徐春風(fēng)，韓 祎

(機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司 第二工程院，河南 鄭州 450007)

當(dāng)今，耐火材料燒成過(guò)程的高效節(jié)能，對(duì)企業(yè)參與市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)具有積極的現(xiàn)實(shí)意義，耐火材料窯爐是否節(jié)能及其溫度均勻性是企業(yè)選擇窯爐時(shí)考慮的關(guān)鍵問(wèn)題.為了保證產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性和一致性，耐火材料燒成工藝對(duì)溫度場(chǎng)的均勻性，對(duì)燃燒氣氛的穩(wěn)定可控性要求都很高.除了窯爐本體的設(shè)計(jì)，燃燒控制系統(tǒng)的選擇也是影響溫度均勻性、燃燒氣氛穩(wěn)定可控性的關(guān)鍵因素[1].

通常用來(lái)提高耐火材料窯爐溫度均勻性及燃燒氣氛可控性的技術(shù)有如下兩項(xiàng)：使用過(guò)量的助燃空氣；使用脈沖燃燒控制系統(tǒng).國(guó)內(nèi)的耐火材料窯爐一般采用連續(xù)燃燒控制方式.采用這種控制方式對(duì)燃燒氣氛進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，首先將在線(xiàn)檢測(cè)的煙氣殘氧量數(shù)據(jù)反饋給控制器，然后實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)助燃空氣流量，以精確控制窯爐內(nèi)的燃燒氣氛.但是，連續(xù)燃燒控制方式受其所用氧量傳感器的壽命、價(jià)格和可靠性等影響，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用并不理想.若采用空氣比例閥，使助燃空氣流量與燃?xì)獾牧髁砍晒潭ū壤?，則不得不將助燃空氣余量留得很大，達(dá)不到控制過(guò)剩氧含量(或過(guò)?？諝庀禂?shù))的要求，同時(shí)會(huì)大大增加能耗[2].

采用脈沖燃燒控制方式，可以將燃?xì)鈮毫椭硷L(fēng)壓力調(diào)整到合適值，系統(tǒng)運(yùn)行后只要保持這兩個(gè)壓力穩(wěn)定即可.脈沖燃燒與其他燃燒控制技術(shù)相比，具有以下優(yōu)勢(shì)：①傳熱效率高，能夠降低燃料成本和運(yùn)營(yíng)成本；②可提高窯爐內(nèi)溫度場(chǎng)的均勻性；③容易實(shí)現(xiàn)燃燒氣氛的精確控制；④燃燒器處于最佳工作位置，能夠減少?gòu)U氣排放[3].

本文基于中鋼集團(tuán)某耐火材料廠(chǎng)脈沖燃燒車(chē)式窯的建造過(guò)程，詳細(xì)分析脈沖燃燒控制技術(shù)在工業(yè)窯爐中的應(yīng)用.

1 脈沖燃燒控制系統(tǒng)

中鋼集團(tuán)某耐火材料廠(chǎng)脈沖燃燒車(chē)式窯共設(shè)置4個(gè)燒成控溫區(qū)，每個(gè)控溫區(qū)均含有一套燃燒系統(tǒng).燃燒系統(tǒng)中燒嘴采用高速燒嘴，每個(gè)燒嘴均配有一套點(diǎn)火變壓器、燃燒控制器和紫外火焰探測(cè)器(UV).在燒嘴對(duì)面窯墻上設(shè)置熱電偶檢測(cè)點(diǎn).點(diǎn)火操作時(shí)，燃燒控制器發(fā)出點(diǎn)火指令，同時(shí)打開(kāi)燃?xì)夤苈冯姶砰y，若火焰點(diǎn)著時(shí)，UV檢測(cè)到火焰信號(hào)，則燃燒控制器控制燃?xì)怆姶砰y導(dǎo)通，燒嘴保持著火狀態(tài)；若UV未檢測(cè)到火焰信號(hào)，則燃燒控制器控制燃?xì)怆姶砰y關(guān)閉，以保護(hù)設(shè)備安全.

各控溫區(qū)燃燒系統(tǒng)中燃?xì)庵Ч芸煞譃榇蠡鸸苈泛托』鸸苈穬煞N.每條管路上均設(shè)有電磁閥.在升溫階段，需要慢速升溫時(shí)，只需點(diǎn)火保持小火狀態(tài)即可；需要快速升溫時(shí)，首先切換至大火狀態(tài)，然后根據(jù)溫度曲線(xiàn)調(diào)節(jié)大火電磁閥的開(kāi)啟時(shí)間.在降溫階段，大、小火電磁閥均關(guān)閉.在各控溫區(qū)助燃風(fēng)支管上設(shè)有電氣動(dòng)雙位蝶閥.通過(guò)控制電磁閥通入的壓縮空氣來(lái)驅(qū)動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)度.助燃風(fēng)系統(tǒng)與燃?xì)庀到y(tǒng)的燃燒階段相同，保持小風(fēng)電磁閥常開(kāi)狀態(tài)，大風(fēng)電磁閥的開(kāi)啟與大火電磁閥保持同步；快速降溫階段，小風(fēng)電磁閥保持常開(kāi)狀態(tài)，大風(fēng)電磁閥根據(jù)溫度曲線(xiàn)調(diào)節(jié)開(kāi)啟時(shí)間.脈沖燃燒控制系統(tǒng)如圖1所示[4].

圖1 脈沖燃燒控制系統(tǒng)

2 脈沖燃燒控制原理

脈沖燃燒控制采用間斷燃燒的方式，使用PID調(diào)節(jié)技術(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)燃燒時(shí)間的占空比(通斷比)來(lái)實(shí)現(xiàn)窯爐的溫度控制.燃燒系統(tǒng)中各控溫區(qū)燃?xì)庵Ч芊执蠡鸸苈泛托』鸸苈?，每條管路上均設(shè)有電磁閥.燃燒階段采用小火電磁閥常開(kāi)、大火電磁閥間歇打開(kāi)的脈沖燃燒方式.燃燒系統(tǒng)并不調(diào)節(jié)某個(gè)區(qū)域燃?xì)廨斎氲牧?，而是調(diào)節(jié)給定溫區(qū)內(nèi)每個(gè)燒嘴大火階段被點(diǎn)燃的頻率和持續(xù)時(shí)間.當(dāng)?shù)陀谠O(shè)定溫度時(shí)，燒嘴大火燃燒時(shí)間加長(zhǎng)，間斷時(shí)間減短；當(dāng)高于設(shè)定溫度時(shí)，燒嘴大火燃燒時(shí)間減短，間斷時(shí)間加長(zhǎng).脈沖燃燒控制原理如圖2所示.

圖2 脈沖燃燒控制原理圖

脈沖燃燒控制系統(tǒng)主要由PID調(diào)節(jié)單元、非線(xiàn)性信號(hào)處理單元、輸出控制單元組成.

PID調(diào)節(jié)單元主要對(duì)實(shí)測(cè)溫度與設(shè)定溫度進(jìn)行處理.其輸入輸出傳遞函數(shù)為：

(1)

式中：P(t)為輸出；Kp為比例單元；KI為積分單元；KD為微分單元；e(t)為時(shí)間函數(shù)[5].

處理非線(xiàn)性信號(hào)的關(guān)系式為：

(2)

式中，f(t)為大火占空比的實(shí)際輸出.

當(dāng)PID輸出P(t)<10%時(shí)，實(shí)測(cè)溫度與設(shè)定溫度偏差不大，只要在對(duì)應(yīng)燃燒周期內(nèi)保持小火燃燒即可，大火占空比為0.當(dāng)PID輸出P(t)>90%時(shí)，實(shí)測(cè)溫度與設(shè)定溫度偏差較大，需要在對(duì)應(yīng)燃燒周期內(nèi)保持大火燃燒，大火占空比為100%.當(dāng)PID輸出P(t)在10%～90%之間時(shí)，實(shí)測(cè)溫度與設(shè)定溫度偏差合理，對(duì)應(yīng)燃燒周期內(nèi)的大火燃燒比例按照實(shí)際輸出占空比控制即可.大伙占空比實(shí)際輸出與理論輸出的關(guān)系如圖3所示.

圖3 大火占空比實(shí)際輸出與理論輸出的關(guān)系曲線(xiàn)

兩次大火的間隔時(shí)間為一個(gè)控溫周期.在一個(gè)控溫周期Tp開(kāi)始時(shí)刻，PLC系統(tǒng)采集窯內(nèi)的溫度與燃燒曲線(xiàn)設(shè)定溫度值并進(jìn)行PID運(yùn)算，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理獲取輸出值OUTp.OUTp即為大火燃燒時(shí)間的占空比，范圍為0～100%.

在一個(gè)控溫周期內(nèi)，大火的燃燒時(shí)間為：Tb=Tp·OUTp；小火的燃燒時(shí)間為：Ts=Tp·(100%-OUTp).PLC系統(tǒng)根據(jù)算出的大火運(yùn)行時(shí)間，控制打開(kāi)大火燃?xì)怆姶砰y和大閥位助燃風(fēng)電磁閥的時(shí)間.在本控溫周期結(jié)束時(shí)，PLC系統(tǒng)再次采集溫度值并進(jìn)行PID運(yùn)算和處理，控制下個(gè)控溫周期的大火運(yùn)行時(shí)間[6].單個(gè)燒嘴大小火切換控制時(shí)序如圖4所示.

圖4 單個(gè)燒嘴大小火切換時(shí)序

控制系統(tǒng)采用“計(jì)算機(jī)+PLC”控制方式，以西門(mén)子1500系列PLC系統(tǒng)為控制核心，工業(yè)計(jì)算機(jī)為工作站，F(xiàn)orceControl智能軟件為監(jiān)控平臺(tái).PLC系統(tǒng)與上位機(jī)平臺(tái)之間通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)進(jìn)行基于TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)通信，來(lái)實(shí)現(xiàn)窯爐運(yùn)行過(guò)程中溫度、壓力、氣氛、報(bào)警、安全連鎖等自動(dòng)控制.監(jiān)控平臺(tái)具有溫控曲線(xiàn)的運(yùn)行、各類(lèi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和管理、模擬工藝畫(huà)面運(yùn)行、報(bào)警記錄、歷史曲線(xiàn)查詢(xún)、報(bào)表打印等功能.觸摸屏安裝在控制柜上，可實(shí)現(xiàn)基本的窯爐操作控制，也可在工控機(jī)發(fā)生故障時(shí)作為后備顯示裝置，使系統(tǒng)仍能正常運(yùn)行，保障產(chǎn)品燒成的連續(xù)性和產(chǎn)品質(zhì)量.

窯內(nèi)溫度采用分區(qū)控制方式.4個(gè)溫控區(qū)中每個(gè)控制區(qū)控制一個(gè)高速燒嘴，燒嘴對(duì)面相應(yīng)位置設(shè)測(cè)溫?zé)犭娕?窯爐運(yùn)行時(shí)，軟件和PLC系統(tǒng)協(xié)同管理，依據(jù)溫度設(shè)定值和測(cè)量值的差值，控制每個(gè)燒嘴的大小火狀態(tài)，使其能夠按設(shè)定溫度曲線(xiàn)進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿(mǎn)足產(chǎn)品燒成工藝要求.通過(guò)風(fēng)機(jī)變頻控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)窯內(nèi)的壓力控制.窯內(nèi)氣氛控制主要通過(guò)控制進(jìn)入燒嘴的助燃風(fēng)和天然氣比例來(lái)實(shí)現(xiàn).因?yàn)槭敲}沖燃燒，所以應(yīng)在調(diào)試階段依據(jù)產(chǎn)品對(duì)氣氛的需要設(shè)定比例值，而燒成過(guò)程中不再需要調(diào)節(jié).

3 脈沖燃燒控制系統(tǒng)應(yīng)用效果

窯爐運(yùn)行中要想達(dá)到較高的控溫精度，需要設(shè)置合理的控溫周期Tp.如果控溫周期Tp設(shè)置過(guò)大，燃燒系統(tǒng)中大火的通斷周期就會(huì)變長(zhǎng)，控制精度降低.如果控溫周期Tp設(shè)置過(guò)小，燃燒系統(tǒng)中大火的通斷周期就會(huì)變短，控制精度增高，但大火電磁閥通斷頻繁，會(huì)影響設(shè)備使用壽命.在窯爐初期調(diào)試中，將燃燒系統(tǒng)控溫周期Tp設(shè)置為30 s，窯內(nèi)溫度控制的最大偏差在±7 ℃以?xún)?nèi).綜合考慮產(chǎn)品的工藝要求及設(shè)備壽命等因素后，將控溫周期Tp設(shè)置為20 s，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)爐內(nèi)溫度場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試.從實(shí)際測(cè)試結(jié)果來(lái)看，基本達(dá)到了4個(gè)爐溫檢測(cè)點(diǎn)溫度偏差控制在±4 ℃之內(nèi).窯內(nèi)溫度檢測(cè)記錄見(jiàn)表1.與該廠(chǎng)連續(xù)調(diào)節(jié)車(chē)式窯±3 ℃的溫度控制精度相比，各測(cè)溫點(diǎn)的溫度偏差稍大，但由于脈沖燃燒的應(yīng)用，大小火產(chǎn)生強(qiáng)制攪拌,使窯內(nèi)無(wú)死角，溫差和氣氛差都很小[4]，窯內(nèi)有效加熱區(qū)溫度更加均勻，能夠滿(mǎn)足產(chǎn)品燒成工藝要求，因此燒成產(chǎn)品一直保持很高的良品率.

表1 窯內(nèi)溫度記錄報(bào)表 ℃

實(shí)際運(yùn)行中，該脈沖燃燒控制方案對(duì)設(shè)備要求較高.由于大火燃?xì)怆姶砰y與助燃風(fēng)電磁閥平均每分鐘動(dòng)作2～3次，通斷較為頻繁，國(guó)產(chǎn)價(jià)廉的電磁閥使用壽命大概在1～2年左右，換上知名品牌電磁閥后壽命有所延長(zhǎng).

4 結(jié)束語(yǔ)

用于耐火材料車(chē)式窯的脈沖燃燒控制系統(tǒng)，自動(dòng)化程度和控制精度高，界面友好，基本可做到燒成、冷卻全過(guò)程的無(wú)人值守，有效地降低了現(xiàn)場(chǎng)操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度.

該車(chē)式窯運(yùn)行3年多來(lái)，產(chǎn)品燒成一直保持較高的良品率.窯內(nèi)引入脈沖燃燒控制方式，無(wú)需過(guò)量的助燃風(fēng)就可以保證合理的窯內(nèi)氣氛以及溫度均勻性，減少了NOx等廢氣的排放，同時(shí)產(chǎn)品的單位氣耗相比該廠(chǎng)連續(xù)調(diào)節(jié)車(chē)式窯有所降低，節(jié)能減排效果較為顯著.因此，脈沖燃燒控制技術(shù)可廣泛應(yīng)用在耐火材料、陶瓷磨具、冶金等行業(yè)的窯爐上，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低能耗、減少污染具有重大作用，是工業(yè)窯爐行業(yè)自動(dòng)控制的一個(gè)發(fā)展方向.