一种加热炉燃烧优化控制系统的制作方法

本发明涉及冶金技术领域，尤其涉及一种加热炉燃烧优化控制系统。

背景技术：

燃料炉通过燃料燃烧释放化学热提供热量加热工件，燃烧过程助燃空气供给量的控制直接影响到能源利用效率、有害物co、nox等排放水平以及炉内加热气氛和产品质量等多方面技术经济指标，是燃料燃烧控制中一项核心的控制内容。通常燃烧供给的燃料量是根据炉温和工艺要求确定，而燃料燃烧需要的空气量则根据空燃比进行调节。空燃比为燃烧供给空气量与燃料量的比值，空气量供给过大会造成能源浪费、燃烧温度降低、氧化烧损增加和有害气体nox排放增加等问题，空气量供给不足则会存在燃料不完全燃烧，化学热损失增加，能源利用率下降，烟气co排放超标等问题。根据实际需要，空气量的供给存在一个最优工艺控制值。

然而，实际大生产过程中各种气氛条件是不断波动变化的。目前各大燃料炉窑多以在炉窑计算机控制系统中人工设定空燃比的方式对空气供给量进行调节控制，并且控制依据的条件单一，控制精度较低，不能很好的适应现场多变的生产环境。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明提出了一种加热炉燃烧优化控制系统，能够精确的控制加热炉空气流量，保证加热炉内的燃气充分燃烧，降低排放节约能源。

本申请通过一实施例提供如下技术方案：

一种加热炉燃烧优化控制系统，包括：空气调节阀、燃气成分在线检测仪、燃气流量计、烟气co2在线检测仪和控制器，所述空气调节阀设置在空气管道上，所述燃气成分在线检测仪和所述燃气流量计按照燃气流向依次设置在燃气管道上，所述烟气co2在线检测仪设置在加热炉炉尾烟道入口处；所述空气调节阀、燃气流量计、所述燃气成分在线检测仪以及所述烟气co2在线检测仪均与所述控制器通信连接；所述控制器用于：获取所述燃气流量计检测的燃气流量，所述燃气成分在线检测仪检测的燃气成分，烟气co2在线检测仪检测的加热炉内的co2含量，以及当前时间；其中，所述当前时间为获取所述燃气流量的时间点；根据所述燃气流量和所述燃气成分，获得第一空气流量；基于所述当前时间进行延时之后将所述空气调节阀的流量大小调节为所述第一空气流量；根据所述第一空气流量和所述co2含量，对所述空气调节阀进行反馈调节，获得第二空气流量；所述第二空气流量为所述空气调节阀的最终流量大小。

可选的，所述控制器具体用于：

基于模型qt1＝n*l0*vt，获得第一空气流量；其中，qt1为第一空气流量，n为空气过剩系数，l0为燃料理论空气量，vt为燃气流量；l0＝4.7619*(0.5*l1+0.5*l2+2*l3+0.04-l4)，其中，l1为h2理论消耗空气量，l2为co理论消耗空气量，l3为ch4理论消耗空气量，l4为燃气中的氧气量。

可选的，所述空气过剩系数为1.05。

可选的，所述控制器具体用于：

可选的，所述控制器具体用于：

对所述第一空气流量调整一反馈调节量，获得第一调整值；将所述空气调节阀调整至第一调整值后，获取烟气co2在线检测仪检测的第一反馈检测值；当所述第一反馈检测值大于所述co2含量，则按照上一次调整的调整方向将所述第一调整值调整一反馈调节量，获得第二调整值；或当所述第一反馈检测值小于所述co2含量，则按照上一次调整的相反调整方向将所述第一调整值调整一反馈调节量，获得第二调整值；其中，所述调整方向包括增加调整或减小调整；将所述空气调节阀调整至第二调整值后，获取烟气co2在线检测仪检测的第二反馈检测值；当所述第二反馈检测值小于或等于所述第一反馈检测值时，获得第二空气流量；当所述第二反馈检测值大于所述第一反馈检测值时，继续根据所述第二调整值和所述反馈调节量对所述空气调节阀进行反馈调节，直至获得所述第二空气流量。

可选的，所述控制器具体用于：

根据所述燃气成分在线检测仪与所述燃气流量计之间距离、所述燃气管道的断面面积以及所述燃气流量，获得延时时长；基于所述当前时间进行延时所述延时时长之后，将所述空气调节阀的流量大小调节为所述第二空气流量。

可选的，所述控制器为plc控制系统或dcs控制系统。

可选的，所述燃气成分在线检测仪为多组分在线气体质谱分析仪。

可选的，所述烟气co2在线检测仪为在线红外气体分析仪。

可选的，所述烟气co2在线检测仪为激光在线检测仪。

可选的，所述激光在线检测仪具有检测发射端和检测接收端，所述检测发射端和所述检测接收端分别设置在所述加热炉的相对两侧的炉墙上。

本发明提供的一种加热炉燃烧优化控制系统中包括：空气调节阀、燃气成分在线检测仪、燃气流量计、烟气co2在线检测仪和控制器，空气调节阀设置在空气管道上，燃气成分在线检测仪和燃气流量计按照燃气流向依次设置在燃气管道上，烟气co2在线检测仪设置在加热炉炉尾烟道入口处；空气调节阀、燃气流量计、燃气成分在线检测仪以及烟气co2在线检测仪均与控制器通信连接；控制器用于：获取所述燃气流量计检测的燃气流量，燃气成分在线检测仪检测的燃气成分，烟气co2在线检测仪检测的加热炉内的co2含量，以及当前获取数据的当前时间；根据燃气流量和所述燃气成分，获得第一空气流量，可实现空气流向的正向调节；在调节时，基于当前时间进行延时之后将空气调节阀的流量大小调节为第第一空气流量，使得检测到的燃气成分值为流量控制时刻对应的真实数据，保证空气流量的调节精度；进一步的，根据第一空气流量和所述co2含量，对空气调节阀进行反馈调节，获得第二空气流量；第二空气流量为所述空气调节阀的最终流量大小，通过反馈调节进一步的提高了调节精度。通过上述系统，本发明实施例实现了对加热炉空气流量进行精确的控制，保证加热炉内的燃气充分燃烧，降低排放节约能源。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1示出了本发明第一实施例提供的一种加热炉燃烧优化控制系统的结构示意图；

图2示出了本发明第一实施例中控制器执行的功能步骤流程图；

图3示出了本发明第一实施例中一示例性的加热炉中co2、co、o2、nox与空气过剩系数的变化关系示意图。

图标：100-加热炉燃烧优化控制系统；1-加热炉；2-燃烧器；3-空气调节阀；4-燃气流量阀；5-燃气流量计；6-空气流量计；7-燃气成分在线检测仪；8-控制器；9-烟气co2在线检测仪。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

目前，现有的一些关于燃料炉燃烧优化自动控制技术有如下几种：

1、通过在加热炉温度控制计算机上设定目标氧浓度，根据预先设定的空气燃比计算公式计算实时燃料量条件下空气量，进而对空气供给量进行调节的方法，实现从氧化烧成到还氧烧成的调节控制。该方法虽然扩大了空燃比的调节范围，但依然采用人工设定的方法，只不过设定的是目标氧浓度，而不是目标空燃比，同样不能实现根据燃料实时条件进行空气优化控制的自动控制目标。

2、通过建立空燃比优化控制模型，以加热炉炉温加权处理设定优化目标函数，设计优化步长，采用进退法自寻优算法，以目标函数温度值达到最大值为目标计算优化空燃比，对空气量进行调节。该方法以炉温为目标函数，但影响炉温的因素很多，空燃配比只是其中一种因素，尤其炉温直接受煤气流量的影响，在煤气流量存在变化的时候，该方法则无法达到优化自动控制功能。

3、通过安装于加热炉上的氧化锆分析仪，在线检测炉内气体残氧含量，反馈到plc(programmablelogiccontroller，可编程逻辑控制器)控制模块，计算空燃比修正量对空气供给量进行调节。该方法最大的问题是氧化锆分析仪检测精度不高，使用寿命短，生产中仅用于检测显示，依然不能实现直正意义上全自动优化控制，同时该方法由于采用单点检测，对于燃料炉内紊乱的气流场而言，采样方式同样存在较大误差，影响到优化控制的精度和稳定性。

4、通过安装于炉顶的在线烟气co分析仪和氧分析仪检测烟气成分，在dcs控制系统中设定调节阀值，根据检测值是否在阀值范围内的方法对风门阀板进行调节。

5、通过在加热炉各控制段安装激光检测机构在线检测炉内气体中o2和co含量，对空燃比进行调节。

6、通过在加热炉各控制段安装气体取样枪采集炉内气体试样，然后通过烟气分析仪进行成分分析，以此对空燃比进行调节。4-6中的方法控制原理相同，且均存在采样误差的问题，由于燃料燃烧过程具有脉动和非稳定的特点，燃料炉内气流状况受燃烧器布置、火焰形态、炉压控制等多方面因素影响，特别是炉内气体包括燃烧后烟气，同时还存在未燃气体和正在燃烧气体，炉内气体成分样难以代表和反映燃料燃烧过程实际状态，相应的也不能有效的实现优化控制目的和效果。

7、一种加热炉智能精确燃烧控制系统，包括中央控制器和氧含量检测器，中央控制器包含最优空燃比设定模块、最优空燃比自动调节模块和空燃比反馈控制模块，通过氧含量检测器检测烟气中残氧，反馈到空燃比反馈控制模块，调节空气和煤气调节阀门来控制空燃配比。该方法采用烟气残氧信号反馈控制，在残氧量高且成分稳定的状态下可以有效地实现燃烧过程自动控制，但在残氧量低且成分波动的状态下，自动控制系统稳定性和准确性差。

8、通过定时循环采样分析烟气co含量，控制空燃配比于目标值。该方法采用烟气co信号反馈控制，但由于燃料完全燃烧后烟气中co多为零，故该系统作用范围窄，实用性不强。

在本发明中针对上述现有方案中存在的问题针对性的开发出了一种加热炉燃烧优化控制系统，本发明中的加热炉燃烧优化控制系统可部分或全部的解决上述现有方案中所存在技术缺陷，对本发明系统的详细阐述可参照如下实施例进行理解。

实施例

请参见图1，图1示出了本发明实施例提供的一种加热炉燃烧优化控制系统100的结构示意图，该系统用于对加热炉1的空气流量进行控制。

具体的，加热炉燃烧优化控制系统100包括：空气调节阀3、燃气流量阀4、燃气流量计5、空气流量计6、燃气成分在线检测仪7、控制器8和烟气co2在线检测仪9。空气流量计6和空气调节阀3沿空气流向的顺序依次设置在空气管道上，燃气成分在线检测仪7、所述燃气流量计5以及燃气流量阀4按照燃气流向顺序依次设置在燃气管道上。烟气co2在线检测仪9设置在加热炉1炉尾烟道入口处。空气管道和燃气管道均连接至燃烧器2。空气调节阀3、空气流量计6、燃气成分在线检测仪7、燃气流量计5、燃气流量阀4以及所述烟气co2在线检测仪9均与控制器8通信连接。

在本实施例中，控制器8为plc控制系统或dcs(distributedcontrolsystem，集散控制系统)控制系统。控制器8与连接的空气调节阀3、空气流量计6、燃气成分在线检测仪7、燃气流量计5、燃气流量阀4以及所述烟气co2在线检测仪9等装置之间可为双向通信，例如采用opc协议objectlinkingandembedding(ole)forprocesscontrol，opc)、modbus协议或profibus协议(processfieldbus，过程现场总线)等进行双向数据交换；以便于控制器8进行数据的采集和控制器8对目标进行控制。其中，具体的连接方式为本领域技术人员所熟知的不再赘述。

燃气成分在线检测仪7，用于分析燃气成分。本实施例中的燃气成分在线检测仪7可为多组分在线气体质谱分析仪。

烟气co2在线检测仪9，用于检测加热炉1内的co2含量，具体可为在线红外气体分析仪。在本实施例中还提供另一种实现方式，烟气co2在线检测仪9为激光在线检测仪。该激光在线检测仪具有检测发射端和检测接收端，检测发射端和检测接收端分别设置在所述加热炉1的相对两侧的炉墙上。这样可采集加热炉1宽向上的烟气平均成分，减少单点取样带来的测量误差。

进一步的，请参阅图2，控制器8还用于进行如下的控制过程：

步骤s10：获取所述燃气流量计检测的燃气流量，所述燃气成分在线检测仪检测的燃气成分，烟气co2在线检测仪检测的加热炉内的co2含量，以及当前时间；其中，所述当前时间为获取所述燃气成分的时间点。

在步骤s10中，在当前时间检测得到的燃气流量和co2含量燃气流量计5均可传输至控制器8，由控制器8进行处理，例如计算、储存等。

步骤s20：根据所述燃气流量和所述燃气成分，获得第一空气流量。

在步骤s20中，具体基于模型qt1＝n*l0*vt，获得第一空气流量；其中，qt1为第一空气流量，n为空气过剩系数，l0为燃料理论空气量，vt为燃气流量；l0＝4.7619*(0.5*l1+0.5*l2+2*l3+0.04-l4)，其中，l1为h2理论消耗空气量，l2为co理论消耗空气量，l3为ch4理论消耗空气量，l4为燃气中的氧气量。通过上述计算模型就可获得正向调节的空气流量；4.7619表示1体积氧气所需要的空气量；一般的在线煤气成分分析仪不对微量的重碳氢可燃组份做分析，在本实施例中为了提高控制精度，将燃气中微量可燃组分重碳氢所需要的氧气量设置为0.04，此值为人工采样分析样本获得的平均值。

步骤s30：基于所述当前时间进行延时之后将所述空气调节阀的流量大小调节为所述第一空气流量。

在步骤s30中，进行延时控制可保证检测到的燃气成分为流量控制时刻对应的真实数据，避免调节失真，保证空气流量的调节精度。

具体的，根据燃气成分在线检测仪7与燃气流量计5之间距离、燃气管道的断面面积以及燃气流量，获得延时时长。延时时长可表示为△t＝s*f/v，其中，△t为延时时长，s为燃气成分在线检测仪7与燃气流量计5之间距离，f为燃气管道的断面面积，v为燃气流量。

最后，基于当前时间进行延时延时时长之后，将空气调节阀3的流量大小调节为所述第一空气流量。例如，当前时间为t，则控制空气调节阀3的实际时间t应当为t＝t+△t，可通过延时控制器8实现延时控制，具体延时的手段不做限制。具体来说，当前时间为t时刻进行流量控制的燃气，实际成分为△t时间前的检测结果，故通过延时控制器8，存储△t时间前的燃气成分的检测数据，用于t时刻进行控制，得到t控制时刻的理论空气需要量。也即当前t时刻检测的燃气成分需要在△t时间之后才能真实的到达燃气流量阀4。延时调整结合上述的正向优化控制和反馈调整控制，即能快速和准确地确定空气供量初值；然后与空气流量计6实测空气流量值进行比对，采用pid(proportionintegraldifferential，比例积分微分算法)增量调节方式调整空气阀门即可使得实时空气流量达到所需的目标值，即第一空气流量。

步骤s40：根据所述第一空气流量和所述co2含量，对所述空气调节阀进行反馈调节，获得第二空气流量；所述第二空气流量为所述空气调节阀的最终流量大小。

在步骤s40中，co2含量可以反应加热炉1内的实际燃烧情况，检测实时烟气中的co2含量，作为燃烧状态是否处于最优位置的判定参数，通过co2含量就可对空气流量进行反馈微调。

具体的，反馈微调也即对co2的含量值进行寻优，找到最大值。本实施例的微调过程如下：

1、对第一空气流量调整一反馈调节量，获得第一调整值；将空气调节阀3调整至第一调整值后，获取烟气co2在线检测仪9检测的第一反馈检测值；

2、当第一反馈检测值大于co2含量，则按照上一次调整的调整方向将第一调整值调整一反馈调节量，获得第二调整值；或当第一反馈检测值小于co2含量，则按照上一次调整的相反调整方向将第一调整值调整一反馈调节量，获得第二调整值；其中，调整方向包括增加调整或减小调整；

3、将空气调节阀3调整至第二调整值后，获取烟气co2在线检测仪9检测的第二反馈检测值；

4、当第二反馈检测值小于或等于第一反馈检测值时，获得第二空气流量；

5、当第二反馈检测值大于第一反馈检测值时，继续根据第二调整值和反馈调节量对空气调节阀进行反馈调节，直至获得第二空气流量。

在第二空气流量位置，可使得加热炉内的co2含量达到最大值或最大值附近。本实施例中的反馈调节量可根据具体的工况环境设定，可设置为一较小的数值。

如图3所示，其中示出了一示例性的加热炉1中co2、co、o2、nox与空气过剩系数的变化关系示意图。其中，co2的含量先是随着实际空气过剩系数增加而增加，达到极值后，则随着实际空气过剩系数增加而减少，极值状态则是燃气完全燃烧，能量利用效率最高的状态。烟气中co则是随着实际空气过剩系数增加而减少，燃烧效果好的场所，空气过剩系数达到1.0以后，co趋近为零。空气过剩系数在1.0附近，co含量为ppm(partspermillion，百万分比浓度)级。而烟气中o2变化规律与co规律正相反，则随着实际空气过剩系数增加而烟气中o2含量不断增加，在空气过剩系数达到1.0以前，烟气中o2含量基本为零。因此，在本实施例中空气过剩系数可设置为1～1.1，在本实施例中可确定为较优值1.05。

进一步的，第二空气流量可表示为qt2＝n*l0*vt+△qt，其中，△qt为空气反馈调整量，空气反馈调整量为反馈调节量的总和。通过co2进行空气反馈调整，就能够使得加热炉1内的空气过剩系数维持在较佳水平，保证燃烧充分，节约燃气资源。

在本实施例中将燃烧效率控制在最高点附近，也即将co2含量控制在最大值附近，烟气中o2含量约在2％以下。烟气中o2含量过高会造成加热钢件氧化烧损加剧。烟气中nox排放也是随着空气过剩系数增加而增加。由此以控制烟气co2含量达到最大值为目标进行优化调节，可实现最高燃烧效率、最低污染物排放和最小钢材氧化烧损的多重有益效果。同时，由于烟气中co2含量比o2和co含量高出很多，对于钢铁企业付产燃气而言，烟气中co2含量达到20％以上，而co含量环保要求控制在1000ppm以下，空气过剩系数达到1.0以后检测值基本为零，o2含量也在个位百分数以下，空气过剩系数达到1.0以前检测值基本为零。相比现有的烟气残o2或o2和co含量检测反馈控制的方法，采用co2含量检测反馈控制检测精度更高、响应更快、系统更稳定性，且适用范围更广。

本实施例的系统能实现真正意义上的燃烧优化的自动控制，且同时获得最高燃烧效率、最低污染物排放和最小钢材氧化烧损的有益效果。控制系统应用于轧钢加热炉1上，理论上来说炉尾烟气o2含量可以稳定控制在1％左右，相比现有技术烟气o2含量可减少1％-3％，而o2含量每减少1％，可带来炉窑4％的燃料节省。烟气o2含量减少可同时降低钢材加热氧化烧损，相比现有技术烟气o2含量从3％降至1％，钢材氧化烧损可降低69.23％，应用该控制系统轧钢加热炉1氧化烧损率控制在0.6％以下。应用该控制系统炉尾烟气co含量可稳定控制100ppm以下，相比现有技术烟气co含量可减少0.1％-0.5％，而co含量每减少0.5％，可带来炉窑2.5％的燃料节省。相比现有技术，nox排放理论可减少30％以上。

本实施例提供的一种加热炉燃烧优化控制系统100中包括：空气调节阀3、燃气成分在线检测仪7、燃气流量计5、烟气co2在线检测仪9和控制器8，空气调节阀3设置在空气管道上，燃气成分在线检测仪7和燃气流量计5按照燃气流向依次设置在燃气管道上，烟气co2在线检测仪9设置在加热炉1炉尾烟道入口处；空气调节阀3、燃气成分在线检测仪7以及烟气co2在线检测仪9均与控制器8通信连接；控制器8用于：获取所述燃气流量计5检测的燃气流量，燃气成分在线检测仪7检测的燃气成分，烟气co2在线检测仪9检测的加热炉1内的co2含量，以及当前获取数据的当前时间；根据燃气流量和所述燃气成分，获得第一空气流量，可实现空气流向的正向调节；在调节时，基于当前时间进行延时之后将空气调节阀3的流量大小调节为第一空气流量，使得检测到的燃气成分值为流量控制时刻对应的真实数据，保证空气流量的调节精度；进一步的，根据第一空气流量和所述co2含量，对空气调节阀3进行反馈调节，获得第二空气流量；第二空气流量为所述空气调节阀3的最终流量大小，通过反馈调节进一步的提高了调节精度。通过上述系统，本实施例实现了对加热炉1空气流量进行精确的控制，保证加热炉1内的燃气充分燃烧，降低排放节约能源。

本文中出现的术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系；单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

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