CN102564108A - 多烧嘴室式加热炉温度控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多烧嘴室式加热炉温度控制方法，一、在室式加热炉的侧壁、顶壁或/和被加热工件内部布置测温点；二、将室式加热炉的多个烧嘴进行分挡，分挡原则为：第1挡位开2启个烧嘴，第2档位开4启个烧嘴，以此类推；三、每隔3-5分钟进行一次档位切换对室式加热炉进行加热，实时地对加热炉内温度进行测量，并计算其温度平均值PV、温度标准差值σ、平均升温速度PV′；四、根据温度标准差值σ来控制当前工作档位的烧嘴处于大火、小火状态之间的切换，或小火、关闭状态之间的切换；切换周期为10-25s切换一次。本发明优点在于开创性的提出了整体性控制的思想，不再对炉膛进行区域划分，控制方式简洁巧妙。
Description
技术领域
本发明涉及多烧嘴室式加热炉，尤其是涉及多烧嘴室式加热炉温度控制方法。
背景技术
加热炉炉温的均匀性是热处理过程中的重要工艺参数，是确保机械零件热处理工艺质量的基本要求。热处理炉的温场均匀性反映热处理炉的综合性能，是热处理炉能否满足工艺要求的决定因素，也是评价一台加热炉的基本指标。热处理炉温场均匀性测试方法通常以GB/T9452-2003《热处理炉有效加热区测定方法》作为热处理炉温场均匀性测试的指导性文件。但是仅靠几个测量点得出的炉温均匀性结论难以客观反映真实情况。经过实测，一台即使控制测量点温差不超过2℃的燃气加热炉，其内部有效加热区域最大温差仍能达到50℃以上，体积较大工件内部温差可能达到100℃以上。如果特殊要求的热处理工艺，这样的温差很难达到工艺要求。为此，通常的做法是加入搅拌风机。但是，处于高温环境下，高温气体如果从炉顶吹到炉底搅拌电机需要很大的功率。热处理时间一般很长，而且熄火后的保温过程中搅拌风机也不能停顿，这一过程浪费了大量的电能，效果也不甚理想。同时，高温风机叶片在炉膛顶部，氧化问题、传热问题及高温变形问题等等都给生产带来了隐患。并且，另外一个难点是：当加入了搅拌风机，烧嘴和测温点的耦合变得更为复杂，传统的温度控制也成为一个很大的障碍。
发明内容
本发明目的在于以全新的方式和思路，提供一种简洁而又切实可行、能大幅度提高加热炉炉温均匀性的多烧嘴室式加热炉温度控制方法。
为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：
本发明所述的多烧嘴室式加热炉温度控制方法，包括下述步骤：
第一步、在室式加热炉的侧壁、顶壁或/和被加热工件内部布置测温点；将各测温点的温度传感器与温度检测控制器连接；
第二步、将室式加热炉的多个烧嘴进行分挡，分挡原则为：第1挡位开2启个烧嘴，第2档位开4启个烧嘴，以此类推；
第三步、每隔3-5分钟进行一次档位切换对室式加热炉进行加热，实时地对加热炉内温度进行测量，并计算其温度平均值PV、温度标准差值σ、平均升温速度PV′；
温度平均值PV=（t1＋t2＋t3＋…＋tn）/n；
其中：用t1、t2、t3…tn代表室式加热炉某时刻的温度值；
温度标准差值σ={[（t1－PV）2＋（t2－PV）2＋…（tn－PV）2]/n-1}0.5；
平均升温速度PV′=dPV/dt；
根据上述计算结果填入判据表进行加减档判断；
第四步、根据温度标准差值σ来控制当前工作档位的烧嘴处于大火、小火状态之间的切换，或小火、关闭状态之间的切换；切换周期为10-25s切换一次。
所述测温点的数量设置为烧嘴数量的1.3-2倍；所述烧嘴的大火、小火或小火、关闭状态的切换周期为10s或者12s。
本发明优点在于开创性的提出了整体性控制的思想，不再对炉膛进行区域划分，控制方式简洁巧妙，切实可行。不需要改变炉体本身物理结构就解决了炉温均匀性的问题，节约了能源也大幅度地提升了燃气炉的品质，具有很强的普适性。本控制方法首先取消了传统的一个烧嘴为一个温区这一概念。独创性的提出了每一个测温点的温度都是所有烧嘴的共同作用的结果。通过控制烧嘴以不同频率、不同组合、不同强度进行“闪烁”（大火/小火或小火/关闭的切换），利用烧嘴的高速气流来搅拌炉内温度场，以达到较高的温度均匀性。测温点的位置也不局限于传统的安装在炉壁的方式，可以位于炉顶，甚至可以贴在工件表面或者埋于工件内部。这样，测温点的温度才是整个炉内有效装载空间的真实反映。
附图说明
图1是所述台车式室式炉的烧嘴和测温点布置示意图。
图2是图1的逻辑分析示意图。
图3是图2去掉测温点的示意图。
图4是将所述台车式室式炉加热能力分为7个挡位的示意图。
图5是所述第1挡位8个工作状态在不同时刻分别开启烧嘴的示意图。
图6是所述第2挡位8个工作状态在不同时刻分别开启烧嘴的示意图。
图7是所述第3挡位8个工作状态在不同时刻分别开启烧嘴的示意图。
图8是所述第4挡位8个工作状态在不同时刻分别开启烧嘴的示意图。
图9是所述第5挡位8个工作状态在不同时刻分别开启烧嘴的示意图。
图10是所述第6挡位8个工作状态在不同时刻分别开启烧嘴的示意图。
图11是所述第7挡位8个工作状态在不同时刻分别开启烧嘴的示意图。
具体实施方式
下面以某工厂一台工业燃气炉为例对本发明方法进行详细描述。本发明方法能够无障碍的应用于其它工业炉中。
所使用的工业燃气炉的背景数据为：
烧嘴数量：16个；每个烧嘴大火（最大）功率：630KW；每个烧嘴小火（最小）功率：70KW；工业燃气炉最大功率：20000KW、平均工作功率：10000KW；炉膛有效尺寸：16m×6m×4.5m（长×宽×高）；最大装载量：500吨；工作形式：台车式室式炉；工业炉燃料：天然气；工业炉用途：金属正火，退火，回火。
第一步、如图1所示，将21个测温传感器分别布置在台车式室式炉的侧壁、顶壁测温点处，将各测温点的温度传感器与温度检测控制器连接。图1中，“●”代表烧嘴S1、S2、S3、…16个，短线“|”代表测温点T1、T2、T3…共21个。
为了便于逻辑分析处理，将图1转化为图2所示形式，炉体从方到圆仅仅是便于分析做的抽象处理，并非真实的空间布置转化。
为了以下描述的方便，现将图2中的测温点去掉，进一步简化为图3。
用t1、t2、t3……代表该炉某时刻的温度值，PV表示实测温度平均值。PV=（t1+t2+t3+……+t21）/21；
SV表示设定值，由工艺人员给出；
σ表示标准差值，σ={[（t1－PV）2＋（t2－PV）2＋…（t21－PV）2]/20}0.5；
本发明控制方法的评价指标是：1、PV接近SV；2、σ越小越好。
标准差值的单位仍然是℃。其含义是：68%的测温点温度都在（PV-σ，PV+σ）范围内。95%的测温点温度点都在（PV-2σ，PV+2σ）范围内。99%的测温点温度点都在（PV-3σ，PV+3σ）范围内。因此如果σ等于5℃，那么这21个测温点有14个（68%）在温度为±5℃范围内波动。有20个测温点在（95%）在±10℃波动。
第二步、将台车式室式炉加热能力分为7个挡位，如图4所示。
第1挡位开启2个烧嘴；第2档位开启4个烧嘴，以此类推，第7挡位开启14个烧嘴。开启烧嘴的含义是开大火状态；不开启该烧嘴的含义是该烧嘴保持小火状态。（但是，在特殊情况下，为了满足带火降温的需要，开启烧嘴的含义可以改变为开小火状态，不开启该烧嘴的含义是关闭该烧嘴。）
将每个档位分别设置为8种工作状态，即：
第1挡位8个工作状态，如图5所示；在不同的时刻分别开启烧嘴：（1,9）、（2,10）、（3,11）、（4,12）、（5,13）、（6,14）、（7、15），（8,16）。
第2挡位8个工作状态如图6所示；在不同的时刻分别开启烧嘴：（1,5,9,13）、（2,6,10,14）、（3,7,11,15）、（4,8,12,16）、（2,8,10,16）、（4,6,12,14）、（2,4,10,12）、（6,8,14,16）。
需要指出的是第2档位的8个状态并没有遍历所有的烧嘴，也就是说烧嘴使用情况是不均衡的（后四种状态只使用了偶数烧嘴）。如果要求烧嘴使用均衡还需要添加另外四种状态，原理一致，此处省略。
第3挡位8个工作状态，如图7所示；在不同的时刻分别开启烧嘴：（1,4,7,9,12,15）、（2,5,8,10,13,16）、（3，6,9,11,14,1）、（4,7,10,12,15,2）、（5,8,11,13,16,3）、（6,9,12,14,1,4）、（7,10,13,15,2,5）、（8,11,14,16,3,6）。
第4挡位8个工作状态如图8所示；在不同的时刻分别开启烧嘴：
（1,3,5,7,9,11,13,15）、（2,4,6,8,10,12,14,16）、（16,1,2,5,8,9,10,13）、（1,4,5,6,9,12,13,14）、（1,2,5,6,9,10,13,14）、（3,4,7,8,11,12,14,15）、（15,16,1,2,7,8,9,10,）、（3,4,5,6,11,12,13,14,）。
第5挡位8个工作状态如图9所示；在不同的时刻分别开启烧嘴：
（1,2,3,5,7,9,10,11,13，15）、（2,3,4,6,8,10,11,12,14,16）、（1,3,4,5,7,9,11,12,13，15）、（2,4,5,6,8,10,12,13，14,16）、（1,3,5,6,7,9,11,13，14,15）、（2,4,6,7,8,10,12，14,15,16）、（1,3,5,7,8,9,11,13，15,16）、（1,2,4,6,8,9,10,12,14,16）。
第6挡位8个工作状态如图10所示；在不同的时刻分别开启烧嘴：
（2,3,4,5,6,8,10，11,12,13,14,16）、（1,3,4,5,6,7,9,11,12,13,14,15）、
（2,4,5,6,7,8,10，12,13,14,15,16）、（1,3,5,6,7,8,9，11,13,14,15,16）、
（1,2,4,6,7,8,9,10,12,14,15,16）、（1,2,3,5,7,8,9,10，11,13,15,16）、
（1,2,3,4,6,8,9,10，11,12,14,16）、（1,2,3,4,6,8,9,10，11,12,14,16）。
第7挡位8个工作状态如图11所示；在不同的时刻分别开启烧嘴：
（1,2,3,4,5，6,7，9,10，11,12,13，14,15）
（2,3,4,5，6,7，8,10，11,12,13，14,15，16）
（1,3,4,5，6,7，8,9,11,12,13，14,15，16）
（1,2,4,5，6,7，8,9,10，12,13，14,15，16）
（1,2,3,5，6,7，8,9,10，11,13，14,15，16）
（1,2,3,4,6,7，8,9,10，11,12，14,15，16）
（1,2,3,4,5，7，8,9,10，11,12,13，15，16）
（1,2,3,4,5，6,8,9,10，11,12,13，14,16）。
第三步、档位切换的判据表：
对于这7挡位借鉴模糊控制的思想对其在不同情况下进行加减挡位。
表一是一张判据表（比如，0代表维持原加热档位不变，+1代表在原档位的基础上增加一档，-1代表在原加热档位降一档）。
温差为设定值减去实测值（SV-PV）单位为℃。
升温速度为每小时上升多少℃。
表一：
第四步、具体操作步骤：
1、控制中心（一般为PLC或者DCS）接收来自所有测温点信息，并对所有烧嘴进行统一管理和控制；
2、实时地对各温度点温度进行测量，并计算其平均值（记为PV）、标准差值（记为σ）和平均值的升温速度（记为PV′）；
3、每隔3-5分钟进行一次档位切换判断，间隔越短温度控制越精细。但是工业炉本身为纯滞后系统，间隔太短容易产生控制震荡；
4、根据温度标准差值σ来调整具体一个档位的状态切换频率，但是局限于烧嘴不能频繁点火，切换应在10-25s内进行，通常为了简化，可以将频率固定为10s或者12s；
5、通常情况下烧嘴工作在大火/小火（●/○）状态，但在特殊情况下（比如需要带火降温）也可工作在小火/关闭状态，即，状态图中的●/○代表小火/关闭。
Claims (2)
1.一种多烧嘴室式加热炉温度控制方法，其特征在于：包括下述步骤：
第一步、在室式加热炉的侧壁、顶壁或/和被加热工件内部布置测温点；将各测温点的温度传感器与温度检测控制器连接；
第二步、将室式加热炉的多个烧嘴进行分挡，分挡原则为：第1挡位开2启个烧嘴，第2档位开4启个烧嘴，以此类推；
第三步、每隔3-5分钟进行一次档位切换对室式加热炉进行加热，实时地对加热炉内温度进行测量，并计算其温度平均值PV、温度标准差值σ、平均升温速度PV′；
温度平均值PV=（t1＋t2＋t3＋…＋tn）/n；
其中：用t1、t2、t3…tn代表室式加热炉某时刻的温度值；
温度标准差值σ={[（t1－PV）2＋（t2－PV）2＋…（tn－PV）2]/n-1}0.5；
平均升温速度PV′=dPV/dt；
根据上述计算结果填入判据表进行加减档判断；
第四步、根据温度标准差值σ来控制当前工作档位的烧嘴处于大火、小火状态之间的切换，或小火、关闭状态之间的切换；切换周期为10-25s切换一次。
2.根据权利要求1所述的多烧嘴室式加热炉温度控制方法，其特征在于：所述测温点的数量设置为烧嘴数量的1.3-2倍；所述烧嘴的大火、小火或小火、关闭状态的切换周期为10s或者12s。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120711 |