鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)無(wú)縫鋼管過(guò)程中，環(huán)形加熱爐是重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，采用先進(jìn)的環(huán)形爐儀表自動(dòng)控制系統(tǒng)，直接關(guān)系鋼管生產(chǎn)質(zhì)量、環(huán)保節(jié)能及產(chǎn)能效益，昌暉儀表在本文介紹環(huán)形爐儀表自動(dòng)控制系統(tǒng)的組成和特點(diǎn)，采用的控制回路功能原理及高效節(jié)能雙蓄熱式加熱爐換向控制方案等。
 


1、儀表自動(dòng)控制系統(tǒng)的總體規(guī)劃
①基礎(chǔ)自動(dòng)化L1系統(tǒng)基礎(chǔ)自動(dòng)化L1系統(tǒng)選用西門(mén)子公司的S7-400產(chǎn)品，該系統(tǒng)具有標(biāo)準(zhǔn)化程度高，可靠性高，操作性好，可維護(hù)性好，可擴(kuò)展性好等特點(diǎn)。L1監(jiān)控畫(huà)面統(tǒng)一采用WinCC軟件設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)儀控和電控各設(shè)1套PLC系統(tǒng)，PLC的I/O點(diǎn)備用量按15%-20%考慮。充分考慮系統(tǒng)功能的完備和技術(shù)先進(jìn)性。系統(tǒng)總體由一臺(tái)PLC編程主機(jī)(1＃遠(yuǎn)程站)，一臺(tái)PC操作機(jī)(2＃遠(yuǎn)程站)，PLC數(shù)據(jù)采集模塊，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀表等構(gòu)成，主要完成爐溫爐壓調(diào)節(jié)控制，鋼坯加熱時(shí)間規(guī)劃等，環(huán)形加熱爐自動(dòng)控制系統(tǒng)總體規(guī)劃圖如圖1所示。

圖1   環(huán)形爐自動(dòng)控制系統(tǒng)的總體規(guī)劃

②環(huán)形爐儀表自動(dòng)化系統(tǒng)
環(huán)形爐儀表自動(dòng)化系統(tǒng)分為2級(jí)，L0級(jí)是指現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x表、執(zhí)行元件等，主要完成過(guò)程參數(shù)的檢測(cè)、信號(hào)傳輸、執(zhí)行控制動(dòng)作等；L1級(jí)是基礎(chǔ)自動(dòng)化級(jí)，接收L0級(jí)送來(lái)的信號(hào)并運(yùn)算處理，向L0級(jí)執(zhí)行元件發(fā)送執(zhí)行指令。L1級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)環(huán)形爐過(guò)程參數(shù)的監(jiān)視和控制，操作人員通過(guò)TFT顯示屏和鍵盤(pán)、鼠標(biāo)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行操作、監(jiān)控。設(shè)置有UPS供電系統(tǒng)，在短時(shí)停電狀況下能確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行和數(shù)據(jù)保存，其中主要的控制回路共有32個(gè)，主要的檢測(cè)回路共有216個(gè)，環(huán)形爐爐體總體規(guī)劃圖如圖2所示。

圖2    環(huán)形爐爐體總體規(guī)劃圖

2、儀表自動(dòng)控制系統(tǒng)的方案及原理
由于爐溫又受多方面因素影響，如燃?xì)?高爐煤氣或混合煤氣)的熱值、壓力、流量波動(dòng)、空氣流量或壓力波動(dòng)、鋼坯的尺寸大小及熱扎節(jié)奏快慢等。因此有必要采取一系列自動(dòng)控制方案，保證爐溫爐壓等自動(dòng)調(diào)節(jié)控制精準(zhǔn)合理，高效節(jié)能環(huán)保等。
①主要的控制方案原理
a、爐溫自動(dòng)控制原理和燃燒控制原理
溫度控制器將溫度實(shí)測(cè)值和設(shè)定值進(jìn)行比較，采用改進(jìn)型雙交叉限幅控制算法計(jì)算出燃燒所需煤氣和空氣的理論流量值，分別將其作為空氣流量控制器和煤氣流量控制器的流量設(shè)定值。兩個(gè)流量控制器分別將流量實(shí)測(cè)值和設(shè)定值作比較，計(jì)算各自的流量調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度值輸出給調(diào)節(jié)閥，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的連續(xù)控制。
◆加熱區(qū)爐溫控制方案
環(huán)形爐6個(gè)段加熱區(qū)爐溫自動(dòng)調(diào)節(jié)控制器采用改進(jìn)型雙交叉限幅控制算法引入了比值固定燃燒控制方案。在燃?xì)?混合煤氣或高爐煤氣)熱值穩(wěn)定和成分固定的情況下，燃?xì)饬亢涂諝饬拷惶娓檶?duì)方流量值變化，保持在燃?xì)膺^(guò)剩界限和空氣過(guò)剩界限之內(nèi)變化，根據(jù)空氣燃?xì)獗戎担瑢?shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)燃燒，高效節(jié)能，并且空燃比是可以根據(jù)燃?xì)夥N類(lèi)成分熱值變化進(jìn)行人為合理控制更改，燃?xì)饬扛鶕?jù)爐溫測(cè)量值和爐溫設(shè)定值偏差大小系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制，當(dāng)爐溫偏低時(shí)，先增加空氣量，后增加煤氣量；當(dāng)爐溫偏高時(shí)，先減煤氣量，后減空氣量；實(shí)現(xiàn)空氣和煤氣的雙交叉控制，既保證煤氣的完全燃燒，又達(dá)到爐溫的精確控制，對(duì)于爐溫的控制改進(jìn)型雙交叉限幅控制算法中有串級(jí)控制方式。
其中上述6個(gè)加熱段采用改進(jìn)型雙交叉限幅自動(dòng)控制的原理圖如圖3所示。

圖3   改進(jìn)型雙交叉限幅自動(dòng)控制的原理
說(shuō)明：圖3中A為煤氣流量控制器設(shè)定值，空氣交叉限幅器的輸出；C為預(yù)熱空氣控制器設(shè)定值。煤氣、空氣交叉限幅器由一個(gè)高選擇器和低選擇器構(gòu)成。

◆改進(jìn)型雙交叉限幅控制算法
為了確保燃?xì)鉄嶂党煞肿兓蚱渌蛩馗蓴_帶來(lái)的燃燒不足或空氣過(guò)量，在爐溫自動(dòng)控制方案中，采用了氧化鋯進(jìn)行爐內(nèi)含氧量測(cè)試，根據(jù)爐內(nèi)燃燒氣體含氧量高低可以判斷燃燒是否充分，空氣是否過(guò)量，并且將氧化鋯氧含量信號(hào)作為空燃比調(diào)整的參考引入儀表自動(dòng)調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，使其燃燒自動(dòng)控制更精確，其原理圖如圖4所示。
b、各個(gè)控制回路檢測(cè)與流量計(jì)算方式
各燃燒控制段煤氣、助燃空氣流量均采用孔板測(cè)量，經(jīng)差壓變送器將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)送PLC控制系統(tǒng)。在流量測(cè)量值修正中，對(duì)熱空氣、熱煤氣流量測(cè)量值進(jìn)行溫度、壓力補(bǔ)正。

②爐膛壓力控制
爐膛壓力的控制直接影響燃?xì)獾南?、爐體使用年限、爐溫的均勻分布、鋼坯加熱質(zhì)量，爐壓生產(chǎn)控制指標(biāo)一般在0-10Pa以內(nèi)，常設(shè)定為5Pa，點(diǎn)火烘爐爐壓控制指標(biāo)-1～-10Pa達(dá)到爐膛不產(chǎn)生大量熱氣外泄，不吸入冷空氣。本控制系統(tǒng)中爐膛負(fù)壓選用0.075%高穩(wěn)定性單晶硅爐膛負(fù)壓變送器測(cè)量爐膛負(fù)壓，控制系統(tǒng)采用閉環(huán)回路控制方案，調(diào)整好PID參數(shù)即可。在均熱段頂部設(shè)置1個(gè)取壓點(diǎn)，在煙道內(nèi)空氣換熱器后設(shè)置1套煙道擋板。通過(guò)調(diào)節(jié)煙道擋板以保持爐內(nèi)壓力為設(shè)定的微正壓。其爐壓控制原理圖如圖5所示。

圖5   環(huán)形爐爐壓控制原理

③加熱爐熱風(fēng)放散控制
為保護(hù)換熱器及保持風(fēng)機(jī)不在喘振區(qū)工作所需的最小風(fēng)量，采用熱風(fēng)放散控制方案。熱風(fēng)總管設(shè)置熱風(fēng)爐熱電偶進(jìn)行溫度檢測(cè)。熱風(fēng)放散控制原理圖如圖6所示。

圖6   環(huán)形爐熱風(fēng)放散控制原理

a、制方式自動(dòng)方式A方式：在HMI畫(huà)面上由人工設(shè)定熱風(fēng)放散調(diào)節(jié)回路的設(shè)定值。手動(dòng)方式M方式：在HMI客戶機(jī)上由人工對(duì)熱風(fēng)溫度調(diào)節(jié)器的輸出值進(jìn)行手動(dòng)控制。
b、控制功能
正常工作時(shí)熱風(fēng)放散閥處于全關(guān)狀態(tài)，熱風(fēng)溫度高于設(shè)定值時(shí)自動(dòng)進(jìn)入放散狀態(tài)。

3、儀表自動(dòng)控制系統(tǒng)蓄熱換向閥反抽輪換燃燒系統(tǒng)方案
①蓄熱式加熱爐的蓄熱箱工作原理及其特點(diǎn)蓄熱式加熱爐的高效蓄熱要由蓄熱式燒嘴和換向系統(tǒng)組成。其原理是基于蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)(HTAC)，充分利用煙氣余熱來(lái)預(yù)熱助燃空氣，達(dá)到回收余熱的一種最佳燃燒方式。蓄熱式加熱爐的排煙溫度＜200℃，熱效率≥65%，達(dá)到在最大程度上回收調(diào)溫?zé)煔獾臐駸?，提高助燃空氣溫度的效果。新型蓄熱式加熱爐的蓄熱室采用陶瓷小球或蜂窩體作為蓄熱體，其表面積大，使蓄熱室內(nèi)的體積大大的縮小，并極大的提高了傳熱效率。再加上新型可靠的自動(dòng)控制技術(shù)及預(yù)熱介質(zhì)預(yù)熱溫度高，廢氣預(yù)熱得到接近極限的回收。雙蓄熱式環(huán)形加熱爐是將高爐煤氣和助燃空氣雙預(yù)熱至1000℃左右，使得高溫煤氣和空氣混合燃燒產(chǎn)生了較高的理論燃燒溫度，這種低熱值的高爐煤氣可以迅速、穩(wěn)定、充分的燃燒，高溫?zé)煔饩鶆虺錆M整個(gè)爐膛，鋼坯加熱溫度十分均勻，為軋制高質(zhì)量的鋼管創(chuàng)造了條件。

②雙蓄熱換向閥反抽輪換燃燒方案
在燃燒系統(tǒng)中，燒嘴前引入了反抽雙蓄熱輪換燃燒方案。傳統(tǒng)的環(huán)形爐燃燒系統(tǒng)，將燃?xì)馀c空氣混合后進(jìn)行燃燒，提高爐膛溫度，加熱管坯，多余的爐膛熱氣直接進(jìn)行煙道排放和熱風(fēng)放散。本套燃燒自動(dòng)控制方案中，引入了煤煙與空煙提前進(jìn)行蓄熱箱預(yù)熱燃?xì)夂涂諝鉁囟?，煤煙與空煙來(lái)源爐膛內(nèi)多余熱氣，從燒嘴處反抽過(guò)來(lái)，這樣減少了廢熱煙氣的排放，同時(shí)相比靠直接燃燒提升燃?xì)夂涂諝鉁囟?，又降低了燃?xì)獾南?。采用的是常?guī)儀表，如電磁閥，兩位三通換向閥帶開(kāi)關(guān)到位反饋信號(hào)，成本低，輪換燃燒是指環(huán)形爐分為內(nèi)環(huán)與外環(huán)，當(dāng)內(nèi)環(huán)燃燒時(shí)，對(duì)應(yīng)的燃燒段外環(huán)處于反抽預(yù)熱階段，達(dá)到預(yù)熱溫度時(shí)，燃燒系統(tǒng)可進(jìn)行自動(dòng)切換，燃燒外環(huán)預(yù)熱好的燃?xì)馀c空氣，此時(shí)內(nèi)環(huán)處于反抽預(yù)熱模式；并且對(duì)應(yīng)的內(nèi)外燒嘴反抽時(shí)，燃燒熱能能夠更加快速均勻的分布爐膛內(nèi)加熱管坯，對(duì)于燃燒火焰采用脈沖式燃燒控制，高效節(jié)能，蓄熱箱后燒嘴前換向閥自動(dòng)控制原理如圖7所示。

圖7    換向閥自動(dòng)控制原理
③脈沖式火焰燃燒控制方案
儀表自動(dòng)控制系統(tǒng)對(duì)火焰的燃燒控制采用脈沖式燃燒技術(shù)，間斷的燃燒符合對(duì)爐溫均勻性要求較高，大容量的工業(yè)爐，采用脈寬調(diào)制技術(shù)，通過(guò)換向閥調(diào)節(jié)燃燒時(shí)間的占空比(通斷比)，實(shí)現(xiàn)燒嘴火焰的控制，溫度加熱，燃?xì)獾牧髁靠梢酝ㄟ^(guò)壓力調(diào)節(jié)預(yù)先設(shè)置，燒嘴一開(kāi)始工作就處于滿負(fù)荷狀態(tài)，保證燃燒時(shí)燒嘴燃燒速度不變。升溫時(shí)，換向閥預(yù)熱好的燃?xì)馔ㄍ鶡鞎r(shí)間加長(zhǎng)，間斷時(shí)間減少；降溫時(shí)，換向閥預(yù)熱好的燃?xì)馔ㄍ鶡鞎r(shí)間減少，間斷時(shí)間加長(zhǎng)：保溫時(shí)換向閥常采用50秒通斷預(yù)熱好的燃?xì)膺M(jìn)行燃燒控制。
脈沖式燃燒控制主要優(yōu)點(diǎn)：
a、傳熱效率高，大大降低能耗；
b、提高爐內(nèi)溫度場(chǎng)的均勻性；
c、提高了燒嘴的負(fù)荷調(diào)節(jié)比；
d、減少NO和NO2的產(chǎn)生；
e、實(shí)現(xiàn)燃燒的精準(zhǔn)控制。

4、HMI人機(jī)對(duì)話的界面功能
采用HMI客戶機(jī)屏幕顯示的方式，主要HMI畫(huà)面清單：開(kāi)爐允許畫(huà)面；系統(tǒng)總貌畫(huà)面；報(bào)警總貌畫(huà)面；參數(shù)設(shè)定畫(huà)面；分段顯示畫(huà)面；控制回路畫(huà)面；實(shí)時(shí)趨勢(shì)畫(huà)面；歷史記錄畫(huà)面。

在組態(tài)軟件應(yīng)用方面，繪制了儀表主畫(huà)面、溫度監(jiān)控、燃燒分段控制、物料跟蹤等多幅動(dòng)態(tài)工藝流程主操界面，并且自診斷故障點(diǎn)及原因，若爐溫某燃燒段串級(jí)比例控制發(fā)現(xiàn)故障，自動(dòng)切換為手動(dòng)控制，空燃比此時(shí)仍有效，以煤氣量為基準(zhǔn)限控空氣量，自動(dòng)串級(jí)控制無(wú)效，防止系統(tǒng)誤操作。通過(guò)操作機(jī)和主機(jī)都可以反映出故障點(diǎn)等運(yùn)行報(bào)警情況。

本系統(tǒng)運(yùn)行投入以來(lái)，一直運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)控制指標(biāo)完全滿足工藝生產(chǎn)要求。加熱能力完全達(dá)到加熱圓鋼坯55萬(wàn)t/年的設(shè)計(jì)產(chǎn)量，采用的雙蓄熱式反抽輪換燃燒控制技術(shù)提前將高爐煤氣和助燃空氣雙預(yù)熱至800～1000℃左右，使高爐煤氣得到合理利用，爐內(nèi)多余熱風(fēng)量的放散率降由原來(lái)50%下降至目前的20％以下，降低了能源消耗，為企業(yè)節(jié)能降耗創(chuàng)造出可觀的經(jīng)濟(jì)效益。
作者：黃承云、鄧華、曾春霞