高速脈沖燒嘴在環形爐中的應用

薛 軍,于 野,張勤帥

(太原重工軌道交通設備有限公司,山西 太原 030032)

1 前 言

近年來,高速脈沖燒嘴在工業爐尤其是環形加熱爐中得到了廣泛的應用,其控制及燃燒技術水平發生了巨大的變革。該產品具有自動點火及火焰監控功能,可根據燒嘴的開、關時間來調整送熱量,確保燒嘴在最優的燃燒條件下,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。配合合理實用的熱工自動化控制系統,充分利用燃料燃燒產生的熱量,熱損失減少到最小。總之,高速脈沖燒嘴具有火焰穩定、燃燒完全、調節靈活、NOx排放低特點,符合我國提倡的綠色、節能、環保要求,使其在鐵路行業、鋼鐵行業、機械制造行業、貴金屬工業等領域得到了快速應用。本文通過對高速脈沖燒嘴在環形加熱爐中的應用,從燃燒系統、控制方式及爐溫均勻性的角度,做簡要、膚淺的分析。

2 環形爐的加熱形式

以現有的環形爐為例進行說明,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。按照環形加熱爐的空間結構特點和工藝溫度控制的需要,將其圓周劃分為多個扇區,包括預熱段、加熱Ⅰ段、加熱Ⅱ段和均熱段[1-2]。預熱部分無燒嘴,通過高溫區產生的煙氣余熱對該區域進行預熱。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,并配有自動點火和火焰監測的功能。通過脈沖系統控制各燃燒燒嘴的開、關時間及開關順序來調整整區燃燒熱量,根據空燃比調節,使每個燒嘴達到最好的燃燒狀態,燃燒供熱均勻和節能性好。在出料口處配有平焰燒嘴,當開爐門時確保出料口的爐壓穩定和爐膛溫度。高速燒嘴及充分燃燒的效果見圖1。

圖1 燒嘴及效果圖

3 數字化脈沖及電氣控制系統

3.1 數字化脈沖控制系統

3.1.1 脈沖燃燒

脈沖燃燒是指單個燒嘴按設定好的空氣/燃料比例,在一定頻率下進行間歇性的燃燒。燒嘴一般采用高速脈沖燒嘴,燃燒時燃料以很高的速度噴射出形成穩定的火焰,通常燃燒速度大于100 m/s[3]。再通過合理分配區域內燒嘴的燃燒時序,實現一定區域內升溫或保溫的效果。這種燃燒方式的優點在于以恒定的燃氣、空氣壓力及流量下,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,當對一組燒嘴的燃燒進行合理的組合分配,可通過量化的參數對爐溫進行控制,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節器(PID)、脈沖變換器、脈沖時序分配器生成,原理圖見圖2。溫度調節器(PID)輸入端由設定溫度值SP、溫度測量值PV控制,通過PID控制輸出值MV在“0～100%”變化。脈沖變換器將PID輸出值轉變為脈沖的打開時間,打開時間呈線性變化,變化值在“0～T”內,T為脈沖周期。最后打開時間的脈沖由脈沖時序分配器分配至對應的燒嘴天然氣、空氣控制閥門的執行器上,執行器動作配合自動點火系統產生脈沖燃燒的效果,進而動態調節爐溫[5-6]。

圖2 控制脈沖原理圖

3.1.2 脈沖燃燒時燒嘴的工作原理

燒嘴的脈沖全部由PLC控制,通過溫度設定值SP、溫度測量值PV輸入參數調用對應的程序塊實現,最終輸出對應點位的高低電平信號。燒嘴燃燒過程工作原理圖見圖3,停產時,燒嘴控制器的2、4端口輸出低電平,空氣閥T1、燃氣閥T2均關閉。當正常生產燒嘴工作時,燃燒時序為“ON”,PLC向燒嘴控制器的2、4端口輸出高電平,打開空氣燃氣閥門,同時5、6端口輸出脈沖信號,點燃燒嘴并啟動火焰監測,燒嘴開始正常燃燒;燃燒時序變為“OFF”時,2、4端口輸出低電平,空氣燃氣閥門同時關閉,燃燒中斷,等待下一個“ON”燃燒時序[7]。最后PLC周期性地輸出高低電平,控制燒嘴的燃燒/中斷,實現燒嘴脈沖燃燒。

圖3 燒嘴工作原理圖

3.1.3 熱負荷變化過程與燒嘴打開/關閉的關系

對于這種每個燒嘴以恒定的燃氣、空氣供給條件下,每個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間及各燒嘴的燃燒順序,實現每個脈沖周期內開啟的總燒嘴數不同,進而實現控溫區域內供熱量的線性變化,量化控制。圖4為燒嘴最小供熱狀態時序圖,對脈沖燃燒的機理和量化過程進行時序化的說明,表示最小供熱量時的燒嘴工作情況。燒嘴按照1～8的順序開啟,燒嘴燃燒時間t為脈沖周期T的1/8,在一個脈沖周期T內,且只有一個燒嘴處于開啟狀態,實現了該加熱區域最小供熱量的控制。

圖4 燒嘴最小供熱狀態時序圖

在連續加熱過程中,當環形爐裝/出料達到平衡的時,爐膛溫度也將進入一個相對穩定的狀態,燒嘴也將處于較小的供熱狀態。當裝/出料平衡被打破,供熱不能滿足加熱需求,需要升溫時,供熱負荷也就需要調節變化,圖5為燒嘴50%供熱狀態時序圖,表示50%供熱量時的燒嘴工作情況,燒嘴按照1～8的順序開啟,燒嘴燃燒時間t為脈沖周期T的1/2,在一個脈沖周期T內,只有4個燒嘴處于開啟狀態,實現了該加熱區域50%供熱量的控制。上述的燒嘴開啟高低電平及開啟時間均由PLC控制實現[8-9]。

圖5 燒嘴50%供熱狀態時序圖

3.2 電氣控制系統

3.2.1 基礎自動化系統

為了實現電氣系統24 h運行的穩定性,選用了工業用西門子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各終端設備進行控制。該PLC具有高速性、工業以太網、PROFIBUS-DP方便使用,以及編程靈活等特點,滿足該加熱爐儀表、電氣系統的控制。系統HMI配置以WINDOWS為平臺的WinCC 工控軟件組成的人機界面系統,分別對加熱爐電氣、儀表進行在線監視操作。配合強大的DCS儀表,實現了加熱爐控溫均勻性和坯料實時物料跟蹤等功能。

I/O系統配置采用ET200M遠程站作為I/O系統的主要設備,用于對各種I/O數據的收集和控制輸出。工業通信網絡上層采用SIEMENS的FAST EthertNET,將爐區PLC、HMI有機結合,同時和上下工序設備數據交換。底層采用PRUFIBUS-DP 現場總線結構,將遠程I/O(ET200M)、變頻器、絕對編碼器全部連接起來,提高了系統的可靠性。

3.2.2 儀表系統檢測和控制

自動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,兼顧各項控制功能以穩定、可靠、迅速、準確。為保證各個供熱區溫度的可控性,根據本加熱爐爐型的特點,由工藝部分在爐環的方向上,設置均熱段、加熱2段、加熱1段和預熱段。分別對應3個供熱區:均熱段、加熱2段、加熱1段。沿爐環的方向,在上述相應的供熱區,設置對應的測溫熱電偶,合計8只S型電偶,測溫點布置圖見圖6。對于輔助部分的溫度檢測,則采用K型熱電偶、PT100等。壓力檢測采用壓力變送器的檢測方式,流量檢測采用節流裝置(孔板)+變送器的檢測方式。裝出料爐內安裝有2臺高溫攝像機,用于實時觀察裝出料情況。

圖6 測溫點布置圖

3.2.3 儀表系統自動調節回路

在脈沖燃燒的情況下,環形爐可以從軟件上做到極為靈活的供熱分區,以實現精確的爐溫控制。確切地說,供熱區的劃分是根據熱電偶的設置情況而定的,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,分為相同數量的供熱區。對于本環形爐按照3個溫度區考慮,可以由軟件的變化,最多可以實現6個溫度區的控制。

在不同的分區情況下,在對應的熱電偶覆蓋的范圍內,由軟件對燒嘴進行一定范圍內的適當組合,實現了所轄分區的供熱量的不同分配,最終實現了熱電偶-燒嘴的最佳組合,也就是所說的彈性分區。

各控溫段的溫度測量值PV默認是由2只熱電偶的溫度平均值為準,作為PID控制的反饋溫度,但當其中一只熱電偶損壞后,系統自動將完好的另一只測定值作為PID控制的反饋溫度,并報警提示。在HMI上可設置各段的升降溫速率(單位 ℃/h),當溫度設定值發生大幅度變化時,程序內部實際設定值按照設定的速率每秒進行累加,防止PID輸出因為設定值的巨變而突然增大,減小溫度控制的熱慣性。

4 應用及驗證

在對該環形爐測試時,在同一截面布置了5只熱電偶,分別布置在截面的4個角,中心布置1個。按工藝要求設定好加熱參數后,爐內溫度上升到工藝溫度后,按加熱工藝要求進行保溫[10]。隨著爐盤的轉動,由測溫裝置實時記錄各分區的溫度,經過數據驗證對比,表明該環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 ℃,也驗證了高速燒嘴脈沖控制的精確性,在環形爐中的應用效果非常好。

2019年1月份,在對車輪環形加熱爐大修改造,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為脈沖控制,燃氣控制更精確,控溫精度和爐溫均勻性都有了極大的提升,在1 250 ℃保溫段,爐溫均勻性達到工藝要求的±10 ℃以內。且經過多年的使用情況跟蹤,原車輪鍛造過程中出現的偏心問題有效解決,廢品率大幅度降低,直接提高公司經濟效益。

5 結 語

環形爐作為鍛造加熱工藝的重要生產設備,因其結構特點,具有綠色、節能、環保的特點。本文針對高速燒嘴在環形爐中的應用,從數字化脈沖控制系統分析了脈沖時序控制燒嘴的原理,由PLC自動化控制,實現高精度的控溫效果。電氣控制系統由基礎自動化系統及儀表系統檢測和控制組成,通過合理化編程,在脈沖燃燒的情況下,爐區可以從軟件上做到靈活的供熱分區,滿足不同的加熱工藝要求。通過總結多年的應用經驗,從實際應用的角度證明了高速燒嘴、脈沖控制在環形爐應用中的可靠性、精確性。