基于PLC與變頻器的蓄熱式加熱爐爐壓控制系統(tǒng)改造

唐國蘭，吳云忠

（1.廣東松山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 韶關(guān) 512126；2.廣東韶關(guān)鋼鐵集團(tuán)公司能源中心，廣東 韶關(guān) 512123）

某鋼鐵公司二軋廠3# 加熱爐，是蓄熱式加熱爐，其爐壓波動(dòng)頻繁，尤其在換向時(shí)，還會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓吸冷風(fēng)；有時(shí)壓力又過高，造成燒嘴回火。這嚴(yán)重影響了鋼坯的加熱速度及加熱品質(zhì)，應(yīng)該廠的要求，我們對(duì)爐壓控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造。

1 蓄熱式加熱爐工藝流程

蓄熱式加熱爐，是利用純高爐煤氣作為燃料，通過空氣、煤氣雙預(yù)熱方法，使被加熱鋼坯溫度達(dá)到軋制要求，使得熱值較低的高爐煤氣，得到充分利用。其工作工藝流程如圖1 所示。

圖1 高效蓄熱式加熱爐工作原理圖

在A 狀態(tài)下，高爐煤氣和來自鼓風(fēng)機(jī)的助然空氣經(jīng)換向系統(tǒng)，分別進(jìn)入左側(cè)通道，而后由下向上通過蓄熱室，預(yù)熱到1 000 ℃以上。預(yù)熱后的高爐煤氣與空氣，從左側(cè)燒嘴噴入爐內(nèi)，二者在爐內(nèi)混合燃燒，達(dá)到1 300 ℃左右，并對(duì)鋼坯加熱，煙氣進(jìn)入右側(cè)燒嘴、右蓄熱室，在右蓄熱室內(nèi)進(jìn)行熱交換，將大部分熱傳給蓄熱體，煙氣溫度降低，以低于180 ℃的溫度，進(jìn)入換向系統(tǒng)，經(jīng)引風(fēng)機(jī)排入大氣。

間隔一定時(shí)間后，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，換向機(jī)構(gòu)動(dòng)作，空氣、煤氣同時(shí)換向，將系統(tǒng)變?yōu)锽 狀態(tài)。此時(shí)高爐煤氣和空氣從右側(cè)燒嘴噴出并混合燃燒，這時(shí)煙氣經(jīng)左側(cè)燒嘴、左蓄熱室，在引風(fēng)機(jī)作用下，高溫?zé)煔馔ㄟ^蓄熱體后低溫排出，一個(gè)換向周期完成，此后反復(fù)循環(huán)[1，4]。

2 原爐壓控制系統(tǒng)

爐壓的常規(guī)控制方法，主要有定值控制系統(tǒng)與前饋反饋控制系統(tǒng)等[2]。這些控制方案通常是經(jīng)典的PID 控制。某鋼鐵公司二軋廠3#加熱爐目前的爐壓控制方法如圖2 所示。

圖2 二軋廠3# 加熱爐的監(jiān)控畫面

煤氣側(cè)、空氣側(cè)引風(fēng)機(jī)為工頻恒速，通過調(diào)節(jié)煤氣側(cè)、空氣側(cè)煙道閥門的開度來調(diào)節(jié)爐內(nèi)壓力。

其控制原理如圖3 所示。控制方案為手動(dòng)、自動(dòng)。

圖3 爐膛壓力控制框圖

但在自動(dòng)模式下，換向時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)負(fù)壓，爐壓波動(dòng)很厲害，如圖4 所示。

圖4 二軋廠3# 爐爐壓波動(dòng)曲線

所以，在一般情況下，都打到手動(dòng)狀態(tài)下，在操作室內(nèi)工作人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)定閥門開度，這給生產(chǎn)帶來不便，操作人員需時(shí)時(shí)盯住監(jiān)控畫面，并經(jīng)常手動(dòng)調(diào)整閥門開度。

通過生產(chǎn)現(xiàn)場調(diào)研還發(fā)現(xiàn)，通過閥門開度來調(diào)節(jié)爐壓，由于加熱爐慣性大，會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)滯后現(xiàn)象，即爐壓偏低時(shí)，控制輸出要求調(diào)小煙道閥門開度，但由于延遲作用的存在，爐壓不會(huì)很快提高，控制器就會(huì)繼續(xù)要求調(diào)小閥門開度，甚至調(diào)到最低開度；相反，爐壓偏高時(shí)，閥門開度有可能調(diào)至最大開度，這樣就會(huì)使?fàn)t壓在一個(gè)較大范圍內(nèi)波動(dòng)[1，2]。

引起爐壓波動(dòng)的原因很多，如：加熱爐自身結(jié)構(gòu)決定了其是間隙式排煙、脈沖式燃燒，容易產(chǎn)生爐壓波動(dòng)；高爐煤氣壓力波動(dòng)及引風(fēng)機(jī)的抽力，導(dǎo)致供熱量與排煙量不協(xié)調(diào)，空燃比不穩(wěn)定，爐壓波動(dòng)頻繁等[4]，因爐壓的干擾量很多，單純控制煙道閥門開度，難以達(dá)到控制要求。

當(dāng)爐膛內(nèi)壓力為負(fù)壓時(shí)，會(huì)從爐門及各種孔洞吸入大量冷風(fēng)，降低了鋼溫和爐溫，增加了燃料消耗；當(dāng)為正壓時(shí)，大量高溫?zé)煔庖莩?，冒火?yán)重，甚至燒壞爐門鋼結(jié)構(gòu)。

為了保證鋼坯的加熱品質(zhì)，減少燒損和節(jié)約燃料，必須保證爐膛壓力為微正壓（10～30 Pa），這就需要設(shè)計(jì)合理的爐壓控制系統(tǒng)。

3 爐壓控制系統(tǒng)改造方案

控制目標(biāo)為煤氣側(cè)、空氣側(cè)煙道閥門開度、引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速。

離心引風(fēng)機(jī)相關(guān)參數(shù)如下：

型號(hào)Y9-38 N014；

流量77 997 m3/h；

全壓3 128 Pa；

轉(zhuǎn)速987 r/min；

電機(jī)型號(hào)Y315M3-6；

功率132 kW。

根據(jù)風(fēng)機(jī)參數(shù)，本控制系統(tǒng)利用三菱FX2N 系列PLC、A/D、D/A 模塊，控制原理如圖5 所示。

圖5 控制原理圖

選擇西門子MIDIMASTERECO1-132K/3* 變頻器[5]，此變頻器內(nèi)部有PID 控制調(diào)節(jié)器，只需通過參數(shù)P006 設(shè)定壓力值，從壓力變送器反饋來的電流信號(hào)，送給FX2N-4AD，同時(shí)通過變頻器的10、11 端子送給變頻器，通過變頻器內(nèi)部PID 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)后，輸出一個(gè)加減速信號(hào)修改電機(jī)頻率，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量；同時(shí)壓力變送器通過FX2N-4AD 轉(zhuǎn)換后，送給PLC，經(jīng)PLC 內(nèi)部PID 運(yùn)算后，由FX2N-4DA 輸出給閥門，從而調(diào)節(jié)閥門開度，保證了爐內(nèi)壓力的恒定。

對(duì)于滯后現(xiàn)象，主要是因?yàn)榉e分環(huán)節(jié)的影響，因?yàn)榉e分環(huán)節(jié)一方面可以減少和消除壓力偏差，但會(huì)使系統(tǒng)的反應(yīng)速度降低，也就是響應(yīng)太慢，影響系統(tǒng)的時(shí)實(shí)性。

通過在線監(jiān)視壓力偏差e 及偏差變化率de/dt，使調(diào)節(jié)在壓力狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，就開始作用，而不完全依據(jù)設(shè)定值和過程值的偏差。具體策略是

e·de/dt＜0，或

e=de/dt=0 時(shí)，積分作用分離；而

e·de/dt＞0 或e 與de/dt有一個(gè)為0，而另一個(gè)不為0 時(shí)，積分作用啟動(dòng)[1~5]。

4 結(jié)束語

通過變頻改造，改善了風(fēng)機(jī)的調(diào)節(jié)性能，保證了爐膛壓力為微正壓，避免了瞬間吸冷風(fēng)，減少了爐頭、爐尾冒火，既節(jié)約了能源，又使鋼坯加熱的均勻性得到了改善，保護(hù)了爐體鋼結(jié)構(gòu)。

[1]卜祥偉，等. DCS 及PLC 系統(tǒng)在阿鋼中軋加熱爐中的應(yīng)用[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2006，（1）：61-64.

[2]畢嘉賓. PLC 在大型加熱爐控制中的應(yīng)用[J]. 油氣儲(chǔ)運(yùn)，2006，56-58.

[3]韓立軍. 加熱爐引風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速控制系統(tǒng)[J]. 控制工程，2002，（9）：94-96.

[4]羅國民. 蓄熱式高溫空氣燃燒技術(shù)[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，2011.