煤气在加热炉中的使用安全

    鲁宝钢管厂环形炉自动控制系统 　　摘　要：介绍了鲁宝钢管厂环形炉自动控制系统的结构和功能，阐述了模糊控制和常规PID控制相结合应用于加热炉过程控制的特点，并针对炉膛压力控制提出了一种全新的控制方法“等等看看”。
  实时控制结果表明：该系统是可行的，取得了满意的控制效果。   关键词：加热炉　模糊控制　PID控制 　　 0 前 言 随着世界范围内经济竞争越演越烈，钢铁成本的降低已经与钢铁企业的生存休戚相关。
  在冶金行业中，能源消耗的一大用户是加热炉，据有关文献介绍，在轧钢加工费用中能源消耗占65%～70%，在整个轧钢工序能耗中，加热炉燃耗占60%～70%［1］。  提高加热炉燃烧控制水平不仅可以通过节能产生巨大的经济效益，而且可以推动我国冶金行业的自动化控制水平的提高，因此如何优化加热炉燃烧控制受到广泛的研究和重视。
  现有的控制设备也急待改造［2］。 烟台鲁宝钢管厂的环形加热炉原使用燃料为重油，既污染环境又不易控制，现将燃料改为煤气，原有的控制系统也急需更新。  根据鲁宝钢管有限责任公司现场实际要求和现实条件，以达到最优温度控制效果为最终目标，本环形炉控制系统包括炉温控制系统 、压力控制系统、安全保护系统和上位机监控系统。
  其中，炉温控制采用交叉限辐燃烧控制，温度控制器在传统PID控制的基础上加入模糊控制和自寻优功能，以达到令人满意的动态和稳态性能。  同时，尽可能地减少能源损耗和环境污染。整个系统由现场仪表、Honeywell公司的UMC800控制器、监控计算机、供配电部分、盘柜、通讯系统和相应的软件等构成。
   1 硬件组成 本系统硬件主要由现场仪表、传感器、执行机构、UMC800控制器、监控计算机等组成，其组成见图1。  （UMC800采用模块式结构，有一个能够最多安装16个输入输出模块的插卡式机架，通过不同的组合来满足不同应用的控制硬件要求，本系统根据实际情况,设置9个AI模拟输入、4个模拟输出、2个数字输入和2个数字输出卡，分别置入两个UMC800控制器中） 2 控制方法 本系统控制器采用的是Honeywell公司的产品UMC800，作为通用多回路控制器 ,UMC800是专为满足小型过程装置的模拟和数字控制要求而设计的模块化控制器，特别适合于工业炉、环保设备、加热炉、小型锅炉等类似要求的过程控制，可灵活实现多种控制方法。
    控制器的控制算法组态是用基于WIN－DOWS或NT的UMC80 0控制组态软件———Controlbuilder在独立的PC机上离线组态完成的，然后作为一个完整的文件用控制器的RS232通讯口下载到控制器。
  本控制系统方案由炉温控制、压力控制两部分组成。 2。1 炉温控制 加热炉炉温控制目前广泛采用的是交叉限辐控制方式［3］，即根据给定的空燃比，合理的同时调节空气流量和煤气流量，以保证在炉温调节过程中，燃料和空气都达到充分燃烧，这样既可节约能源，又可防止环境污染。
    交叉限辐控制原理见图2。 　　通过设定每一个加热区的温度，使温度控制器的输出经过比例系统控制器作为空气和煤气的流量控制器的设定值，按照交叉限辐控制理论进行煤气和空气流量的调节。
  在通常的燃烧控制系统中，采用串级比例调节系统。  温度调节器的输出直接作为空气流量调节控制器的给定，然后空气流量实际值除以空燃比作为煤气流量调节控制器的给定。在稳态时，煤气量可按一定的空燃比跟随空气流量变动；但在动态时，如升温、降温等变化时，这种常规系统就无法保证煤气量的精确变化。
  然而采用交叉限辐控制方式就能保证无论是在动态还是稳态时都能满足一定的空燃配比性能，使系统无论在稳态还是在动态时，都可获得较好的空燃比性能。  同时由于没有过氧和缺氧燃烧从而起到节能降耗的效果。
   本系统在传统PID调节的基础上，利用UMC800模糊逻辑抑制超调的功能对一些重要控制回路进行智能PID控制。由于加热炉的热惯性大，纯滞后又长，炉压、风温、风压的波动都会对加热炉生产较大的影响，这一切都要求系统具有一定的抗干扰能力［4］。
    常规PID控制虽可保证系统具有良好的静态特性，但响应速度较慢且易产生震荡，而加热炉一般是不允许产生温度超调的。为同时实现好的动态和稳态控制性能，本系统利用UMC800控制器的模糊逻辑抑制超调功能，当对象参数变化，给定突变或出现状态干扰时，采用模糊控制，这样可使响应时间明显缩短且基本没有超调［5］。
    控制原理见图3。 从图3中可看出，当输入误差大于给定误差界限E时，系统投放模糊控制，否则，则采用常规的PID控制。
  采用这种控制方案，可明显增强系统的鲁棒性，实现优良的动静态性能。 2。2 炉膛压力控制 炉膛压力是实现加热炉自动控制的一重要参数。  炉压过高时，火烟就会从装、出料口大量冒出。
  不仅使大量有效热量散失，增加炉子的燃料消耗，而且也易烧坏炉子的钢结构和炉墙钢板，降低炉子的使用寿命，同时，炉压过大引起的冒火还会导致劳动环境的恶化。炉压过低时，会吸入大量的冷风，不但增加炉子的热耗还会增加钢坯的氧化烧损，甚至引起烧钢［6］。
    因此必须对炉压进行控制，按鲁宝钢管厂的实际需要，将炉压控制在15Pa～25Pa之间比较适宜。在加热炉最佳燃烧控制系统的基础上，炉膛压力控制可以通过控制烟道闸门的开启度来实现，而炉温对烟道闸门开度的变化非常敏感，如果通过传统的PID方式调节炉膛压力，那么频繁的烟道闸门开度变化必然会带来炉温的波动 ，这在轧钢工艺是要尽量避免的，会导致轧出的钢的品质的降低。
    另外，炉膛压力控制系统为一大时滞系统，控制对象反应速度较慢，因此，如何保证炉压既在期望的范围之内，又不使闸门频繁变化成为炉压控制的关键环节。本系统采用的是“等等看看”控制方法，即：改连续调节方式为定时周期性调节方式，每隔一时间段对当前炉压进行控制，在一个控制周期内，又设一等待时间段和一观察时间段，所谓“等”就是等控制量输出后系统纯滞后时间过去，下一次发出的控制信号值就由在观察时间段内所“看”到的误差和误差的变化率决定，并设立一调节死区，即允许炉压在一定范围内波动，只要波动未超过给定界限，就不产生控制信号。
    控制过程见图4，用数学表达式可表示如下： 其中，△P为整个周期（周期为T）的压力变化，△p为观察期间（周期为T2）的压力在△t时间内的变化，△t为控制器的一个执行周期。
  U（K）为第K时刻发出的控制信号，△U为产生控制量的变化，D为控制死区。   　　图4中：－－表示的曲线为△U（K），即控制量的变化量，T为控制周期，T1为“等”的时间，T2为“看”的时间，PSP为期望炉压。
  根据鲁宝钢管厂的实际要求，本系统将PSP设置为20，D设置为5，并对控制量U（K＋1）进行了下限为0的低限幅和上限为100的高限幅。  实践证明，这种控制方法思路清晰，算法简单，控制效果令人满意。
   3 上位机监控系统 本系统选用北京亚控公司生产的优秀国产软件“组态王”作为上位监控组态软件，设计出的监控系统界面友好，实现了实时显示系统流程图、显示各种信号实时和历史趋势以及打印报表等监控功能，且和下位机通讯安全迅速，使操作工人轻松的掌握，减轻其劳动强度，效果很好。
     4 结 论 本系统自2001年1月投入运行以来，稳定可靠，操作简单方便，加热温度平稳，炉温控制精度在设定值的±5℃，炉气成分得到最佳控制。金属氧化烧损减少且大大节约了能源，减少了环境污染，取得了很好的经济和社会效益。
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