D0I:10.13374/i.issm1001053x.2003.02.010 第25卷第2期 北京科技大学学报 VoL25 No.2 2003年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2003 空气燃料比寻优技术在加热炉中的应用 朱宏祥”温治”徐海”陶曙明) 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)宝山钢铁股份有限公司，上海201900 摘要分析了燃气加热炉热工特点，建立了热值前馈和烟气中氧含量反馈的空气燃料比寻 优模型，并将模糊控制技术运用于所建立的空气燃料比寻优模型中，现场实际运行结果表明， 使用该模型能合理地控制炉气的含氧量，提高钢坯加热质量，降低燃料消耗，取得了很好的 效果。 关键词加热炉：空气燃料比：前馈：反馈：模糊控制 分类号TF345 轧钢加热炉的任务是保证出炉钢坯的温度 热值 各回路空气 残氧 在满足工艺要求的前提下，实现加热炉的优质、 前馈 燃料比优化 反馈 高产和低消耗.在一定的炉温制度下，空气燃料 煤气 比的优化设定对提高加热炉的加热质量和降低 基础燃 烟气 热值 控制 氧量 燃料消耗起着至关重要的作用，合理的空气燃 检测 检测 料比不但可以提高燃料的燃烧效率，减少排烟热 加热炉 损失，而且还可以合理控制炉内的氧含量，减少 混合煤气 烟气 钢坯的氧化烧损，提高钢坯的成材率， 图1加热炉空气燃料比寻优控制系统示意图 Fig.1 Schematic diagram of the optimization control sys- 1空气燃料比寻优模型 tem of air/fuel ratio for the heating furnace 在钢铁联合企业中，轧钢加热炉通常使用的 1.1热值前馈模型 燃料是由高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气组成的 煤气热值的波动是由煤气成分的变化引起 混合煤气，由于混合煤气的成分是不确定的，使 的，而理论空气需要量L又与煤气成分有关.因 得空气燃料比的设定十分困难.本文采用前馈和 此，必须对混合煤气的热值及其成分进行分析， 反馈相结合的方法来控制合理的空气燃料比，即 (1)混合煤气热值及其成分分析， 根据煤气热值建立前馈模型，根据烟气含氧量利 表1为宝钢提供的燃料成分及其配比情况. 用模糊控制技术建立反馈模型，轧钢加热炉空气 显然，混合煤气热值的波动是由于三种煤气的配 燃料比寻优控制系统框图见图1. 比关系变化引起的. 表1宝钢提供的燃料成分（质量分数）和配比 Table I Ingredients and proportion of the mixed gas offered by BaoSteel % 热值 煤气种类 配比 co 及 C02 Na CH C.H MJ.m O 高炉煤气 3.177 52.2 23.5 2.0 19.5 55.0 焦炉煤气 19.002 34.8 7.5 53.5 2.0 4.9 29.2 2.8 0.1 转炉煤气7.106 13.0 6.35 19.7 24.0 设焦炉煤气占混合煤气的比例为b(0≤b≤1)， 收稿日期2002-06-11 朱宏样男，28岁，博士研究生 则高炉煤气和转炉煤气之和占1-b,再设高炉煤 *国家“九五”科技攻关项目No.95-523-02-01-03)
第 2 5 卷 第 2 期 2 0 03 年 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 OJ u r n a l o f U n i v e r s yit o f S e i e n e e a n d Te e h n o l o gy B e ij i n g 、 b L2 5 N 0 . 2 A P .r 20 0 3 空气燃料 比寻优技术在加热炉 中的应用 朱宏 祥 ” 温 治 ” 徐 海 ` , 陶 曙 明 ” 川匕京科 技大 学机械工 程 学 院 , 北 京 10 0 0 83 2) 宝 山 钢 铁股份 有 限公 司 , 上海 2 01 9 0 摘 要 分析 了燃 气加 热炉 热 工特 点 , 建 立 了热值 前 馈和 烟气 中 氧含 量反 馈 的空 气燃 料 比 寻 优 模 型 , 并将模 糊控 制技术 运用 于所 建立 的空气 燃料 比寻优 模型 中 . 现场 实 际运行 结果表 明 , 使用 该模 型 能合理 地控 制 炉气 的含 氧 量 , 提 高钢 坯加 热 质量 , 降低燃 料 消耗 , 取 得 了很好 的 效果 , 关键 词 加 热炉 ; 空 气燃 料 比 ; 前馈 ; 反 馈 ; 模 糊 控制 分类 号 T F 3 4 5 轧钢 加 热 炉 的任 务 是 保 证 出炉 钢 坯 的温 度 在 满足 工艺 要求 的前 提 下 , 实 现 加热 炉 的 优质 、 高产和 低 消耗 `1] . 在 一定 的炉温 制度 下 , 空气燃 料 比 的优 化 设 定对 提 高加 热 炉 的加 热质 量 和 降低 燃 料 消 耗起 着 至关 重 要 的作 用 仪, . 合 理 的 空气 燃 料 比不 但 可 以提高 燃料 的燃 烧效率 , 减 少 排烟 热 损 失 , 而且 还 可 以合 理控 制 炉 内的氧 含量 , 减 少 钢 坯 的氧 化 烧损 , 提 高钢 坯 的成 材 率 . 热值 前馈 各 回路空气 燃料 比优化 残氧 反馈 煤气 热值 检测 基础燃 烧控制 烟气 氧量 检测 混合煤气 加热炉 烟气 1 空 气 燃 料 比寻 优模 型 在钢 铁 联合 企 业 中 , 轧钢 加 热炉 通 常使 用 的 燃 料是 由高炉 煤气 、 焦 炉煤 气和 转 炉煤 气组 成 的 混 合煤 气 . 由于混 合 煤气 的成 分是 不 确定 的 , 使 得 空气 燃料 比 的设 定十 分 困难 . 本 文采用前 馈 和 反馈 相 结合 的 方法来 控制合 理 的空气 燃 料 比 , 即 根据 煤气 热值 建 立前 馈模 型 , 根 据烟 气 含氧 量 利 用模 糊 控制 技 术建 立反 馈模 型 . 轧钢 加 热炉 空 气 燃 料 比 寻 优控 制 系统 框 图见 图 1 . 图 1 加热 炉 空气 燃料 比寻 优控 制 系统 示 意图 F ig . 1 S e h e m a it e d i a g r a m o f ht e o P t im 让a t i o n e o n t or l , y s - t e m o f a i r /fu e l r a ti o fo r t h e h e a ti n g fu r n a e e L l 热值 前 馈模 型 煤 气 热 值 的波 动 是 由煤 气 成 分 的 变 化 引 起 的 , 而 理论 空 气 需 要量 L 。 又 与煤 气 成 分有 关 . 因 此 , 必 须对 混 合 煤气 的热 值及 其成 分进 行 分 析 . ( 1) 混合 煤 气 热值及 其 成 分分 析 . 表 1 为宝 钢提 供 的燃 料 成 分及 其 配 比情 况 . 显 然 , 混 合煤 气热 值 的波 动 是 由于三 种 煤气 的 配 比 关系 变 化 引起 的 . 表 1 宝 钢提 供 的燃料 成 分 (质 量 分数 ) 和 配 比 aT b le 1 I n g er d i e n st a n d P or P o rt io n Of t h e m h ed g a s o 价 r e d by B a o s t e e l 煤气 种类 热 值 M J · m - 3 . 1 7 7 19 . 0 0 2 7 . 1 0 6 配 比 C O H : C O : N Z C H ; C 。氏 0 2 高炉 煤气 焦炉煤 气 转炉煤 气 5 2 . 2 3 4 . 8 1 3 . 0 1 9 . 5 2 . 0 1 9 . 7 5 5 . 0 -一 一 一 4 . 9 2 9 . 2 2 . 8 0 . 1 2 4 . 0 - 一 一 一 .20.53 一 .235 75 .635 收稿 日期 2 0 2 e o 余 1 朱宏 样 男 , 28 岁 , 博 士研 究生 * 国家 “ 九五 ” 科 技攻 关项 目(N 。 夕 5 一 5 2 3 一 0 2 一 01 一 0 3) 设焦 炉煤气 占混 合煤 气 的 比例 为b (0 ` b ` l) , 则 高炉 煤气 和 转 炉 煤气 之 和 占 1一 b , 再 设 高炉 煤 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2003. 02. 010
·140· 北京科技大学学报 2003年第2期 气占高炉煤气与转炉煤气总和的比例为a(0≤a 因此，在实际计算时，α可以取宝钢提供的混 ≤1)，则高炉煤气和转炉煤气占混合煤气的比例 合煤气的配比值，即a=52.2/(52.2+13.0)=0.8,再 分别为(1-b)a和(1-b)1一a).则混合煤气的热值 根据热值仪实测的混合煤气热值即可确定b值， 可表示为： 从而估算出混合煤气的成分： 2.=[2ea+2(1-a]1-bt2ab (1) X=Xa(1-b)+X(1-a)(1-b)+Xb (2) 式中，2：为混合煤气的低发热量，kJm:Q为高炉 式中，为混合煤气中某湿成分的含量，%：为 煤气的低发热量，kJm:2为转炉煤气的低发热 高炉煤气中某湿成分的含量，%；为转炉煤气 量，kJ/m':2为焦炉煤气的低发热量，kJ/m. 中某湿成分的含量，%：为焦炉煤气中某湿成 式(1)中，a,b从0-1变化，分析混合煤气的 分的含量，%. 低位发热量与煤气配比的关系以及低位发热量 (2)空气燃料比的计算 与理论空气需要量的关系，计算结果分别见图2 在已知混合煤气成分的前提下，即可通过燃 和图3. 烧计算求出理论空气需要量： L。=4.76×{0.5×[C0]+0.5×[H]+ 18 x+m/4)×[C,H]5-[O2]}×10-2(3) 在保证煤气完全燃烧的前提下，空气消耗系 14 数n一般控制在1.02~1.10之间，此时热损失最 a=0 10 小，加热炉热效率最高，则空气燃料比α可以表 示为： =-= V。 (4) 0 0.2 0.40.6 0.81.0 式中，a为空气燃料比，mm:为空气流量，m/ 6 h:Vm为煤气流量，mh. 图2混合煤气热值2与煤气配比的关系 根据混合煤气成分和空气消耗系数，利用燃 Fig.2 Relationship between low calorific values of the mix- 烧计算可得到烟气中的含氧量，该值即为实时控 ed gas and its ingredients 制的基准参数， 3.0 12烟气中含氧量反馈调节系统 2.6 加热炉是极为复杂的热工设备.由于调节滞 2,=9.614MJ/m3 后、炉门逸气和吸冷风等原因，根据前馈模型设 2.2 9.196 778 定的空气燃料比有时不能保证炉内氧含量合理， 1.8 8.360 而影响空气燃料比的因素又很难用数学模型进 2a=7.942MJm3 1.4 行描述，因此本文采用模糊控制技术处理习 1.0 (1)模糊控制系统的建立， 0 0.2 0.4 0.60.81.0 针对加热炉实际生产情况，建立了如图4所 a 示的模糊控制系统 图3煤气热值与理论空气需要量L,的关系 (2)模糊控制器的结构 Fig.3 Relationship between low calorific values of the mix- 通过对空气燃料比的分析，设计了两输入单 ed gas and the theoretical demand of air 规则库 从图2可以看出，b值增大，混合煤气的低发 E 热量Q就越高：对于确定的b值，P随a的变化相 模糊化 模糊规 U sP,⑧ Ec 反模糊化 对较小，而且b值越大，a的影响就越小. FUZ ,则推理 DFUZ 从图3可以看出，煤气热值一定，当a值从0-1 C 测量 被控 执行 变化时，理论空气需要量L,变化很小，因此，a值 装置 对象 机构 前馈设定值： 对L的影响也较小：而热值波动时，L则发生较为 图4空气燃料比反馈调节模糊控制系统示意图 显著的变化，而引起热值波动的主要因素是b的 Fig.4 Schematic diagram of the feedback adjustment fu- 变化，所以b值对L的影响较大. zzy control system of air/fuel ratio
北 京 科 气 占高炉 煤 气 与转炉煤 气 总和 的 比例 为 a (0 ` a ` )l , 则 高炉煤 气 和 转炉 煤 气 占混 合煤 气 的 比 例 分 别 为 ( 1一 b) a 和 ( 1一 b) ( 1一 a) . 则混 合煤 气 的热 值 可 表示 为 : 必 = 〔C d夕+ 从( l 一 a )〕( 1一 b ) + ojQ b ( l ) 式 中 , O 为混 合煤气 的低 发热量 , U 如 3 ;么为 高炉 煤 气 的低 发 热量 , 幻 /m 3 ; 仇为 转炉 煤气 的低 发热 量 , k J为11 , ; ujQ 为 焦 炉煤 气 的低 发 热量 , 幻如 , . 式 ( l) 中 , a , b 从 0一 1 变化 , 分 析混 合 煤气 的 低 位 发 热 量 与煤 气 配 比的 关 系以及 低 位 发热 量 与理 论 空气 需 要量 的关 系 , 计 算 结 果分 别见 图 2 和 图 3 . 万州 一 “ 悬 ’ :康笋翼 1 2 匕we e 一一一一一一一一~ - 占一一 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 . 0 b 图 2 混合煤 气 热值 O 与煤 气 配 比的关 系 iF g . 2 eR l a t i o n s h iP b e 幻日 e e o fo w e a OI r 币c v a l u e s o f 伍 e m 汪 e d g a s a n d ist i n g er d ie n t s O = 9 . 6 14 M Jm/ , 省 .2 2 . 19 6一一一一一二二 7 7 3 6 g = 7 · 9 4 2 M Jm/ 0 0 . 2 0 4 0 6 0名 1 . 0 图 3 煤 气热 值 与理论 空气 需要 量 L . 的关系 Fi g . 3 R e la t io n s h i P b e wt e e n l ow e a lo r i行e v a lu e s o f t h e m 协 e d g a s a n d t h e t h e o r e t ic a l d e m a n d o f a i r 从 图 2 可 以看 出 , b值 增大 , 混合 煤气 的低 发 热量 必就 越 高 ; 对 于确 定 的 b值 , 必 随a 的变 化 相 对较 小 , 而且 b值 越大 , a 的影 响 就越 小 . 从 图 3可 以看 出 , 煤 气热 值一 定 , 当a 值 从 0一 1 变化 时 , 理论 空 气 需要 量 0L 变化 很 小 . 因此 , a 值 对L 。 的影 响 也较 小 ; 而 热值 波动 时 , L 。则发 生较 为 显 著 的变化 , 而 引起热 值 波 动 的主 要 因素 是 b 的 变 化 , 所 以b值 对 L 。 的影 响较 大 . 技 大 学 学 报 2 0 03 年 第 2 期 因此 , 在 实 际计算 时 , a 可 以取 宝 钢提 供的混 合 煤气 的配 比值 , 即 a = 52 . 2 /( 5 2 . 2 + 13 . 0 ) = 0 . 5 , 再 根 据 热值 仪 实 测 的 混合 煤 气 热值 即可 确 定 b值 , 从 而 估算 出混 合煤 气 的成 分 : XS 二刀 a (l 一 b) + 群 ( l 一 a ) ( 1一 b ) + 群b ( 2) 式 中 , XS 为混 合 煤气 中某 湿 成 分 的含 量 , % ;刀 为 高炉煤气 中某湿 成 分 的含 量 , % ; 刀 为转 炉 煤气 中某 湿成 分 的含 量 , % ; 刀为焦 炉 煤 气 中某 湿成 分 的含量 , % . (2 ) 空气 燃 料 比 的计 算 . 在 己 知混 合煤 气 成分 的前提 下 , 即可通 过 燃 烧计 算 求 出理 论 空气 需要 量 : L 。 = 4 . 7 6 x { 0 . 5 ` 【C O」 s+ 0 . 5 x 〔H Z ] s+ 艺以+ m 4/ ) x 【Q H m 〕 s 一 [0 2 〕 s } x 10 一 , (3 ) 在保 证 煤气 完全 燃烧 的前提 下 , 空气 消耗 系 数 n 一般 控 制在 1 . 02 一 1 . 10 之 间 , 此 时 热损 失最 小 , 加 热 炉热 效 率最 高 〔3〕 , 则 空气 燃料 比a 可 以表 示 为 : K 刀 L n a 二 玖 去牟 = 哭琴巴 = nL 。 (4 ) ~ Vm Vm ’ 一 ” 式 中 , a 为空气 燃 料 比 , m 3 m/ , ; Vk 为空 气流 量 , m V h ; Vm 为煤气 流 量 , m 3瓜 . 根据 混 合煤 气 成分 和 空气 消耗 系数 , 利 用燃 烧 计算 可得 到烟 气 中 的含 氧 量 , 该值 即为实 时控 制 的基准 参 数 . L Z 烟 气 中含氧量反 馈调 节 系统 加 热 炉是 极 为复 杂 的热 工 设备 . 由于调 节滞 后 、 炉 门逸 气 和吸 冷 风等 原 因 , 根 据 前馈 模 型 设 定 的空气 燃料 比有 时 不能 保证 炉 内氧含量 合理 , 而 影 响空 气 燃料 比 的 因素 又 很难 用 数 学 模 型 进 行 描述 , 因此 本文 采用模 糊 控制 技术 处 理’I, ” . ( l) 模糊 控 制 系统 的建立 . 针对 加 热炉 实际 生产 情况 , 建 立 了如 图 4 所 示 的模 糊 控制 系 统 〔6〕 . (2 )模糊控 制器 的结 构 通过 对 空气 燃料 比的 分析 , 设计 了两 输 入单 规则库 模糊化 F U Z 模糊规 则推理 之模糊 D F U Z U =-EcEù 测量 装置 被控 对象 执行 机构 . . … … 为 - . . . . . -I 一泥剪丝丝宝燮 图 4 空气燃 料 比反馈 调节 模糊 控 制系统 示惫 图 F ig . 4 S e h e m a ict d is g ar m o f t h e fe e d b a c k a dj u s t m e n t fu - Z z y e o n tor l sy s t e m o f a i r lfu e l r a t i o
Vol.25 No.2 朱宏祥等：空气燃料比寻优技术在加热炉中的应用 ·141· 输出的模糊控制器：输入变量为氧含量偏差D和 表2模糊控制规则 偏差的变化△D,输出变量为空气燃料比调节量 Table 2 Fuzzy control rule Lw.把D分为9个等级(-2,0.6,0.4,0.2,0,0.2， D △D 0.4,0.6,2),△D分为9个等级(0.3,0.15,0.1， NB NS ZE PS PB NB PB PB PB NS 0.05,0,0.05,0.1,0.15,0.3),Lw分为11个等级 NS NS PB PB PS NS NS (0.03,0.02,0.015,0.01,0.005,0,0.005,0.01, ZE 吸 PS ZE NS NB 0.015,0.02,0.03),在其各自的论域区间都取5档： PS PS NS NB NB 负大(NB)、负小(NS)、零(ZE)、正小(PS)和正大 PB ZE ZE NB NB NB (PB). (4)确定模糊变量的隶属度赋值表， (3)模糊控制规则库的建立 将生产过程中遇到的有关确定L的各种情 根据实际情况，确定模糊变量隶属度赋值表 如表3和表4所示. 况和相应的控制策略汇总如表2所示， 表3模糊变量D及△D隶属度的赋值表 Table 3 Membership value of the fuzzy variables D and AD D -2 0.6 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 2 (△D) (0.3) (0.15)(-0.1)(-0.05) (0) (0.05) (0.1) (0.15) (0.3) NB 1 1 0.5 0 0 0 0 0 0 NS 0 0 0.5 0.5 0 0 0 0 ZE 0 0 0 0 0 0 0 0 PS 0 0 0 0 0 1 0.5 0 0 PB 0 0 0 0 0 0 0.5 1 表4模糊控制量L、的隶属度赋值表 Table 4 Membership value of the fuzzy control volume LN LN D -0.03 -0.02-0.015 0.01 0.005 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.03 NB 0.5 0 0 0 0 0 0 0 0 NS 0 0 0.5 0.5 0 0 0 0 0 0 ZE 0 0 0 0 0.5 1 0.5 0 0 0 0 PS 0 0 0 0 0 0 0.5 0.5 0 PB 0 0 0 0 0 0 0 0.5 利用上述模糊控制模型，即可以根据烟气中 流量平均值，mh:j为总的控制回路数：△a为空 的氧含量确定加热炉的空气燃料比总调节量△a. 气燃料比总调节量：△a,为各控制回路空气燃料 13各回路空气燃料比的确定 比调节量：a,为各控制回路的实际空气燃料比. 对于轧钢加热炉而言，要满足对钢坯的温度 要求，需要对炉膛进行分区段控制.而烟气中的 2结果分析 含氧量只能从炉尾或总烟道处测得，无法测得各 2.1空气燃料比及烟气中含氧量控制效果 控制回路煤气燃烧后的氧含量，因此，本文采用 利用本文所建立的前馈及反馈相结合的空 煤气流量配比法调节各控制回路空气燃料比， V 气燃料比寻优控制系统，在宝钢线材分厂加热炉 即： .=2a,。=Vj,Aa=△a (5) 实现了在线控制.图5为混合煤气、空气燃料比 由上述分析可得出各回路的实际空气燃料 和烟气中含氧量的实际控制效果图·从图中可以 比为： 看出，空气燃料比能够随煤气热值的变化而变 a,=a+△a (6) 化，从而保证了烟气中的含氧量维持在合理的范 式中，V为各控制回路煤气流量，mh:刀为煤气
Vd 】 . 2 5 N o . 2 朱宏祥 等 : 空气 燃料 比 寻优 技术 在加 热 炉 中的应 用 输 出 的模 糊控 制 器 : 输入 变 量 为氧 含 量偏 差D 和 偏 差 的变 化△刀 , 输 出变量 为 空气 燃 料 比调 节 量 L N . 把D 分 为 9 个 等级 (一 , 刁.6 , 一.0 4 , 刁.2 , O , .0 2 , 0 . 4 , 0 . 6 , 2 ) , △刀 分 为 9 个 等 级 (刁 . 3 , 刁 . 15 , 刁 . 1 , 刁 . 0 5 , 0 , 0 . 0 5 , 0 , 1 , 0 . 15 , 0 . 3 ) , 肠 分 为 11 个 等 级 (刁 . 0 3 , 刁 . 0 2 , 刁 . 0 15 , 刁 . 0 1 , 刁 . 0 0 5 , 0 , 0 . 0 0 5 , 0 . 0 1 , .0 0 15 , .0 0 2 , .0 0 3) , 在其 各 自的论域 区 间 都取 5 档 : 负 大 ( N B ) 、 负 小 (N S ) 、 零 ( Z E ) 、 正 小 ( P S ) 和 正 大 ( P B ) . (3 )模糊控 制 规 则库 的建立 将 生产 过 程 中 遇 到 的有 关 确 定岛 的各 种 情 况 和相 应 的控 制 策 略汇 总 如表 2 所 示 . 表 2 模 糊控 制 规 则 aT bl e 2 F u z yZ e o n t r o l r u l e D △刀 — — N B N S Z E P S PB N B P B P B P B N S N S N S P B P B P S N S N S Z E P S P S Z E N S N B P S P S P S N S N B N B PB Z E Z E N B N B N B ( 4 )确 定模 糊变 量 的隶 属度 赋 值 表 . 根 据 实 际情 况 , 确 定模 糊 变 量 隶属 度 赋值 表 如 表 3 和 表 4 所 示 . 表 3 模 糊 变量 D 及△D 隶 属度 的赋 值表 aT b l e 3 M e m b e r s h i P v a l u e o f th e fu z yZ v a r i a b l e s D a n d 配 ) D (△D ) -0 .6 刁.2 0 4 0 . 6 (刁 1 3 ) (一 1 5) 刁.4 (刁 . 1) (一0 5) ( 0 ) ( 0 0 5 ) ( 0 . 1) ( 0 . 1 5 ) ( 0 3 ) 表 4 模 糊控 制 量L N的 隶属 度赋 值 表 aT b l e 4 M e m l, e r s b i P v a l u e o f t h e fu z z y e o n t or l v o lu 口 e L N L N 几 -0 . 0 3 刁 . 0 2 -() . 0 1 5 习 . 0 1 es o . O0 5 0 0 . 0 0 5 0 0 1 0 0 1 5 0 ; 0 2 0 . 0 3 N B 1 1 0 . 5 0 0 0 0 0 0 0 0 N S 0 0 0 . 5 1 0 . 5 0 0 0 0 0 0 0 5 0 . 5 0 0 . 5 0 . 5 ZEsPBP 利 用 上述 模 糊控 制模 型 , 即 可 以根据 烟 气 中 的氧 含量确 定 加热 炉 的空气 燃料 比 总调 节量 △a . 1.3 各 回 路 空气 燃 料 比的确 定 对 于 轧钢 加 热炉 而 言 , 要 满足 对 钢 坯 的温度 要 求 , 需要 对 炉膛 进 行 分 区 段 控 制 . 而 烟 气 中 的 含 氧 量只 能从 炉尾 或 总烟 道 处测得 , 无 法测 得各 控 制 回路 煤气 燃 烧 后 的氧 含 量 . 因此 , 本 文采 用 煤 气 流 量配 比法 调 节 各控 制 回 路 空 气 燃 料 比 , 流 量 平 均值 , 耐瓜; j 为 总 的控 制 回 路数 ; △a 为空 气 燃 料 比总调 节 量 ; △a , 为 各 控 制 回路 空气 燃 料 比调 节量 : a `为 各 控制 回路 的 实 际空 气 燃料 比 . 即 : 玖 一 玄vm , , , 瓦 一 vm 夕 , △氏 (5 ) 由 上 述 分 析 可 得 出各 回 路 的 实 际 空 气 燃 料 比 为 : a : = a + △a (6 ) 式 中 , Vm , ` 为 各控 制 回路煤 气流 量 , m 3小: 瓦 为煤 气 2 结 果 分 析 .2 1 空气 燃 料 比及烟 气 中含氧 量 控 制 效 果 利 用 本 文 所 建 立 的前 馈 及 反馈 相 结合 的 空 气燃 料 比 寻优 控制 系 统 , 在 宝钢 线材 分 厂加 热 炉 实现 了在 线控 制 . 图 5 为 混合 煤 气 、 空气 燃 料 比 和烟 气 中含 氧 量 的实 际控 制 效果 图 . 从 图中可 以 看 出 , 空 气 燃 料 比 能 够 随 煤 气 热 值 的变 化 而变 化 , 从 而保 证 了烟 气 中 的含氧 量 维 持在 合理 的 范
142 北京科技大学学报 2003年第2期 12 3结论 10 混合煤气热值 本文分析了燃气加热炉热工特点，建立了热 值前馈和烟气氧含量反馈相结合的空气燃料比 6 第五回路空气燃料比 寻优模型，并将模糊控制技术用于所建立的空气 烟气中含氧量 燃料比寻优模型，减少了不确定因素对空气燃料 比的影响，合理控制了炉内的含氧量，在线运行 2口 y 结果表明，所建立的空气燃料比寻优模型是正确 0 300600900120015001800 可信的，对保证钢坯的加热质量有着重要的作 加热时间min 图5空气燃料比及烟气中含氧量控制效果示意图 用，单位燃耗下降了4.8%，氧化烧损下降了 Fig.5 Control effect of air and fuel ratio and oxygen con- 14.8%.该系统的成功实施，对国内同类加热炉有 centration of exhaust gas 着重要的借鉴作用. 围内，提高了钢坯的加热质量 参考文献 22氧化烧损比较 1陈勇，陈海耿，杨泽宽.加热炉待轧策略[]工业炉， 由系统投运前一个月的数据和投运后一个 1998,20(4):29. 月的数据的比较（见表5），加热炉的单位燃耗下 2韩丽辉，谢励人，温治，等.均热炉最佳燃烧控制系 降了4.8%，钢坯的氧化烧损降低了14.8%，从而提 统).工业加热，19992)：4 高了钢坯的成材率. 3陈鸿复，冶金炉热工与构造[M.北京：冶金工业出 版社，1990. 表5系统投运前后两个月实测数据结果比较 4 卿济民，张邦元，曹长修，等.模糊控制器在线材活 Table 5 Comparison between data measured for one month 套计算机控制系统中的应用[刀.自动化与仪器仪表， before and after the operation 1996(1):6 测试时间平均燃耗/QMt)平均在炉时间h烧损率% 5杨明贵，张元，赵炎.全自动带锯床智能模糊控制系 投运前一月 1229 2.39 0.61 统).哈尔滨理工大学学报，1998,3(2)：9 投运后一月 1170 6窦振中.模糊逻辑控制技术及其应用M.北京：北 2.40 0.52 京航空航天大学出版社，1995. Application of Feedforward and Feedback Optimization Technique for Air/Fuel Ratio to Heating Furnace ZHU Hongxiang",WEN Zhi,XU Hai,TAO Shuming" 1)Mechanical Engineering School,University of Sinece and Technology Beijing,Beijing 100083,China 2)Baoshan Iron and Steel Ltd,Shanghai 201900,China ABSTRACT Thermal characteristics of the heating furnace using gas as fuel were discussed.Combining the tech- nique of fuzzy control with calorific value feedforward and oxygen concentration feedback,an optimization model for air/fuel ratio was developed and utilized in practice to keep it reasonable.It is proved that the model can effec- tively control the oxygen concentration of exhaust gas,enhance the quality of product and decrease the fuel con- sumption. KEY WORDS heating furnace:air/fuel ratio;feed forward;feedback;fuzzy control
. 142 . 北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 03 年 第 2 期 l 2 l 0 、 叭州 \ ’ 气 混 合煤 气热 值 第五 回路 空气燃 料 比 { 烟气 中含 氧 量 石UR4 芝ū乙一ǎ从芝à己 ,喊三 Z t - - 二二工二 二- - J 一 -一二二二` 石` 一 - 乙 二二止勿已巴 止 - 一 1 0 30 0 6 0 0 90 0 12 0 0 1 5 00 1 80 0 加 热时 间 m/ in 图 5 空 气燃 料 比及烟 气 中含氟 量控 制效 果示 意 图 F ig · 5 C o n t or l e fe e t o f a i r a n d fu e l ar it o a n d o xy g e n e o n - e e n t r a iot n o f e x h a u s t g a s 围 内 , 提 高 了钢 坯 的 加热 质量 . .2 2 氧化 烧损 比较 由系 统 投 运 前 一 个 月 的 数据 和 投 运 后 一 个 月的 数据 的 比较 ( 见 表 5) , 加热 炉 的单 位 燃 耗下 降了 .4 8% , 钢 坯 的氧化烧 损 降低 了 14 . 8% , 从 而提 高 了钢坯 的成 材 率 . 表 5 系统投 运前 后 两个 月实测 数据 结 果 比较 aT b k 5 C o m P a isr o n b e wt e e n d a t a m e a s u 代d fo r o n e m o n t h b e fo er a n d a ft e r t h e o P e r a tot n 测 试时 间 平 均燃 耗汉M J · t 一 ’ ) 平均 在炉 时 间小 烧 损 率% 投 运前 一 月 1 2 2 9 2 . 3 9 0 . 6 1 投 运后 一 月 1 17 0 2 . 4 0 0 . 52 3 结 论 本 文分 析 了燃 气 加热 炉 热工 特 点 , 建 立 了热 值 前馈 和 烟 气氧 含 量 反 馈 相 结 合 的 空气 燃 料 比 寻优 模型 , 并 将模糊控 制 技术 用 于所建 立 的空 气 燃 料 比 寻优 模 型 , 减 少 了不确 定 囱素对 空气 燃 料 比 的影 响 , 合 理控 制 了炉 内的 含氧 量 . 在 线运 行 结果 表 明 , 所 建立 的 空气燃 料 比寻 优模 型 是正确 可 信 的 , 对保 证 钢 坯 的 加 热质 量 有着 重 要 的 作 用 , 单 位 燃耗 下 降 了 .4 8% , 氧 化 烧 损 下 降 了 1.4 8% . 该系 统 的成 功实 施 , 对 国 内同类 加热 炉 有 着 重 要 的借 鉴作 用 . 参 考 文 献 1 陈 勇 , 陈海 耿 , 杨 泽宽 . 加热 炉待轧策 略 [J] . 工业炉 , 1 9 9 8 , 2 0 ( 4 ) : 29 . 2 韩丽 辉 , 谢 励人 , 温治 , 等 . 均热 炉最 佳燃 烧控 制 系 统 [J . 工业 加热 , l 9 9( 2) : 4 3 陈鸿 复 . 冶 金炉 热 工与构 造 [M ] . 北 京 : 冶金 工业 出 版社 , 1 99 0 . 4 卿济 民 , 张邦元 , 曹 长修 , 等 . 模 糊控 制 器在 线材 活 套计算机 控制 系统 中的应用 [J] . 自动化 与仪器 仪表 , 19 9 6 ( l ) : 6 5 杨 明贵 , 张元 , 赵 炎 . 全 自动 带锯 床 智能模糊控 制 系 统 [J ] . 哈尔滨 理 工大 学学 报 , 19 9 8 , 3( 2 ) : 9 6 窦振 中 . 模 糊逻 辑控 制技 术及 其应 用 [Mj . 北京 : 北 京航 空航天 大 学 出版社 , 19 95 . AP P li e at i o n o f F e e d fo wr ar d an d F e e db a c k O P t im i z at i o n eT c hn iqu e fo r A i亦 u e l R a t i o t o H e at i n g F um a e e Z H U oH n g 戈 ia 衅 , 矽万厅 hZ ’i) , 曰 YU aH il) , AT O hS u m i n了 { l ) M e e h an i e al E n g ine e r l n g S e h o o l , nU i v ers ity o f s in e c e an d 介 c h n o l o gy B e ij i n g , B e ij in g 10 0 0 8 3 , C h in a 2 ) B ao s h an l r o n an d S et e l L td , S h an gh a i 2 0 1 90 0 , C h in a A B S T R A C T hT e mr a l c h ar a c t e ir st i c s o f ht e he at ing fu m a e e u s ing g as as fue l w er d i s e u s s e d . C o m b lin ng het t e c h - in q u e of fu 石守 co n t r o l iw ht ca l ior ifc v a l u e fe ed fo wr a r d a n d o xy g en c on ce ntr iat on fe e db ac k , an o Pt加i atZ ion m o de l fo r ia r/ fu e l r iat o was d e v e l o P e d a n d iut li ez d in P acr t i e e t o ke eP it er a s o n ab l e . tI 1 5 P voer d ht at het m o d e l e an e fe e - ti v e ly e o n tr o l ht e o 材g e n e ocn e ntr iat o n o f e hx a u s t g as , e n h an c e ht e q砰a liyt o f P r o du c t an d d e er as e ht e fu e l e o n - s um tP i o n . K E Y WO R D S h e at ign fu m a c e ; a ir/ fu e l art i o ; fe e d fo , 吸 r d ; fe e d b a ck ; 加发 y c o n t r o l
