文 // 李鵬 孫玉珠 王孝偉 北京和隆優(yōu)化科技股份有限公司

燃燒優(yōu)化控制技術(shù)在冶金加熱爐上的技術(shù)應(yīng)用

文 // 李鵬 孫玉珠 王孝偉 北京和隆優(yōu)化科技股份有限公司

圖1 BCS技術(shù)與各種燃燒器的原理結(jié)構(gòu)

在冶金工業(yè)中，加熱爐是將鋼坯加熱到軋制成鍛造溫度的設(shè)備，其能耗占軋鋼工序總能耗的一半以上，因此加熱爐如何節(jié)能對提高熱效率至關(guān)重要。加熱爐燃燒系統(tǒng)的主要作用在于：使加熱爐的爐膛溫度保持在設(shè)定值的允許范圍內(nèi)，使得在加熱爐內(nèi)進(jìn)行加熱的鋼坯能夠得到均勻加熱且溫度符合鋼坯的軋制標(biāo)準(zhǔn)；讓加熱爐內(nèi)燃燒中的空燃比合理化，防止空燃比過高造成的鋼坯過度氧化以及空燃比過低時燃料不充分燃燒所造成的能源浪費。

1 燃燒優(yōu)化控制技術(shù)原理（BCS）

1.1 BCS概述

BCS是“通用燃燒優(yōu)化控制技術(shù)”的簡稱。BCS立足于最基本的測控儀表，采用先進(jìn)的軟測量技術(shù)、多變量解耦技術(shù)、過程優(yōu)化控制技術(shù)、故障診斷與安全控制技術(shù)、智能調(diào)節(jié)技術(shù)以及科學(xué)的數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計技術(shù)來實現(xiàn)燃燒裝置的全自動優(yōu)化控制，從而達(dá)到其安全穩(wěn)定運行和經(jīng)濟(jì)運行的所有目標(biāo)。通用燃燒裝置與BCS的關(guān)系如圖1。

1.2 BCS技術(shù)原理理論依據(jù)

（1）熱量平衡和熱效率公式

氣體燃料的熱平衡方程式如下：

熱效率為：η(%)=（Qr-Q2-Q3-Q5)/Qr

其中：Qr：1m3煤氣帶入燃燒裝置的熱量（kJ/m3）；

Q1-燃燒裝置有效利用熱量（kJ/m3）；

Q2-排出煙氣所帶走的熱量（kJ/m3）；

Q3-氣體不完全燃燒熱損失（kJ/m3）；

Q5-燃燒裝置的散熱損失（kJ/m3）。

生產(chǎn)實踐表明，空氣過量直接會影響Q2增大，空氣欠量則會使Q3增大。如果想使加熱爐熱效率最大化，必須讓Q2、Q3、Q5損失最小，因為Q2、Q3占了加熱爐熱損失的絕大部分份額，且與熱效率有著密不可分的因果關(guān)系。而BCS技術(shù)通過實施燃燒優(yōu)化策略來實現(xiàn)Q2+Q3最小化，從而達(dá)到鍋爐熱效率η最大。

（2）軟測量技術(shù)

由于大多數(shù)場合沒有安裝煤氣熱值在線分析儀表、廢氣流量儀表等，從而造成熱效率不能在線實時計算出來，因此根據(jù)熱效率尋找最佳燃燒效果很困難。但可以根據(jù)可測的一些變量或一些變量的變化趨勢，采用軟測量技術(shù)得到一個中間變量——燃燒裝置熱效率變化趨勢效果變量。

（3）優(yōu)選法

有經(jīng)驗的操作人員可以利用現(xiàn)有的條件，根據(jù)每次操作后爐溫的變化趨勢，人工改變?nèi)顼L(fēng)量上煤量等部分參數(shù)，直到臨近最高點(亞優(yōu)點)。但是由于工況的頻繁波動，人工操作是無法長期使加熱爐運行在最佳燃燒狀態(tài)的。燃燒優(yōu)化控制技術(shù)采用一種改進(jìn)的“自尋優(yōu)”算法，包括采用變步長、變精度等策略、尋找合理的空燃比，使燃燒裝置熱效率進(jìn)入最佳區(qū)域，以實現(xiàn)燃燒裝置的優(yōu)化燃燒，達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)運行狀態(tài)。這其中需要處理很多的技術(shù)細(xì)節(jié)，如優(yōu)化陷阱的避免、快速優(yōu)化與穩(wěn)定性的協(xié)調(diào)、測量壞值的自動處理等等。

1.3 BCS核心技術(shù)設(shè)計方案

（1）有限條件正確相關(guān)技術(shù)

該技術(shù)利用正確關(guān)聯(lián)的現(xiàn)場儀表測控信號，構(gòu)造一個在有限條件下燃燒效果變量的“自尋優(yōu)”模型。該模型不需要人工輸入任何燃料的品質(zhì)數(shù)據(jù)、負(fù)荷參數(shù)及模型初始化參數(shù)，即可迅速找到最佳燃燒狀態(tài)，并自動檢測各種因素引起的最佳燃燒點，從而重新將控制點拉回到最佳燃燒狀態(tài)。該技術(shù)給予過程數(shù)據(jù)變化趨勢的相對正確而非絕對值的正確性。

（2）燃燒效果軟測量技術(shù)

用所有的有限測控信號和虛擬變量構(gòu)建一個可以表現(xiàn)當(dāng)前工況下的燃燒效果變量，它類似于燃燒效率但又不是燃燒效率，是變化規(guī)律和燃燒效率相關(guān)聯(lián)的中間變量。

（3）最佳運行工況的“自尋優(yōu)”及滾動優(yōu)化技術(shù)

用多維梯度極值搜索法尋找使燃燒效果為最大值的最佳環(huán)保運行工況，并鉗位運行在最佳風(fēng)燃比、最佳二次風(fēng)率、最佳床溫控制點、最佳爐膛負(fù)壓控制點及最佳水位控制點等。當(dāng)負(fù)荷改變、煤質(zhì)改變等干擾發(fā)生時再自動啟動優(yōu)化算法以尋找新的最佳控制點；每次優(yōu)化都是基于上次的優(yōu)化結(jié)果而啟動；通過滾動優(yōu)化使各種燃燒裝置達(dá)到越燒越好的運行狀態(tài)。

（4）故障診斷與容錯控制技術(shù)

這種技術(shù)意味著部分儀表的故障不會造成模型癱瘓和生產(chǎn)安全隱患，它能夠在線處理部分工藝或自控設(shè)備的技術(shù)故障。

（5）智能調(diào)節(jié)技術(shù)

該技術(shù)集模糊控制、非線性控制和預(yù)測控制于一體，全面克服了過程本身的非線性、純滯后和時變性及各種電動閥所存在的死區(qū)大、空行程大、使用壽命短、調(diào)節(jié)精度低等諸多問題。

（6）擾動觀測器模型和智能控制器技術(shù)

這種控制技術(shù)具有識別、決策等功能，從而使自動控制和優(yōu)化控制達(dá)到了更高級的階段，以此來解決那些用傳統(tǒng)方法難以解決的復(fù)雜系統(tǒng)控制問題。常用的智能技術(shù)包括模糊邏輯控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家系統(tǒng)、自學(xué)習(xí)控制、自適應(yīng)控制、自組織、分層遞階控制、遺傳算法等。

2 燃燒優(yōu)化控制技術(shù)實現(xiàn)方法與節(jié)能運行分析

2.1 BCS燃燒優(yōu)化控制技術(shù)實現(xiàn)方法

（1）多變量爐溫控制系統(tǒng)

加熱段溫度優(yōu)化控制模型包含了溫度調(diào)節(jié)控制模型、溫度專家控制算法、煤氣優(yōu)化控制、解耦控制模型、換熱器保護(hù)控制模型等幾大部分。其中：溫度調(diào)節(jié)控制模型包含溫度控制點自調(diào)整模型，它能根據(jù)預(yù)熱段冷鋼和熱鋼的區(qū)別，調(diào)整加熱段溫度控制點；解耦控制模型包含加熱段下部、均熱段上部和均熱段下部對加熱段上部溫度的耦合因素，它能提高溫度控制精度及穩(wěn)定性。

（2）空氣量優(yōu)化控制系統(tǒng)

該回路采用了比值控制算法，回路中包含了風(fēng)量優(yōu)化模型、優(yōu)化時機(jī)模型、空燃比模型等風(fēng)量控制模型。根據(jù)優(yōu)化風(fēng)量和當(dāng)前煤氣量，能計算出優(yōu)化空燃比；根據(jù)當(dāng)前煤氣量和優(yōu)化空燃比計算空氣量，能調(diào)節(jié)空氣調(diào)節(jié)閥門。

3.2 BCS技術(shù)應(yīng)用案例

某棒線廠生產(chǎn)線的180t/h加熱爐，當(dāng)前煤氣消耗平均按59m3/t，煤氣核算價格按0.95元/m3，鋼材銷售價格按3800元/t，年運行時間按7000h計算。如果每噸鋼煤氣消耗下降5.74%，則經(jīng)濟(jì)效益如下：

（1）年節(jié)約煤氣量：

年節(jié)能效益：426.7×0.95=405萬元

圖2 空氣自尋優(yōu)曲線

圖3 煤氣自尋優(yōu)曲線

圖4 均熱段爐溫控制曲線對比圖

（2）年節(jié)約標(biāo)煤：煤氣折標(biāo)系數(shù)為0.5929 kgce/m3（按4150kcal/m3）

426.7萬m3×0.5929kgce/m3= 2529t

2.3 BCS技術(shù)節(jié)能運行分析

（1）燃燒優(yōu)化控制技術(shù)的節(jié)能效果來源于BCS的多維優(yōu)化技術(shù)

①在保證設(shè)定燃燒裝置輸出負(fù)荷穩(wěn)定的前提下，BCS始終尋找并嵌位于最少的燃料量消耗。

②當(dāng)燃料質(zhì)量（低位發(fā)熱值、揮發(fā)份、含水等）發(fā)生變化時，BCS始終尋找并嵌位于與之最匹配的助燃風(fēng)量以進(jìn)一步減少燃料量消耗。

③當(dāng)負(fù)荷、設(shè)備性能等發(fā)生變化時，BCS始終尋找并嵌位于與經(jīng)濟(jì)運行始終匹配的最佳控制點。

（2）以某生產(chǎn)線130t/h步進(jìn)式加熱爐燃燒控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造實例分析

①自動控制回路均實現(xiàn)全自動優(yōu)化運行，測試時自控率達(dá)100%；長期自控率可保證95%以上。加熱爐全自動控制的投運，極大地降低了運行人員的勞動強度。

②節(jié)能效果顯著，每噸鋼煤氣消耗較原控制系統(tǒng)平均降低3.35%。

③BCS優(yōu)化控制系統(tǒng)的安全控制技術(shù)，能夠及時診斷及預(yù)警加熱爐故障，保障了加熱爐的安全運行。

④加熱爐出鋼溫度控制更加平穩(wěn)，整體運行工況也更加平穩(wěn)，提高了軋鋼質(zhì)量，降低了鋼損。

（3）節(jié)能效果對比

從圖2～圖4可以看出，BCS系統(tǒng)控制精度更高、更平穩(wěn)；在同樣爐溫下，BCS系統(tǒng)使空燃比更加合理，從而實現(xiàn)了煤氣消耗的降低。

3 結(jié)論

從均熱段爐溫精度的控制方面分析，BCS燃燒優(yōu)化控制系統(tǒng)對爐溫的控制更加平穩(wěn)，能夠反映出氧化燒損的降低。

從尋優(yōu)角度方面分析，尋找最佳的空燃比，可以有效地降低爐內(nèi)的氧化性氛圍，因此也可以降低氧化燒損。

燃燒優(yōu)化控制技術(shù)不僅降低了燃料消耗，而且降低了爐內(nèi)的氧化性氛圍，對降低鋼損有明顯作用；使?fàn)t內(nèi)溫度更加均衡，穩(wěn)定了出鋼溫度，提高了軋制鋼的品質(zhì)。