鋼鐵行業(yè)生產(chǎn)無縫鋼管過程中，環(huán)形加熱爐是重要的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，采用先進的環(huán)形爐儀表自動控制系統(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)形爐儀表自動控制系統(tǒng)的組成和特點，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、儀表自動控制系統(tǒng)的總體規(guī)劃
①基礎(chǔ)自動化L1系統(tǒng)基礎(chǔ)自動化L1系統(tǒng)選用西門子公司的S7-400產(chǎn)品，該系統(tǒng)具有標(biāo)準化程度高，可靠性高，操作性好，可維護性好，可擴展性好等特點。L1監(jiān)控畫面統(tǒng)一采用WinCC軟件設(shè)計。整個系統(tǒng)儀控和電控各設(shè)1套PLC系統(tǒng)，PLC的I/O點備用量按15%-20%考慮。充分考慮系統(tǒng)功能的完備和技術(shù)先進性。系統(tǒng)總體由一臺PLC編程主機(1＃遠程站)，一臺PC操作機(2＃遠程站)，PLC數(shù)據(jù)采集模塊，現(xiàn)場檢測儀表等構(gòu)成，主要完成爐溫爐壓調(diào)節(jié)控制，鋼坯加熱時間規(guī)劃等，環(huán)形加熱爐自動控制系統(tǒng)總體規(guī)劃圖如圖1所示。

圖1   環(huán)形爐自動控制系統(tǒng)的總體規(guī)劃

②環(huán)形爐儀表自動化系統(tǒng)
環(huán)形爐儀表自動化系統(tǒng)分為2級，L0級是指現(xiàn)場測量儀表、執(zhí)行元件等，主要完成過程參數(shù)的檢測、信號傳輸、執(zhí)行控制動作等；L1級是基礎(chǔ)自動化級，接收L0級送來的信號并運算處理，向L0級執(zhí)行元件發(fā)送執(zhí)行指令。L1級控制系統(tǒng)實現(xiàn)環(huán)形爐過程參數(shù)的監(jiān)視和控制，操作人員通過TFT顯示屏和鍵盤、鼠標(biāo)對生產(chǎn)過程進行操作、監(jiān)控。設(shè)置有UPS供電系統(tǒng)，在短時停電狀況下能確保系統(tǒng)的安全運行和數(shù)據(jù)保存，其中主要的控制回路共有32個，主要的檢測回路共有216個，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，如燃氣(高爐煤氣或混合煤氣)的熱值、壓力、流量波動、空氣流量或壓力波動、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控制方案，保證爐溫爐壓等自動調(diào)節(jié)控制精準合理，高效節(jié)能環(huán)保等。
①主要的控制方案原理
a、爐溫自動控制原理和燃燒控制原理
溫度控制器將溫度實測值和設(shè)定值進行比較，采用改進型雙交叉限幅控制算法計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。兩個流量控制器分別將流量實測值和設(shè)定值作比較，計算各自的流量調(diào)節(jié)閥的開度值輸出給調(diào)節(jié)閥，實現(xiàn)對溫度的連續(xù)控制。
◆加熱區(qū)爐溫控制方案
環(huán)形爐6個段加熱區(qū)爐溫自動調(diào)節(jié)控制器采用改進型雙交叉限幅控制算法引入了比值固定燃燒控制方案。在燃氣(混合煤氣或高爐煤氣)熱值穩(wěn)定和成分固定的情況下，燃氣量和空氣量交替跟蹤對方流量值變化，保持在燃氣過剩界限和空氣過剩界限之內(nèi)變化，根據(jù)空氣燃氣比值，實現(xiàn)經(jīng)濟燃燒，高效節(jié)能，并且空燃比是可以根據(jù)燃氣種類成分熱值變化進行人為合理控制更改，燃氣量根據(jù)爐溫測量值和爐溫設(shè)定值偏差大小系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)控制，當(dāng)爐溫偏低時，先增加空氣量，后增加煤氣量；當(dāng)爐溫偏高時，先減煤氣量，后減空氣量；實現(xiàn)空氣和煤氣的雙交叉控制，既保證煤氣的完全燃燒，又達到爐溫的精確控制，對于爐溫的控制改進型雙交叉限幅控制算法中有串級控制方式。
其中上述6個加熱段采用改進型雙交叉限幅自動控制的原理圖如圖3所示。

圖3   改進型雙交叉限幅自動控制的原理
說明：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高選擇器和低選擇器構(gòu)成。

◆改進型雙交叉限幅控制算法
為了確保燃氣熱值成分變化或其他因素干擾帶來的燃燒不足或空氣過量，在爐溫自動控制方案中，采用了氧化鋯進行爐內(nèi)含氧量測試，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，空氣是否過量，并且將氧化鋯氧含量信號作為空燃比調(diào)整的參考引入儀表自動調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)，使其燃燒自動控制更精確，其原理圖如圖4所示。
b、各個控制回路檢測與流量計算方式
各燃燒控制段煤氣、助燃空氣流量均采用孔板測量，經(jīng)差壓變送器將其轉(zhuǎn)換為電信號送PLC控制系統(tǒng)。在流量測量值修正中，對熱空氣、熱煤氣流量測量值進行溫度、壓力補正。

②爐膛壓力控制
爐膛壓力的控制直接影響燃氣的消耗、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，點火烘爐爐壓控制指標(biāo)-1～-10Pa達到爐膛不產(chǎn)生大量熱氣外泄，不吸入冷空氣。本控制系統(tǒng)中爐膛負壓選用0.075%高穩(wěn)定性單晶硅爐膛負壓變送器測量爐膛負壓，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個取壓點，在煙道內(nèi)空氣換熱器后設(shè)置1套煙道擋板。通過調(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
為保護換熱器及保持風(fēng)機不在喘振區(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)爐熱電偶進行溫度檢測。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、制方式自動方式A方式：在HMI畫面上由人工設(shè)定熱風(fēng)放散調(diào)節(jié)回路的設(shè)定值。手動方式M方式：在HMI客戶機上由人工對熱風(fēng)溫度調(diào)節(jié)器的輸出值進行手動控制。
b、控制功能
正常工作時熱風(fēng)放散閥處于全關(guān)狀態(tài)，熱風(fēng)溫度高于設(shè)定值時自動進入放散狀態(tài)。

3、儀表自動控制系統(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預(yù)熱助燃空氣，達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%，達到在最大程度上回收調(diào)溫?zé)煔獾臐駸幔岣咧伎諝鉁囟鹊男Ч?。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)，將燃氣與空氣混合后進行燃燒，提高爐膛溫度，加熱管坯，多余的爐膛熱氣直接進行煙道排放和熱風(fēng)放散。本套燃燒自動控制方案中，引入了煤煙與空煙提前進行蓄熱箱預(yù)熱燃氣和空氣溫度，煤煙與空煙來源爐膛內(nèi)多余熱氣，從燒嘴處反抽過來，這樣減少了廢熱煙氣的排放，同時相比靠直接燃燒提升燃氣和空氣溫度，又降低了燃氣的消耗。采用的是常規(guī)儀表，如電磁閥，兩位三通換向閥帶開關(guān)到位反饋信號，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，對應(yīng)的燃燒段外環(huán)處于反抽預(yù)熱階段，達到預(yù)熱溫度時，燃燒系統(tǒng)可進行自動切換，燃燒外環(huán)預(yù)熱好的燃氣與空氣，此時內(nèi)環(huán)處于反抽預(yù)熱模式；并且對應(yīng)的內(nèi)外燒嘴反抽時，燃燒熱能能夠更加快速均勻的分布爐膛內(nèi)加熱管坯，對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控制原理如圖7所示。

圖7    換向閥自動控制原理
③脈沖式火焰燃燒控制方案
儀表自動控制系統(tǒng)對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)，通過換向閥調(diào)節(jié)燃燒時間的占空比(通斷比)，實現(xiàn)燒嘴火焰的控制，溫度加熱，燃氣的流量可以通過壓力調(diào)節(jié)預(yù)先設(shè)置，燒嘴一開始工作就處于滿負荷狀態(tài)，保證燃燒時燒嘴燃燒速度不變。升溫時，換向閥預(yù)熱好的燃氣通往燒嘴時間加長，間斷時間減少；降溫時，換向閥預(yù)熱好的燃氣通往燒嘴時間減少，間斷時間加長：保溫時換向閥常采用50秒通斷預(yù)熱好的燃氣進行燃燒控制。
脈沖式燃燒控制主要優(yōu)點：
a、傳熱效率高，大大降低能耗；
b、提高爐內(nèi)溫度場的均勻性；
c、提高了燒嘴的負荷調(diào)節(jié)比；
d、減少NO和NO2的產(chǎn)生；
e、實現(xiàn)燃燒的精準控制。

4、HMI人機對話的界面功能
采用HMI客戶機屏幕顯示的方式，主要HMI畫面清單：開爐允許畫面；系統(tǒng)總貌畫面；報警總貌畫面；參數(shù)設(shè)定畫面；分段顯示畫面；控制回路畫面；實時趨勢畫面；歷史記錄畫面。

在組態(tài)軟件應(yīng)用方面，繪制了儀表主畫面、溫度監(jiān)控、燃燒分段控制、物料跟蹤等多幅動態(tài)工藝流程主操界面，并且自診斷故障點及原因，若爐溫某燃燒段串級比例控制發(fā)現(xiàn)故障，自動切換為手動控制，空燃比此時仍有效，以煤氣量為基準限控空氣量，自動串級控制無效，防止系統(tǒng)誤操作。通過操作機和主機都可以反映出故障點等運行報警情況。

本系統(tǒng)運行投入以來，一直運行穩(wěn)定，各項控制指標(biāo)完全滿足工藝生產(chǎn)要求。加熱能力完全達到加熱圓鋼坯55萬t/年的設(shè)計產(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)濟效益。
作者：黃承云、鄧華、曾春霞