MESA氣氛控制系統(tǒng)在天然氣加熱爐中的應(yīng)用及典型故障處理

吳亞飛

（寶雞市寶鈦集團(tuán)有限公司鍛造廠，陜西 寶雞 721014）

1 概述

寶鈦集團(tuán)鍛造廠擁有多臺(tái)天然氣加熱爐，在鈦及鈦合金鍛件加熱過(guò)程中如果爐膛內(nèi)氧含量過(guò)高可會(huì)導(dǎo)致起某些金屬在高溫狀態(tài)下氧化，從而導(dǎo)致鍛件缺陷、凹陷或表面光潔度降低，這些都是不合格的產(chǎn)品。為了提高產(chǎn)品成品率，結(jié)合我廠實(shí)際情況，我們采用了MESA采樣式氣氛控制系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)組成及安裝

該系統(tǒng)由采樣檢測(cè)裝置（氧化鋯探頭）、智能加熱電源（NTV44P）和氣氛調(diào)節(jié)部分構(gòu)成。測(cè)量信號(hào)進(jìn)入PLC系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算后，控制風(fēng)量，以控制空氣燃?xì)獗壤凑疹A(yù)設(shè)的氧含量（過(guò)量空氣系數(shù)λ值）進(jìn)行閉環(huán)控制，λ值可以任意設(shè)定和修改。

采樣式是指通過(guò)氣體取樣管將被測(cè)氣體導(dǎo)入檢測(cè)室，然后通過(guò)加熱電源把氧化鋯探頭加熱到工作溫度（550℃）以上后輸出信號(hào)（如圖1所示）。相對(duì)于直插式，采樣式安裝方式靈活，維護(hù)簡(jiǎn)便，因?yàn)椴捎昧霜?dú)立的加熱電源，避免了氧化鋯探頭無(wú)法對(duì)低溫環(huán)境下氧含量進(jìn)行檢測(cè)的弊端。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)安裝示意圖

MESA NTV44P智能加熱電源與氧化鋯探頭配套使用，具有下列功能：（1）可以將氧化鋯探頭的工作溫度控制在一個(gè)固定值上。（2）可以輸入氧化鋯探頭的信號(hào)，并加以隔離。（3）可以直接計(jì)算氧含量百分比或露點(diǎn)。（4）在量程范圍內(nèi)，可選擇0-1300mV、0-10V、0-20mA或者4-20mA四種類型的輸出。取樣管測(cè)量的一端安裝了一臺(tái)抽氣泵，該氣泵可直接將爐膛內(nèi)氣體抽至探頭處，提高了系統(tǒng)的靈敏度。在實(shí)際工況中，通常測(cè)量的λ值為0.8-2.0，且需要在此范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)。我們參照說(shuō)明書，將NTV44P的量程設(shè)定為0.8-2.0，輸出設(shè)定為4-20mA，將此信號(hào)輸入到S7-300的模擬量輸入模塊上。

圖2 氣氛調(diào)節(jié)裝置安裝示意圖

氣氛調(diào)節(jié)裝置安裝在助燃風(fēng)管道的一個(gè)分支上，來(lái)自PLC的信號(hào)對(duì)其進(jìn)入燃?xì)獗壤y的壓力進(jìn)行控制，使其能夠借助助燃風(fēng)的壓力對(duì)燃?xì)夤艿郎系谋壤y進(jìn)行微調(diào)，以達(dá)到通過(guò)λ值對(duì)空燃比進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制（如圖2所示）。

3 典型故障處理

3.1 λ測(cè)量值始終為1.0

出現(xiàn)該故障后，首先檢查了NTV44P智能加熱電源，發(fā)現(xiàn)輸入電壓正常，輸出至PLC的電流約為6mA。用手觸摸氧化鋯探頭安裝的部位發(fā)現(xiàn)溫度較高，說(shuō)明NTV44P的加熱功能正常，探頭處于正常工作溫度。將氧化鋯探頭從測(cè)量室拆除，移至空氣中，測(cè)量輸出電流仍為6mA左右，正常時(shí)探頭暴露在空氣中的測(cè)量值為2，說(shuō)明探頭內(nèi)部并沒(méi)有與空氣接觸。仔細(xì)檢查后發(fā)現(xiàn)探頭內(nèi)部有水。經(jīng)分析，進(jìn)入冬季后北方天氣寒冷，取樣管內(nèi)外存在較高的溫差，而天然氣燃燒后的廢氣中含水，水氣冷凝后積存在取樣管和測(cè)量室中，導(dǎo)致氧化鋯探頭無(wú)法正常工作。后將取樣管從爐體拆除清理掉積存的水，并重新開孔安裝取樣管，抬高了測(cè)量室，使取樣管與水平方向形成約5°的夾角，以防止冷凝水再次積存。經(jīng)過(guò)一冬天的觀察，此類故障再未出現(xiàn)。

3.2 λ測(cè)量值變化緩慢

根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，在爐膛開始升溫后，大約3分鐘之內(nèi)，λ能達(dá)到預(yù)設(shè)值。但某日升溫開始一小時(shí)后仍未達(dá)到預(yù)設(shè)值。檢查了探頭、氣氛調(diào)節(jié)比例閥及加熱電源均未發(fā)現(xiàn)異常，最后發(fā)現(xiàn)氣泵抽氣不順暢。打開該隔膜泵后發(fā)現(xiàn)振動(dòng)部分連接的硅鋼片一面已經(jīng)斷裂，分析與安裝方向不對(duì)有關(guān)（此前安裝方式為側(cè)裝），震動(dòng)的硅鋼片長(zhǎng)期受力不均勻?qū)е缕跀嗔选：髮⑵涓臑榇怪卑惭b，此類故障再未出現(xiàn)。

經(jīng)過(guò)一段時(shí)段的運(yùn)行后筆者注意到此類隔膜泵因其內(nèi)部存在振動(dòng)機(jī)構(gòu)，在連續(xù)工作的過(guò)程中仍然會(huì)造成內(nèi)部元件損壞。且此泵為進(jìn)口產(chǎn)品，價(jià)格較高、采購(gòu)周期較長(zhǎng)，故現(xiàn)已采用價(jià)格低廉的國(guó)產(chǎn)直流無(wú)刷真空泵作為采樣泵。這種泵體積小、重量輕、安裝不受條件限制，經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明能滿足需要。

結(jié)語(yǔ)

經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的使用表明，MESA氣氛控制系統(tǒng)具有壽命長(zhǎng)、系統(tǒng)響應(yīng)速度快、可靠性高、測(cè)量準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)多批次試樣的檢測(cè)結(jié)果表明，此系統(tǒng)能夠滿足產(chǎn)品的需要，有效地提高了成品率。

參考文件

[1]夏麗芳.金屬熱處理工藝學(xué)[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2012.

[2]向曉漢，等.西門子PLC高級(jí)應(yīng)用實(shí)例講解[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.