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板坯加热炉控制技术现状和发展趋势

2012年05月25日

钢铁工业是工业领域的基础产业,轧钢生产是钢铁工业生产过程中一个重要环节。轧钢生产中燃料消耗主要以加热炉为最多。作为能耗大户的钢铁行业对于节能降耗问题起着举足轻重的作用。这里面占整个冶金行业能耗四分之一强的加热炉工艺设备的节能降耗问题就摆在首当其冲的位置。随着加热炉生产工艺的不断完善和优化以及加热炉生产工业自动化水平的提高和计算机技术应用的不断普及,随着钢铁工业的大型化和自动化技术的发展;深入研究轧钢加热炉热过程的控制及应用计算机技术实现优化烧钢的计算机控制,不论从轧钢生产过程节能降耗、提高产品质量和产量方面看,还是从轧钢加热炉在钢铁工业生产中的地位看,都有着十分重要的现实意义。作为从事加热炉自动化控制工作的工程师,了解加热炉控制技术的现况和新技术的应用前景,将对我们在工程设计中选择合理的控制解决方案起着一定的参考作用。
1 板坯加热炉控制技术历史和构成
1.1 板坯加热炉发展历史和现状
         加热炉作为轧钢厂中的重要热能设备,其功能主要把板坯加热成温度均匀的热坯,且能满足高质量轧制要求。1967 年4 月,由美国美兰德公司设计的第一座步进梁式加热炉问世;同年5 月,由日本中外炉公司为日本名古屋钢铁厂设计的步进梁式加热炉加热炉正式投产。从此,作为加热高质量的板坯的新型加热炉克服了推钢式加热炉固有的板坯水印温差和表面磨损等确定,确定了其在连续式加热炉的中流砥柱的地位。随着能源危机的迫近,如何节能降耗日渐成为加热炉行业一个焦点问题。1858 年,William Siemens 发明了蓄热室。1982年,英国的British Gas 公司和Hot work 公司开发出世界第一套蓄热式陶瓷燃烧器(Regenerativeceramic Burner),并将其成功地应用在玻璃炉窑上,取得了良好的节能、增产效果。随后,美国的北美制造公司(North American Manufacturingcompany)购买了该专利,迅速将其运用到轧钢加热炉、热处理炉等场合。在中国国内,1998 年9 月,江西萍乡棒材公司高线加热炉,由山东华信电炉有限公司和萍乡高线合作,领先将蓄热式烧嘴应Heurtey)公司致力于宽火焰烧嘴的研发,首先将该烧嘴运用在加拿大伊利湖钢厂420t/h 的加热炉上,于2000 年3 月建成投产。此外,斯坦因(SteinHeurtey)公司将脉冲技术试图应用在板坯加热炉上。于1997 年11 月,它和德国第森克虏伯公司一起研究,将杜伊斯堡钢铁厂420t/h 的加热炉上的所有下部段改用脉冲控制技术,有效地改善了中间
坯的温度均匀性和钢卷的特性。为此,斯坦因(Stein Heurtey)公司提出了数字型加热炉的概念并进行了专利申报在数字型加热炉上,对每一个单独的烧嘴,都可以进行测试和调节,取消了段流量策略和控制,替代了传统的双交叉限幅的加热炉经典控制,并在美国的谢菲尔德钢厂127t/a 加热炉得到成功的验证。在中国国内,中冶赛迪在太钢2250mm 热轧的加热炉中,成功的开发具有独立知识产权的中冶赛迪加热炉控制软件(2009 年度冶金行业工程软件一等奖),将数字化脉冲技术成功的运用到大型不锈钢加热炉和蓄热式加热炉中去,并获得成功应用。板坯加热炉名称繁杂,种类较多,可大体分为:根据燃料分为:重油加热炉;混合煤气加热炉;高炉煤气加热炉和天然气加热炉。根据板坯在炉内的运动方式:分作推钢式加热炉;步进梁式加热炉以及辊底式加热炉;根据烧嘴加热炉形式:分为普通的平焰烧嘴、调焰烧嘴的常规加热炉;单(双)蓄热加热炉;根据加热形式:分为明火式加热炉和辐射管式加热炉。根据换向烧嘴控制技术:常规的双用在工程实践中。从此,蓄热式加热炉以其节能效果明显而深受欢迎。截止2009 年8 月份,中冶赛迪公司分别为宝钢1880mm 热轧,武钢1580mm 热轧,本钢2300mm 热轧,太钢2250mm,承钢1780mm热轧机组以工程总承包或技术总负责的方式提供了蓄热式加热炉。与此同时,为提高加热炉质量,保证热负荷降低的情况下烧嘴的火焰钢度保持不变,数字化脉冲控制技术也日渐进入加热炉人的视野,日渐为人关注。法国斯坦因(Stein Heurtey)公司在前期发展投入了很多的精力和时间。首先斯坦因(Stein交叉限幅控制策略;模糊控制策略,脉冲控制技术和换向控制技术。
1.2 加热炉的结构和自动化系统主要功能
        冷坯或者热坯经炉前辊道精确定位到加热炉装炉侧,推正后由(推钢机)装钢机送到加热炉热回收段。在加热炉内,由步进梁根据过程计算机的指令有序地将逐步加热的板坯送到加热炉的均热段。被均匀加热的板坯输送到出口激光定位的位置时,步进梁继续前行完成这个步距然后挺下来或作踏步处理。接到轧机L2 的要钢信号后,基础自动化(L1)控制出钢机将加热炉后的板坯送到炉后出炉辊道上。这样就完成了一块板坯的自动化加热过
程。加热炉自动化控制系统通常分为两级,由基础自动化(Basic Automation)和过程自动化(ProcessAutomation)自动化构成。加热炉L1 级:即基础自动化系统,主要完成
加热炉的顺控、装钢机和出钢机的APC 控制、步进梁控制、加热炉燃烧控制、介质的测量和控制等。加热炉L2 级:即过程控制计算机系统,主要完成加热炉的材料跟踪、燃烧设定计算和数据处理及数据通信、班管理、报表打印等功能。自动化系统满足工艺和设备的控制要求。
2 国内外研究现状
           自动控制原理(经典控制理论)和现代控制理论、系统参数辨识和大系统理论是加热炉的控制技术的理论基础。从发展顺序和控制水平进行归纳,加热炉燃烧控制水平大体上经历了以下两大阶段:第1 阶段为常规燃烧控制:以提高利用效率、维持合理空燃比为目的,实现燃烧过程的基础自动化控制,达到控制加热炉炉气温度;第2 阶段为以优化钢坯加热过程为目标,实现炉温或者燃烧量的过程自动化控制(以板坯温度为控制目标);
2.1 常规燃烧控制
        早在上世纪五十年代,世界各国就开始对轧钢加热炉热过程及板坯加热过程进行较为深入的研究。在以后的四十多年来,各国学者做了大量的工作,并取得一定的研究成果,但他们的关注的重点是炉内辐射换热和钢坯加热。近二十年来,控制工程师已不满足于炉内辐射换热和钢坯加热过程的离线数值计算,而是把离线模型在线化,并把他们应用到计算机控制中去。在60 年代以前,一些设备齐全的大型工业炉上配置了炉温策略热电偶,炉压测量变送器和流量测量仪表外,还设置了炉温、炉压、燃烧量、空气量等重要控制回炉的PID 调节器,以经典控制理论为依据,实现单个参数的自动调节,同时进行人工现场操作控制,完成加热炉的监控。这一阶段主要体现在“以人为本”上。在国外,70 年代以前,加热炉控制的理论研究主要停留在以加热炉炉温控制为目标的燃烧控制上。即控制技术主要体现在基础自动化(L1)级别上。其标志为发展完善了经典的常规加热炉自动控制:加热炉炉温自动控制;加热炉炉压自动控制和换热器自动控制。炉温自动控制集中于炉温控制器和流量控制器构成的串级控制系统:经历了单纯比例控制的串级燃烧系统,燃料,空气的单交叉限幅控制系统(SCL),燃料,空气的双交叉限幅控制系统(DCL)。炉压控制以加热炉均热段炉压为被控量,通过控制常规烟道的闸板开度达到控制炉压的目的。换热器保护集中体现在热风放散控制和烟道掺冷风控制。随着常规燃烧控制的成熟和发展,人们又把目光投向智能燃烧控制。智能燃烧控制包括自学习理论、解耦控制、自校正PID 控制策略等。这方面发表的论文很多,研究成果也很斐然。但从工程应用方面上看,业绩不是太广泛。如在加热炉炉压控制上,就使用了自学习理论的思想,在加热炉炉温控制方面,解耦控制理论也得到了应用,但应用得较为肤浅。只有模糊控制理论的应用规模稍大一些。但随着计算机技术的发展,智能燃烧控制必将受到更广泛的应用。
2.2 加热炉控制模型
        进入70 年代,燃烧控制技术基本成型完善。随着计算机应用技术的广泛使用和人们对加热炉工艺的领会加深,加热炉控制技术有向前迈进一大步。控制理论的重心转移到以优化钢坯加热炉为目标,实现炉温或者燃烧量的过程自动化控制。根据板坯的化学成分,物理特性,根据炉内热电偶测温数值以及板坯炉内位置,加热炉时间,通过对进入加热炉的板坯进行有限元计算,计算出板坯的理论温度,并将合理的个温度加热炉出口设点值传输到L1 基础自动化系统中去,实现加热炉全自动烧钢。加热炉是具有强耦合、纯滞后及大性及慢时变等特点的典型非线性系统。加热炉数学模型一可以归纳为经验型和理论型两种:经验型数学模型是通过分析大量的现场实验数据和统计数据的基础上,得到可以反映加热炉主要因素的一种函数关系。其关系简单,实用,但应用范围窄,不能适应现代多钢种,多牌号的实际生产。理论型数学模型的建模是通过有限元分析或有限差分分析对钢坯进行离散化,根据现场的测量确定方程中边界条件,形成板坯加热模型。Misaka.J Takahashi.R 运用总扩括热吸收法在日本Simitomo 金属工业公司建立了数学模型,进行了钢坯温度预测,取得了一定的节能效果[8]。Pike.H.E ,Citron,S.J 运用分布式参数理论
建立了加热炉数学模型,并且应用近似集中参数模型来研究加热炉的静态和动态优化问题。Wick,H.J 应用卡尔曼滤波器实现了对加热炉内板坯温度的分布估算,但该法的不足是必须取得板坯在加热炉内的表面温度,限制了其进一步应用。针对多段式结构的加热炉,A.Kusters 提出了一种运用多边量参数估计的方法,建立多区段步进梁ARX 自回归模型。该方法首先是根据加热炉的结构特点,将加热炉分成六个区段,在建模的过程中,考虑到各个区段的相互耦合作用,建立了表示各个区段炉温的模型结构,最后应用最小二乘法辨识得到各个参数。法国的斯坦因(Stein Heurtey)公司开发的由最佳加热、热状态模型、出炉钢坯温度模型、最佳设定值计算组成的加热炉最优化控制系统,解决了装炉钢坯温度品种规格变化大或轧制出现计划与非计划生产停顿时精确控制钢坯出炉温度和温度均匀性问题,并在该公司设计的加热炉中得到较为广泛的应用。Yoshitani.N.,Ueyama.T.,Usui.M 等在连续加热炉控制系统中通过减少能耗和提高板坯加热质量:一是在以非线性、分布式参数数学模型的基础上,通过在线仿真器实时地修改板坯温度的加热曲线;二是采用一些加速优化过程的手段尽量是控制效果明显。Dirk.S, Arend K 等描述了现代热轧厂的一种控制系统。该系统由两部分构成:板坯温度计算模型和预想的温度控制器。数学模型的输出结果是大约95%的板坯温度计算误差不超过±20℃。根据板坯在炉子各段中的情况及板坯的理论加热曲线,及时调节板坯的实际温度,使其尽量和设定温度接近。在国内,八十年代初出现了基于小型机的加热炉控制系统。提出的以加热炉离散状态空间模型和最优控制论为基础的计算机控制策略。控制策略分为两部分:稳态最优化炉温设点的计算和炉温设定值的动态补偿。稳态最优化采用启发式搜索方法,而动态补偿基于前馈-反馈原理,实现了降低加热炉能耗的目的。由于炉内钢坯加热温度测量的困难,通常的采用多元回归的方法对钢坯的升温过程进行计算,扬泽宽等人[16]提出一维稳态导热数学模型,优点是计算机计算方便,但精度不足。如武钢1700mm 热轧从日本引进的加热炉的数学模型就采用这种方法。采用热交换原理大多采用一维热传导方程,只考虑厚度方向的温差变化。所建立的多元回归模型准确性较差,特别是在生产条件和轧制节奏发生变化后,其次系数较多,而且这些系数没有直接的物理意义。考虑到冷坯与水印的因素,陈男岳提出采用二维热传导方程,来计算钢坯的的炉内升温过程,对方坯加热炉数学模型有这一定的现实意义。尉
士民等通过钢坯加热炉气氛计算,把氧化因素加热炉最优控制的目标函数中,综合钢坯加热过程中氧化烧损和燃料消耗两个因素,对加热炉进行了温度预示计算、最优化空气系数及最优化炉温计算。杜佳璐等人通过分析钢坯在加热炉内被加热的机理,利用有限差分法,建立了描述加热炉内板坯温度分布的数学模型,成功地运用了极大值原理同乘子法相结合的优化算法解决了不同钢种、尤其是不锈钢、高工钢等特种钢的节能操作难题。
ACC数学模型的功能关联如图2所示。中冶赛迪公司推出了自已的ACC 加热炉数学模型。该模型由装炉处理模块、出炉处理模块、休炉处理模块、出炉钢坯温度模型、最佳设定值计算组成的加热炉最优化控制系统,解决了装炉钢坯温度品种规格变化大或轧制出现计划与非计划生产停顿时精确控制钢坯出炉温度和温度均匀性问题,在太钢2250mm 热轧不锈钢加热炉,本钢2300mm 热轧加热炉,承德钢铁厂1780mm 热轧加热炉上得到成
功的应用。以太钢为例,L2 投运率超过90%,板坯出炉温度命中率(以粗轧末道次±10℃为考核依据)达95%以上;板坯上表面和中心温度的温差<30℃,板坯上表面温差<20℃,出炉板坯板间温差<20℃,板坯水印温差<10℃。
3 自动化系统解决方案
        控制理论再先进,控制策略再好,归根到底都要通过合理的自动化解决方案得以实施。要达到节能降耗,提高加热质量,选择合理的自动化系统解决方案非常重要。早在上世纪70 年代,DCS 系统或PLC 系统已成功应用到世界各地的工业加热炉上。自80 年代以
来,国际钢铁大发展主要集中在中国。80 年代以后尤其是近20 年,中国国内的加热炉的装配水平基本上可以反映国际上加热炉的计算机控制水平。下表中集中反映了国内外加热炉控制系统的配置情况。
4 控制技术主要内容
4.1 设备控制功能
         包括炉前、炉后辊道控制;装钢机位置及行程4.2 燃烧控制功能包括炉温控制(常规燃烧控制,蓄热式烧嘴换向控制、间拔控制、数字脉冲控制、解耦控制、模糊控制);炉膛压力控制(单回炉PID 控制;煤气流量前馈控制;自学习控制;预测函数-PD 控制;
模糊控制);换热器保护控制(稀释风控制、热风放散控制);汽化冷却系统汽包水位控制;各种过程参数(温度、压力、流量、液位等)监控;
4.3 过程控制计算机系统功能
         包括轧制计划数据处理;板坯核对;跟踪及跟踪修正(入口侧板坯跟踪,炉内板坯位置跟踪、出炉侧板坯跟踪、炉内板坯位置修正);加热炉设定(装钢机设定,出钢机设定,步进梁运转设定,加热炉炉温设定,休炉设定);ACC 数学模型;班管理;报表系统;人机接口(L2 HMI);系统间通信;
5 关键技术和技术难点
         自动化系统分级不同,关键技术体现的形式也不尽相同。对L1 基础自动化级而言,控制内容分成电气传动控制(Handling Control,简称HC)和燃烧控制(CombustionControl,简称CC);对L2过程自动化级而言, 主要内容分成应用控制
(Application Control,简称AC)和自动燃烧控制模型(ACC Model);以及系统间的接口。对于HC 控制而言,技术进步主要体现在传动装置的技术进步,传动设备的参数整定和行程计算、连锁控制的完善程度。AC 控制而言,技术难点体现在和L1 之间的数据通信,和第三方系统的数据通信上。所有的技术是刚性的,而且较为成熟。加热炉控制中关键技术主要体现在燃烧控制和ACC 模型控制。而燃烧控制技术的进步主要集中于加热炉温度控制和炉压控制;ACC 模型主要体现在算法、炉群控制技术和专家系统知识库方面。
板坯加热炉炉温控制的经典控制策略是改进型双交叉限幅。为提高板坯加热质量,在热负荷较低的状况下,关掉一些阀门,保证烧嘴的火焰刚度,可在某些加热段实施间拔控制。随着节能和板坯加热质量要求的提高,一些新的技术和理念也逐渐为自动化工程师接受和应用。
(1)解耦控制。板坯加热炉通常分为多段控制,各段之间的温度控制存在很强的耦合影响。目前国内、外对加热炉进行解耦控制的报道很少,成功运用解耦技术的案例更是凤毛麟角。目前仅在攀钢热轧1、2 号加热炉上有相关应用。它采用的权值补偿+前馈法。权值补偿系数采用专家智能库策略。
(2)蓄热式烧嘴换向控制[21]:加热炉两侧设置蓄热式烧嘴:当一个烧嘴燃烧时,对应的烧嘴吸入烟气,对蓄热体进行加热炉。经过一个换向时间后,冷空气(冷煤气)流过蓄热体,变成热空气(热煤气);同时,对面的烧嘴又吸入烟气,对蓄热体进行加热。蓄热式控制就是根据成对烧嘴的特性进行时序控制。技术难点是换向时间的确定,小负荷时的处理模式,烧嘴故障的处理模式以及换向控制对炉压的影响。成熟应用业绩较多,如宝钢1580 mm热轧3 座加热炉,本钢23000 mm 热轧4 座加热炉,太钢2250 mm 热轧1 座加热炉,宝钢1580mm 热轧3座加热炉等。
(3)数字脉冲控制。脉冲燃烧控制采用间断燃烧的方式,使用脉宽调制技术,通过调节燃烧时间的占空比(通断比)来实现加热炉的温度控制。在脉冲燃烧控制技术的控制下,燃烧器一旦燃烧,就处于其设计的最佳燃烧状态,保证燃烧器燃烧时的燃气出口速度不变。控制系统使炉内燃烧器交替燃烧:当需要升温时,燃烧器燃烧时间加长,关断时间减少;当需要降温时,燃烧器燃烧时间减小,关断时间加长。技术难点是脉冲周期的确定,空燃
比的控制,小负荷时的处理模式,烧嘴故障的处理模式以及脉冲控制对炉压的影响。数字脉冲控制的应用先驱是以斯坦因(Stein Heurtey)公司;在国内大型板坯加热炉上成功应用有太钢2250mm 热轧1~3#加热炉,鞍钢4#加热炉和南钢中板厂1#加热炉。
(4)模糊控制技术。模糊控制技术将模糊控制理念运用到加热炉控制技术上去。将模糊概念运用于加热炉燃烧控制系统的实例也有一些报道,大部分是采用的控制算法仍然是常规PID,仅对P、I、D 的参数进行了模糊计算、设定。安阳高线加热炉模糊控制系统完全用模糊控制代替常规的PID 算法,并构成串级并联控制系统对加热炉的加热温度进行控制,取得良好的调节品质。模糊控制技术的技术难点是模糊控制器的构成。集中体现在输入语言变量、输出语言变量选择,隶属度赋值表的确定原则。
(5)前馈控制。加热炉炉压控制采用经典策略是单回炉PID+炉压自学习或煤气流量的前馈控制。新颖的控制策略是预测函数PFC+PID 控制;模糊控制。预测函数PFC+PD 控技术是利用PID控制器作为内层控制,实现精细控制;预测函数PFC作为外层控制器,实现系统快速特性。技术难点是过程通道模型的确定,预测函数PFC 的构建以及相关边界条件的确定。
(6)ACC 模型。ACC 模型的是过程自动化(L2)的核心技术。节能效果好坏、加热质量高低很大程度上取决于ACC 模型的成功应用与否。其核心技术是:炉温处理技术;板坯剩余在炉时间的预测技术;板坯温度计算预测技术;板坯出炉温度自学习技术;炉群协调控制技术。技术难点是板坯温度预测计算技术,炉群协调控制技术以及加热炉混合加热
控制技术。ACC模型能够根据轧线计算机的轧制节奏,动态调节板坯的加热速度,保证板坯的加热效果;同时,实时协调加热炉炉群的出炉节奏,满足轧线的要钢要求。
6 新技术发展
展望加热炉控制技术的发展,从技术角度看,主要体现在硬件技术和软件技术发展;从流程研发角度,主要体现在标准化和核心化技术的研发和技术服务。
(1)硬件技术。目前加热炉自动化控制系统大多数采用诸如SIEMENS 公司,GE 公司等国外品牌的PLC 系统,或者是Honeywell 公司或横河公司的DCS 系统。国产的控制系统如浙大中控的控制系统;北京和利时公司的控制系统以及国电自深的控制系统也开始崭露角,控制系统的国产化将会是一个发展方向,也是我们自动化工程师的一个期望。
(2)控制单元。目前主要采用的32 位处理器,从技术的发展来看,64 位处理器也开始进入工控领域,它将成倍地提高控制器的计算能力,存储能力,将各种复杂的算法和控制策略变为现实。
(3)容错服务器的应用和推广。为保证服务器系统的稳定性和安全性,通常采用两台配置相同的服务器共同构成一套冗余服务器系统。采用2 套硬件,2 套软件。而容错服务器采用硬件级的容错技术,采用一套系统软件,以达到消除系统切换时间的目的。其代表是Strautus fTserver W 系列的容错服务器技术。
(4)现场总线技术。现场总线技术是一种前沿的应用技术,在化工、油气、炼油、石化尤其是汽车生产线等行业得到非常广泛的应用。它可以使工程总投资节省15~30%,工厂运营效益提高2%。在可以预见的将来,必将在加热炉控制技术得到推广应用。目前的代表技术是:CAN,FF,Profibus,Lonworks 等。
(5)三维监控软件。目前主流监控软件以Intouch,IFix,WinCC 和RSView 等为主。他们都建立在二维层面上。美国ICONICS“爱康诺”公司针对微软的Windows® Vista™ 和Windows Server2008 设计开发了最新一代的监控组态软件GENESIS64™ ,它充分利用了AMD 和Intel 的64 位技术,大大降低了自动化项目在软件开发上的工作量、加快整个自动化解决方案的实施,从而能够节省大量的费用。GENESIS64 充分利用Windows Vista
中DirectX10 的先进图形硬件加速功能,GraphWorX64 与Windows Presentation Foundation结合,给用户提供令人注目的3D 视图,同时具有实时的数据显示。想象一下,可以从各个角度看见设备是如何实时运行的感受!
(6)服务的远程化。充分利用Internet 网络的强大功能,对远在千里之外的运行设备进行监控,数据分析和远程服务,提供全流程的技术服务。
钢铁工业是工业领域的基础产业,轧钢生产是钢铁工业生产过程中一个重要环节。轧钢生产中燃料消耗主要以加热炉为最多。作为能耗大户的钢铁行业对于节能降耗问题起着举足轻重的作用。这里面占整个冶金行业能耗四分之一强的加热炉工艺设备的节能降耗问题就摆在首当其冲的位置。随着加热炉生产工艺的不断完善和优化以及加热炉生产工业自动化水平的提高和计算机技术应用的不断普及,随着钢铁工业的大型化和自动化技术的发展;深入研究轧钢加热炉热过程的控制及应用计算机技术实现优化烧钢的计算机控制,不论从轧钢生产过程节能降耗、提高产品质量和产量方面看,还是从轧钢加热炉在钢铁工业生产中的地位看,都有着十分重要的现实意义。作为从事加热炉自动化控制工作的工程师,了解加热炉控制技术的现况和新技术的应用前景,将对我们在工程设计中选择合理的控制解决方案起着一定的参考作用。
1 板坯加热炉控制技术历史和构成
1.1 板坯加热炉发展历史和现状
         加热炉作为轧钢厂中的重要热能设备,其功能主要把板坯加热成温度均匀的热坯,且能满足高质量轧制要求。1967 年4 月,由美国美兰德公司设计的第一座步进梁式加热炉问世;同年5 月,由日本中外炉公司为日本名古屋钢铁厂设计的步进梁式加热炉加热炉正式投产。从此,作为加热高质量的板坯的新型加热炉克服了推钢式加热炉固有的板坯水印温差和表面磨损等确定,确定了其在连续式加热炉的中流砥柱的地位。随着能源危机的迫近,如何节能降耗日渐成为加热炉行业一个焦点问题。1858 年,William Siemens 发明了蓄热室。1982年,英国的British Gas 公司和Hot work 公司开发出世界第一套蓄热式陶瓷燃烧器(Regenerativeceramic Burner),并将其成功地应用在玻璃炉窑上,取得了良好的节能、增产效果。随后,美国的北美制造公司(North American Manufacturingcompany)购买了该专利,迅速将其运用到轧钢加热炉、热处理炉等场合。在中国国内,1998 年9 月,江西萍乡棒材公司高线加热炉,由山东华信电炉有限公司和萍乡高线合作,领先将蓄热式烧嘴应Heurtey)公司致力于宽火焰烧嘴的研发,首先将该烧嘴运用在加拿大伊利湖钢厂420t/h 的加热炉上,于2000 年3 月建成投产。此外,斯坦因(SteinHeurtey)公司将脉冲技术试图应用在板坯加热炉上。于1997 年11 月,它和德国第森克虏伯公司一起研究,将杜伊斯堡钢铁厂420t/h 的加热炉上的所有下部段改用脉冲控制技术,有效地改善了中间
坯的温度均匀性和钢卷的特性。为此,斯坦因(Stein Heurtey)公司提出了数字型加热炉的概念并进行了专利申报在数字型加热炉上,对每一个单独的烧嘴,都可以进行测试和调节,取消了段流量策略和控制,替代了传统的双交叉限幅的加热炉经典控制,并在美国的谢菲尔德钢厂127t/a 加热炉得到成功的验证。在中国国内,中冶赛迪在太钢2250mm 热轧的加热炉中,成功的开发具有独立知识产权的中冶赛迪加热炉控制软件(2009 年度冶金行业工程软件一等奖),将数字化脉冲技术成功的运用到大型不锈钢加热炉和蓄热式加热炉中去,并获得成功应用。板坯加热炉名称繁杂,种类较多,可大体分为:根据燃料分为:重油加热炉;混合煤气加热炉;高炉煤气加热炉和天然气加热炉。根据板坯在炉内的运动方式:分作推钢式加热炉;步进梁式加热炉以及辊底式加热炉;根据烧嘴加热炉形式:分为普通的平焰烧嘴、调焰烧嘴的常规加热炉;单(双)蓄热加热炉;根据加热形式:分为明火式加热炉和辐射管式加热炉。根据换向烧嘴控制技术:常规的双用在工程实践中。从此,蓄热式加热炉以其节能效果明显而深受欢迎。截止2009 年8 月份,中冶赛迪公司分别为宝钢1880mm 热轧,武钢1580mm 热轧,本钢2300mm 热轧,太钢2250mm,承钢1780mm热轧机组以工程总承包或技术总负责的方式提供了蓄热式加热炉。与此同时,为提高加热炉质量,保证热负荷降低的情况下烧嘴的火焰钢度保持不变,数字化脉冲控制技术也日渐进入加热炉人的视野,日渐为人关注。法国斯坦因(Stein Heurtey)公司在前期发展投入了很多的精力和时间。首先斯坦因(Stein交叉限幅控制策略;模糊控制策略,脉冲控制技术和换向控制技术。
1.2 加热炉的结构和自动化系统主要功能
        冷坯或者热坯经炉前辊道精确定位到加热炉装炉侧,推正后由(推钢机)装钢机送到加热炉热回收段。在加热炉内,由步进梁根据过程计算机的指令有序地将逐步加热的板坯送到加热炉的均热段。被均匀加热的板坯输送到出口激光定位的位置时,步进梁继续前行完成这个步距然后挺下来或作踏步处理。接到轧机L2 的要钢信号后,基础自动化(L1)控制出钢机将加热炉后的板坯送到炉后出炉辊道上。这样就完成了一块板坯的自动化加热过
程。加热炉自动化控制系统通常分为两级,由基础自动化(Basic Automation)和过程自动化(ProcessAutomation)自动化构成。加热炉L1 级:即基础自动化系统,主要完成
加热炉的顺控、装钢机和出钢机的APC 控制、步进梁控制、加热炉燃烧控制、介质的测量和控制等。加热炉L2 级:即过程控制计算机系统,主要完成加热炉的材料跟踪、燃烧设定计算和数据处理及数据通信、班管理、报表打印等功能。自动化系统满足工艺和设备的控制要求。
2 国内外研究现状
           自动控制原理(经典控制理论)和现代控制理论、系统参数辨识和大系统理论是加热炉的控制技术的理论基础。从发展顺序和控制水平进行归纳,加热炉燃烧控制水平大体上经历了以下两大阶段:第1 阶段为常规燃烧控制:以提高利用效率、维持合理空燃比为目的,实现燃烧过程的基础自动化控制,达到控制加热炉炉气温度;第2 阶段为以优化钢坯加热过程为目标,实现炉温或者燃烧量的过程自动化控制(以板坯温度为控制目标);
2.1 常规燃烧控制
        早在上世纪五十年代,世界各国就开始对轧钢加热炉热过程及板坯加热过程进行较为深入的研究。在以后的四十多年来,各国学者做了大量的工作,并取得一定的研究成果,但他们的关注的重点是炉内辐射换热和钢坯加热。近二十年来,控制工程师已不满足于炉内辐射换热和钢坯加热过程的离线数值计算,而是把离线模型在线化,并把他们应用到计算机控制中去。在60 年代以前,一些设备齐全的大型工业炉上配置了炉温策略热电偶,炉压测量变送器和流量测量仪表外,还设置了炉温、炉压、燃烧量、空气量等重要控制回炉的PID 调节器,以经典控制理论为依据,实现单个参数的自动调节,同时进行人工现场操作控制,完成加热炉的监控。这一阶段主要体现在“以人为本”上。在国外,70 年代以前,加热炉控制的理论研究主要停留在以加热炉炉温控制为目标的燃烧控制上。即控制技术主要体现在基础自动化(L1)级别上。其标志为发展完善了经典的常规加热炉自动控制:加热炉炉温自动控制;加热炉炉压自动控制和换热器自动控制。炉温自动控制集中于炉温控制器和流量控制器构成的串级控制系统:经历了单纯比例控制的串级燃烧系统,燃料,空气的单交叉限幅控制系统(SCL),燃料,空气的双交叉限幅控制系统(DCL)。炉压控制以加热炉均热段炉压为被控量,通过控制常规烟道的闸板开度达到控制炉压的目的。换热器保护集中体现在热风放散控制和烟道掺冷风控制。随着常规燃烧控制的成熟和发展,人们又把目光投向智能燃烧控制。智能燃烧控制包括自学习理论、解耦控制、自校正PID 控制策略等。这方面发表的论文很多,研究成果也很斐然。但从工程应用方面上看,业绩不是太广泛。如在加热炉炉压控制上,就使用了自学习理论的思想,在加热炉炉温控制方面,解耦控制理论也得到了应用,但应用得较为肤浅。只有模糊控制理论的应用规模稍大一些。但随着计算机技术的发展,智能燃烧控制必将受到更广泛的应用。
2.2 加热炉控制模型
        进入70 年代,燃烧控制技术基本成型完善。随着计算机应用技术的广泛使用和人们对加热炉工艺的领会加深,加热炉控制技术有向前迈进一大步。控制理论的重心转移到以优化钢坯加热炉为目标,实现炉温或者燃烧量的过程自动化控制。根据板坯的化学成分,物理特性,根据炉内热电偶测温数值以及板坯炉内位置,加热炉时间,通过对进入加热炉的板坯进行有限元计算,计算出板坯的理论温度,并将合理的个温度加热炉出口设点值传输到L1 基础自动化系统中去,实现加热炉全自动烧钢。加热炉是具有强耦合、纯滞后及大性及慢时变等特点的典型非线性系统。加热炉数学模型一可以归纳为经验型和理论型两种:经验型数学模型是通过分析大量的现场实验数据和统计数据的基础上,得到可以反映加热炉主要因素的一种函数关系。其关系简单,实用,但应用范围窄,不能适应现代多钢种,多牌号的实际生产。理论型数学模型的建模是通过有限元分析或有限差分分析对钢坯进行离散化,根据现场的测量确定方程中边界条件,形成板坯加热模型。Misaka.J Takahashi.R 运用总扩括热吸收法在日本Simitomo 金属工业公司建立了数学模型,进行了钢坯温度预测,取得了一定的节能效果[8]。Pike.H.E ,Citron,S.J 运用分布式参数理论
建立了加热炉数学模型,并且应用近似集中参数模型来研究加热炉的静态和动态优化问题。Wick,H.J 应用卡尔曼滤波器实现了对加热炉内板坯温度的分布估算,但该法的不足是必须取得板坯在加热炉内的表面温度,限制了其进一步应用。针对多段式结构的加热炉,A.Kusters 提出了一种运用多边量参数估计的方法,建立多区段步进梁ARX 自回归模型。该方法首先是根据加热炉的结构特点,将加热炉分成六个区段,在建模的过程中,考虑到各个区段的相互耦合作用,建立了表示各个区段炉温的模型结构,最后应用最小二乘法辨识得到各个参数。法国的斯坦因(Stein Heurtey)公司开发的由最佳加热、热状态模型、出炉钢坯温度模型、最佳设定值计算组成的加热炉最优化控制系统,解决了装炉钢坯温度品种规格变化大或轧制出现计划与非计划生产停顿时精确控制钢坯出炉温度和温度均匀性问题,并在该公司设计的加热炉中得到较为广泛的应用。Yoshitani.N.,Ueyama.T.,Usui.M 等在连续加热炉控制系统中通过减少能耗和提高板坯加热质量:一是在以非线性、分布式参数数学模型的基础上,通过在线仿真器实时地修改板坯温度的加热曲线;二是采用一些加速优化过程的手段尽量是控制效果明显。Dirk.S, Arend K 等描述了现代热轧厂的一种控制系统。该系统由两部分构成:板坯温度计算模型和预想的温度控制器。数学模型的输出结果是大约95%的板坯温度计算误差不超过±20℃。根据板坯在炉子各段中的情况及板坯的理论加热曲线,及时调节板坯的实际温度,使其尽量和设定温度接近。在国内,八十年代初出现了基于小型机的加热炉控制系统。提出的以加热炉离散状态空间模型和最优控制论为基础的计算机控制策略。控制策略分为两部分:稳态最优化炉温设点的计算和炉温设定值的动态补偿。稳态最优化采用启发式搜索方法,而动态补偿基于前馈-反馈原理,实现了降低加热炉能耗的目的。由于炉内钢坯加热温度测量的困难,通常的采用多元回归的方法对钢坯的升温过程进行计算,扬泽宽等人[16]提出一维稳态导热数学模型,优点是计算机计算方便,但精度不足。如武钢1700mm 热轧从日本引进的加热炉的数学模型就采用这种方法。采用热交换原理大多采用一维热传导方程,只考虑厚度方向的温差变化。所建立的多元回归模型准确性较差,特别是在生产条件和轧制节奏发生变化后,其次系数较多,而且这些系数没有直接的物理意义。考虑到冷坯与水印的因素,陈男岳提出采用二维热传导方程,来计算钢坯的的炉内升温过程,对方坯加热炉数学模型有这一定的现实意义。尉
士民等通过钢坯加热炉气氛计算,把氧化因素加热炉最优控制的目标函数中,综合钢坯加热过程中氧化烧损和燃料消耗两个因素,对加热炉进行了温度预示计算、最优化空气系数及最优化炉温计算。杜佳璐等人通过分析钢坯在加热炉内被加热的机理,利用有限差分法,建立了描述加热炉内板坯温度分布的数学模型,成功地运用了极大值原理同乘子法相结合的优化算法解决了不同钢种、尤其是不锈钢、高工钢等特种钢的节能操作难题。
ACC数学模型的功能关联如图2所示。中冶赛迪公司推出了自已的ACC 加热炉数学模型。该模型由装炉处理模块、出炉处理模块、休炉处理模块、出炉钢坯温度模型、最佳设定值计算组成的加热炉最优化控制系统,解决了装炉钢坯温度品种规格变化大或轧制出现计划与非计划生产停顿时精确控制钢坯出炉温度和温度均匀性问题,在太钢2250mm 热轧不锈钢加热炉,本钢2300mm 热轧加热炉,承德钢铁厂1780mm 热轧加热炉上得到成
功的应用。以太钢为例,L2 投运率超过90%,板坯出炉温度命中率(以粗轧末道次±10℃为考核依据)达95%以上;板坯上表面和中心温度的温差<30℃,板坯上表面温差<20℃,出炉板坯板间温差<20℃,板坯水印温差<10℃。
3 自动化系统解决方案
        控制理论再先进,控制策略再好,归根到底都要通过合理的自动化解决方案得以实施。要达到节能降耗,提高加热质量,选择合理的自动化系统解决方案非常重要。早在上世纪70 年代,DCS 系统或PLC 系统已成功应用到世界各地的工业加热炉上。自80 年代以
来,国际钢铁大发展主要集中在中国。80 年代以后尤其是近20 年,中国国内的加热炉的装配水平基本上可以反映国际上加热炉的计算机控制水平。下表中集中反映了国内外加热炉控制系统的配置情况。
4 控制技术主要内容
4.1 设备控制功能
         包括炉前、炉后辊道控制;装钢机位置及行程4.2 燃烧控制功能包括炉温控制(常规燃烧控制,蓄热式烧嘴换向控制、间拔控制、数字脉冲控制、解耦控制、模糊控制);炉膛压力控制(单回炉PID 控制;煤气流量前馈控制;自学习控制;预测函数-PD 控制;
模糊控制);换热器保护控制(稀释风控制、热风放散控制);汽化冷却系统汽包水位控制;各种过程参数(温度、压力、流量、液位等)监控;
4.3 过程控制计算机系统功能
         包括轧制计划数据处理;板坯核对;跟踪及跟踪修正(入口侧板坯跟踪,炉内板坯位置跟踪、出炉侧板坯跟踪、炉内板坯位置修正);加热炉设定(装钢机设定,出钢机设定,步进梁运转设定,加热炉炉温设定,休炉设定);ACC 数学模型;班管理;报表系统;人机接口(L2 HMI);系统间通信;
5 关键技术和技术难点
         自动化系统分级不同,关键技术体现的形式也不尽相同。对L1 基础自动化级而言,控制内容分成电气传动控制(Handling Control,简称HC)和燃烧控制(CombustionControl,简称CC);对L2过程自动化级而言, 主要内容分成应用控制
(Application Control,简称AC)和自动燃烧控制模型(ACC Model);以及系统间的接口。对于HC 控制而言,技术进步主要体现在传动装置的技术进步,传动设备的参数整定和行程计算、连锁控制的完善程度。AC 控制而言,技术难点体现在和L1 之间的数据通信,和第三方系统的数据通信上。所有的技术是刚性的,而且较为成熟。加热炉控制中关键技术主要体现在燃烧控制和ACC 模型控制。而燃烧控制技术的进步主要集中于加热炉温度控制和炉压控制;ACC 模型主要体现在算法、炉群控制技术和专家系统知识库方面。
板坯加热炉炉温控制的经典控制策略是改进型双交叉限幅。为提高板坯加热质量,在热负荷较低的状况下,关掉一些阀门,保证烧嘴的火焰刚度,可在某些加热段实施间拔控制。随着节能和板坯加热质量要求的提高,一些新的技术和理念也逐渐为自动化工程师接受和应用。
(1)解耦控制。板坯加热炉通常分为多段控制,各段之间的温度控制存在很强的耦合影响。目前国内、外对加热炉进行解耦控制的报道很少,成功运用解耦技术的案例更是凤毛麟角。目前仅在攀钢热轧1、2 号加热炉上有相关应用。它采用的权值补偿+前馈法。权值补偿系数采用专家智能库策略。
(2)蓄热式烧嘴换向控制[21]:加热炉两侧设置蓄热式烧嘴:当一个烧嘴燃烧时,对应的烧嘴吸入烟气,对蓄热体进行加热炉。经过一个换向时间后,冷空气(冷煤气)流过蓄热体,变成热空气(热煤气);同时,对面的烧嘴又吸入烟气,对蓄热体进行加热。蓄热式控制就是根据成对烧嘴的特性进行时序控制。技术难点是换向时间的确定,小负荷时的处理模式,烧嘴故障的处理模式以及换向控制对炉压的影响。成熟应用业绩较多,如宝钢1580 mm热轧3 座加热炉,本钢23000 mm 热轧4 座加热炉,太钢2250 mm 热轧1 座加热炉,宝钢1580mm 热轧3座加热炉等。
(3)数字脉冲控制。脉冲燃烧控制采用间断燃烧的方式,使用脉宽调制技术,通过调节燃烧时间的占空比(通断比)来实现加热炉的温度控制。在脉冲燃烧控制技术的控制下,燃烧器一旦燃烧,就处于其设计的最佳燃烧状态,保证燃烧器燃烧时的燃气出口速度不变。控制系统使炉内燃烧器交替燃烧:当需要升温时,燃烧器燃烧时间加长,关断时间减少;当需要降温时,燃烧器燃烧时间减小,关断时间加长。技术难点是脉冲周期的确定,空燃
比的控制,小负荷时的处理模式,烧嘴故障的处理模式以及脉冲控制对炉压的影响。数字脉冲控制的应用先驱是以斯坦因(Stein Heurtey)公司;在国内大型板坯加热炉上成功应用有太钢2250mm 热轧1~3#加热炉,鞍钢4#加热炉和南钢中板厂1#加热炉。
(4)模糊控制技术。模糊控制技术将模糊控制理念运用到加热炉控制技术上去。将模糊概念运用于加热炉燃烧控制系统的实例也有一些报道,大部分是采用的控制算法仍然是常规PID,仅对P、I、D 的参数进行了模糊计算、设定。安阳高线加热炉模糊控制系统完全用模糊控制代替常规的PID 算法,并构成串级并联控制系统对加热炉的加热温度进行控制,取得良好的调节品质。模糊控制技术的技术难点是模糊控制器的构成。集中体现在输入语言变量、输出语言变量选择,隶属度赋值表的确定原则。
(5)前馈控制。加热炉炉压控制采用经典策略是单回炉PID+炉压自学习或煤气流量的前馈控制。新颖的控制策略是预测函数PFC+PID 控制;模糊控制。预测函数PFC+PD 控技术是利用PID控制器作为内层控制,实现精细控制;预测函数PFC作为外层控制器,实现系统快速特性。技术难点是过程通道模型的确定,预测函数PFC 的构建以及相关边界条件的确定。
(6)ACC 模型。ACC 模型的是过程自动化(L2)的核心技术。节能效果好坏、加热质量高低很大程度上取决于ACC 模型的成功应用与否。其核心技术是:炉温处理技术;板坯剩余在炉时间的预测技术;板坯温度计算预测技术;板坯出炉温度自学习技术;炉群协调控制技术。技术难点是板坯温度预测计算技术,炉群协调控制技术以及加热炉混合加热
控制技术。ACC模型能够根据轧线计算机的轧制节奏,动态调节板坯的加热速度,保证板坯的加热效果;同时,实时协调加热炉炉群的出炉节奏,满足轧线的要钢要求。
6 新技术发展
展望加热炉控制技术的发展,从技术角度看,主要体现在硬件技术和软件技术发展;从流程研发角度,主要体现在标准化和核心化技术的研发和技术服务。
(1)硬件技术。目前加热炉自动化控制系统大多数采用诸如SIEMENS 公司,GE 公司等国外品牌的PLC 系统,或者是Honeywell 公司或横河公司的DCS 系统。国产的控制系统如浙大中控的控制系统;北京和利时公司的控制系统以及国电自深的控制系统也开始崭露角,控制系统的国产化将会是一个发展方向,也是我们自动化工程师的一个期望。
(2)控制单元。目前主要采用的32 位处理器,从技术的发展来看,64 位处理器也开始进入工控领域,它将成倍地提高控制器的计算能力,存储能力,将各种复杂的算法和控制策略变为现实。
(3)容错服务器的应用和推广。为保证服务器系统的稳定性和安全性,通常采用两台配置相同的服务器共同构成一套冗余服务器系统。采用2 套硬件,2 套软件。而容错服务器采用硬件级的容错技术,采用一套系统软件,以达到消除系统切换时间的目的。其代表是Strautus fTserver W 系列的容错服务器技术。
(4)现场总线技术。现场总线技术是一种前沿的应用技术,在化工、油气、炼油、石化尤其是汽车生产线等行业得到非常广泛的应用。它可以使工程总投资节省15~30%,工厂运营效益提高2%。在可以预见的将来,必将在加热炉控制技术得到推广应用。目前的代表技术是:CAN,FF,Profibus,Lonworks 等。
(5)三维监控软件。目前主流监控软件以Intouch,IFix,WinCC 和RSView 等为主。他们都建立在二维层面上。美国ICONICS“爱康诺”公司针对微软的Windows® Vista™ 和Windows Server2008 设计开发了最新一代的监控组态软件GENESIS64™ ,它充分利用了AMD 和Intel 的64 位技术,大大降低了自动化项目在软件开发上的工作量、加快整个自动化解决方案的实施,从而能够节省大量的费用。GENESIS64 充分利用Windows Vista
中DirectX10 的先进图形硬件加速功能,GraphWorX64 与Windows Presentation Foundation结合,给用户提供令人注目的3D 视图,同时具有实时的数据显示。想象一下,可以从各个角度看见设备是如何实时运行的感受!
(6)服务的远程化。充分利用Internet 网络的强大功能,对远在千里之外的运行设备进行监控,数据分析和远程服务,提供全流程的技术服务。

 

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