轧钢加热炉综合节能改造与效果分析

周 枫 张晟昊

上海市质量监督检验技术研究院

0 引言

加热炉是钢铁企业轧钢生产的主要工艺设备，其能耗占轧钢工序总能耗的75%～80%。轧钢加热炉的质量控制直接关系到经济效益，并对提高加热炉寿命、降低钢坯烧损、提高成材率、节能降耗等有重要意义。本文以轧钢加热炉智能燃烧控制和配套风机系统节能改造为背景，介绍了项目改造方案和技术原理，并对节能效果进行验证。

1 加热炉现状及改造目标

加热炉的任务是按轧机的轧制节奏将钢坯加热到工艺要求的温度水平，钢坯经过加热炉加热（加热炉对压力、温度和空燃比等具有一定要求），达到出钢温度后即可出炉。并在保证优质、高产的前提下，尽可能地降低燃料消耗、减少氧化烧损。

1.1 现有加热炉存在的问题

1)燃烧控制以手动为主，无法保证控制精度。

加热炉系统鼓风机和煤气加压机将空气和煤气送至蓄热箱预热至900℃以上喷入炉膛。加热炉分为四个供热段，两侧上下有空气和煤气蓄热烧嘴供热，采用各段炉温制度；空气和煤气侧引风机将低于150℃的烟尘排入空中，手动调节各供热段的流量和空燃比，通过上下烧嘴的能力和煤嘴前阀门手动调节供热量，出钢温度波动较大。

2)加热炉鼓风机主要是将空气送入加热炉内，起到混合、扰动和加强燃烧的作用。

空气引风机和煤气引风机将加热炉内燃烧后的气体排入大气，并保证炉内压力维持在工艺需求范围内。改造前供风调节、炉压控制、排烟量通过阀门调整，因此风机系统的能耗较高。

1.2 加热炉综合节能改造目标

1)通过智能燃烧控制系统改造，提供更合理的炉温制度和供热制度，确保满足各类钢种、规格和产能情况下的加热质量要求。

2)在燃烧控制上，采用模糊算法和改进的PID控制技术，实现全炉钢坯温度的准确计算，使钢坯出炉温度更易达到目标温度的合适范围，使轧制线的各种工艺技术得以可靠实现。

3)满足加热质量前提下的钢温允许工艺范围的低限供热，最大限度降低燃耗，实现节能、降低氧化烧损、减小脱碳层厚度的综合效果。

4)提供更多的钢坯加热统计分析数据，例如钢坯出炉温度、各段在炉时间、各段加热炉温、出炉温度等，为管理者的科学管理、科学决策提供可靠依据。

5)将鼓风机、引风机系统的连接方式由原来的电机+风机改为电机+永磁调速装置+风机；阀门全开，工艺参数通过永磁调速装置调节风机的工作转速实现。

2 项目改造技术方案

2.1 智能燃烧控制系统

2.1.1 炉温控制

对于每段炉温的控制回路，由炉顶的2支热电偶测得温度值参与炉温调节，操作员可在HMI上任意选择。

1)改进型双交叉限幅控制方法

相对于串级比值方法，为了更精细地控制空燃比，出现了带有双交叉限幅的串级比值控制方法，简称双交叉控制方法。优点是能有效控制动态空燃比，缺点是限幅牺牲了系统跟踪负荷变化的速度，降低了系统的响应速度。控制原理如图1所示。为进一步提高响应速度，改进型双交叉方法将限幅系数设为可根据温度偏差自动修正，以便在温度偏差较大时减弱或取消限幅功能，即限幅系数是动态的，将大幅提高控制系统的响应速度。

图1 控制原理图

2)空气过剩系数u自动修正策略

根据燃烧理论，理论空气过剩率与烧嘴负荷之间的关系如图2所示。随着生产负荷的变化，理论空气过剩系数也应随之变化。这种变化的空气过剩系数修正策略有利于提高燃烧效率，降低氧化烧损。此外，在常规控制的低负荷状态时，为了保证在小流量情况下使空气和煤气能充分地混合燃烧，必须在相应的煤气流量的情况下，适当加大空气流量，以保证在小流量情况下的合理燃烧。

图2

3)炉温模糊控制技术

鉴于温度对象的大滞后，仅靠常规PID控制调整造成响应速度慢，超调量大。一方面通过供热需求分析建立燃料的消耗量与生产能力（生产率）之间的基本函数关系；另一方面，根据操作经验将加热炉分为几种典型工况，制定相应的决策规则。在此基础上，建立炉温模糊控制器。为了保证系统运行的可靠性，模糊控制器采用前馈结构实现，既保证了根据生产情况模糊决策对流量控制的作用，又兼顾了PID的控制作用。实际上，生产比较平稳时，炉温模糊控制器输出基本没有变化，PID起主要作用；当生产率变化时，往往是在温度发生波动前，模糊控制器会超前PID起作用，且直接作用流量改变。这种控制技术可以起到提前修正作用，从而提高控制系统的响应速度。

2.1.2 炉膛压力的调节

引入风机永磁调速技术自动调整排烟量，根据煤气供应量参数，系统设定引风机转速，实现风机永磁调速闭环设定，保持一定风机总管压力。

炉膛压力主要通过设于排烟管道上调节阀的开度进行调节，正常情况下应保持炉膛微正压20Pa,以防止外部冷气侵入和火焰外逸。以均热段炉压测点为被控参数，以各段电动调节阀为操纵量。从炉气平衡出发，烟道排烟量应与供风量相平衡，故采用前馈－反馈控制方式，见图3。

图3 炉膛压力调节控制系统

由于炉门经常开关，会引起炉膛内压力频繁波动。在测量值经常变化的情况下烟道挡板易产生振荡，不能进行有效的控制。为此，设计开关炉门时控制输出锁定保持功能，即开关炉门时，位置保持不变，到位后恢复调节功能。

2.1.3 供风压力调节

人工HMI设定鼓风机总管系统压力，系统实现风机转速闭环控制，保持供风系统压力。

2.2 永磁调速系统

永磁调速装置的控制方式分为现场手动、远程手动和DCS自动,见图4。在风机调速应用中，参与阀门联动，配合现场控制系统，满足现场连锁要求。

图4 PLC系统控制柜控制/直接控制永磁调速装置

3 项目节能效果分析

3.1 智能燃烧控制系统的改造效果

3．1．1 合理空燃比，控制残氧量

加热炉采用高炉煤气做燃料，空气助燃，控制好空燃比（空气流量与煤气流量之比），将加热炉内气氛的残氧量控制在≤2%范围内。

3．1．2 调节炉温，优化出钢温度

根据钢坯加载量、燃料压力和炉膛压力等因素自动调节炉温，使各段温度稳定在烧制要求的范围内，可适应不同的轧钢节奏、给料变化，优化目标出钢温度，自动调节炉温，使温度制度达到最佳。

3．1．3 动态调节，热效率最佳

动态调节炉压、蓄热体和排烟温度，使加热炉热效率达到最佳。基于目标出钢温度、炉内温度、压力、空燃比、轧制节奏、给料变化的动态优化模型，构建相应的控制算法，实现最佳燃烧工况。

3．1．4加热炉燃烧自动控制系统除了最直接的节电效益外，还能实现以下效益。

1)减少煤气消耗，降低生产成本；

2)降低氧化烧损，提高产品成材率，增加直接效益；

3)减少氧化皮，成品品相改善，提升产品质量；

4)降低钢脱碳层的厚度；

5)减少硫化物、氮氧化物排放，缓解公司环保方面压力；

6)优化装置运行工况，设备故障率和维护成本下降（例如蓄热体、轧线设备寿命延长）；

7)装置运行自动化程度提高，降低工人工作强度，避免发生操作失误。

3.2 永磁调速系统的改造效果

改造后的供风调节、炉压控制、排烟量是通过永磁调速装置调整风机转速，在相同的工艺要求下，加热炉的鼓、引风机系统有明显的节电效果。鼓风机改造前最小工作电流13A～14A，改造后工作电流为8．6A。煤引风机改造前最小工作电流13A～14A，改造后工作电流为9A。空引风机改造前最小工作电流为11A～12A，改造后工作电流为8A。

3.3 项目改造节能计算

1)项目能源消耗数据收集

项目改造过程对相关能源计量进行了完善，煤气和电力均配备单独计量，为验证项目节能量，在正常生产情况下，改造前后各选取一个月的运行数据进行统计，见表1。

表1 改造前后1个月的运行数据

2)节能率计算

节能量计算涉及的能源品种为电力和高炉煤气。电力的等价值折标准煤系数按上海统计局规定的0．288kgce/kWh，高炉煤气的热值采用现场热值分析仪表采集数据742kcal/Nm3，因此高炉煤气折标准煤系数＝742÷7 000=0．106 kgce/Nm3

改造前单位产品综合能耗=4．48×0．288+341．57×0．106=37．50 kgce/t

改造后单位产品综合能耗=3．10×0．288+322．21×0．106=35．05 kgce/t

项目综合节能率=（37．50-35．05）÷37．50×100%=6．53%

通过测算，吨钢能耗降低6．53%，达到了预期节能效果。

4 结论

该项目改造后已进入运行阶段，目前加热炉的炉况稳定，温度控制精度高，钢锭和钢坯加热均匀，加热质量好，不仅减少了氧化烧损，而且吨钢能耗降低。因此，提高轧钢加热炉的能耗水平对钢铁企业的节能有着重要意义。