蓄热式加热炉自动控制系统

马翠红+王俊琦+孟凡伟

摘要：为了确定提高蓄热式加热炉的加热质量减少运行成本，保证蓄热式加热炉在较高的效率下工作，设计了一套自动化控制系统.本文首先介绍了蓄热式控制技术，然后分别设计出蓄热式加热炉烧嘴燃烧控制方案、烧嘴换向控制方案、炉膛压力控制方案，最后采用PID控制算法并对炉温控制系统进行仿真，仿真结果表明，蓄热式加热炉自动控制系统稳定性好、温度调节准确、响应快速，能够使蓄热式加热炉稳定且高效的工作。

关键词：加热炉；蓄热式燃烧技术；自动控制系统

0 引言

随着世界经济的发展，国内外钢铁企业之间的竞争愈演愈烈，对能源的需求与日俱增，其中冶金工业消耗了大量能源，同时也浪费了大量能源，采用先进的控制方法和燃烧技术，在降低能耗的同时提高产品质量，对我国冶金工业的发展极其重要[1]。蓄热式加热炉是基于蓄熱式燃烧技术的大型加热设备，目前蓄热式加热炉普遍应用在我国冶金工业的加工生产工序之中[2]。

蓄热式加热炉是应用于冶金工业的一种新型的加热炉，具有高效燃烧、回收利用烟气及低二氧化碳排放等优点[3-4]。加热炉能否稳定运行不仅会影响钢坯的加热质量和效率，还会对钢板的成材率造成影响。作为轧制生产中的重要环节，采用先进的控制方法和燃烧技术，提高其自动控制系统性能，降低能耗提高产品质量，对我国钢铁企业的发展具有十分重要的意义。

1 蓄热式控制技术

蓄热式加热炉自动控制系统主要分为三个部分，即炉膛温度控制部分、烧嘴换向控制部分以及炉膛压力控制部分。其中炉膛温度控制部分一般通过控制炉内烧嘴的燃烧来实现。加热炉自动控制系统的设计理念是通过选用合适的控制算法和策略，使加热炉内燃气能够最大程度的实现充分燃烧，并能够控制加热温度快速精准的达到设定值[5]。在我国的冶金行业中蓄热式加热炉的控制算法主要为PID控制，它的控制优点是能够精确快速的达到控制要求，且控制系统较为稳定，但是当出现较大的干扰及出现突发状况时，控制效果并不是很理想[6]。由于目前控制技术领域的发展还不够完善，所以蓄热式加热炉的自动控制系统还需要更加仔细的研究。

2 设计方案

2.1 烧嘴燃烧控制方案

加热炉烧嘴燃烧方案选用脉冲燃烧控制方案，采用独立脉冲燃烧和时序脉冲燃烧二者相结合的方法，烧嘴独立脉冲燃烧，它主要的控制方式是通过一定的计算，得到该区域的热需求量，应用脉宽调制技术来调节系统加热燃烧的占空比，进而控制烧嘴的燃烧时间。烧嘴时序脉冲燃烧，就是每过一定的时间间隔，控制全炉的烧嘴按事先设定顺序依次打开。

2.2 烧嘴换向控制方案

烧嘴换向控制方案，采用全分散换向控制策略，换向模式为时序队列式换向控制与定温换向控制以及手动换向控制相结合的方式。此控制方案的操作流程为：当蓄热式加热炉正常加热运行时，此控制方案将烧嘴按照事先设定的顺序依次进行换向；当烧嘴的排烟侧温度高于设定值上限时，强制控制系统完成换向动作，当排烟侧温度恢复到设定值范围内时，系统则恢复到正常的换向状态；当加热炉切换到手动控制状态时，系统可由人工操作进行换向。其换向模式选择示意图如图1所示，其中手动换向的优先级最高。

2.3 炉膛压力控制方案

炉膛压力的控制结构较为简单，可以设计为负反馈闭环控制系统，如图2所示，采用PID控制策略，通过调节PID参数来控制引风机的转速，实现对炉膛压力的控制。

3 蓄热式加热炉控制算法仿真

蓄热式加热炉温度控制系统是一个比较复杂的自动控制系统，控制设计时可以采用具滞后环节的线性模型来表示，经查阅资料得出，温度控制系统的模型可以用二阶延迟系统来近似表示。某蓄热式加热炉炉温控制系统模型简化后的传递函数为[7]：

采用PID控制算法并对传递函数在单位阶跃响应下进行仿真，用Ziegler-Nichols整定方法对温度控制系统模型的PID参数进行整定。次方法利用Simulink软件仿真得到单位阶跃响应曲线，得到S型曲线，在转折点处作切线，得出切线方程：

得到放大系数、时间常数和延迟时间。，已知K、T、L，由表1，能够分别计算出PID控制器在PID控制下的比例放大系数KP、微分时间常数T和积分时间常数Ti的值[8]。

通过Simulink仿真出温度控制系统在PID控制时的单位阶跃响应曲线如图3所示，此时的PID参数为 。

4 结论

本文根据蓄热式控制技术工作原理，采用基于脉冲燃烧控制方式的PID控制策略。并在此基础上设计了烧嘴燃烧控制方案、烧嘴换向控制方案以及炉膛压力控制方案，最后通过Simulink软件对PID控制算法进行仿真，结果表明，该蓄热式加热炉自动控制系统稳定性好、温度调节准确、响应快速，能够使蓄热式加热炉高效稳定的工作。在资源紧张、大气污染日趋严重的今天，蓄热式加热炉自动控制系统的研究及应用具有特别重大的意义。

基金项目：国家自然科学基金资助项目（编号：61171058）

参考文献

[1] 张勇. 我国钢铁企业盈利情况分析[J]. 经济视野， 2014（13）：165-165.

[2] 布焕存. 蓄热式高温空气燃烧技术的应用[J].钢铁研究学报，2005， 17 （5）：1-6.

[3] 张振宇. 蓄热式加热炉的自动化控制特点及应用[J]. 数字技术与应用， 2010（6）：100-100.

[4] 葛芦生， 黄欣. 蓄热式加热炉燃烧控制算法研究及应用[J]. 安徽工业大学学报（自科版）， 2003， 20（4）：265-269.

[5] 曹晖， 何波， 刘慧明，等. 模糊控制在加热炉温度控制系统中的应用研究[J]. 现代制造工程， 2010，5（10）：137-141.

[6] Ge L S. APPlication study of complex control algorithm for regenerative furnace temperature[J]. Journal of Control Theory and Applieations， 2004（2）：205-207.

[7] 赵春锋，孙兴朋，王东兴. 基于MATLAB/Simulink下加热炉传递函数的PID仿真试验[J].节能，2010 （7）：20-22.

[8] 王正林，王胜开，陈国顺等. MATLAB/Simulink与控制系统仿真[M].第2版.北京：电子工业出版业，2008：223-228.

作者简介

马翠红：1960年生，女，汉族，河北唐山人，硕士生导师，教授. 主要研究方向：复杂工业系统的建模与控制.

通讯作者 王俊琦：男，汉族，河北唐山人，硕士研究生。endprint