先进的蓄热式燃烧系统的控制原理分析及应用研究

2018-02-16王文兵

现代制造技术与装备 2018年6期

关键词：温度控制调节阀炉膛

王文兵

（广西柳州银海铝业股份有限公司，柳州 545006）

广西柳州银海铝业股份有限公司的熔铝炉机组采用了先进的环保型蓄热式燃烧系统，连续稳定生产已超过三年，综合效益显著。本文对蓄热式燃烧系统的原理进行分析，研究在实践应用中出现的设备故障和处理方法，以期为实际生产中设备的优化提供科学根据。

1 蓄热式燃烧系统的构成

燃烧系统由蓄热烧嘴、燃料供应系统、助燃及排烟系统、点火系统、火焰检测系统等构成。

1.1 蓄热烧嘴

两对蓄热式燃气烧嘴可以有效覆盖熔池的空间。烧嘴与以氧化铝球为蓄热介质的蓄热箱相连。当主烧嘴处于燃烧状态时，助燃风机向炉内鼓风，蓄热箱实现对助燃风的预热作用；当烧嘴处于排烟状态时，高温烟气在排烟风机的作用下被高速抽出，蓄热箱实现对烟气的蓄热作用。烧嘴燃烧状态的切换由PLC系统控制自动调节。由于蓄热箱的作用，排烟温度一般在250℃以下。

1.2 燃料供应系统

燃料供应系统由球阀、过滤器、流量计、减压阀、压力开关和安全切断阀等组成，为烧嘴提供符合烧嘴正常燃烧参数的天然气，以确保烧嘴的正常工作。

1.3 供风及排烟系统

供风和排烟系统由助燃风机、排烟风机、气动切换阀和调节装置等组成。每对烧嘴对应一套助燃风机和排烟风机。排烟风机可长时间在高温烟气状态下运转。风机叶轮设计具有良好的平衡性能，以防止在不同气流情况下的颤动，由耐腐蚀的不锈钢厚板制成。风机转轴由高强度碳钢制成，磨削至高精度公差并经精确平衡，轴承采用冷却水冷却。助燃风机选择全天不间断工作的长寿命结构（直连离心风机）。叶轮设计具有良好的平衡性，可将振动降低至最低程度。为便于维修，叶轮经锥形锁定衬套组件直接安在电机转轴上。

1.4 点火系统

点火系统由点火程序控制器、点火变压器和点火枪（包括喷头、混合器、空气和燃气调节阀等）组成。PLC首先检测诸如炉子是否超温，炉压是否超高限，助燃风压和燃气压力是否超低限等安全限制，并据此判断是否可以点火。若满足条件则启动自动点火程序。首先对炉膛进行吹扫，吹扫结束后自动启动点火控制器，由点火控制器激活点火变压器，开始点火。若点火失败，即火检探头未检测到火焰信号，则点火控制器立即发出指令，迅速关闭安全电磁阀，实现熄火保护。待查明原因后，按下复位按钮，再由PLC重新发出启动指令，重复执行点火程序。点火成功后，出于安全考虑，点火枪保持长明火状态。

2 蓄热式燃烧系统的控制原理

蓄热式燃烧系统通过燃烧控制程序和燃烧控制器，对自身进行检测和诊断，实现对整个过程的点火、燃烧、切换（燃烧与蓄热）及安全控制和过程控制（炉膛温度、烟气温度、炉压、空气流量、天然气流量、空气/天然气配比等）。

2.1 炉膛/铝池温度控制

炉膛温度与铝池温度有着重要的关系。铝池温度直接受炉膛温度的影响，炉膛温度高则铝池升温速度快，反之，则铝池升温速度慢；若炉膛温度与铝池温度偏差太大，则会直接造成铝液氧化损失。因此，合理设置两者之间的控制策略，对烧嘴选型和生产运行都很重要。

由于温度控制的调节对象都是针对烧嘴燃烧量的调节，所以可以归结为燃烧量调节功能。包括温度控制回路、空气/天然气流量控制回路、空气/天然气配比控制回路。

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计算出烧嘴的热负荷，然后分别输出到天然气和空气管路的调节阀，天然气和空气管路的调节阀自动按比例（空燃比）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。

2.2 炉压控制

炉压控制回路与烟气控制回路密切相关。

烟气温度控制回路是以人工设定的某一符合节能标准的信号值作为设定值，烟气管道上的烟气温度热电偶信号作为被控对象测量值，调节烟气蝶阀来控制烟气排放量，使经过蓄热体的烟气流量改变。由于蓄热体的蓄热能力被设计为不可调节，所以，排放的烟气温度会相应变化。温度上限热电偶的测量反馈信号将使系统能将烟气温度控制在设备许可和节能标准范围内。

炉压控制是保证安全生产及节能的重要手段。为了防止冷空气进入炉内对烧嘴效率产生负面影响以及加大熔体损耗，炉内的正压压力应控制在0.2mbar左右。

炉压的大小取决于烟气排放量的大小。差压变送器将采集的炉气压力信号转换成4～20mA信号，送入PLC中的闭环控制模块，经PID运算后输出控制信号，来控制辅助烟道上的调节阀门开口度，从而保证炉气压力在允许的范围内。一般将20%的烟气作为炉压控制可独立调节的平衡点。当超过平衡点，辅助烟道调节阀无法独立完成炉压控制，系统将进一步通过改变排烟风机的流量实现目标控制。