问题研究 第３４卷２０１６年第３期（总第１８３期） 台车式加热炉自动控制系统的设计与实现 樊江波于晓鹏李涌泽陈洋张咏梅 （鞍钢集团工程技术有限公司 鞍山 １ １４０２１） 【摘要】介绍了台车式加热炉系统主要工艺流程，对台车炉计算机系统及自动控制系统的设计与实现进 行了说明，介绍了脉冲燃烧控制系统在台车炉燃烧系统的应用，实际生产运行结果显示生产的稳定性和相关产 品技术指标的改善。 【关键词】 台车式加热炉 自动控制系统脉冲燃烧 Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｂｏｇｉｅ Ｈｅａｔｉｎｇ Ｆｕｒｎａｃｅ ａｎｄ Ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ＦＡＮ Ｊｉａｎｇ－ｂｏ，ＹＵ Ｘｉａｏ—ｐｅｎｇ，ＬＩ Ｙｏｎｇ－ｚｅ，ＣＨＥＮ Ｙａｎｇ，ＺＨＡＮＧ Ｙｏｎｇ－ｍｅｉ （Ａｎｓｔｅｅｌ Ｇｒｏｕｐ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ａｎｓｂａｎ １１４０２￣ 【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｐｒｅｓｅｎｔ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｌｏｗ ｏｆ ｔｈｅ ｂｏｇｉｅ ｈｅａｔｉｎｇ ｆｕｒｎａｃｅ ｓｙｓｔｅｍ．Ｅｘｐｌａｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ ｔｈｅｉｒ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ．Ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｕｌｓｅ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｎ ｔｈｅ ｂｏｇｉｅ ｆｕｒｎａｃｅ．Ｔｈｅ ａｃｔｕａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｒｅｌａｔｅｄ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｉｎｄｅｘｅｓ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｔ ａｒｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ． 【Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ］Ｂｏｇｉｅ ｈｅａｔｉｎｇ ｆｕｒｎａｃｅ，ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ，ｐｕｌｓｅ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ １ 引言 钢、低合金钢等钢种。 ２工艺概述 台车式加热炉是一种具有室式炉膛和活动式炉 底的加热炉，一般应用在对小批量工件及厚板的热 处理加热。 某钢厂新建一座台车式热处理炉，台车面积 ５．５４×１３．６５＝７５．６２ｒｎ２。主要用于加热普碳钢、优质碳 台车炉主要由炉体、炉门提升系统、台车和传动 机构、燃烧系统、排烟系统组成。台车炉系统的工艺 流程如图１所示。 烧 广 痂 一 嘴厂 嘴一 烧嘴Ｉ－－ 烧嘴厂 一煤气总截宁 一 Ｉ．一 －ｔ．＝ Ｌ．＿ ．Ｉ一 。ｔ＿！ ｒ ｒ ｒ 热器 Ｊ Ｉ 烧 ： 烧 ： 烧 ： （ 烧 ： 烧 ：ｒ一 烧嘴 ＿＿—— 烧嘴ｌ Ｉ Ｉ １Ｉ Ｉ 口ｒｔ１ ＿＿—— 广 广一 图１台车炉系统工艺流程 （１）炉门提升系统：炉门升降采用炉侧电传动卷 扬机构，并带自锁装置。炉门两侧上、下设有导轮， 沿着导向装置上升或下降，运行平稳，启闭自如，并 装有双保险限位开关，防止炉门超行程。 一６５— 第３４卷２０１６年第３期（总第１８３期） （２）台车、行走机构和传动机构：台车设计为滚 柱带式行走机构，可承受重载荷，并可降低台车高度。 车速为３－９ｍ／ｍｉｎ，行走平稳。台车进出炉均有限位 开关，保证台车定位准确、性能安全可靠。 （３）燃烧系统：设计中台车燃烧系统是以混合煤 气为燃料，其中炉体共分布了ｌａＹＪＩ￣冲高速调温烧嘴， 烧Ｉ￣ＪＪ６７０ｋｗ／支，均匀交错布置在炉子两侧的底部， 保证热处理工艺的炉内温度均匀性及供热能力。全炉 温度控制分成十三段控制区，每段控制区各设—个温 ｌ号烧嘴 ２ｇ－烧嘴 ３号烧嘴 问题研究 度检测，每段烧嘴通过各段温度检测信号控制来调节 炉内供热量。台车炉烧嘴布置简图如图２所示。 ３计算机系统的设计 台车炉计算机系统采用ＰＬＣ系统，用于对现场 所有仪控、电控设备进行数据实时采集、处理和监控。 ＰＬＣ系统由西门子公司￥７－４００系列及分布式远程Ｉ， ０系统组成。其中ＨＭＩ操作站包括一套操作员站、一 套工程师站，网络配置如图３所示。 ４号烧嘴 ５号烧嘴 ６号烧嘴 ７号烧嘴 ８号烧嘴 ９号烧嘴ｌｏｇ－烧嘴 １ ｌ号烧嘴 １２号烧嘴 １３号烧嘴 图２台车炉烧嘴布置 图３网络配置 通信网络配置主要是由工业以太网和Ｐｒｏｆｉｂｕｓ— ＤＰ网组成两层通信网络系统。其中工业以太网主要 是完成ＨＭＩ操作站与ＰＬＣ设备之间的数据、信息通 信功能；操作站、工程师站、ＰＬＣ之间的工业以太网通 信速率ｌＯＯＭｂｉｔ／ｓ；Ｐｒｏｉｆｂｕｓ—ＤＰ网主要是完成ＰＬＣ设 备同传动设备和远程Ｉ／Ｏ装置之间的数据、信息通信 功能。Ｐｒｏｉｆｂｕｓ—ＤＰ网最大通信速率可达１２Ｍｂｉｔ／ｓ。 一根据台车炉系统相关检测及控制点数量，模块 共配置４个模拟量输入模块、１个模拟量输出模块、８ 个数字量输入模块、８个数字量输出模块。 ４台车炉自动控制系统的设计与实现 台车炉控制系统由基础自动化来完成整套台车 炉系统的控制。基础自动化由二部分组成，分为电 ６６一 第３４卷２０１６年第３期（总第１８３期） 负荷状态，从而保证了烧嘴燃烧时的燃气出口速度 恒定。控制系统中热电偶测量温度，ＰＬＣ采用温度调 节器及脉冲分配器，通过测量温度与实际温度的温 度偏差，按照时序分配的结果，设定烧嘴燃烧时间， 组成一个闭环温控系统，实现烧嘴的脉冲燃烧。从 问题研究 而可获得满意炉内温度场的分布，保证极高的钢板 加热质量。控制系统原理如图６所示： （１）炉温控制的设定方式：热处理炉炉温设定可 以在手动和自动两种方式下进行。手动方式：在ＨＭＩ 上，手动改变各段温度调节器的设定值（ＳＰ），对各段 图６燃烧控制系统原理 炉温进行设定。自动方式：由工艺人员调用保存在 其控制流程图如图７所示。 ＨＭＩ上工艺温度曲线，包括升温、降温曲线。对于不 同规格和材质的钢板，有不同的出钢温度，因此，在 不同的出钢温度下，亦对应不同的各供热区炉膛温 度。工艺人员将对应于上述不同规格和材质的理想 炉温设定值以数据库的形式，保存在仪表系统的ＨＭＩ 内，工作人员根据需要，通过“工艺温度曲线”温度设 定值随时间推移而自动对各供热区炉温进行批量 设定。 （２）烧嘴燃烧状态：每个温度控制区温度检测都 是相应控制区侧墙上的热电偶来检测，同时每个烧 嘴对应一个温度ＰＩＤ调节器和—个脉冲控制器，根据 烧嘴燃烧状态可分为小火脉冲、小火连续、大火脉冲 和大火连续四种状态，实际生产中工作状态设定如 下所示： １００１ 图７炉膛压力控制流程 温度偏差小于或等于５℃，烧嘴停止供热； ５℃＜温度偏差≤２０。【＝，小火脉冲； ２０℃＜温度偏差≤３Ｏ℃，小火连续； ３０℃＜温度偏差≤５０℃，大火脉冲； 温度偏差＜５０℃，大火连续。 脉冲工作模式是采用固定脉宽、固定周期加热： 脉宽通常设置为１５～１８ｓ（可调），脉冲控制系统根据 温度曲线，计算目标温度与实际炉温的差值来确定 燃烧时间（即供热量），每个脉冲周期的脉宽和每个 脉冲周期内关闭时间是根据生产实际可调。 ４．２．２ 炉膛压力控制系统 采用前馈控制，可以保证在稳态时消除扰动的 影响，在一定程度上改善了过程系统的品质，从而减 少了因炉压波动产生吸冷风或冒火的现象发生，起 到降低氧化烧损和节约煤气的目的，满足安全生产 的需要。 ４＿３连锁报警 在以下情况下发生自动停炉。 混合煤气总管压力过低信号； 风机出口压力过低信号； 冷却水流量过低信号； 仪表气源故障； 助燃风机故障。 当发生自动停炉时，ＰＬＣ控制系统将按照时间的 顺序，完成如下动作：总管混合煤气切断＿÷氮气吹扫 一经一段延时后＿＋停助燃风机。 炉膛压力控制系统硬件由炉压变送器，烟道闸 板阀等构成，控制方式采用ＰＬＣ前馈控制方式，通过 调节烟道闸板阀，使炉膛压力保持在一定的范围内。 一［下转第７０页］ ６８一 第３４卷２０１６年第３期（总第１８３期） 问题研究 ０．２０５×０．５＋０．０２１×０．５＋０．０１２×２—０．００３＝ 燃料由高炉煤气全转变为转炉煤气后，过量空气系 ０．１３４ｍ ； 数为２１８／１８１＝１．２，对应炉膛出口烟气含氧量为３．５％； 因空气中氧气体积分数为２１％，则需空气０．１３４／ 而实际运行过程中，转炉煤气并网量低于３０ ０００ ０．２１＝０．６３８１ｍ 。 ｍ ，与高炉煤气燃料比例低于１×２，若在全燃用高 考虑过量空气系数， 取１．１０５（炉膛出口烟气含 炉煤气时控制炉膛出口烟气含氧量２％，则转炉煤气 氧量按２％计算），则燃烧１ｍ３高炉煤气需要的送风量 并网波动时，炉膛出口烟气氧量必然在２％～２．７５％范 为０．６３８１×１．１０５＝０．７０５１ｍ３（空气），高炉煤气热值为 围内，完全可以采用定风量控制技术，仅对燃料量和 ３２３０ｋＪ／ｍ３，折合燃用高炉煤气产生每ＧＪ热量须消耗 引风机挡板进行调整，而送风系统无需调整。 空气０．７０５１×１０００／３．２３＝２１８ｍ３（理论须空气量为２１８／ 对燃用高炉煤气和转炉煤气产生烟气量进行计 １．１Ｏ５＝１９７ｍ ）。 算，当锅炉具有相同蒸发量时，燃用转炉煤气所产生 转炉煤气成分为Ｃ０５０．４％，０２１．１％，Ｈ２２．６％，其 的烟气量要较燃用高炉煤气低，相应烟道对流换热 他不可燃物质（Ｎ ，ＣＯ ）４５．９％。 强度降低，所需减温水量要偏小，排烟温度偏低。 燃烧化学方程式为： 因此，在运行调整时，当转炉煤气回收并网量加 ２ＣＯ＋Ｏ：＝２Ｃ０：完全燃烧ｌｍ。ＣＯ需０．５ｍ ０ 大时，应维持风量不变，根据氧量变化情况，在主蒸 ２Ｈ：＋０：＝２Ｈ ０完全燃烧ｌｍ Ｈ２需０．５ｍ ０ 汽参数发生变化前，采取预调节措施关小高炉煤气 结合燃料成分，完全燃烧ｌｒｎ３转炉煤气理论氧气 阀门，稳定蒸汽负荷和参数，根据主蒸汽温度变化情 量为： 况可先少量加减温水，待温度不升时，应根据蒸汽温 ０．５０４ Ｘ ０．５＋０．０２６×０．５—０．０１１＝０．２５４ｍ。： 度逐步调小减温水至低于高炉煤气品质未改变时。 因空气中氧气体积分数为２１％，则需空气０．２５４／ 调整参数恢复正常后，要密切注视参数变化趋 ０．２１＝１．２０９ ５ｍ。。 势，当转炉煤气回收并网量减少时，随着燃料热值的 考虑过量空气系数， 取１．１０５（炉膛出口烟气含 降低，导致炉内燃烧减弱，此时应维持风量不变，开 氧量按２％计算），则燃烧ｌｒｎ３转炉煤气需要的送风量 大下层煤气调节阀门，提高煤气量，根据主蒸汽温度 为１．２０９ ５ Ｘ １．１０５＝１．３３６ ５ｍ３（空气），转炉煤气热值 变化先适当减少减温水，待温度不降时，逐渐增加减 为６６８６ｋＪ／ｍ３，折合燃用转炉煤气产生每ＧＪ热量须消 温水至蒸汽负荷、温度、压力参数稳定。 耗空气１．３３６ ５×１０００／６．６８６＝２００ｍ３（理论须空气量为 ２００／１．１０５＝１８１ｍ ） ５结语 通过实施定风量控制技术，提升了在转炉煤气 ４定风量控制技术 并网波动时的运行调整效率，通过预调节措施稳定 从高炉煤气、转炉煤气成份及燃烧过程计算来 了系统参数，防止了参数的大幅波动，保证了蒸汽生 看，产生热量主要来自ＣＯ，产生相同热量所需风量相 产的连续安全稳定。 差很小。 （２０１６－０１—１３收稿） 在蒸汽负荷、锅炉效率、送风量不变的情况下， ＝ 奇 ，＾、 ＃ ０； ；＼ ＝ ； ＼！盎 ＝ ｆ 蛤 ＃ ０ ！矗、蛤 睹ｅ ； ｆ １＿、 ； ； ［上接第６８页］ ５结束语 参考文献 本控制系统简单可靠，造价低，自控操作水平和 【１］宁鸾风，万道春，刘文松，等．脉冲燃烧控制技术在热处 节能效果都达到国内先进水平，采用ＰＬＣ控制系统 理炉上的应用ｆＪ１．山东冶金，２００８，２４—２５． 进行烧嘴脉冲燃烧控制，可达到最佳燃烧控制，同时 ［２】王树青，乐嘉谦．自动化与仪表工程师手州Ｍ】．北京：化 使热效率提高，大大降低能耗，温度偏差≤±５℃，达 学工业出版社。２０１０：４６３—４６４． 到工艺燃烧要求。同时减少了氮氧化合物的生成， 【３】程志庭，顾志芳．脉冲燃烧控制在台车式热处理炉上的 应用ｆＪ】．工业加热，２００５，６５—６６． 从而提高了产品质量。 （２０１６－０４－１１收稿） 一７０一
