薛 軍,于 野,張勤帥

(太原重工軌道交通設(shè)備有限公司,山西 太原 030032)

1 前 言

近年來,高速脈沖燒嘴在工業(yè)爐尤其是環(huán)形加熱爐中得到了廣泛的應(yīng)用,其控制及燃燒技術(shù)水平發(fā)生了巨大的變革。該產(chǎn)品具有自動(dòng)點(diǎn)火及火焰監(jiān)控功能,可根據(jù)燒嘴的開、關(guān)時(shí)間來調(diào)整送熱量,確保燒嘴在最優(yōu)的燃燒條件下,具有較高的溫度控溫和均勻度,極大地降低了爐體的蓄熱和散熱損失。配合合理實(shí)用的熱工自動(dòng)化控制系統(tǒng),充分利用燃料燃燒產(chǎn)生的熱量,熱損失減少到最小。總之,高速脈沖燒嘴具有火焰穩(wěn)定、燃燒完全、調(diào)節(jié)靈活、NOx排放低特點(diǎn),符合我國提倡的綠色、節(jié)能、環(huán)保要求,使其在鐵路行業(yè)、鋼鐵行業(yè)、機(jī)械制造行業(yè)、貴金屬工業(yè)等領(lǐng)域得到了快速應(yīng)用。本文通過對(duì)高速脈沖燒嘴在環(huán)形加熱爐中的應(yīng)用,從燃燒系統(tǒng)、控制方式及爐溫均勻性的角度,做簡要、膚淺的分析。

2 環(huán)形爐的加熱形式

以現(xiàn)有的環(huán)形爐為例進(jìn)行說明,加熱爐中徑為10 m,以天然氣為燃料,加熱溫度1 150 ℃,主要用于鍛造用方形鋼坯加熱。按照環(huán)形加熱爐的空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工藝溫度控制的需要,將其圓周劃分為多個(gè)扇區(qū),包括預(yù)熱段、加熱Ⅰ段、加熱Ⅱ段和均熱段[1-2]。預(yù)熱部分無燒嘴,通過高溫區(qū)產(chǎn)生的煙氣余熱對(duì)該區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱。加熱Ⅰ段、加熱Ⅱ段、均熱段燃燒方式均采用了高速燒嘴,脈沖控制,并配有自動(dòng)點(diǎn)火和火焰監(jiān)測(cè)的功能。通過脈沖系統(tǒng)控制各燃燒燒嘴的開、關(guān)時(shí)間及開關(guān)順序來調(diào)整整區(qū)燃燒熱量,根據(jù)空燃比調(diào)節(jié),使每個(gè)燒嘴達(dá)到最好的燃燒狀態(tài),燃燒供熱均勻和節(jié)能性好。在出料口處配有平焰燒嘴,當(dāng)開爐門時(shí)確保出料口的爐壓穩(wěn)定和爐膛溫度。高速燒嘴及充分燃燒的效果見圖1。

圖1 燒嘴及效果圖

3 數(shù)字化脈沖及電氣控制系統(tǒng)

3.1 數(shù)字化脈沖控制系統(tǒng)

3.1.1 脈沖燃燒

脈沖燃燒是指單個(gè)燒嘴按設(shè)定好的空氣/燃料比例,在一定頻率下進(jìn)行間歇性的燃燒。燒嘴一般采用高速脈沖燒嘴,燃燒時(shí)燃料以很高的速度噴射出形成穩(wěn)定的火焰,通常燃燒速度大于100 m/s[3]。再通過合理分配區(qū)域內(nèi)燒嘴的燃燒時(shí)序,實(shí)現(xiàn)一定區(qū)域內(nèi)升溫或保溫的效果。這種燃燒方式的優(yōu)點(diǎn)在于以恒定的燃?xì)?、空氣壓力及流量?脈沖燃燒可獲得固定的燃燒效果,包括固定的熱氣流熱焓、速度及熱氣流長度,當(dāng)對(duì)一組燒嘴的燃燒進(jìn)行合理的組合分配,可通過量化的參數(shù)對(duì)爐溫進(jìn)行控制,溫度均勻性更好,工件的加熱效果更高[4]。

燒嘴的脈沖控制波形由溫度調(diào)節(jié)器(PID)、脈沖變換器、脈沖時(shí)序分配器生成,原理圖見圖2。溫度調(diào)節(jié)器(PID)輸入端由設(shè)定溫度值SP、溫度測(cè)量值PV控制,通過PID控制輸出值MV在“0～100%”變化。脈沖變換器將PID輸出值轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖的打開時(shí)間,打開時(shí)間呈線性變化,變化值在“0～T”內(nèi),T為脈沖周期。最后打開時(shí)間的脈沖由脈沖時(shí)序分配器分配至對(duì)應(yīng)的燒嘴天然氣、空氣控制閥門的執(zhí)行器上,執(zhí)行器動(dòng)作配合自動(dòng)點(diǎn)火系統(tǒng)產(chǎn)生脈沖燃燒的效果,進(jìn)而動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)爐溫[5-6]。

圖2 控制脈沖原理圖

3.1.2 脈沖燃燒時(shí)燒嘴的工作原理

燒嘴的脈沖全部由PLC控制,通過溫度設(shè)定值SP、溫度測(cè)量值PV輸入?yún)?shù)調(diào)用對(duì)應(yīng)的程序塊實(shí)現(xiàn),最終輸出對(duì)應(yīng)點(diǎn)位的高低電平信號(hào)。燒嘴燃燒過程工作原理圖見圖3,停產(chǎn)時(shí),燒嘴控制器的2、4端口輸出低電平,空氣閥T1、燃?xì)忾yT2均關(guān)閉。當(dāng)正常生產(chǎn)燒嘴工作時(shí),燃燒時(shí)序?yàn)椤癘N”,PLC向燒嘴控制器的2、4端口輸出高電平,打開空氣燃?xì)忾y門,同時(shí)5、6端口輸出脈沖信號(hào),點(diǎn)燃燒嘴并啟動(dòng)火焰監(jiān)測(cè),燒嘴開始正常燃燒;燃燒時(shí)序變?yōu)椤癘FF”時(shí),2、4端口輸出低電平,空氣燃?xì)忾y門同時(shí)關(guān)閉,燃燒中斷,等待下一個(gè)“ON”燃燒時(shí)序[7]。最后PLC周期性地輸出高低電平,控制燒嘴的燃燒/中斷,實(shí)現(xiàn)燒嘴脈沖燃燒。

圖3 燒嘴工作原理圖

3.1.3 熱負(fù)荷變化過程與燒嘴打開/關(guān)閉的關(guān)系

對(duì)于這種每個(gè)燒嘴以恒定的燃?xì)?、空氣供給條件下,每個(gè)脈沖燃燒可獲得固定的燃燒效果,僅僅通過控制燒嘴開啟的時(shí)間及各燒嘴的燃燒順序,實(shí)現(xiàn)每個(gè)脈沖周期內(nèi)開啟的總燒嘴數(shù)不同,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)控溫區(qū)域內(nèi)供熱量的線性變化,量化控制。圖4為燒嘴最小供熱狀態(tài)時(shí)序圖,對(duì)脈沖燃燒的機(jī)理和量化過程進(jìn)行時(shí)序化的說明,表示最小供熱量時(shí)的燒嘴工作情況。燒嘴按照1～8的順序開啟,燒嘴燃燒時(shí)間t為脈沖周期T的1/8,在一個(gè)脈沖周期T內(nèi),且只有一個(gè)燒嘴處于開啟狀態(tài),實(shí)現(xiàn)了該加熱區(qū)域最小供熱量的控制。

圖4 燒嘴最小供熱狀態(tài)時(shí)序圖

在連續(xù)加熱過程中,當(dāng)環(huán)形爐裝/出料達(dá)到平衡的時(shí),爐膛溫度也將進(jìn)入一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài),燒嘴也將處于較小的供熱狀態(tài)。當(dāng)裝/出料平衡被打破,供熱不能滿足加熱需求,需要升溫時(shí),供熱負(fù)荷也就需要調(diào)節(jié)變化,圖5為燒嘴50%供熱狀態(tài)時(shí)序圖,表示50%供熱量時(shí)的燒嘴工作情況,燒嘴按照1～8的順序開啟,燒嘴燃燒時(shí)間t為脈沖周期T的1/2,在一個(gè)脈沖周期T內(nèi),只有4個(gè)燒嘴處于開啟狀態(tài),實(shí)現(xiàn)了該加熱區(qū)域50%供熱量的控制。上述的燒嘴開啟高低電平及開啟時(shí)間均由PLC控制實(shí)現(xiàn)[8-9]。

圖5 燒嘴50%供熱狀態(tài)時(shí)序圖

3.2 電氣控制系統(tǒng)

3.2.1 基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)電氣系統(tǒng)24 h運(yùn)行的穩(wěn)定性,選用了工業(yè)用西門子S7-400系列的PLC控制器,I/O模塊采用了DC24V供電,并通過中間繼電器對(duì)各終端設(shè)備進(jìn)行控制。該P(yáng)LC具有高速性、工業(yè)以太網(wǎng)、PROFIBUS-DP方便使用,以及編程靈活等特點(diǎn),滿足該加熱爐儀表、電氣系統(tǒng)的控制。系統(tǒng)HMI配置以WINDOWS為平臺(tái)的WinCC 工控軟件組成的人機(jī)界面系統(tǒng),分別對(duì)加熱爐電氣、儀表進(jìn)行在線監(jiān)視操作。配合強(qiáng)大的DCS儀表,實(shí)現(xiàn)了加熱爐控溫均勻性和坯料實(shí)時(shí)物料跟蹤等功能。

I/O系統(tǒng)配置采用ET200M遠(yuǎn)程站作為I/O系統(tǒng)的主要設(shè)備,用于對(duì)各種I/O數(shù)據(jù)的收集和控制輸出。工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)上層采用SIEMENS的FAST EthertNET,將爐區(qū)PLC、HMI有機(jī)結(jié)合,同時(shí)和上下工序設(shè)備數(shù)據(jù)交換。底層采用PRUFIBUS-DP 現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu),將遠(yuǎn)程I/O(ET200M)、變頻器、絕對(duì)編碼器全部連接起來,提高了系統(tǒng)的可靠性。

3.2.2 儀表系統(tǒng)檢測(cè)和控制

自動(dòng)化的控制以提高爐子的控制精度,保證合理燃燒及安全性為核心,兼顧各項(xiàng)控制功能以穩(wěn)定、可靠、迅速、準(zhǔn)確。為保證各個(gè)供熱區(qū)溫度的可控性,根據(jù)本加熱爐爐型的特點(diǎn),由工藝部分在爐環(huán)的方向上,設(shè)置均熱段、加熱2段、加熱1段和預(yù)熱段。分別對(duì)應(yīng)3個(gè)供熱區(qū):均熱段、加熱2段、加熱1段。沿爐環(huán)的方向,在上述相應(yīng)的供熱區(qū),設(shè)置對(duì)應(yīng)的測(cè)溫?zé)犭娕?合計(jì)8只S型電偶,測(cè)溫點(diǎn)布置圖見圖6。對(duì)于輔助部分的溫度檢測(cè),則采用K型熱電偶、PT100等。壓力檢測(cè)采用壓力變送器的檢測(cè)方式,流量檢測(cè)采用節(jié)流裝置(孔板)+變送器的檢測(cè)方式。裝出料爐內(nèi)安裝有2臺(tái)高溫?cái)z像機(jī),用于實(shí)時(shí)觀察裝出料情況。

圖6 測(cè)溫點(diǎn)布置圖

3.2.3 儀表系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)回路

在脈沖燃燒的情況下,環(huán)形爐可以從軟件上做到極為靈活的供熱分區(qū),以實(shí)現(xiàn)精確的爐溫控制。確切地說,供熱區(qū)的劃分是根據(jù)熱電偶的設(shè)置情況而定的,也就是說,有多少只熱電偶,就可以在不增加任何成本的情況下,分為相同數(shù)量的供熱區(qū)。對(duì)于本環(huán)形爐按照3個(gè)溫度區(qū)考慮,可以由軟件的變化,最多可以實(shí)現(xiàn)6個(gè)溫度區(qū)的控制。

在不同的分區(qū)情況下,在對(duì)應(yīng)的熱電偶覆蓋的范圍內(nèi),由軟件對(duì)燒嘴進(jìn)行一定范圍內(nèi)的適當(dāng)組合,實(shí)現(xiàn)了所轄分區(qū)的供熱量的不同分配,最終實(shí)現(xiàn)了熱電偶-燒嘴的最佳組合,也就是所說的彈性分區(qū)。

各控溫段的溫度測(cè)量值PV默認(rèn)是由2只熱電偶的溫度平均值為準(zhǔn),作為PID控制的反饋溫度,但當(dāng)其中一只熱電偶損壞后,系統(tǒng)自動(dòng)將完好的另一只測(cè)定值作為PID控制的反饋溫度,并報(bào)警提示。在HMI上可設(shè)置各段的升降溫速率(單位 ℃/h),當(dāng)溫度設(shè)定值發(fā)生大幅度變化時(shí),程序內(nèi)部實(shí)際設(shè)定值按照設(shè)定的速率每秒進(jìn)行累加,防止PID輸出因?yàn)樵O(shè)定值的巨變而突然增大,減小溫度控制的熱慣性。

4 應(yīng)用及驗(yàn)證

在對(duì)該環(huán)形爐測(cè)試時(shí),在同一截面布置了5只熱電偶,分別布置在截面的4個(gè)角,中心布置1個(gè)。按工藝要求設(shè)定好加熱參數(shù)后,爐內(nèi)溫度上升到工藝溫度后,按加熱工藝要求進(jìn)行保溫[10]。隨著爐盤的轉(zhuǎn)動(dòng),由測(cè)溫裝置實(shí)時(shí)記錄各分區(qū)的溫度,經(jīng)過數(shù)據(jù)驗(yàn)證對(duì)比,表明該環(huán)形加熱爐爐溫均勻性非常好,在1 150 ℃保溫段,爐溫均勻性最大為7 ℃,也驗(yàn)證了高速燒嘴脈沖控制的精確性,在環(huán)形爐中的應(yīng)用效果非常好。

2019年1月份,在對(duì)車輪環(huán)形加熱爐大修改造,將燒嘴全部更換高速燒嘴,控制方式由大小火流量控制升級(jí)為脈沖控制,燃?xì)饪刂聘_,控溫精度和爐溫均勻性都有了極大的提升,在1 250 ℃保溫段,爐溫均勻性達(dá)到工藝要求的±10 ℃以內(nèi)。且經(jīng)過多年的使用情況跟蹤,原車輪鍛造過程中出現(xiàn)的偏心問題有效解決,廢品率大幅度降低,直接提高公司經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié) 語

環(huán)形爐作為鍛造加熱工藝的重要生產(chǎn)設(shè)備,因其結(jié)構(gòu)特點(diǎn),具有綠色、節(jié)能、環(huán)保的特點(diǎn)。本文針對(duì)高速燒嘴在環(huán)形爐中的應(yīng)用,從數(shù)字化脈沖控制系統(tǒng)分析了脈沖時(shí)序控制燒嘴的原理,由PLC自動(dòng)化控制,實(shí)現(xiàn)高精度的控溫效果。電氣控制系統(tǒng)由基礎(chǔ)自動(dòng)化系統(tǒng)及儀表系統(tǒng)檢測(cè)和控制組成,通過合理化編程,在脈沖燃燒的情況下,爐區(qū)可以從軟件上做到靈活的供熱分區(qū),滿足不同的加熱工藝要求。通過總結(jié)多年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn),從實(shí)際應(yīng)用的角度證明了高速燒嘴、脈沖控制在環(huán)形爐應(yīng)用中的可靠性、精確性。