蓄熱式加熱爐換向燃燒系統(tǒng)間歇延時(shí)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）

蓄熱式加熱爐換向燃燒系統(tǒng)間歇延時(shí)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(shí)控制工藝，實(shí)現(xiàn)了燃燒控制自動(dòng)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(hào)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(dòng)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(xiàng)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(xiàng)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(shí)控制工藝專利(國家發(fā)明專利號(hào)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(huì)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(dòng)遠(yuǎn)操控制方式，對(duì)操作人員的水平要求很高，影響了爐況的穩(wěn)定性。為實(shí)現(xiàn)加熱爐燃控系統(tǒng)控制自動(dòng)化，提高爐效率，公司將間歇延時(shí)控制方式引入到雙蓄熱式加熱爐的控制系統(tǒng)中，實(shí)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(shí)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(shí)爐內(nèi)間斷燃燒時(shí)間短，可以使換向瞬間對(duì)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(dòng)桿采用柔性連接，密封可靠。2閥板通過2汽缸分別驅(qū)動(dòng)動(dòng)作，并分別由2只電磁閥進(jìn)行控制。其動(dòng)作分別由2只位置檢測(cè)開關(guān)進(jìn)行檢測(cè)，開關(guān)為磁性開關(guān)，直接裝在汽缸上面。閥正常工作時(shí)，1個(gè)閥板打開，另1個(gè)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(cè)開關(guān)發(fā)出信號(hào)，給原關(guān)閉的閥板指令，使其動(dòng)作并打開，到位后給出到位信號(hào)，至此換向動(dòng)作完成。

當(dāng)4個(gè)檢測(cè)開關(guān)中任何1個(gè)在換向動(dòng)作指令給出后一定時(shí)間內(nèi)還不能給出到位信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，表示有故障，應(yīng)及時(shí)排除。換向閥何時(shí)換向由整個(gè)燃燒系統(tǒng)要求決定，可通過時(shí)間控制，也可通過溫度控制。

該三通換向閥能實(shí)現(xiàn)先關(guān)后開。作為煤氣換向閥使用時(shí)，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(shí)閥板打開，在斷電(或故障停電)及排煙超溫時(shí)，電磁閥失電，2閥板均處于關(guān)閉狀況，使得整個(gè)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(dòng)程序換向控制，另外，在必要時(shí)還可以手動(dòng)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(duì)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(shí)報(bào)警功能，在發(fā)出聲光報(bào)警信號(hào)的同時(shí)，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(shí)，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(xiàng)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(jí)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(shí)測(cè)溫度的偏差通過PID計(jì)算調(diào)節(jié)幅度及響應(yīng)速度，同時(shí)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(dòng)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(shí)需通過PID計(jì)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(gè)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(shí)，計(jì)算機(jī)的第一個(gè)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(shí)爐壓會(huì)產(chǎn)生極大變化，而燒嘴排煙溫度是個(gè)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(huì)在燒嘴排煙溫度發(fā)生變化后再進(jìn)行動(dòng)作，而且爐壓與燒嘴排煙溫度能相對(duì)穩(wěn)定需要一個(gè)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(dòng)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(shí)間很長，因?yàn)槿魏?個(gè)參數(shù)的變化均會(huì)引起其他參數(shù)的變化。

從加熱爐實(shí)操的經(jīng)驗(yàn)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(dòng)的，空煤氣流量也不是穩(wěn)定在1個(gè)參數(shù)上，同時(shí)1段溫度的調(diào)整還會(huì)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(jì)算的控制方式是很難運(yùn)用在雙蓄熱加熱爐上實(shí)現(xiàn)儀控自動(dòng)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(dòng)跟蹤狀態(tài)后，該段處于連續(xù)換向時(shí)所能輸出的最大熱負(fù)荷即已確定，此時(shí)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(duì)加熱爐的各個(gè)控制參數(shù)擾動(dòng)很大，反而不利于加熱爐自動(dòng)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(gè)斷火時(shí)間，而這個(gè)斷火時(shí)間實(shí)際上是人為可控的，且這個(gè)控制精度甚至可以達(dá)到ms級(jí)。

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(shí)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(shí)間，實(shí)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(shí)間控制在20s時(shí)，實(shí)際輸出熱負(fù)荷相當(dāng)于煤氣流量為7 500m3/h。

3.實(shí)際運(yùn)用效果

脈沖控制雙蓄熱加熱爐在實(shí)際運(yùn)用中取得了良好的效果，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)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(dòng)作，對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)的穩(wěn)定有極大的好處。

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

(3)解決了保溫時(shí)，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(shí)空煤氣流量無法觀測(cè)(受節(jié)流裝置測(cè)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(shí)對(duì)爐內(nèi)氣氛有嚴(yán)格要求，同時(shí)加熱的時(shí)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(duì)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(shí)必須減少空煤氣流量，這個(gè)矛盾在產(chǎn)量變化時(shí)或產(chǎn)量較小時(shí)特別明顯，脈沖控制程序可以解決這個(gè)矛盾，在保持燒嘴相對(duì)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(jì)算機(jī)嚴(yán)格自動(dòng)控制，氧化燒損能穩(wěn)定在一個(gè)相當(dāng)?shù)偷乃缴稀?/p>

(7)由于換向閥動(dòng)作次數(shù)減少，換向時(shí)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(shí)，該節(jié)能效果越顯著。

(8)雙蓄熱加熱爐真正實(shí)現(xiàn)了燃燒系統(tǒng)儀控的自動(dòng)化。

三、改造前后能源消耗對(duì)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(shí)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(xiàng)技術(shù)投入生產(chǎn)前后通過生產(chǎn)報(bào)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(shí)，爐子的額定產(chǎn)量為290t/h(熱裝)；加熱標(biāo)準(zhǔn)坯、冷裝時(shí)，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(shí)，爐子的額定產(chǎn)量為300t/h；標(biāo)準(zhǔn)坯入爐溫度為常溫時(shí)，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(jì)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(shí)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(jì)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(shí)產(chǎn)量374.03t。

從1#爐改造前后的數(shù)據(jù)對(duì)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(gè)月2套加熱爐共計(jì)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(shí)產(chǎn)量407.12t。

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

四、結(jié)語

此項(xiàng)技術(shù)真正實(shí)現(xiàn)了燃燒控制自動(dòng)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(jì)按降低0.01%計(jì)算，200萬t年產(chǎn)量可產(chǎn)生80萬元經(jīng)濟(jì)效益；換向時(shí)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(dòng)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(xiàng)，減少燃燒廢氣污染物排放等隱形效益。

TP278

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1671-0711（2014）03-0012-03

2013-11-06)