多烟囱退火炉中的倒吸现象

柳海涛，申国强，魏 佳，李宝强

（机械工业第六设计研究院有限公司，河南郑州 450007）

多烟囱退火炉中的倒吸现象

柳海涛，申国强，魏 佳，李宝强

（机械工业第六设计研究院有限公司，河南郑州 450007）

本文分析了退火炉倒吸现象成因及其影响，并提出了一种切实可行的解决方法。即把烟囱开关顺序规定了优先级——先开后关原则。先开一个烟道进行排烟，除非一个排烟通道不够时才开第二个来调节，以此类推，只有需要排烟的时候才开烟道，用炉内自身的压力堵住沉降口，避免了炉外冷空气倒吸现象。

多烟囱；退火炉；倒吸

1 倒吸现象

在实际的工作过程中，工业炉未必都是按照设想的通道进行排烟。为了简化分析，下文把烟囱的数量减少到2根，并对图1进行进一步的简化。在设计期望中，希望的排烟流程是图2所示的过程。

由于在设计中，烟囱一般按照最大装载量且最高升温速度来设计，并且留有一定余量，所以在约98%的时间段内烟囱对于炉子来说都显得大了。我们在退火炉设计和研究中发现，真实的(98%时间段内)排烟流程是图3所示的令人惊讶的这样一过程。

由于排烟现象的根本原因在于温度的不均衡，热空气较轻，有向上运动的趋势，通过空气对流使得温度达到平衡。当炉子只有一根烟囱的时候，热空气只有一个通道，炉内不断燃烧的热空气产生压力迫使热空气向上流动，同时这种炉内的正压也阻止了炉外冷空气顺着烟囱沉降的趋势。但是，当炉子具有两根或者更多的烟囱的时候情况就发生了改变。造成排烟现象的根本动力是空气密度不同。比如炉内温度为300℃时，根据热力学定律，炉内热空气密度是炉外常温空气密度的一半。如果说热空气有向上运动的趋势，同时也就意味着，冷空气有向下运动的趋势。当只有一根烟囱时，之所以冷空气没有发生沉降现象，是因为炉内持续不断地产生热空气，喷涌的压力阻挡了冷空气的下沉。当系统有两根或者两根以上排烟通道的时候，由于烟囱的排烟能力在绝大多数时间都是充分过剩的，热空气上升的过程可以轻松沿着一根烟囱进行，由于炉内压力的不平衡，另一根烟囱的压力不足以阻挡冷空气的沉降，于是沉降就顺着另一根烟囱进行。观察一台有4个烟囱炉子的情况，发现沉降烟囱和排烟烟囱的数量是不确定的，甚至在不同的运行阶段沉降烟囱和排烟烟囱的顺序也会发生改变。通常情况下是一根沉降烟囱，3根排烟烟囱，或者2根沉降烟囱2根排烟烟囱。当到了下一个炉次的时候，沉降烟囱的位置也可能会发生改变。

2 倒吸现象对退火炉的影响

图4是一段某大型退火炉的组态界面的截图，这是一次典型的发生温度沉降的过程记录。在0:00时刻，某个烟囱开始倒吸，导致其周围的数个温区温度突然下降。倒吸现象会严重影响炉温均匀性。这种炉内大范围的空气流向会干扰整个炉膛内部的温度场的均衡性，使得在烧嘴喷出的气流偏离了与之对应的测温热偶，从而削弱了烧嘴与其测温热偶的温度相关性，无法正常控制温度。位于沉降烟囱下部的几个测温仪示数显示总是比平均温度低50℃～100℃，排烟烟囱附近的温区温度示数总是较高。这种沉降现象给温度控制带来极大的困难，即使持续不断的打开沉降烟囱下部的一些烧嘴，温度仍然相差很大。这种现象违背了设计的初衷，本来分散烟囱是为了分散排烟压力，但是却导致了一冷一热两种烟囱，特别是在东北地区，在冬天这种现象可能会导致沉降烟囱内部结冰，严重影响炉子的安全运行。如此大量的冷空气沉降现象等价于直接往炉内补冷风，浪费了大量的能源，也导致了大量的废气排放。如对于大型工件（比如尺寸大于5m，重量大于50t），当其位于有较大温差的温度场内时，很可能会造成工件内部严重缺陷或者直接开裂。

3 倒吸现象的解决方案

传统的炉压控制是用仪表控制烟囱内部烟道蝶阀的开度来调节炉内压力（一般把炉内压力稳定在-10Pa～10Pa左右），用一块控制仪表根据炉内压力的反馈，来统一调节所有烟道蝶阀的开度。但是正是这一传统的控制方案导致了沉降现象。原因是：如果阀门开度都为10%时刚好可以稳定炉内压力在0Pa，假设此时4个烟囱的流量均为+3000m3/h，而如果阀门开度变大到20%，有一个烟囱开始沉降，同时另外3个烟囱的流量加大到+3600m3/h，沉降流量为600m3/h，仍然可以维持炉内压力是0Pa。针对这一问题，我们摸索出了一个切实可行的解决方案，即对所有的蝶阀进行优先级排序，每一个蝶阀的开闭都有一个优先顺序，如果优先级高的蝶阀开度没有开到100%，则不允许打开下一级的蝶阀。

具体实现是使用PLC取代控制仪表接管所有蝶阀的控制，对每一个蝶阀进行优先级排序（排序可以随意指定）。首先关闭所有的蝶阀，当炉内压力升高时打开优先级最高的蝶阀，根据炉内压力反馈进行调节。当第一个蝶阀全开仍然不能满足排烟的时候，保持第一个蝶阀全开，对第二个蝶阀进行反馈调节，以此类推。关闭的过程则相反，当炉内压力过低时最先关闭优先级最低的阀门。

当然最理想的是要每隔一段时间更换排烟顺序，以便对每个蝶阀都进行机会均等的遍历，否则优先级最低的阀门会因经常不开容易造成损坏。

图5是采取了分优先级打开烟囱后的温度记录截图。从图中可以看出温度较好的跟随了设定曲线。即使到了压力最大（温度达到800℃），曲线的跟随性仍然很好。没有再出现炉内温度场突变的情况。

4 结论

多烟囱退火炉普遍具有沉降现象，因为较重的冷空气位于较轻的热空气上方，如果下部的热空气压力不是足够的高，沉降是必然的。本文详细分析了倒吸现象成因及其后果，并提出了一种切实可行的解决方法。即把烟囱的开关顺序规定优先级——先开后关原则。只开一个烟道进行排烟，除非一个排烟通道不够时才开第二个来调节，以此类推，只有需要排烟的时候才开烟囱，用炉内自身的压力堵住沉降口，避免了炉外冷空气倒吸现象。

[1]王秉铨.工业炉设计手册[M].北京:机械工业出版社，2010,4.

[2]史培甫.工业锅炉节能减排应用技术[M].北京:化学工业出版社，2009,9.

The Suck-back Phenomenon of Multi-chimney Annealing Furnace

Liu HaiTao，Shen GuoQiang，Wei Jia，Li BaoQiang
（SIPPR ENGINEERING GROUP CO.,LTD,Zhengzhou 450007,China）

The author analyzed the causes and results of the suck-back phenomenon of multi-chimney annealing furnace,And put forward a feasible solution.The author sets the sequence of chimney switches.First,open one chimney,open the second chimney until only one chimney is not enough,and so on.

Multi-chimney；Annealing Furnace；Suck-back.

TG155.1;

A；

1006－9658（2012）04－0036-3排烟系统是工业炉设计中的一个重要环节，是保证炉子正常运行的一个先决条件。在较大的退火炉设计中，根据烟气流量和烟气温度等参数计算出的烟囱直径很大且高度会很高。这就给安装及烟囱内调节阀的选择带来问题。一般的做法是将一根大烟囱分成几根直径小的烟囱来避开这一问题。见图1。

2012－07－02

稿件编号：1207－079

柳海涛（1982-）男，工程师，主要研究方向为自动化控制，智能控制系统等