多煙囪退火爐中的倒吸現(xiàn)象

柳海濤，申國(guó)強(qiáng)，魏 佳，李寶強(qiáng)

（機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南鄭州 450007）

多煙囪退火爐中的倒吸現(xiàn)象

柳海濤，申國(guó)強(qiáng)，魏 佳，李寶強(qiáng)

（機(jī)械工業(yè)第六設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南鄭州 450007）

本文分析了退火爐倒吸現(xiàn)象成因及其影響，并提出了一種切實(shí)可行的解決方法。即把煙囪開關(guān)順序規(guī)定了優(yōu)先級(jí)——先開后關(guān)原則。先開一個(gè)煙道進(jìn)行排煙，除非一個(gè)排煙通道不夠時(shí)才開第二個(gè)來調(diào)節(jié)，以此類推，只有需要排煙的時(shí)候才開煙道，用爐內(nèi)自身的壓力堵住沉降口，避免了爐外冷空氣倒吸現(xiàn)象。

多煙囪；退火爐；倒吸

1 倒吸現(xiàn)象

在實(shí)際的工作過程中，工業(yè)爐未必都是按照設(shè)想的通道進(jìn)行排煙。為了簡(jiǎn)化分析，下文把煙囪的數(shù)量減少到2根，并對(duì)圖1進(jìn)行進(jìn)一步的簡(jiǎn)化。在設(shè)計(jì)期望中，希望的排煙流程是圖2所示的過程。

由于在設(shè)計(jì)中，煙囪一般按照最大裝載量且最高升溫速度來設(shè)計(jì)，并且留有一定余量，所以在約98%的時(shí)間段內(nèi)煙囪對(duì)于爐子來說都顯得大了。我們?cè)谕嘶馉t設(shè)計(jì)和研究中發(fā)現(xiàn)，真實(shí)的(98%時(shí)間段內(nèi))排煙流程是圖3所示的令人驚訝的這樣一過程。

由于排煙現(xiàn)象的根本原因在于溫度的不均衡，熱空氣較輕，有向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，通過空氣對(duì)流使得溫度達(dá)到平衡。當(dāng)爐子只有一根煙囪的時(shí)候，熱空氣只有一個(gè)通道，爐內(nèi)不斷燃燒的熱空氣產(chǎn)生壓力迫使熱空氣向上流動(dòng)，同時(shí)這種爐內(nèi)的正壓也阻止了爐外冷空氣順著煙囪沉降的趨勢(shì)。但是，當(dāng)爐子具有兩根或者更多的煙囪的時(shí)候情況就發(fā)生了改變。造成排煙現(xiàn)象的根本動(dòng)力是空氣密度不同。比如爐內(nèi)溫度為300℃時(shí)，根據(jù)熱力學(xué)定律，爐內(nèi)熱空氣密度是爐外常溫空氣密度的一半。如果說熱空氣有向上運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)，同時(shí)也就意味著，冷空氣有向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)。當(dāng)只有一根煙囪時(shí)，之所以冷空氣沒有發(fā)生沉降現(xiàn)象，是因?yàn)闋t內(nèi)持續(xù)不斷地產(chǎn)生熱空氣，噴涌的壓力阻擋了冷空氣的下沉。當(dāng)系統(tǒng)有兩根或者兩根以上排煙通道的時(shí)候，由于煙囪的排煙能力在絕大多數(shù)時(shí)間都是充分過剩的，熱空氣上升的過程可以輕松沿著一根煙囪進(jìn)行，由于爐內(nèi)壓力的不平衡，另一根煙囪的壓力不足以阻擋冷空氣的沉降，于是沉降就順著另一根煙囪進(jìn)行。觀察一臺(tái)有4個(gè)煙囪爐子的情況，發(fā)現(xiàn)沉降煙囪和排煙煙囪的數(shù)量是不確定的，甚至在不同的運(yùn)行階段沉降煙囪和排煙煙囪的順序也會(huì)發(fā)生改變。通常情況下是一根沉降煙囪，3根排煙煙囪，或者2根沉降煙囪2根排煙煙囪。當(dāng)?shù)搅讼乱粋€(gè)爐次的時(shí)候，沉降煙囪的位置也可能會(huì)發(fā)生改變。

2 倒吸現(xiàn)象對(duì)退火爐的影響

圖4是一段某大型退火爐的組態(tài)界面的截圖，這是一次典型的發(fā)生溫度沉降的過程記錄。在0:00時(shí)刻，某個(gè)煙囪開始倒吸，導(dǎo)致其周圍的數(shù)個(gè)溫區(qū)溫度突然下降。倒吸現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重影響爐溫均勻性。這種爐內(nèi)大范圍的空氣流向會(huì)干擾整個(gè)爐膛內(nèi)部的溫度場(chǎng)的均衡性，使得在燒嘴噴出的氣流偏離了與之對(duì)應(yīng)的測(cè)溫?zé)崤迹瑥亩魅趿藷炫c其測(cè)溫?zé)崤嫉臏囟认嚓P(guān)性，無法正常控制溫度。位于沉降煙囪下部的幾個(gè)測(cè)溫儀示數(shù)顯示總是比平均溫度低50℃～100℃，排煙煙囪附近的溫區(qū)溫度示數(shù)總是較高。這種沉降現(xiàn)象給溫度控制帶來極大的困難，即使持續(xù)不斷的打開沉降煙囪下部的一些燒嘴，溫度仍然相差很大。這種現(xiàn)象違背了設(shè)計(jì)的初衷，本來分散煙囪是為了分散排煙壓力，但是卻導(dǎo)致了一冷一熱兩種煙囪，特別是在東北地區(qū)，在冬天這種現(xiàn)象可能會(huì)導(dǎo)致沉降煙囪內(nèi)部結(jié)冰，嚴(yán)重影響爐子的安全運(yùn)行。如此大量的冷空氣沉降現(xiàn)象等價(jià)于直接往爐內(nèi)補(bǔ)冷風(fēng)，浪費(fèi)了大量的能源，也導(dǎo)致了大量的廢氣排放。如對(duì)于大型工件（比如尺寸大于5m，重量大于50t），當(dāng)其位于有較大溫差的溫度場(chǎng)內(nèi)時(shí)，很可能會(huì)造成工件內(nèi)部嚴(yán)重缺陷或者直接開裂。

3 倒吸現(xiàn)象的解決方案

傳統(tǒng)的爐壓控制是用儀表控制煙囪內(nèi)部煙道蝶閥的開度來調(diào)節(jié)爐內(nèi)壓力（一般把爐內(nèi)壓力穩(wěn)定在-10Pa～10Pa左右），用一塊控制儀表根據(jù)爐內(nèi)壓力的反饋，來統(tǒng)一調(diào)節(jié)所有煙道蝶閥的開度。但是正是這一傳統(tǒng)的控制方案導(dǎo)致了沉降現(xiàn)象。原因是：如果閥門開度都為10%時(shí)剛好可以穩(wěn)定爐內(nèi)壓力在0Pa，假設(shè)此時(shí)4個(gè)煙囪的流量均為+3000m3/h，而如果閥門開度變大到20%，有一個(gè)煙囪開始沉降，同時(shí)另外3個(gè)煙囪的流量加大到+3600m3/h，沉降流量為600m3/h，仍然可以維持爐內(nèi)壓力是0Pa。針對(duì)這一問題，我們摸索出了一個(gè)切實(shí)可行的解決方案，即對(duì)所有的蝶閥進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，每一個(gè)蝶閥的開閉都有一個(gè)優(yōu)先順序，如果優(yōu)先級(jí)高的蝶閥開度沒有開到100%，則不允許打開下一級(jí)的蝶閥。

具體實(shí)現(xiàn)是使用PLC取代控制儀表接管所有蝶閥的控制，對(duì)每一個(gè)蝶閥進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序（排序可以隨意指定）。首先關(guān)閉所有的蝶閥，當(dāng)爐內(nèi)壓力升高時(shí)打開優(yōu)先級(jí)最高的蝶閥，根據(jù)爐內(nèi)壓力反饋進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)?shù)谝粋€(gè)蝶閥全開仍然不能滿足排煙的時(shí)候，保持第一個(gè)蝶閥全開，對(duì)第二個(gè)蝶閥進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，以此類推。關(guān)閉的過程則相反，當(dāng)爐內(nèi)壓力過低時(shí)最先關(guān)閉優(yōu)先級(jí)最低的閥門。

當(dāng)然最理想的是要每隔一段時(shí)間更換排煙順序，以便對(duì)每個(gè)蝶閥都進(jìn)行機(jī)會(huì)均等的遍歷，否則優(yōu)先級(jí)最低的閥門會(huì)因經(jīng)常不開容易造成損壞。

圖5是采取了分優(yōu)先級(jí)打開煙囪后的溫度記錄截圖。從圖中可以看出溫度較好的跟隨了設(shè)定曲線。即使到了壓力最大（溫度達(dá)到800℃），曲線的跟隨性仍然很好。沒有再出現(xiàn)爐內(nèi)溫度場(chǎng)突變的情況。

4 結(jié)論

多煙囪退火爐普遍具有沉降現(xiàn)象，因?yàn)檩^重的冷空氣位于較輕的熱空氣上方，如果下部的熱空氣壓力不是足夠的高，沉降是必然的。本文詳細(xì)分析了倒吸現(xiàn)象成因及其后果，并提出了一種切實(shí)可行的解決方法。即把煙囪的開關(guān)順序規(guī)定優(yōu)先級(jí)——先開后關(guān)原則。只開一個(gè)煙道進(jìn)行排煙，除非一個(gè)排煙通道不夠時(shí)才開第二個(gè)來調(diào)節(jié)，以此類推，只有需要排煙的時(shí)候才開煙囪，用爐內(nèi)自身的壓力堵住沉降口，避免了爐外冷空氣倒吸現(xiàn)象。

[1]王秉銓.工業(yè)爐設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010,4.

[2]史培甫.工業(yè)鍋爐節(jié)能減排應(yīng)用技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)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排煙系統(tǒng)是工業(yè)爐設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，是保證爐子正常運(yùn)行的一個(gè)先決條件。在較大的退火爐設(shè)計(jì)中，根據(jù)煙氣流量和煙氣溫度等參數(shù)計(jì)算出的煙囪直徑很大且高度會(huì)很高。這就給安裝及煙囪內(nèi)調(diào)節(jié)閥的選擇帶來問題。一般的做法是將一根大煙囪分成幾根直徑小的煙囪來避開這一問題。見圖1。

2012－07－02

稿件編號(hào)：1207－079

柳海濤（1982-）男，工程師，主要研究方向?yàn)樽詣?dòng)化控制，智能控制系統(tǒng)等