数字化脉冲燃烧控制技术在冷轧带钢连续退火炉上的应用

王　鲁

(宝钢新日铁汽车板有限公司,上海　200941)

　　摘要:介绍了数字化脉冲燃烧控制的原理,重点说明了脉冲燃烧控制在冷轧带钢连续退火炉上温度控制的方法,通过实例表明了脉冲燃烧控制炉温精度高、节能性好、动态响应性强等优点,指出数字化脉冲燃烧控制是燃烧控制技术未来发展方向。同时也总结了脉冲燃烧控制在使用过程中的问题和局限。

　　关键词:数字化脉冲;燃烧控制;退火炉;温度控制

Applica t ion of the D igita l Pulse Com bust ion C on trol System

in the Cold Str ip Annea lin g Furnace

WANG L u

( Ba osteel2NSC /Ace lor Autom ot ive S teel Sheet s Co. , L td. , Shangha i200941, Ch ina )

　　Ab stra ct: This pape r de scribes the digita l pulse combustion control principle, focusing on howitworks to control the tempe ra ture of the continuous annealing furnace for cold2rolled stee l strip.W ith some examp les, the advantages of the digital pulse combustion we re shown, such as high accuracy control of the furnace temperature, effective energy2saving and good dynamic response. The paper points out that the digital pulse combustion control is the development trend of the combustion  control technology in the future. The paper a lso summarizes some disadvantages and limits in the  course of using this technology.

Key word s: digital pulse; combustion control; annealing furnace; temperature control

0　前言

冷轧连续退火机组主要是对冷轧后的带钢进行加热、冷却以及时效处理,使带钢达到较好的机械性能,满足家电以及汽车生产的需要。连续退火机组的核心设备是退火炉。炉内充满保护气体,通过辐射管间接加热带钢,烧嘴在辐射管内部封闭燃烧,避免污染带钢,经过这样的退火炉处理的产品可以达到较高的表面质量, 适合于家电板及汽车板的生产。退火炉内一般有辐射管烧嘴300套以上,采用的燃料为煤气,不同规格、钢种的带钢退火温度是不同的,为了使退火炉在连续生产过程中适应不同带钢退火温度需要,必须对燃烧系统进行较好的控制。

1　数字化脉冲燃烧控制技术在连续退火炉上应用的必要性

　　在传统的燃烧控制方式中,炉温控制是通过燃料和空气按照一定比例的流量连续变化而实现的。但在燃料热值较高,或者炉子加热负荷需求较小时,使用少量的燃料就可以满足热处理工艺的要求,如果采用流量比例调节的方式进行控制,控制系统的响应能力无法满足流量变化的需要,因此控制温度的误差是很大的。

图1为比例燃烧控制的燃烧特性曲线。从图中可以看出, 当燃烧负荷低于40%时, 为了满足稳定燃烧,空气过剩系数增大,意味着燃烧气体中空气量增多,这样过剩空气带走废气中的热量,降低了燃烧效率。

为了解决这个问题,国外一些专家自20世纪80年代初即开始对时序脉冲燃烧控制系统进行了研究和应用。这种控制系统是通过控制烧嘴的燃烧时序和燃烧时间来控制炉子的温度的。由于它具有动态性能好、控制温度波动小、节约燃料等优点,因而得到了广泛的重视和应用。

2　脉冲燃烧控制的原理

脉冲燃烧控制采用的是一种间断燃烧的方式,使用脉宽调制技术,通过调节燃烧时间的占空比(通断比)实现退火炉的温度控制。燃料流量

可通过压力调整预先设定,烧嘴一旦工作,就处于满负荷状态, 这个系统并不调节某个区域内燃料输入的大小,而是调节在给定区域内每个烧嘴被点燃的频率和持续时间。烧嘴的输入量是事先给定的,每个烧嘴按照事先给定的开度和热量需求成正比的频率开闭。所有的烧嘴不同时点燃,而是按照一定的时序依次点燃^{[ 1 ]} ,见图2。

脉冲燃烧控制理论的总体结构如图3 所示。主要由调节单元、非线性处理单元和输出控制单元三部分组成。

2. 1　调节单元

调节单元主要完成对实测温度和设定信号进行处理,通常选择P ID控制,输入和输出关系如下:

P ( t)为输出, K_p为比例单元, K_I为积分单元,K_D 为微分单元, e( t) 为时间函数。

2. 2　非线性处理单元

非线性变换关系为:

　　　　　　      O          │p ( t ) │ <D₀

f₀( t) =     p(t)    D0 <│ p( t) │ <D_I                 ( 2)

sgn[ p(t ) ] ·f_max │ p(t ) │ >D_I

式中,D₀ 为偏差控制最小值,D₁ 为偏差控制最大值。

当| p ( t) | > D₁ 时,说明系统输出偏差很大,应该将所有烧嘴打开; 当D₀ < | p ( t) | < D₁时,采用脉冲时序控制,保证有较好的过渡过程和控温精度; 当| p ( t) | <D₀时,即进入控制死区,系统在加热和冷却转换之间,这时控制输入视为零,不加热也不冷却。

2. 3　控制输出单元

s ( t)为描述每一个烧嘴输出的函数,如下所示,其中为烧嘴打开的持续时间, U₀表示每一个烧嘴打开时燃料的给进量, U ( t)为任意时刻加到燃烧炉中总的燃料量,则为:

3　数字化脉冲燃烧退火炉温度控制方法

冷轧带钢连续退火炉的烧嘴一般有300个左右,均匀地分布在炉膛内,炉温控制就是根据实际负荷大小对这些烧嘴的燃烧状态进行控制。一般把这些烧嘴按照一定排列分成为若干加热区,这些加热区内又有一定数量的烧嘴。

3. 1　退火炉各加热区的温度控制

传统的比例控制加热炉的烧嘴一般分4～8个区,这些区是物理上的分区,即每个区的燃料比例控制总阀是一个。当该控制总阀调节时,整个区的燃料供给情况均发生变化,即该区的烧嘴燃烧负荷发生变化。也就是说传统的比例燃烧控制系统的炉温是根据加热负荷的变化来控制每个区的燃器比例调节阀,从而使每个区的燃烧负荷发生变化。对于数字化燃烧控制系统,加热炉内的烧嘴也是分成若干区,但是这些区不是受物理分区限制,而是按照列或者行随意组合,是一种模拟的分区。图4为两种控制系统的加热分区示意图。图5为数字化燃烧系统负荷分配的基本思想。

假设将炉内的烧嘴按照列划分成加热区,如果有1～XX列,即1～XX个加热区,每个区内又有N个烧嘴。当炉子加热负荷需求为80%时, 1区、2区为关闭不燃烧, 3 ～ 5 区的负荷分配分别为30% , 70% , 80% , 6～XX区的负荷分配为100% ,即全开燃烧;当炉子加热负荷需求为100%时,所有区全部开启燃烧。

以上所描述的是当炉温需要变动时,对应的每个加热区的负荷分配方式。

3. 2　各加热区内单个烧嘴的燃烧控制

图6为单个烧嘴的燃烧控制示意图。假设该烧嘴的一个燃烧周期为60 s, 60 s内燃气阀门全开燃烧可以满负荷燃烧。当燃烧负荷为80%的情况下,对应的燃烧时间为总时间60 s的80% ,即80%负荷情况下的燃烧时间为48 s。

在烧嘴燃烧时间内,煤气及空气的电磁阀打开,按照预先设定好的比例全负荷燃烧,在不燃烧时电磁阀全部关闭。例如当燃烧负荷为60%的情况下,燃烧时间为36 s,即在一个燃烧周期内36 s是打开燃烧的,而24 s是关闭不燃烧的。

此外,根据燃烧特性, 在燃烧负荷低于10%时认为烧嘴可以完全关闭,在燃烧负荷大于90%时认为烧嘴可以完全打开。

假设一个加热区内有4个烧嘴,那么为了避免烧嘴同时开关对炉温的影响,采用时序控制的方法对每个烧嘴进行控制。具体方法见图7。

3. 3　避免炉温局部不均匀的控制方法

在炉子燃烧负荷变动时, 部分区因为关闭会对该区域的炉温有影响,造成炉内温度不均匀。为了避免这个问题,数字化燃烧控制可以根据炉内的各个热电偶的温度检测值,对炉内温度不均匀的区域实施个别烧嘴开启燃烧控制,从而达到局部炉温的微量补偿。烧嘴的开启方式可以模拟传统炉内电加热带的形状进行控制,达到较好的炉温补偿。图8为控制示意图。

4　数字化脉冲燃烧控制的优缺点

( 1) 炉温的控制精度高,操作维护更容易、更灵活。由于烧嘴不存在物理分区,可以根据实际的炉子负荷变动情况灵活地开启和关闭任何一个烧嘴,或者对烧嘴进行任意的组合, 调节点多,可以精确实施炉温控制。

(2)脉冲燃烧系统节能性好。首先, 温度均匀性好, 精度高的特点本身就意味着能耗的降低;其次, 这个特点也是由其工作状态决定的。众所周知, 一般情况下, 要使燃气和助燃空气始终保持理想配比是不太容易的, 这是因为各种比例调节阀或其他调节器实际上都只是近似于线性的。但脉冲燃烧系统中, 只需在烧嘴最大火这一个工作点上调节到理想配比, 则每一次燃烧都处于理想配比。因此在燃烧负荷较小时燃烧也非常充分, 节能效果非常明显, 和普通比例调节系统相比节能10%。

( 3)动态响应性好。在炉子需要大幅度升温时,数字脉冲燃烧可以通过调整脉冲周期,使烧嘴始终处于100%燃烧状态(如同比例调节系统的最大燃烧) ,在炉温接近目标温度时,切换到脉冲燃烧控制,根据接近目标温度的程度,来调整脉冲周期内的燃烧时间,快速稳定地实现温度控制。从等效的控制器作用来看, 时序脉冲燃烧控制系统相当于一种变比例、变积分、变微分的P ID控制, 当实际温度远远低于设定温度时, 系统给出最大输出, 相当于比例作用增强, 积分作用减弱, 微分作用增强, 控制系统通过连续燃烧使炉子获得最快的升温速度。同时, 当温度偏差较小时, 烧嘴处于脉冲燃烧状态, 相当于比例作用减弱, 积分作用增强, 微分作用减弱,进而减小温度的超调量和稳态误差, 因此采用这种控制系统一般情况下不会出现温度振荡的情况。

( 4)脉冲燃烧控制在实际应用中的问题。脉冲燃烧在宝钢五冷轧以及马钢、鞍钢等新的连续退火炉上已经开始使用,炉温控制的优越性已经显现出来。应用中的主要问题是: 控制脉冲动作的电磁阀受煤气质量的影响容易卡阻;因此在系统设计时要考虑煤气过滤器。此外电磁阀寿命较短,以国内一般电磁阀乐观的工作寿命万次为例,若一个炉子24 h连续工作, 每分钟进行一次脉冲, 容易算出, 只能用两年多一点时间, 如果脉冲稍微频繁一点,寿命更短。

5　结束语

脉冲燃烧控制技术具有动态响应性好、炉温控制精度高、比传统的比例燃烧节能等优点,可广泛应用于冶金、陶瓷、石化等行业,对提高产品质量、降低能耗、减少污染将发挥重大作用,是工业炉行业自动控制的一次革新。但是作为一项新技术在实际应用中还存在一些问题,如换向电磁阀对煤气质量要求较高、维护成本也较高等。脉冲燃烧技术也是控制领域中一项较为复杂的系统工程,在实际炉子热负荷调试过程中要花费较多的时间去调试,摸索经验,修正原设定的加热模型。

参考文献

[ 1 ] 　肖劲松, 黄建荣. 时序脉冲燃烧控制技术在回火炉上的应用[ J ]. 金属材料与冶金工程, 2007, 35 (4 ) : 50 - 53.

摘自《宝钢技术》2010年第1期