【摘 要】加热炉是冶金企业最主要的耗能设备，其自动控制策略是过程控制领域内的一个重要的研究方向。本文以加热炉的控制系统设计为背景，就现场中遇到的燃料的热值不稳定等问题，提出了一种新的燃烧控制思想并作了深入的分析。此燃烧策略能基本保证最佳燃烧控制，使系统有更强的抗干扰能力，并且收到了比上述两种方法更佳的炉温控制效果。
【关键词】加热炉;冶金企业;燃烧控制
0 引言
连续式加热炉是轧钢行业中重要的工艺生产设备之一。加热炉在保证安全运行及完成加热钢坯任务的同时，还要考虑高效及经济地燃烧。如何采用合理有效的控制策略，当加热炉控制系统的负荷及煤气的质量等因素发生波动时，仍然能使加热炉内的炉膛温度、炉膛压力、排烟温度等参数稳定在控制范围之内，并且能够使加热炉工作在最佳燃烧区内，提高产品质量且能节约能耗、减少加热钢坯的氧化铁皮、降低对环境造成的污染等等，是提高企业竞争力的主要措施，也是企业界和科技界对加热技术改进一直关注的热门课题。
1 一种新的燃烧控制策略研究
1.1 燃料热值不稳给燃烧控制带来的问题
在目前国内运行的大部分加热炉中，为了降低成本投入，大都采用高炉煤气和焦炉煤气的混合燃料。当混合煤气热值的不稳定时，利用固定的空燃比计算出来的燃料流量往往会导致燃料流量和空气流量的不匹配，严重影响了炉膛内的温度控制效果以及加热炉燃烧系统的热效率。为了彻底解决煤气热值不稳问题，在下文中提出了一种新的燃烧控制策略。
1.2 燃烧控制系统结构
本文中提出了一种新的燃烧控制方法，即解开了燃料和空气的基本固定的配比关系，根据燃烧系统的供热平衡和燃料中可燃物质的燃烧平衡方程式，让供风（氧气）量跟随生产率和出钢温度设定值而变化，燃料需求量还是根据串级限幅控制来控制加热炉膛的温度。通过理论的分析和实践的证明，这种控制方法不仅能够很快地调整炉膛内的温度，而且能够保证空燃比在合适的范围之内，依然能够基本保证燃烧系统工作在最佳燃烧区域内，也保证了加热炉的燃烧效率。
燃烧控制系统的结构如图1所示：
1.3 控制系统设计的理论基础
下面我们来分析文中提出的新的燃烧控制策略的理论基础，在这之前，先来分析一下加热炉常用混合煤气燃料的组成。
1.3.1 高炉煤气和焦炉煤气
高炉煤气是炼铁的副产物。一般，高炉每消耗一吨的焦炭可以得到3800～4000米3的高炉煤气，数量是很大的。高炉煤气的特点是含有大量的N2和CO2，所以发热量比较低，通常只有3350～4200千焦/标米3，大型高炉煤气的热值则更低一些。高炉煤气由于发热量低，燃烧的温度也较低，火焰的辐射能力弱，在加热炉上单独使用困难，往往是和焦炉煤气混合使用。
焦炉煤气是炼焦的副产物，每炼制一吨焦炭可得400～450克/标米3焦炉煤气。焦炉煤气的主要可燃成分是H2、CH4、CO、C2H4等，此外还有H2S、焦油、氨、苯等，还有不可燃的CO2、N2和水分等，焦炉刚出来的煤气含有水蒸气300～500克/标米3。
一般在钢铁联营企业里，可以同时得到大量的高炉煤气和焦炉煤气，焦炉煤气和高炉煤气的产量的比值大约为1：10，单独使用焦炉煤气从企业总的能源分配来看是不合理的。所以，在许多钢铁联营企业里可以利用不同比例的高炉煤气和焦炉煤气的各种发热量的混合煤气，其发热量约为5900～9200千焦/标米3供企业各种加热炉作为燃料。
假设焦炉煤气在混合煤气中占的百分比为x，焦炉煤气的热值为R■，高炉煤气的热值为R■，则混合煤气的热值为R■，R■=xR■+（1-x）R■。无论当高炉煤气或焦炉煤气各自的组成成分发生变化，或着高炉煤气和焦炉煤气的配比有波动时，都会影响混合煤气的热值R■。
1.3.2 理论空气系数和煤气热值之间的关系
在工程计算中，各种组分的煤气计算时都折算成标煤计算。折算时应该是燃料热值的线性关系。每标煤的燃料所需的空气的配比u应是恒定的，则从上可以得出，燃烧系统要求的理论空燃比应近似是热值RG的线性关系，即有u=K×RG，其中K是一个与煤气组成及热值无关的系数。
1.3.3 燃料完全燃烧所需空气量的计算
燃料中的可燃气体成分与氧进行的化学反应是燃料燃烧时的一个主要过程。燃料的可燃成分是由碳、氢、硫等元素组成。如果燃烧过程中所有的可燃气体成分都与氧化合成CO2、H2O、SO2等产物，这种燃烧称之为完全燃烧。如果燃烧产物中还存在有可燃物质，则称为不完全燃烧。燃料只有在完全燃烧时才能放出最大的热量，所以燃烧系统都要求做到完全燃烧。
为了达到燃料完全燃烧，应很好地组织燃烧过程并对燃烧过程是否完善进行检测，为此，必须进行燃料的燃烧计算，获得有关燃烧过程的重要数据。其中最重要的是燃料燃烧时所需的空气量。为了简化计算，在工程计算准确度允许范围内作以下假定。
1）对空气和烟气中的所有气体成分，包括水蒸气，都作理想气体处理。
2）在温度不超过2000℃时，在计算中不考虑烟气的热分解，也不考虑固体燃料的灰质的热分解产物，例如：CaCO3→CaO+CO2的CO2，因为这部分产物是非常有限的。
3）略去空气中微量的稀有气体和CO2。
从供热平衡角度分析，设加热炉的生产率为P吨/小时，钢进来时的温度为T0，出钢温度设定值为TSP，钢的比热为C■。生产率检测由红外探测器实现，通过检测出钢速度以及单位钢坯的重量，就可以计算每小时的出钢产量。在推钢式加热炉中，由于出钢和进钢的速度是一样的，则单位时间内进入的钢。加热成品所需要吸收的热量为Q■：
Q■=C■×P×（TSP-T0）（1）
设煤气的热值为RG，即每立方米煤气完全燃烧能发出来的热量为RG，则单位时间内煤气燃料完全燃烧能发出的热量为F■×RG，其中F■为煤气流量。另外，排烟温度要带走一部分的热量Q■，冷却水要带走一部分的热量Q■，再加上炉子本身不可避免的一部分热损失Q■，包括炉门及其它不严密的地方逸出气体带走得热损失及不完全燃烧造成的热损失等等，都需要从煤气燃烧发热量来提供。从供热需求平衡角度，有：
F■×RG=C■×P×（TSP-T0）+Q■+Q■+Q■（2）
设u为理论上应设定的空燃比，即每立方米的（下转第242页）（上接第114页）煤气完全燃烧需要u立方米的空气，为保证燃烧系统工作在最佳燃烧区域内，u应该随着燃料质量（与热值相关）的变化而变化，当煤气质量好，热值高时，单位体积的煤气完全燃烧需要相对多一点的空气，u要选择大一点，反之，u要小一点。
V■+u×V■■CO■+H■O+发热量（3）
式（3）表示V■体积的煤气完全燃烧需要u×V■体积的空气。由该式可以得到：
F■=u×F■（4）
再由式（2）有：
F■=[C■×P×（TSP-T0）+Q■+Q■+Q■]/RG（5）
代入（4）有：
F■=u×[C■×P×（TSP-T0）+Q■+Q■+Q■]/RG（6）
上面已经分析过，空气过剩率u与燃料的热值RG近似呈正比关系，则（6）可写成：
F■=K×[C■×P×（TSP-T0）+Q■+Q■+Q■]（7）
其中K=u/RG。
从式（7）中可以看出，在假定Q■、Q■和Q■都不变的条件下，供风需求量是生产率P和出钢温度TSP设定值的函数。这样，当生产率和出钢温度不变时，供风量可以保持不变。当煤气的质量差时，可燃气体组成成分将降低，热值下降，按照原来的空燃比将不能保证最佳燃烧，实际燃烧中将有一部分空气多余，这样导致炉膛温度下降，由于流量仍采用串级控制回路，为保证炉膛温度，将会增加煤气流量，这样，实际的空燃比将会减少，这完全符合由于热值的下降导致实际空燃比的减少，燃烧系统仍能维持最佳燃烧或次最佳燃烧状态。反之亦然，当煤气质量好时，将导致炉膛温度升高，煤气的流量将会相应地减少，实际的空燃比增加，使系统维持在最佳燃烧或次最佳燃烧状态。
3 结论
在实际生产测试中，文中提出的燃烧控制方法，明显地提高了系统的响应速度，使炉膛温度能很快的跟随设定值的变化而变化。当加热炉的生产负荷发生变化时，从热平衡的角度来分析，供风流量马上跟着变化。实际的供风量的变化趋势基本上跟着生产率保持一致。与可变幅值的双交叉控制方法结果相比，当煤气的热值和生产率有波动时，煤气流量的变化幅值也不是很大，而且煤气流量和风流量的即时空燃比也基本合理，解决了煤气热值不稳给控制系统控制带来的困难。
【参考文献】
[1]何用梅.现代连续式加热炉[M].冶金工业出版社，1981.
[2]赖歇.燃烧技术手册[M].石油工业出版社，1982.
[责任编辑：杨玉洁]
