DCS在中型加热炉燃烧控制系统中的应用

1 引言
莱钢中型厂加热炉采用连铸坯，实现了坯料的热装、冷装及热缓冲工艺，其中热装比例达80%。加热炉采用步进式加热炉，加热能力130t/h，年设计加热量52万吨。使用燃料为高、焦炉混合煤气，分6段加热,加热到1250℃出炉。

2 系统配置
(1) 系统硬件组成
系统由1台控制器和1台工作站构成。控制器采用日本东芝公司MCS1000系统，该控制器有控制回路32路，控制点数1200余点。工作站采用东芝FA3100工控机。该控制器可接4个操作员接口站，工作站通过光纤连接到控制器上。控制器通过以太网和网关连接到远程过程级计算机。该系统配置图如图1所示。
(2) 系统软件
控制器采用日本东芝基于分散控制系统DCS的集总式控制系统TOSDIC-CIE1000，它是一种开放性的可灵活改变规模的控制系统，采用ENGINGEERING TOOL为控制软件。操作员接口站由OIS1000系统构成，采用INTELLUTION公司生产的基于WINDOWS操作系统的 FIXDMACS 5.65为监控软件。该监控系统具有人机交互、通讯、显示及存储、打印等功能，主要用于数据、图形显示，机组状态监控，机组数据输入，信息存储等各种有关操作的功能画面。操作的功能画面主要有两类，一是显示操作画面:本画面一方面显示数据，显示方式为数字、曲线、棒图、历史趋势等。另一方面，具有功能软开关、软按钮等供操作人员进行操作。 二是工艺流程画面:显示设备的工艺布置、工艺流程及相应的检测数据。OIS1000标准屏幕管理流程如图2所示。
3 系统控制功能
3.1 炉温控制
加热炉被分成上下预热、上下加热、上下均热6个温度控制区。区温度由DCS中的单回路PID控制器控制。分为C(级联)、A(自动)和M(手动)3种控制方式。其中C方式为计算机即程序加热方式，由CPU即加热炉过程级控制。A方式中操作人员可从CRT设置SV(温度设定点变量)来自动烧钢。M方式从CRT操纵MV(操纵变量)来手

图1 硬件配置图

动拖动流量阀门的开口度以调节炉温。温度控制器输出通过比例控制结构级联以确定助燃空气流量控制器和燃气流量控制器的设定点。每个区都配备有一对热电偶，DCS会自动选择温度较高的热电偶或有源的热电偶。
为了防止上区和下区相互干扰，提供了主/从控制方式。上区温度控制优先于下区温度控制，下区的温度由上区按操作员设定的主/从比控制。主/从控制只有在选择“主/从控制”时才开始。
3.2 区助燃空气和燃气流量控制
燃烧控制由燃气流量控制和助燃空气流量控制组成。2个流量控制均由区温度控制器控制输出。燃气流量和助燃

图2 OIS1000标准屏幕管理流程

空气流量受“双交叉限幅燃烧”控制，即便在瞬间条件下也能使空气燃气比保持在一定的范围内。助燃空气流量借助测量孔板测量，通过差压变送器，并用助燃空气总管的温度和压力加以补偿。燃气流量借助流量孔板测量，通过差压变送器，用燃气总管的温度和压力补偿。空气/燃气比按依据烧嘴特性和燃烧负荷及燃气热量值的空/燃比曲线自动补偿。
双交叉限幅燃烧法通过根据炉温控制器的输出来控制燃气和空气流量比而具有使燃/空比保持在一适当范围的功能，而每个流量设定值都有依据实际流量确定的上下限。采用这种控制，能在任何瞬间以及稳定条件下高精度保持燃烧系统的多余空气流量。双交叉限幅控制原理如图3所示。
3.3 炉压前馈控制
炉压控制用来保持一个恒定的炉膛压力,由DCS中的PID控制器控制。炉压在均热区测量并借助于用汽缸致动的烟道闸板进行控制。为了在出料门开关期间炉压保持在一定的范围内，炉压控制器输出用前馈修正系数补偿。除了防止炉压随燃烧负荷改变而改变外，把总的燃烧气流量当作计算炉压控制器输出的前馈修正系数的基准值。前馈控制通过稀释闸板打开或助燃空气流量改变时进行补偿。补偿值由下面公式确定。
dD=[K1*(Dn-Dn-1)]闸板+[K1*(Dn-Dn-1)]空气流量
K1:常数 Dn:干扰量n Dn-1:干扰量n-1
当出料炉门被打开时,闸板锁定操纵控制变量MV被记忆(MV1),PID随即被锁定,MV2供给了闸板制动器,MV2用公式MV2=MV1-X%定义,X%从CRT上设定。当出料门关闭时。在T1(由软件定时器设定)时间到前，仍向闸板制动器提供MV1。
3.4 空气换热器上游侧废气温度控制
为了防止换热器温度超出预设定温度,通过向废气管道鼓入冷气体来控制空气换热器上游侧废气温度。上游侧废

图3 双交叉限幅控制原理图

气温度用一个热电偶来测量，其信号送往DCS中的PID控制器。控制器用一个信号控制位于稀释空气鼓风机入口的两只控制阀的位置。鼓风机起/停信号送至电气系统。
3.5 气体换热器下游侧废气温度控制
气体换热器下游侧废气温度控制通过控制助燃空气的空气换热器旁通流量保持在最低温度上,以便在较低的温度下防止2台换热器受酸的腐蚀。控制器通过控制助燃空气进气管与助燃空气换热器出口管之间的调节阀(旁通阀)的位置来调节温度。
3.6 热空气泄露控制
为了使换热器温度保持在安全水平上并防止助燃空气温度过高,通过向大气泄放热空气来提高通过换热器的空气流量。温度由位于助燃空气主总管的热电偶测量，其信号送往DCS中的一个温度PID控制器(TIC-3020)。同时，要求有一个防止助燃空气鼓风机喘振的最小流量。因此，放泄流量由位于放泄阀管道上的孔板测量，其信号在经过压力和温度补偿后送往DCS中的流量PID控制器(FIC-3030)。TIC-3020与FIC-3030之间的高选信号将控制位于热空气排放系统中的放泄阀(TCV-3020)。在燃气总管的切断阀关断的情况下，TCV-3020由小于T1(助燃空气)和T2(气体换热器下游处的排气温度)的TIC-3020，FIC-3030及TIC-2081中的高选信号控制。TI，T2:由操作员预设定温度。
3.7 燃烧安全和切断系统
由于加热炉使用的气体为混合煤气，为了保证人和设备安全,燃烧控制在出现下列情况之一时要自动停炉或自动锁定。煤气切断后自动进行氮气吹扫。此外，在操作台发出报警闪光和声响。
(1) 自动停炉的因素
a) 电源“故障”
b) 仪表压缩空气动力压力“低”
c) 助燃空气压力“低”
d) 气压力“低”
e) 冷却水压力“低”
f) 通过操作员“事故停炉”
(2) 其它报警信号
操作中出现下列报警时,下面的一些控制如燃烧控制, 氮气压力控制,炉膛压力控制及换热器进口侧废气温度控制均继续。报警在屏幕上显示。
a) 氮气压力“低”
b) 助燃空气温度“高”
c) 空气换热器上游温度“高”
d) 冷却水温度“高”
e) 炉膛温度“高”
f) 气体换热器下游侧燃气温度“高”
该燃烧自动控制系统投入运行以来，性能可靠，运行稳定。加热炉燃烧平稳，炉温控制精度达1%，钢坯温度均匀稳定，钢坯黑印表面和中心温度≤30℃，氧化铁皮烧损≤1.1%,热耗以钢坯热上料产量 130t/h时为例只有665kj/kg,基本杜绝了钢坯过烧发生粘钢和钢温过低造成轧机负荷过大等事故的发生，为后道轧制工序提供了合格的钢坯。