DCS在中型加熱爐燃燒控制系統中的應用

1 引言
萊鋼中型廠加熱爐采用連鑄坯，實現了坯料的熱裝、冷裝及熱緩沖工藝，其中熱裝比例達80%。加熱爐采用步進式加熱爐，加熱能力130t/h，年設計加熱量52萬噸。使用燃料為高、焦爐混合煤氣，分6段加熱,加熱到1250℃出爐。

2 系統配置
(1) 系統硬件組成
系統由1臺控制器和1臺工作站構成。控制器采用日本東芝公司MCS1000系統，該控制器有控制回路32路，控制點數1200余點。工作站采用東芝FA3100工控機。該控制器可接4個操作員接口站，工作站通過光纖連接到控制器上。控制器通過以太網和網關連接到遠程過程級計算機。該系統配置圖如圖1所示。
(2) 系統軟件
控制器采用日本東芝基于分散控制系統DCS的集總式控制系統TOSDIC-CIE1000，它是一種開放性的可靈活改變規模的控制系統，采用ENGINGEERING TOOL為控制軟件。操作員接口站由OIS1000系統構成，采用INTELLUTION公司生產的基于WINDOWS操作系統的 FIXDMACS 5.65為監控軟件。該監控系統具有人機交互、通訊、顯示及存儲、打印等功能，主要用于數據、圖形顯示，機組狀態監控，機組數據輸入，信息存儲等各種有關操作的功能畫面。操作的功能畫面主要有兩類，一是顯示操作畫面:本畫面一方面顯示數據，顯示方式為數字、曲線、棒圖、歷史趨勢等。另一方面，具有功能軟開關、軟按鈕等供操作人員進行操作。 二是工藝流程畫面:顯示設備的工藝布置、工藝流程及相應的檢測數據。OIS1000標準屏幕管理流程如圖2所示。
3 系統控制功能
3.1 爐溫控制
加熱爐被分成上下預熱、上下加熱、上下均熱6個溫度控制區。區溫度由DCS中的單回路PID控制器控制。分為C(級聯)、A(自動)和M(手動)3種控制方式。其中C方式為計算機即程序加熱方式，由CPU即加熱爐過程級控制。A方式中操作人員可從CRT設置SV(溫度設定點變量)來自動燒鋼。M方式從CRT操縱MV(操縱變量)來手

圖1 硬件配置圖

動拖動流量閥門的開口度以調節爐溫。溫度控制器輸出通過比例控制結構級聯以確定助燃空氣流量控制器和燃氣流量控制器的設定點。每個區都配備有一對熱電偶，DCS會自動選擇溫度較高的熱電偶或有源的熱電偶。
為了防止上區和下區相互干擾，提供了主/從控制方式。上區溫度控制優先于下區溫度控制，下區的溫度由上區按操作員設定的主/從比控制。主/從控制只有在選擇“主/從控制”時才開始。
3.2 區助燃空氣和燃氣流量控制
燃燒控制由燃氣流量控制和助燃空氣流量控制組成。2個流量控制均由區溫度控制器控制輸出。燃氣流量和助燃

圖2 OIS1000標準屏幕管理流程

空氣流量受“雙交叉限幅燃燒”控制，即便在瞬間條件下也能使空氣燃氣比保持在一定的范圍內。助燃空氣流量借助測量孔板測量，通過差壓變送器，并用助燃空氣總管的溫度和壓力加以補償。燃氣流量借助流量孔板測量，通過差壓變送器，用燃氣總管的溫度和壓力補償。空氣/燃氣比按依據燒嘴特性和燃燒負荷及燃氣熱量值的空/燃比曲線自動補償。
雙交叉限幅燃燒法通過根據爐溫控制器的輸出來控制燃氣和空氣流量比而具有使燃/空比保持在一適當范圍的功能，而每個流量設定值都有依據實際流量確定的上下限。采用這種控制，能在任何瞬間以及穩定條件下高精度保持燃燒系統的多余空氣流量。雙交叉限幅控制原理如圖3所示。
3.3 爐壓前饋控制
爐壓控制用來保持一個恒定的爐膛壓力,由DCS中的PID控制器控制。爐壓在均熱區測量并借助于用汽缸致動的煙道閘板進行控制。為了在出料門開關期間爐壓保持在一定的范圍內，爐壓控制器輸出用前饋修正系數補償。除了防止爐壓隨燃燒負荷改變而改變外，把總的燃燒氣流量當作計算爐壓控制器輸出的前饋修正系數的基準值。前饋控制通過稀釋閘板打開或助燃空氣流量改變時進行補償。補償值由下面公式確定。
dD=[K1*(Dn-Dn-1)]閘板+[K1*(Dn-Dn-1)]空氣流量
K1:常數 Dn:干擾量n Dn-1:干擾量n-1
當出料爐門被打開時,閘板鎖定操縱控制變量MV被記憶(MV1),PID隨即被鎖定,MV2供給了閘板制動器,MV2用公式MV2=MV1-X%定義,X%從CRT上設定。當出料門關閉時。在T1(由軟件定時器設定)時間到前，仍向閘板制動器提供MV1。
3.4 空氣換熱器上游側廢氣溫度控制
為了防止換熱器溫度超出預設定溫度,通過向廢氣管道鼓入冷氣體來控制空氣換熱器上游側廢氣溫度。上游側廢

圖3 雙交叉限幅控制原理圖

氣溫度用一個熱電偶來測量，其信號送往DCS中的PID控制器。控制器用一個信號控制位于稀釋空氣鼓風機入口的兩只控制閥的位置。鼓風機起/停信號送至電氣系統。
3.5 氣體換熱器下游側廢氣溫度控制
氣體換熱器下游側廢氣溫度控制通過控制助燃空氣的空氣換熱器旁通流量保持在最低溫度上,以便在較低的溫度下防止2臺換熱器受酸的腐蝕。控制器通過控制助燃空氣進氣管與助燃空氣換熱器出口管之間的調節閥(旁通閥)的位置來調節溫度。
3.6 熱空氣泄露控制
為了使換熱器溫度保持在安全水平上并防止助燃空氣溫度過高,通過向大氣泄放熱空氣來提高通過換熱器的空氣流量。溫度由位于助燃空氣主總管的熱電偶測量，其信號送往DCS中的一個溫度PID控制器(TIC-3020)。同時，要求有一個防止助燃空氣鼓風機喘振的最小流量。因此，放泄流量由位于放泄閥管道上的孔板測量，其信號在經過壓力和溫度補償后送往DCS中的流量PID控制器(FIC-3030)。TIC-3020與FIC-3030之間的高選信號將控制位于熱空氣排放系統中的放泄閥(TCV-3020)。在燃氣總管的切斷閥關斷的情況下，TCV-3020由小于T1(助燃空氣)和T2(氣體換熱器下游處的排氣溫度)的TIC-3020，FIC-3030及TIC-2081中的高選信號控制。TI，T2:由操作員預設定溫度。
3.7 燃燒安全和切斷系統
由于加熱爐使用的氣體為混合煤氣，為了保證人和設備安全,燃燒控制在出現下列情況之一時要自動停爐或自動鎖定。煤氣切斷后自動進行氮氣吹掃。此外，在操作臺發出報警閃光和聲響。
(1) 自動停爐的因素
a) 電源“故障”
b) 儀表壓縮空氣動力壓力“低”
c) 助燃空氣壓力“低”
d) 氣壓力“低”
e) 冷卻水壓力“低”
f) 通過操作員“事故停爐”
(2) 其它報警信號
操作中出現下列報警時,下面的一些控制如燃燒控制, 氮氣壓力控制,爐膛壓力控制及換熱器進口側廢氣溫度控制均繼續。報警在屏幕上顯示。
a) 氮氣壓力“低”
b) 助燃空氣溫度“高”
c) 空氣換熱器上游溫度“高”
d) 冷卻水溫度“高”
e) 爐膛溫度“高”
f) 氣體換熱器下游側燃氣溫度“高”
該燃燒自動控制系統投入運行以來，性能可靠，運行穩定。加熱爐燃燒平穩，爐溫控制精度達1%，鋼坯溫度均勻穩定，鋼坯黑印表面和中心溫度≤30℃，氧化鐵皮燒損≤1.1%,熱耗以鋼坯熱上料產量 130t/h時為例只有665kj/kg,基本杜絕了鋼坯過燒發生粘鋼和鋼溫過低造成軋機負荷過大等事故的發生，為后道軋制工序提供了合格的鋼坯。