□文/王金祥

西部礦業(yè)投資（天津）有限公司

廢銅精煉爐主燒嘴點火控制系統(tǒng)研究

□文/王金祥

西部礦業(yè)投資（天津）有限公司

Study of ignition and flame automatic control system for scrap refining furnace main burner

采用PLC集成控制的方法，設計并實現(xiàn)了一套由對精煉爐主燒嘴的空氣和燃氣比例的精確測量及配比，通過PLC完成對精煉爐主燒嘴點火及火焰強弱的自動化控制系統(tǒng)。

目前，我國再生銅行業(yè)使用的廢雜銅熔煉爐基本全是固定式精煉爐，這種熔煉爐具有造價低、建設周期短、維修方便等明顯優(yōu)點，因此在行業(yè)內(nèi)得到了普遍應用。但是固定式精煉爐也有十分明顯的缺點，燒嘴點火安全性差，火焰不穩(wěn)定；由于密閉性不好，在氧化、還原過程中需打開爐門進行操作，導致熱效率低，同時該爐空燃比難于控制，容易產(chǎn)生不完全燃燒，因此熱效率一般只有2 5%～3 0%；在加料、熔化、氧化、氧化、還原階段無法對空燃比精確控制，需人工持管在加料口作業(yè)，爐門處無法避免冒黑煙，環(huán)境污染嚴重，人工持管操作也不安全。所以，無論固定式精煉爐具有多少優(yōu)點，節(jié)能、環(huán)保、安全方面的缺點決定了其只能適用于中國再生銅產(chǎn)業(yè)的初級階段。隨著國家對環(huán)保節(jié)能要求的逐步升級，其應用將逐步受到限制。

本文為解決廢銅精煉爐點火、火焰大小控制及精煉爐空燃比控制，設計一套由PLC實現(xiàn)集中控制，通過現(xiàn)場傳感器及設備完成數(shù)據(jù)采集，并通過現(xiàn)場總線完成現(xiàn)場設備與PLC的通訊，PLC完成對廢銅精煉爐燒嘴的點火、火焰大小及空燃比的精確控制，能有效避免傳統(tǒng)熔煉爐上述問題，并取得良好的技術及經(jīng)濟效益。

一、系統(tǒng)工藝及控制要求

典型的工業(yè)用廢銅精煉爐主燒嘴點火控制系統(tǒng)工藝主要由主燒嘴的燃氣閥組系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)、火焰檢測系統(tǒng)、空氣燃氣比例調(diào)節(jié)系統(tǒng)、現(xiàn)場傳感器等檢測原件及PLC控制系統(tǒng)構(gòu)成。系統(tǒng)的基本工藝為：點燃點火小燒嘴，然后通過點火小燒嘴將精煉爐主燒嘴點燃，主燒嘴點燃并火焰穩(wěn)定后，點火小燒嘴將自動熄滅，此時火焰探測器將對火焰進行檢測，如果主燒嘴火焰熄滅，PLC將自動切斷燃氣并報警，保證系統(tǒng)的安全。在主燒嘴點燃過程中，PLC系統(tǒng)將在燃氣和空氣閥組上進行溫度，壓力，密閉性，流量等方面的檢測，只有條件具備才允許點火，待主燒嘴點燃后，PLC系統(tǒng)通過控制安裝在燃氣、空氣閥組上的伺服電機，控制燃氣和空氣的比例，從而控制火焰狀態(tài)，在主燒嘴點燃后，火焰探測器將一直工作，檢測火焰的狀態(tài)，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。本系統(tǒng)不但可以完成點火及火焰控制，而且燃氣和空氣的各個參數(shù)都處于實時監(jiān)控狀態(tài)，同時控制系統(tǒng)具有完善的安全保護、故障檢測及報警功能。

二、廢銅精煉爐主燒嘴點火系統(tǒng)概述

典型的廢銅精煉爐的主燒嘴點火及火焰控制系統(tǒng)主要由燃氣閥組系統(tǒng)、空氣閥組系統(tǒng)、火焰監(jiān)控系統(tǒng)、點火小燒嘴和一個主燃燒嘴組成。燃氣從燃氣閥組減壓單元出來后與從風機系統(tǒng)出來的空氣混合后，點燃點火小燒嘴，點火小燒嘴再點燃主燒嘴，主燒嘴點燃后，火焰監(jiān)控系統(tǒng)會自動檢測火焰情況，主燒嘴的火焰可以通過調(diào)節(jié)燃氣和空氣的混合比例達到，燒嘴點火及火焰控制系統(tǒng)由安裝于現(xiàn)場的傳感器進行信號采集，并將信號傳送至PLC，由PLC實現(xiàn)集中控制，系統(tǒng)的硬件主要包括以下內(nèi)容。

1. 燃氣閥組系統(tǒng) ：如圖1－1所示包括以下檢測元器件

圖1 －1

（1）燃氣壓力檢測開關S 1 0 、S 1 1：S 1 0是燃氣最低壓力開關S 1 1是燃氣最高壓力開關， S 1 0和S 1 1動作表明燃氣壓力太低或太高，將切斷燃氣電磁閥Y 2 0。

（2）燃氣截止電磁閥Y 2 0、Y 2 1：都為單穩(wěn)態(tài)電磁閥，得電時打開，未得電時截止，作用是切斷燃氣供給。

（3）燃氣密封性測試Q4 0： 是一個安裝于燃氣閥組上的用于檢查以下電磁閥密封性的裝置，密封性測試啟動控制（從PLC）元件為Y 4 0，密封性測試OK 則S 4 1動作，密封性測試N O T O K 則S 4 2動作，密封性測試復位控制元件Y 4 1。

（4）燃氣流量傳感器B 5 0：壓差發(fā)送器（ΔP）（B 5 0）連接于一個安裝在燃氣供應管路上的計量法蘭（由PLC進行平方根的提?。?，主要功能通過測量精煉爐主燒嘴燃氣的流量進行精煉爐主燒嘴空氣/燃氣比例循環(huán)控制。

（5）精煉爐主燒嘴燃氣電動閥伺服電機Y 6 0：閥的電源供給元件為Q 6 0，燃氣流量調(diào)整的節(jié)流閥的打開/關閉是通過伺服電機Y 6 0，從PLC接收4-2 0 mA的模擬信號自動進行的控制，閥的流量位置調(diào)整（反饋-0/1 0 V）元件為B 6 0，并帶有低火位置微型開關S 6 0和高火位置微型開關S 6 1。

（6）精煉爐燃氣壓力傳感器B 7 0 ：燃氣壓力測量和指示，在循環(huán)指示最低壓力時應預設一個濾波器（5秒，可以設定），以避免由于管路壓力的波動而引起的低壓報警的介入。

2. 空氣閥組系統(tǒng)：如圖1－2所示，包括以下檢測元器件

（1）風機電機M1 0：提供燃燒空氣。

（2）空氣低壓開關S 4 0：空氣最低壓力的壓力開關，S 4 0動作將切斷安裝于燃氣閥組上的燃氣截止電磁閥Y 2 0。

（3）空氣壓力傳感器B 4 0：空氣壓力的測量，用于風機空氣壓力控制，可以控制風機空氣入口閥I/P轉(zhuǎn)換器Y 2 0。壓力控制循環(huán)指示最低壓力應預計一個濾波器（5秒，可以設定）以避免由于管路壓力的波動而引起的低壓報警的介入。

（4）電動閥I/P轉(zhuǎn)換器：精煉爐主燒嘴風機入口處空氣流量調(diào)節(jié)閥的執(zhí)行從PLC接受一個4-2 0 mA的類比信號，當精煉爐主燒嘴風機-空氣壓力控制循環(huán)被切換為自動時，按PLC的指令自動執(zhí)行，在精煉爐主燒嘴風機-空氣壓力控制循環(huán)變?yōu)槭謩訒r通過按鈕增加空氣（MP 1 0-S 2 1）/減少空氣（MP 1 0-S 2 2）由操作工手動進行。轉(zhuǎn)換器包括以下元件: 流量調(diào)節(jié)法Y 2 0（打開/關閉控制-4/2 0 mA），閥關閉S 2 0，閥打開S 2 1。

（5）空氣排氣電磁閥Y 3 0：單穩(wěn)態(tài)電磁閥，得電時打開。當給精煉爐主燒嘴風機的要求的空氣流量低于一個確定的界線（比如：3 5 0 0 N m3/h,可通過H MI設定）時按PLC的控制自動打開,當要求的空氣流量超過上述的界線時關閉。應預設一個滯后區(qū)域以避免連續(xù)變換的波動。手動時，操作工通過發(fā)光選擇開關精煉爐主燒嘴風機排出閥打開/關閉（S 1 3）進行的控制。

3. 主燒嘴燃燒控制系統(tǒng)圖：如圖1－3所示，包括以下檢測元器件

（1）精煉爐點火小燒嘴/主燒嘴火焰探測器：是一個直接安裝于靠近燒嘴處的E S A E S T R O火焰控制器，火焰控制器直接管理精煉爐的點火小燒嘴燒嘴和主燒嘴的點火循環(huán)，火焰指示器元件及功能如表1－1所示：

（2）空氣流量傳感器B 6 0：壓差變送器（ΔP）B 6 0連接于一個安裝于精煉爐主燒嘴燃氣供應管路上的計量法蘭（由PLC進行平方根的提取）用于空氣流量的測量，在H MI上設定精煉爐主燒嘴空氣/燃氣比例和精煉爐主燒嘴空氣流量，對精煉爐主燒嘴空氣/燃氣比例和精煉爐主燒嘴空氣流量進行循環(huán)控制

圖1 －2

（3）精煉爐主燒嘴空氣電動伺服電機Y 7 0：流量調(diào)整（打開/關閉控制）是從PLC接收4-2 0 mA的模擬信號自動進行的控制，流量調(diào)整位置（反饋-0/1 0 V）信號元件為B 7 0，并帶有低火位置微型開關S 7 0和高火位置微型開關S 7 1。

當精煉爐主燒嘴空氣流量控制循環(huán)轉(zhuǎn)換為自動時從PLC接收0-2 0 mA的類比信號自動進行，伺服電機的行程由低火位置微型開關（S 7 0）和高火位置微型開關（S 7 1）限定.

（4）精煉爐主燒嘴空氣壓力傳感器B 8 0：精煉爐主燒嘴的空氣的壓力值的測量并循環(huán)顯示，壓力循環(huán)指示最低壓力應預設一個濾波器（5秒，可以設定）以避免由于管路壓力的波動而引起的低壓報警。

（5）精煉爐主燒嘴燃氣截止電磁閥Y 9 0：單穩(wěn)態(tài)電磁閥。得電時打開，斷開時截止燃氣的輸入?？芍苯佑删珶挔t點火小燒嘴/主燒嘴火焰探測器Q 5 0 控制。

（6）精煉爐主燒嘴-空氣/燃氣比例控制循環(huán)：對精煉爐主燒嘴的空氣/燃氣比例的調(diào)整通過壓差變送器和相關伺服電機的類比信號和數(shù)字信號進行，如下表1－2所示：

當精煉爐主火焰開啟時該比例調(diào)整循環(huán)總是變換為自動（可設定滯后時間）。通過按鈕增加空氣（+MP 1 0-S 2 1）/減少空氣（+MP 1 0-S 2 2）經(jīng)過空氣流量調(diào)可整伺服電機Y 7 0，空氣被調(diào)節(jié)。當操作工釋放按鈕時，PLC將當前的空氣流量值定為精煉爐主燒嘴-空氣/燃氣比例控制循環(huán)的設定點值，按照所設定的設定點精煉爐主燒嘴-空氣/燃氣比例控制循環(huán)控制燃氣流量調(diào)整伺服電機Y 6 0的定位以便獲得想要的空氣/燃氣比。如果在燃氣閥打開的階段PLC測得比例偏差大于一個確定的值（比如>5%（可通過H MI調(diào)節(jié)）持續(xù)1 0秒（可通過H MI調(diào)節(jié)）），PLC控制空氣流量調(diào)整伺服電機直至燃氣的流量值回到正常的比例范圍之中。為了優(yōu)化空氣和燃氣流量調(diào)節(jié)伺服電機的功能要求一個線性化以補償節(jié)流閥的非線性，線性化將以下方式進行：

在節(jié)流閥已確定的打開度時通過計量法蘭流量的測量值填寫一個表格（在PLC程序內(nèi)部設定1 0個點）如下圖1－4所示：

圖1 －3

表1 －1

表1 －2

圖1 －4

在下面圖1－5中控制循環(huán)將表格使用為圖解（表格被插入）

圖1 －5

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