浅谈蓄热式燃烧系统和PID温控系统在天然气熔铝炉中的应用

耿俊超

（东北轻合金有限责任公司，黑龙江 哈尔滨 150060）

1 概述

东北轻合合有限责任公司系国内第一家铝镁生产厂家，其军工产品在国防和航空航天业占有主导地位。公司熔铸生产线熔铝炉为传统的煤气炉，因其设备老化严重，控制落后，成本、能耗、污染均比较高。2012年，公司引进新型环保蓄热式天然气熔铝炉。

2 工作流程

熔炼炉可选用矩形（或圆型）固定式燃气炉。炉子原料为100%的固体料（如铝及铝合金型材废料、重熔铝锭、中间合金锭及返回废料），采用专用的加料工具（如叉车、专用加料车等）通过侧置炉门（圆型炉为顶式加料）加到炉内，固体料在炉内按熔炼工艺进行熔化；烧嘴采用高效节能的蓄热式烧嘴，能使固体铝迅速熔化；固体料熔化之后，将按工艺要求进行配料，采用磁力搅拌器对液态铝进行有效、充分的搅拌，以使铝液温度、成分更均匀（熔炼期间也可进行搅拌，可以提高炉子的熔化率）。在整个熔炼周期内，搅拌、扒渣（采用叉车或专用扒渣机进行扒渣）、取样，样品分析以及温度调节都可以实施。

在铝液的成分和温度都符合工艺需求之后，铝水通过转注流槽注入保温炉内，保温炉为倾动式矩形燃气炉，铝水转注完毕后，在炉内完成精炼、扒渣、静置、调温等工序。铝熔体温度符合铸造工艺要求而且铸造机已达到待铸状态，倾动炉子，铝熔体通过流口、流槽流经在线除气、过滤装置后，进行铸造。

3 蓄热式烧嘴燃烧系统

天然气炉采用蓄热式燃烧系统，系统采用1对蓄热式燃气烧嘴，以满足炉子的熔化率要求。此烧嘴采用小功率的天然气烧嘴进行最初的点火。合理的烧嘴布置方式可确保铝金属熔体有良好的对流传热效果。烧嘴与蓄热箱相连，燃烧废气经过没有工作的烧嘴由排气风机排出。废气的最终温度取决于炉子的温度，但最高不超过250℃。烧嘴的切换由PLC系统控制自动调节。燃烧时距烧嘴1m处测其噪音小于85dB（A）。

燃烧系统的烧嘴负荷调节采用流量配比调节方式。燃烧系统由助燃风机、排烟风机、点火及冷却风机、电动调节蝶阀、助燃风及燃料流量检测系统（孔板及压力变送器）、稳压阀、电磁阀、安全快断阀、压力开关/表等构成。在炉子运行期间，烧嘴控制系统自动调节烧嘴燃烧。当铝水达到设定温度时，控制系统自动调节或关闭火焰。每个烧嘴均设有点火系统及火焰检测，连续监视火焰燃烧，一旦没有测到火焰，装置便会自动关闭燃气管上的电磁阀。整个燃烧系统具有良好的连锁保护、吹扫控制等功能，能确保烧嘴充分的燃烧及安全工作。

每个烧嘴都配有一个烧嘴喷头，每个烧嘴喷头配有一个以氧化铝球为蓄热介质的蓄热式再生床，两个烧嘴喷头交替燃烧，再生床轮流蓄热，实现空气的预热和废气的排放。根据炉内温度的不同，烧嘴喷头的切换周期也不同，其排放的烟气温度也不同，但排烟温度最高不超过250℃。蓄热介质采用氧化铝小球，通常，需要每1～2个月更换一次，每次更换时间约需1～1.5小时。

4 控制系统

本炉子的控制系统选用SIEMENS S7-300程控器作为控制核心，硬件包括CPU模块，I/O模块，AI模块，AO摸块，电源模块等（I/O预留10%余量）。熔化炉与同条线的保温炉共用一套HMI（SIEMENS MP277-10 TOUCH）人机界面，用于实时显示熔炼炉各部分的工作状态，并可即时设定和修改工艺参数。

控制程序具备联锁保护、故障报警及完善的控制功能。已经过多次现场实践，并可按照用户的要求做适当的修改。程序具有相当的透明性，可理解性及易维护性。控制系统包括：温度控制、烧嘴热负荷调节控制、炉压控制、吹扫控制、点火控制、烧嘴切换控制和传动机械控制等。

4.1 温度控制

温度控制为本设备的核心，主加热器为2个蓄热式烧嘴。共有炉气定温控制和铝液温度串级控制（辅助）两种，在熔化初期采用炉气定温控制，在熔化后期和转炉之前，采用铝液温度串级控制。两种控制方式的切换为人工手动切换，切换操作在触摸屏上进行。

炉气温度控制是根据热电偶采集到的温度信号送入PLC中的模拟量输入模块经冷端补偿，线性化处理，与给定温度比较，经PID运算后，输出电信号控制和调节燃烧负荷的大小，以达到温度自动调节的目的。

4.2 串级控制

串级控制，即由铝液温度热电偶采集的温度信号送入温度控制模块经冷端补偿，线性化处理，与给定值一起经PID运算，其结果与炉气温度热电偶采集的温度信号一起输入到温度控制模块，经处理后输出电信号控制和调节燃烧负荷的大小，达到温度自动调节的目的。

4.3 PID控制

它通过调整比例P、积分I、微分D三个参数，使大多数工业控制系统获得良好的闭环控制性能，具有结构简单、参数易调整、不必求出被控对象的数学模型等优点，而数学式PID比模拟PID控制更灵活，有更多的控制思想，可以更充分的发挥计算机的优点，下面简要介绍数字PID算法。

微分方程的PID表达式为

将其以周期T采样，积分部分用矩形积分计算，微分部分用一阶后向差分计算，并略写T，便得到了标准的数字PID位置表达式。用位置表达式可以推算出其递推表达式，选用-种离散方法进行离散，便得到了标准的数字PID递推位置算式：

此即为流程图和程序编写的依据。

4.4 烧嘴热负荷调节控制

选择好炉子的温度控制模式后，PLC根据所选定的温度控制模式经PID计算出烧嘴的负荷，然后输出到空气及天然气管路的调节阀，调节阀按预定比例自动调节供风量和供气量，从而改变燃烧火焰大小，达到温度自动调节的目的，供风量及供气量通过孔板进行检测并被送到PLC，由PLC根据预设定比例进行调节。

结语

蓄热式燃烧技术和PID控温系统在熔铝炉上的应用，可以很精准的控制温度，显著地节约燃料，降低成本，提高加热质量，并在减少污染物的排放方面有很大的优势。

[1]李惠光.微型计算机控制技术[M].北京：机械工业出版社，2002.

[2]自动控制理论[M].北京：机械工业出版社，2001.

[3]周瑞增，杜万明，高山虎.熔铝炉节能改造与效益[J].有色冶金节能.