剧变化的情况下，由于空气流动管道与煤气流动管道特性间的差异，各阀门的响应速度和系统的响应速度不同，会带来缺氧燃烧现象和过氧燃烧现象的发生，此时若仍采用煤气流量一空气流量的双闭环比值控制将无法保证燃料与空气之间的最佳动态配
31、比关系。当负荷增加时，燃料系统所需的煤气流量和空气流量理论上同时上升，但由于空气管道和煤气管道的特性的不同(通常空气流量滞后的比较大)，双交叉限幅使煤气流量的增加速度受到空气流量实际值的限制，即煤气流量的设定值应大于等于出现过氧燃烧的煤气流量的低限并且同时小于等于出现缺氧燃烧的煤气流量的高限(高限和低限是决定于当前的空气流量设定)，这样，煤气流量的设定值的增长幅度受限，防止了缺氧燃烧现象的发生：同理，当荷减少时，煤气流量的设定值的减少幅度受限，防止了过氧燃烧现象的发生。综上，在燃烧负荷发生急剧变化的情况下，本文采用双交叉限幅控制策略来保证燃料流量和空气流量之间的最佳配比关系。炉温双交叉限幅控制
32、系统框图如图45所示。图45炉温双交叉先付控制系统框图其中双交叉限幅工作原理示意图46所示。图46双交叉限幅原理图双交叉限幅燃烧控制采用煤气流量和空气流量的实测值来分别对副回路控制器的空气流量和煤气流量的设定值进行限幅，通过相互制约防止负荷变化很快时出现煤气或空气的过渡过剩。通过双交叉限幅，副回路控制器在主回路的输出、以及防止燃烧系统出现过氧和缺氧燃烧的上下限中选择一个合适的值给副回路控制器作为设定值，这样，煤气流量和空气流量会严格地按照一个合理的比值交替地上升，使实际的空燃比保持在合理的范围之内。双交叉限幅燃烧控制系统的优点：双交叉限幅燃烧控制方式能有力地限制空气过剩率的实际值，克服了传统的
33、串级控制系统的不足，从而保证了空气过剩率不至于远远地偏离设定值，保证燃烧同工作在最佳燃烧区内，减少了缺氧燃烧和过氧燃烧带来的损失，并且最大程度上降低了黑烟以及NOx和SOx给环境带来的污染。4.3炉压控制炉压控制不当是造成工业炉燃料浪费的最主要因素之一，炉内负压使得冷的空气通过炉门、炉衬裂缝以及其它开口进入炉内。这些漏入的冷空气必须被加热到炉温以后才能排出，这样会造成燃烧系统的额外负担并浪费大量燃料。另外，如果炉膛内炉压太高，会大大降低加热炉的使用寿命，而且由于炉膛口的高压将使炉门往外喷火，同样会浪费大量的燃料。所以，为保证安全生产和节能燃烧，我们有必要对炉压实现自动控制，以确保炉膛内压力的微
34、正压。加热炉的炉膛压力控制，包括加热一段、加热二段、均热段炉膛压力控制。加热段的炉膛压力控制是通过对排烟温度的自动控制来间接实现的；主要原因在于在加热段中，没有压力检测点，所以只能通过对排烟温度的控制来间接实现稳定炉膛压力的目的。由于在均热段炉顶有压力检测点，因此，均热段炉压采用直接控制方式。4.3.1加热一段和加热二段炉压自动控制加热段炉压自动控制，是利用加热段排烟阀进行排烟温度调节，排烟阀通过控制排烟流量来调节排烟温度，从而间接实现加热段炉膛压力的稳定。控制合适、相对平稳的排烟温度对提高加热炉的热效率和为加热炉提供温度稳定的预热空气，维持加热炉的炉内气氛非常重要。一般来说，排烟温度不能低于
35、120，否则说明蓄热效果差，达不到节能的目的，也影响预热煤气和空气的质量；另外，排烟温度也不能太高，否则排烟温度中将带走很大的一部分热量，加热炉的热效率就不高，排烟温度过高，会烧坏阀门等非耐热部件，因此需要对排烟温度进行控制。当该段排烟温度过高时，应适当地减小该段排烟阀的开度，减少烟气的流通量。当任何一个排烟温度有高高报警时(一般排烟温度大于180时)，采取应急措施，将排烟阀强行关闭；只有当高高报警消除时，才重新将该排烟阀打开。实际上，整段排烟被禁止时，对炉膛内的温度场影响很大，不应该使该排烟阀长时间地处于关闭状态。一般当一组换向装置的排烟温度有高报警时，该换向装置就会以定温方式换向，只要一换
36、向，通过热交换的方向改变，排烟温度会很快得到控制，烟温也不大可能会有高高报警。本加热炉设计中，加热段的排烟阀控制方法是一样的。每个加热段上有4个铂热电阻测其排烟温度，当该段的4个排烟温度没有烟温高高报警信号时，取该段的4个排烟温度的平均值作为其受控量，调节其平均排烟温度在设定的要求范围之内(1 20一180)即可。受控量的选择是4个排烟温度的平均值，没有选择单个烟温或者它们中的最大和最小值，这是由于各个蓄热体安装并不能完全一样，而且各个排烟温度跟蓄热体的安装位置等因素都有关系，所以同一加热段的各个排烟温度都是不一样的，而且排烟温度的波动起伏比较大，如果选择单个烟温，则控制器将会有震荡现象，因此
37、，4个排烟温度的平均值是具有一定代表性的。加热段通过排烟温度间接调节炉压的控制系统框图如图47所示。图4.7加热段炉压控制系统框图4.3.2均热段炉压自动控制均热段的炉膛压力过高时，炉膛内的热气从出钢口往外喷，造成很大的一部分热损失：炉膛压力也不能过低，尤其是当出现负炉压时，冷空气从炉膛口进入炉膛，这会大大浪费燃料能源。因此，必须保证均热段炉膛压力的稳定。由于在均热段炉顶有压力检测点，因此，均热段炉压采用直接控制方式。但是，如果排烟温度过高，蓄热室温度也高，若达到蓄热体的耐热极限，将会影响蓄热体的寿命，所以在加热炉烟温过高时，炉膛压力波动就变成了次要矛盾，而烟温过高成为了主要矛盾，所以必须尽快
38、将烟温回复到正常范围。综上，本文设计了均热段炉膛压力和排烟温度的选择性控制系统，来满足工艺过程对炉膛压力及排烟温度的要求。在烟温正常情况下，选择性控制系统将选择炉膛压力控制器来控制调节阀的开度，从而实现炉膛压力的稳定：烟温超高时，选择性控制系统将选择烟温控制器来控制调节阀的开度，从而使烟温能够尽快回复到工艺允许的范围。均热段炉膛压力和排烟温度的选择性控制系统功能如下：(1)排烟温度正常时，选择性控制系统将选择炉膛压力控制器来控制调节阀的开度，从而实现炉膛压力的稳定；(2)排烟温度较高(超过烟温警戒线)时，选择性控制系统将选择烟温控制器来控制调节阀的开度，从而使得烟温能够尽快回复到工艺允许的范围
39、；(3)排烟温度有高高报警(超过180)或换向出现故障时，为保护蓄热体，控制系统将立即强制关闭排烟阀；(4)不起作用的控制器需要跟踪正在工作的控制器的输出，以实现控制器之间的无扰切换。均热段炉压与排烟温度的选择性控制系统框图如图48所示。图4.8均热段炉压控制系统框图4.3.3 均热段炉压控制系统几点说明：1 烟温控制器与炉压控制器烟温控制器和炉压控制器共用一个调节阀。其中，在烟温正常时炉压控制器工作，烟温控制器处于备用状态，两个控制器的输出信号同时送至选择器，选择器选择炉压控制器输出的控制信号送给调节阀实现对炉压的自动控制。当烟温不正常时，选择器选择烟温控制器取代炉压控制器工作，直到烟温恢复
40、正常，然后通过选择器的自动切换，再由炉压控制器来控制生产的正常进行。2 膛容积对炉压的影响目前我国大多数轧钢连续加热炉均是二段式的炉型三段式的操作，即均热段和加热段的炉顶是一平的，在热负荷的分配上却有明显的均热段、加热段和预热段之分。又因为大多数炉子都是以容积热强度较高的热脏煤气为燃料，所以在炉膛容积的设计上，基本不考虑是否有足够的燃烧空间。在炉膛高度和下加热深度的选择上主要考虑二个方面：（1）使火焰（炉气）充满炉膛，使炉气贴附金属表面流动。设计时在结构允许的条件下适当压低炉顶（包括预热段），这样有两个好处：一是炉气贴附金属表面流动，防止了炉气与金属中间形成较低温的气层；二是从辐射传热方面讲，
41、有利于炉顶和炉墙对金属的辐射传热。（2）从有利于控制炉头出钢的压力考虑。如果产量低、炉气量小，再加上炉膛容积大，必然形成炉气充不满炉膛，炉膛内压力小，这是极易形成出钢口吸冷风。反之，易形成出钢口正压太大，炉口喷火。所以，设计时根据炉子的小时产量来确定炉膛容积（包括上下空间）是十分必要的。3 烧嘴的布置与炉压控制目前，连续加热炉上的烧嘴布置，炉顶上安装平焰烧嘴的越来越少。即便是加热6m长的坯料、炉宽在6.5m7m的炉子上，也多是采用改变上下侧烧嘴的火焰长度来解决沿炉宽度方向上的温度均布问题。现在我们就这种炉膛形状简单、不改变烧嘴上下左右角度的（也是最常见的）设计方法来研讨控制炉头出钢口压力的操作
42、方法。端烧嘴射流喷入到炉膛内，沿射流进程中（即炉长方向），尽管动量迅速降低，压力有所增加，但端烧嘴的射流依然给出钢口附近带来的是负压。这时如把侧上加热的第一对烧嘴开启会大大增加端烧嘴射流进程的阻力，增加炉头出钢口部位的炉压。在实际生产中，我们经常看到工人调整炉头出钢口压力的方法有：生产转入正常，出钢量提高，热负荷增加，炉内压力增加，出钢口跑火严重。这时除提高烟闸的开度外，还有两种方法，一是关闭（全关或半关）端烧嘴，降低炉头区域热负荷；二是关闭（全关或半关）侧加热上下第一对烧嘴，降低端烧嘴的射流阻力。反之，要提高出钢口压力的操作则相反。这段话指出了两点操作准则：第一，生产越正常，总热负荷越大，均
43、热段的热负荷反而要越小；第二，侧上第一对烧嘴开得越大，出钢口处的压力越高。4 调整烟道闸板的开度对炉压的影响烟道闸板的主要作用应是调节炉气更新速度的。例如：生产不顺和换辊时，炉内热负荷小，这时如不部分或全部关闭烟闸，必然造成炉气更新速度过快，大量热量从烟囱排出，能源浪费。反之，生产正常，炉内热负荷大，烟闸开度小，炉气更新速度跟不上，势必影响炉子的加热能力。其次，烟道闸板的作用才是调整炉内压力。从理论上讲，改变烟道闸板的开度（即改变炉尾处烟道的吸力），主要影响到整个炉内的压力水平，而基本不影响炉内压力分布的趋势。但是，在实际生产中会见到：调整烟闸对炉尾压力的影响比对炉头压力的影响更为灵敏、显著，
44、这时因为实际的炉膛并不是简单的连续的严密空间，而是沿途有气体的进入或溢出的缘故。因此，单靠调整烟闸的开度（增大或减小）来控制解决炉头出钢口始终保持微正压的问题，效果并不理想。5 其它几件与炉压有关的事（1） 如 有 较 强 气 流 通 过 加 热 炉 区域，对炉内压力分布有影响。（2）如果不存在炉尾拱钢问题，尽可能压低炉尾横梁，好处有两个：一是减少炉尾溢气；二是给按标准调整炉压创造了条件。（3）均热段炉顶高度对均热床、出钢口处的压力影响很大，如果过分压低，会严重影响炉顶寿命。（4）有的加热炉在加热段和预热段之间的炉顶上浇筑了挡火墙，或在下部炉底上砌筑了挡火墙，这必然对炉内压力分布有影响，但这是否有好处，要具体问题具体分析。如果加热炉经常出现炉头吸冷风并同时炉尾严重溢气的状态，挡火墙起正面作用；反之，起负面作用。6 结论连续加热炉通过优化设计和改进操作来达到炉头微正压和炉尾零压的目的是可以实现的。但是，从操作上讲，单独依靠调整烟闸的开度是达不到理想效果的，必须把调烟闸和调炉内各段热负荷的分配结合起来，才能达到理想的效果。从另外一方面讲，如果烧火工的操作比较合理，但仍然改变不了炉头吸冷风和炉尾冒火的状态，或者是炉头冒火和炉尾吸冷风的状态，那就是工程师对炉型设计不合理所致。可见，均热段炉压控制系统不但能够在烟温正常的情况下克服外来扰动对于压力的影响，实现平衡操作，
