董 群，齊曉銘

（唐山國豐鋼鐵有限公司，河北 唐山 063300）

蓄熱式加熱爐換向燃燒系統(tǒng)間歇延時控制工藝的應(yīng)用

董 群，齊曉銘

（唐山國豐鋼鐵有限公司，河北 唐山 063300）

唐山國豐鋼鐵有限公司熱軋薄板廠原建一線加熱爐使用已達(dá)到淘汰年限。該公司通過在設(shè)備上應(yīng)用換向燃燒系統(tǒng)間歇延時控制工藝，實現(xiàn)了燃燒控制自動化，提高了經(jīng)濟(jì)效益，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，并有節(jié)能環(huán)保效果。

換向燃燒；爐溫；節(jié)能；經(jīng)濟(jì)效益

2012年7月和2013年9月，唐山國豐鋼鐵有限公司熱軋薄板廠1號線1#、2#加熱爐改造重建工程順利竣工，完成了燃燒系統(tǒng)自動化工程。

在改造前，2座加熱爐均已連續(xù)使用近7年，爐子的各項指標(biāo)均不能達(dá)到低耗能標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)淘汰更新。為了提高熱負(fù)荷或改善燃燒條件，應(yīng)當(dāng)改進(jìn)燃燒裝置，提高爐子生產(chǎn)率。此項工程已納入公司2012～2013年年度節(jié)能改造規(guī)劃中。為節(jié)約資金，唐山國豐鋼鐵有限公司設(shè)備部與熱軋薄板廠將中冶華天工程技術(shù)有限公司研發(fā)的換向燃燒系統(tǒng)間歇延時控制工藝專利(國家發(fā)明專利號ZL201010250587.3)，應(yīng)用在此次加熱爐改造工程中，使用效果良好，產(chǎn)生了明顯的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

一、技術(shù)簡介

目前國內(nèi)大多數(shù)雙蓄熱式加熱爐的儀控基本是手動遠(yuǎn)操控制方式，對操作人員的水平要求很高，影響了爐況的穩(wěn)定性。為實現(xiàn)加熱爐燃控系統(tǒng)控制自動化，提高爐效率，公司將間歇延時控制方式引入到雙蓄熱式加熱爐的控制系統(tǒng)中，實踐證明，效果良好。

2.換向裝置

在均熱段及預(yù)熱段的空氣、煤氣均采用小型雙執(zhí)行器三通換向閥實現(xiàn)燃燒系統(tǒng)的分散換向。三通換向閥靠近燒嘴，換向閥與燒嘴之間的連接管道短而細(xì)，因此換向時爐內(nèi)間斷燃燒時間短，可以使換向瞬間對爐溫和爐壓的影響降到了最小。

該閥采用立式雙列布置，閥板與閥座采用平面密封，閥板具有耐溫耐腐蝕特性的材料，具有一定密封補(bǔ)償性能，閥板與驅(qū)動桿采用柔性連接，密封可靠。2閥板通過2汽缸分別驅(qū)動動作，并分別由2只電磁閥進(jìn)行控制。其動作分別由2只位置檢測開關(guān)進(jìn)行檢測，開關(guān)為磁性開關(guān)，直接裝在汽缸上面。閥正常工作時，1個閥板打開，另1個關(guān)閉。換向指令發(fā)出后，處于開啟的閥板首先關(guān)閉，到位后，由其下面的檢測開關(guān)發(fā)出信號，給原關(guān)閉的閥板指令，使其動作并打開，到位后給出到位信號，至此換向動作完成。

當(dāng)4個檢測開關(guān)中任何1個在換向動作指令給出后一定時間內(nèi)還不能給出到位信號時，系統(tǒng)發(fā)出報警，表示有故障，應(yīng)及時排除。換向閥何時換向由整個燃燒系統(tǒng)要求決定，可通過時間控制，也可通過溫度控制。

該三通換向閥能實現(xiàn)先關(guān)后開。作為煤氣換向閥使用時，能有效避免換向過程中煤氣與煙氣互串，使用更安全。煤氣通路上閥板在介質(zhì)壓力作用下，密封更可靠。

電磁閥設(shè)置為得電時閥板打開，在斷電(或故障停電)及排煙超溫時，電磁閥失電，2閥板均處于關(guān)閉狀況，使得整個系統(tǒng)運(yùn)行更安全。

3.換向系統(tǒng)

采用PLC可編程控制器控制，可完成自動程序換向控制，另外，在必要時還可以手動強(qiáng)制換向控制，并設(shè)有功能及工作狀態(tài)顯示等，使操作者對蓄熱燃燒系統(tǒng)工作情況一目了然，操作和監(jiān)視十分方便。每套換向系統(tǒng)均設(shè)有煙溫顯示，煙溫變化由各系統(tǒng)煙管上的調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)，系統(tǒng)還設(shè)有煙溫超溫及換向超時報警功能，在發(fā)出聲光報警信號的同時，只將出現(xiàn)問題的蓄熱式燒嘴單獨(dú)自鎖、并顯示故障位置及原因。此時，其他燒嘴均正常工作，充分保證生產(chǎn)操作具有可靠的連續(xù)性。

二、改造項目分析

1.傳統(tǒng)控制方式在雙蓄熱加熱爐上運(yùn)用的局限性

雙交叉限幅控制傳統(tǒng)串級PID控制方式在雙蓄熱式加熱爐上控制的理論邏輯過程為：設(shè)定溫度與實測溫度的偏差通過PID計算調(diào)節(jié)幅度及響應(yīng)速度，同時輸出閥門的調(diào)節(jié)率，控制煤氣及空氣閥門的開度，通過增大或減少燃料量以達(dá)到控制溫度的目的，此過程是上下波動漸漸逼近的過程。雙蓄熱加熱爐在改變煤氣及空氣流量后，爐壓及燒嘴排煙溫度均發(fā)生改變，一般以控制燒嘴排煙溫度做為控制參數(shù)，此時需通過PID計算燒嘴溫度的變化率，分別調(diào)節(jié)煤煙及空煙調(diào)節(jié)閥，使燒嘴排煙溫度在適當(dāng)范圍內(nèi)并漸漸穩(wěn)定下來，最終達(dá)到一個爐壓、排煙溫度雙平衡的狀態(tài)。

從上述邏輯過程可以看出，當(dāng)爐溫與設(shè)定溫度發(fā)生偏差時，計算機(jī)的第一個指令是調(diào)節(jié)煤氣流量，空氣量按固定的空燃比緊隨其后進(jìn)行調(diào)節(jié)，此時爐壓會產(chǎn)生極大變化，而燒嘴排煙溫度是個大滯后的調(diào)節(jié)參數(shù)，為了調(diào)節(jié)爐壓，煤煙及空煙閥門會在燒嘴排煙溫度發(fā)生變化后再進(jìn)行動作，而且爐壓與燒嘴排煙溫度能相對穩(wěn)定需要一個較長的調(diào)節(jié)周期才能穩(wěn)定下來。

所以，以傳統(tǒng)控制方式進(jìn)行雙蓄熱加熱爐的控制，如想投入自動化，加熱爐的相關(guān)參數(shù)變化范圍必須很小，而且調(diào)整的時間很長，因為任何1個參數(shù)的變化均會引起其他參數(shù)的變化。

從加熱爐實操的經(jīng)驗上來講，加熱爐即使在穩(wěn)定的生產(chǎn)狀況下，爐溫也是在設(shè)定溫度上下波動的，空煤氣流量也不是穩(wěn)定在1個參數(shù)上，同時1段溫度的調(diào)整還會影響到其他段的溫度及相關(guān)參數(shù)。

綜上所述，采用傳統(tǒng)的雙交叉限幅及PID計算的控制方式是很難運(yùn)用在雙蓄熱加熱爐上實現(xiàn)儀控自動控制。

2.改造后使用脈沖控制技術(shù)改變熱負(fù)荷輸出的大小

當(dāng)空煤氣流量處于自動跟蹤狀態(tài)后，該段處于連續(xù)換向時所能輸出的最大熱負(fù)荷即已確定，此時就需要根據(jù)爐溫來確定脈沖的長短。

從上文可知，改變換向周期的長短對加熱爐的各個控制參數(shù)擾動很大，反而不利于加熱爐自動化控制程序及爐況的穩(wěn)定，所以雙蓄熱燃燒系統(tǒng)的換向周期不變，

暫定60s。

從蓄熱式爐燃燒的過程來看，有1個斷火時間，而這個斷火時間實際上是人為可控的，且這個控制精度甚至可以達(dá)到ms級。

假設(shè)空煤氣流量已確定，煤氣流量為10 000m3/h，假設(shè)斷火時間為0，則認(rèn)為輸出熱負(fù)荷為100%，通過表1可以看出，通過改變斷火時間，實際輸出的熱負(fù)荷可以控制在100%以下，理論上可以將熱負(fù)荷從100%至0進(jìn)行無限劃分，該控制精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過調(diào)節(jié)蝶閥所能控制的精度。

表1 脈沖控制熱負(fù)荷變化表

從表1也可以看出，當(dāng)斷火時間控制在20s時，實際輸出熱負(fù)荷相當(dāng)于煤氣流量為7 500m3/h。

3.實際運(yùn)用效果

脈沖控制雙蓄熱加熱爐在實際運(yùn)用中取得了良好的效果，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

(1)空煤氣流量穩(wěn)定。在加熱爐正常生產(chǎn)情況下，變化的節(jié)奏非常慢，空/煙及煤/煙閥門調(diào)節(jié)好，爐壓及蓄熱式燒嘴排煙溫度平衡后，只要生產(chǎn)情況不發(fā)生巨大改變，基本不再動作，對自動化系統(tǒng)的穩(wěn)定有極大的好處。

(2)換向閥的動作明顯減少。比如常規(guī)控制的蓄熱式爐一段換向閥動作60次/h，而該種方式換向閥只動作30～50次/h，有利于延長換向閥的壽命。

(3)解決了保溫時，空煤氣流量小、排煙溫度高、爐壓高、無法控制的問題。

(4)解決了常規(guī)控制小流量時空煤氣流量無法觀測(受節(jié)流裝置測量低限的限制)、爐內(nèi)氣氛無法控制的問題，特別是當(dāng)某些品種鋼在爐內(nèi)加熱時對爐內(nèi)氣氛有嚴(yán)格要求，同時加熱的時間又較長，熱負(fù)荷卻很小的情況，這種方式有利于減少氧化、脫碳等問題，優(yōu)點(diǎn)更加明顯。

(5)對于較寬的加熱爐，如果不保持燒嘴的較大的空煤氣流量，氣流速度減小，火焰沒有剛度，造成加熱爐中間的溫度與兩邊的溫差較大，加熱質(zhì)量嚴(yán)重下降。但是出于爐溫控制的目的，有時必須減少空煤氣流量，這個矛盾在產(chǎn)量變化時或產(chǎn)量較小時特別明顯，脈沖控制程序可以解決這個矛盾，在保持燒嘴相對較大的空煤氣流量的情況下進(jìn)行溫度控制。

(6)由于空煤比可以通過計算機(jī)嚴(yán)格自動控制，氧化燒損能穩(wěn)定在一個相當(dāng)?shù)偷乃缴稀?/p>

(7)由于換向閥動作次數(shù)減少，換向時所浪費(fèi)的高爐煤氣比常規(guī)控制能減少15%以上，當(dāng)加熱爐熱負(fù)荷越低時，該節(jié)能效果越顯著。

(8)雙蓄熱加熱爐真正實現(xiàn)了燃燒系統(tǒng)儀控的自動化。

三、改造前后能源消耗對比

唐山國豐鋼鐵有限公司薄板廠2012年5月進(jìn)行1#加熱爐改造工程，2013年6月份進(jìn)行2#加熱爐改造，實踐證明此次改造在節(jié)能減排方面效果顯著。為了證明此技術(shù)在生產(chǎn)中的作用，將該項技術(shù)投入生產(chǎn)前后通過生產(chǎn)報表提供的煤氣消耗量做相應(yīng)的追蹤和比較，結(jié)果如下。

1.額定產(chǎn)量

(1)改造前原單座爐子額定產(chǎn)量：加熱標(biāo)準(zhǔn)板坯、熱坯入爐溫度≥920℃時，爐子的額定產(chǎn)量為290t/h(熱裝)；加熱標(biāo)準(zhǔn)坯、冷裝時，額定生產(chǎn)能力為100t/h；板坯出爐溫度為1 150～1 250℃。

(2)改造后現(xiàn)單座爐子額定產(chǎn)量：標(biāo)準(zhǔn)坯入爐表面平均溫度≥600℃時，爐子的額定產(chǎn)量為300t/h；標(biāo)準(zhǔn)坯入爐溫度為常溫時，額定生產(chǎn)能力為130t/h；板坯出爐溫度約1 250℃；鋼溫精度為±10℃；全長溫差≤20℃(包括水管黑印)。

2.煤氣消耗

改造前煤氣消耗(熱值700×4.186kJ/m3)：2012年3月2套加熱爐共計消耗煤氣3 898.55萬m3，加熱鋼坯總量149 583.75t，噸鋼耗煤氣260.6m3，平均機(jī)時產(chǎn)量384.96t。

1#加熱爐改造后煤氣消耗：2012年11月1#爐改造完成后兩套加熱爐共計消耗煤氣4 064.74萬m3，加熱鋼坯總量181 836.71t，噸鋼耗煤氣223.53m3，平均機(jī)時產(chǎn)量374.03t。

從1#爐改造前后的數(shù)據(jù)對比來看，2座爐子噸鋼煤氣消耗有所下降，下降數(shù)值為37.07m3/t。該廠2012年平均月產(chǎn)量為161 986.58t，則每月減少煤氣消耗600.482萬m3。

2013年10月2#爐改造后1個月2套加熱爐共計消耗煤氣4 696.89萬m3，加熱鋼坯總量228 029.80t，噸鋼耗煤氣205.97m3，平均機(jī)時產(chǎn)量407.12t。

從2#爐改造前后的數(shù)據(jù)對比來看，2座爐子噸鋼煤氣消耗下降明顯。

四、結(jié)語

此項技術(shù)真正實現(xiàn)了燃燒控制自動化，避開頻繁調(diào)節(jié)空、煤氣量來控制爐溫，有效地降低氧化燒損。按保守估計按降低0.01%計算，200萬t年產(chǎn)量可產(chǎn)生80萬元經(jīng)濟(jì)效益；換向時所浪費(fèi)的高爐煤氣比常規(guī)控制能減少15%，年可節(jié)約燃料費(fèi)用60萬元；由于減少了換向閥動作次數(shù)，換向閥易損件費(fèi)用10萬元，總共150萬元。除此之外，有效地保證了鋼坯加熱的溫度均勻項，減少燃燒廢氣污染物排放等隱形效益。

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