淺談蓄熱式燃燒系統(tǒng)和PID溫控系統(tǒng)在天然氣熔鋁爐中的應(yīng)用

耿俊超

（東北輕合金有限責(zé)任公司，黑龍江 哈爾濱 150060）

1 概述

東北輕合合有限責(zé)任公司系國內(nèi)第一家鋁鎂生產(chǎn)廠家，其軍工產(chǎn)品在國防和航空航天業(yè)占有主導(dǎo)地位。公司熔鑄生產(chǎn)線熔鋁爐為傳統(tǒng)的煤氣爐，因其設(shè)備老化嚴(yán)重，控制落后，成本、能耗、污染均比較高。2012年，公司引進(jìn)新型環(huán)保蓄熱式天然氣熔鋁爐。

2 工作流程

熔煉爐可選用矩形（或圓型）固定式燃?xì)鉅t。爐子原料為100%的固體料（如鋁及鋁合金型材廢料、重熔鋁錠、中間合金錠及返回廢料），采用專用的加料工具（如叉車、專用加料車等）通過側(cè)置爐門（圓型爐為頂式加料）加到爐內(nèi)，固體料在爐內(nèi)按熔煉工藝進(jìn)行熔化；燒嘴采用高效節(jié)能的蓄熱式燒嘴，能使固體鋁迅速熔化；固體料熔化之后，將按工藝要求進(jìn)行配料，采用磁力攪拌器對液態(tài)鋁進(jìn)行有效、充分的攪拌，以使鋁液溫度、成分更均勻（熔煉期間也可進(jìn)行攪拌，可以提高爐子的熔化率）。在整個熔煉周期內(nèi)，攪拌、扒渣（采用叉車或?qū)Ｓ冒窃鼨C(jī)進(jìn)行扒渣）、取樣，樣品分析以及溫度調(diào)節(jié)都可以實(shí)施。

在鋁液的成分和溫度都符合工藝需求之后，鋁水通過轉(zhuǎn)注流槽注入保溫爐內(nèi)，保溫爐為傾動式矩形燃?xì)鉅t，鋁水轉(zhuǎn)注完畢后，在爐內(nèi)完成精煉、扒渣、靜置、調(diào)溫等工序。鋁熔體溫度符合鑄造工藝要求而且鑄造機(jī)已達(dá)到待鑄狀態(tài)，傾動爐子，鋁熔體通過流口、流槽流經(jīng)在線除氣、過濾裝置后，進(jìn)行鑄造。

3 蓄熱式燒嘴燃燒系統(tǒng)

天然氣爐采用蓄熱式燃燒系統(tǒng)，系統(tǒng)采用1對蓄熱式燃?xì)鉄?，以滿足爐子的熔化率要求。此燒嘴采用小功率的天然氣燒嘴進(jìn)行最初的點(diǎn)火。合理的燒嘴布置方式可確保鋁金屬熔體有良好的對流傳熱效果。燒嘴與蓄熱箱相連，燃燒廢氣經(jīng)過沒有工作的燒嘴由排氣風(fēng)機(jī)排出。廢氣的最終溫度取決于爐子的溫度，但最高不超過250℃。燒嘴的切換由PLC系統(tǒng)控制自動調(diào)節(jié)。燃燒時距燒嘴1m處測其噪音小于85dB（A）。

燃燒系統(tǒng)的燒嘴負(fù)荷調(diào)節(jié)采用流量配比調(diào)節(jié)方式。燃燒系統(tǒng)由助燃風(fēng)機(jī)、排煙風(fēng)機(jī)、點(diǎn)火及冷卻風(fēng)機(jī)、電動調(diào)節(jié)蝶閥、助燃風(fēng)及燃料流量檢測系統(tǒng)（孔板及壓力變送器）、穩(wěn)壓閥、電磁閥、安全快斷閥、壓力開關(guān)/表等構(gòu)成。在爐子運(yùn)行期間，燒嘴控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)燒嘴燃燒。當(dāng)鋁水達(dá)到設(shè)定溫度時，控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)或關(guān)閉火焰。每個燒嘴均設(shè)有點(diǎn)火系統(tǒng)及火焰檢測，連續(xù)監(jiān)視火焰燃燒，一旦沒有測到火焰，裝置便會自動關(guān)閉燃?xì)夤苌系碾姶砰y。整個燃燒系統(tǒng)具有良好的連鎖保護(hù)、吹掃控制等功能，能確保燒嘴充分的燃燒及安全工作。

每個燒嘴都配有一個燒嘴噴頭，每個燒嘴噴頭配有一個以氧化鋁球為蓄熱介質(zhì)的蓄熱式再生床，兩個燒嘴噴頭交替燃燒，再生床輪流蓄熱，實(shí)現(xiàn)空氣的預(yù)熱和廢氣的排放。根據(jù)爐內(nèi)溫度的不同，燒嘴噴頭的切換周期也不同，其排放的煙氣溫度也不同，但排煙溫度最高不超過250℃。蓄熱介質(zhì)采用氧化鋁小球，通常，需要每1～2個月更換一次，每次更換時間約需1～1.5小時。

4 控制系統(tǒng)

本爐子的控制系統(tǒng)選用SIEMENS S7-300程控器作為控制核心，硬件包括CPU模塊，I/O模塊，AI模塊，AO摸塊，電源模塊等（I/O預(yù)留10%余量）。熔化爐與同條線的保溫爐共用一套HMI（SIEMENS MP277-10 TOUCH）人機(jī)界面，用于實(shí)時顯示熔煉爐各部分的工作狀態(tài)，并可即時設(shè)定和修改工藝參數(shù)。

控制程序具備聯(lián)鎖保護(hù)、故障報警及完善的控制功能。已經(jīng)過多次現(xiàn)場實(shí)踐，并可按照用戶的要求做適當(dāng)?shù)男薷?。程序具有相?dāng)?shù)耐该餍?，可理解性及易維護(hù)性?？刂葡到y(tǒng)包括：溫度控制、燒嘴熱負(fù)荷調(diào)節(jié)控制、爐壓控制、吹掃控制、點(diǎn)火控制、燒嘴切換控制和傳動機(jī)械控制等。

4.1 溫度控制

溫度控制為本設(shè)備的核心，主加熱器為2個蓄熱式燒嘴。共有爐氣定溫控制和鋁液溫度串級控制（輔助）兩種，在熔化初期采用爐氣定溫控制，在熔化后期和轉(zhuǎn)爐之前，采用鋁液溫度串級控制。兩種控制方式的切換為人工手動切換，切換操作在觸摸屏上進(jìn)行。

爐氣溫度控制是根據(jù)熱電偶采集到的溫度信號送入PLC中的模擬量輸入模塊經(jīng)冷端補(bǔ)償，線性化處理，與給定溫度比較，經(jīng)PID運(yùn)算后，輸出電信號控制和調(diào)節(jié)燃燒負(fù)荷的大小，以達(dá)到溫度自動調(diào)節(jié)的目的。

4.2 串級控制

串級控制，即由鋁液溫度熱電偶采集的溫度信號送入溫度控制模塊經(jīng)冷端補(bǔ)償，線性化處理，與給定值一起經(jīng)PID運(yùn)算，其結(jié)果與爐氣溫度熱電偶采集的溫度信號一起輸入到溫度控制模塊，經(jīng)處理后輸出電信號控制和調(diào)節(jié)燃燒負(fù)荷的大小，達(dá)到溫度自動調(diào)節(jié)的目的。

4.3 PID控制

它通過調(diào)整比例P、積分I、微分D三個參數(shù)，使大多數(shù)工業(yè)控制系統(tǒng)獲得良好的閉環(huán)控制性能，具有結(jié)構(gòu)簡單、參數(shù)易調(diào)整、不必求出被控對象的數(shù)學(xué)模型等優(yōu)點(diǎn)，而數(shù)學(xué)式PID比模擬PID控制更靈活，有更多的控制思想，可以更充分的發(fā)揮計算機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，下面簡要介紹數(shù)字PID算法。

微分方程的PID表達(dá)式為

將其以周期T采樣，積分部分用矩形積分計算，微分部分用一階后向差分計算，并略寫T，便得到了標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字PID位置表達(dá)式。用位置表達(dá)式可以推算出其遞推表達(dá)式，選用-種離散方法進(jìn)行離散，便得到了標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字PID遞推位置算式：

此即為流程圖和程序編寫的依據(jù)。

4.4 燒嘴熱負(fù)荷調(diào)節(jié)控制

選擇好爐子的溫度控制模式后，PLC根據(jù)所選定的溫度控制模式經(jīng)PID計算出燒嘴的負(fù)荷，然后輸出到空氣及天然氣管路的調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)閥按預(yù)定比例自動調(diào)節(jié)供風(fēng)量和供氣量，從而改變?nèi)紵鹧娲笮。_(dá)到溫度自動調(diào)節(jié)的目的，供風(fēng)量及供氣量通過孔板進(jìn)行檢測并被送到PLC，由PLC根據(jù)預(yù)設(shè)定比例進(jìn)行調(diào)節(jié)。

結(jié)語

蓄熱式燃燒技術(shù)和PID控溫系統(tǒng)在熔鋁爐上的應(yīng)用，可以很精準(zhǔn)的控制溫度，顯著地節(jié)約燃料，降低成本，提高加熱質(zhì)量，并在減少污染物的排放方面有很大的優(yōu)勢。

[1]李惠光.微型計算機(jī)控制技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[2]自動控制理論[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[3]周瑞增，杜萬明，高山虎.熔鋁爐節(jié)能改造與效益[J].有色冶金節(jié)能.