廢銅精煉爐主燒嘴點火控制系統研究

□文/王金祥

西部礦業投資（天津）有限公司

廢銅精煉爐主燒嘴點火控制系統研究

□文/王金祥

西部礦業投資（天津）有限公司

Study of ignition and flame automatic control system for scrap refining furnace main burner

采用PLC集成控制的方法，設計并實現了一套由對精煉爐主燒嘴的空氣和燃氣比例的精確測量及配比，通過PLC完成對精煉爐主燒嘴點火及火焰強弱的自動化控制系統。

目前，我國再生銅行業使用的廢雜銅熔煉爐基本全是固定式精煉爐，這種熔煉爐具有造價低、建設周期短、維修方便等明顯優點，因此在行業內得到了普遍應用。但是固定式精煉爐也有十分明顯的缺點，燒嘴點火安全性差，火焰不穩定；由于密閉性不好，在氧化、還原過程中需打開爐門進行操作，導致熱效率低，同時該爐空燃比難于控制，容易產生不完全燃燒，因此熱效率一般只有2 5%～3 0%；在加料、熔化、氧化、氧化、還原階段無法對空燃比精確控制，需人工持管在加料口作業，爐門處無法避免冒黑煙，環境污染嚴重，人工持管操作也不安全。所以，無論固定式精煉爐具有多少優點，節能、環保、安全方面的缺點決定了其只能適用于中國再生銅產業的初級階段。隨著國家對環保節能要求的逐步升級，其應用將逐步受到限制。

本文為解決廢銅精煉爐點火、火焰大小控制及精煉爐空燃比控制，設計一套由PLC實現集中控制，通過現場傳感器及設備完成數據采集，并通過現場總線完成現場設備與PLC的通訊，PLC完成對廢銅精煉爐燒嘴的點火、火焰大小及空燃比的精確控制，能有效避免傳統熔煉爐上述問題，并取得良好的技術及經濟效益。

一、系統工藝及控制要求

典型的工業用廢銅精煉爐主燒嘴點火控制系統工藝主要由主燒嘴的燃氣閥組系統、空氣系統、火焰檢測系統、空氣燃氣比例調節系統、現場傳感器等檢測原件及PLC控制系統構成。系統的基本工藝為：點燃點火小燒嘴，然后通過點火小燒嘴將精煉爐主燒嘴點燃，主燒嘴點燃并火焰穩定后，點火小燒嘴將自動熄滅，此時火焰探測器將對火焰進行檢測，如果主燒嘴火焰熄滅，PLC將自動切斷燃氣并報警，保證系統的安全。在主燒嘴點燃過程中，PLC系統將在燃氣和空氣閥組上進行溫度，壓力，密閉性，流量等方面的檢測，只有條件具備才允許點火，待主燒嘴點燃后，PLC系統通過控制安裝在燃氣、空氣閥組上的伺服電機，控制燃氣和空氣的比例，從而控制火焰狀態，在主燒嘴點燃后，火焰探測器將一直工作，檢測火焰的狀態，確保系統的安全穩定。本系統不但可以完成點火及火焰控制，而且燃氣和空氣的各個參數都處于實時監控狀態，同時控制系統具有完善的安全保護、故障檢測及報警功能。

二、廢銅精煉爐主燒嘴點火系統概述

典型的廢銅精煉爐的主燒嘴點火及火焰控制系統主要由燃氣閥組系統、空氣閥組系統、火焰監控系統、點火小燒嘴和一個主燃燒嘴組成。燃氣從燃氣閥組減壓單元出來后與從風機系統出來的空氣混合后，點燃點火小燒嘴，點火小燒嘴再點燃主燒嘴，主燒嘴點燃后，火焰監控系統會自動檢測火焰情況，主燒嘴的火焰可以通過調節燃氣和空氣的混合比例達到，燒嘴點火及火焰控制系統由安裝于現場的傳感器進行信號采集，并將信號傳送至PLC，由PLC實現集中控制，系統的硬件主要包括以下內容。

1. 燃氣閥組系統 ：如圖1－1所示包括以下檢測元器件

圖1 －1

（1）燃氣壓力檢測開關S 1 0 、S 1 1：S 1 0是燃氣最低壓力開關S 1 1是燃氣最高壓力開關， S 1 0和S 1 1動作表明燃氣壓力太低或太高，將切斷燃氣電磁閥Y 2 0。

（2）燃氣截止電磁閥Y 2 0、Y 2 1：都為單穩態電磁閥，得電時打開，未得電時截止，作用是切斷燃氣供給。

（3）燃氣密封性測試Q4 0： 是一個安裝于燃氣閥組上的用于檢查以下電磁閥密封性的裝置，密封性測試啟動控制（從PLC）元件為Y 4 0，密封性測試OK 則S 4 1動作，密封性測試N O T O K 則S 4 2動作，密封性測試復位控制元件Y 4 1。

（4）燃氣流量傳感器B 5 0：壓差發送器（ΔP）（B 5 0）連接于一個安裝在燃氣供應管路上的計量法蘭（由PLC進行平方根的提取），主要功能通過測量精煉爐主燒嘴燃氣的流量進行精煉爐主燒嘴空氣/燃氣比例循環控制。

（5）精煉爐主燒嘴燃氣電動閥伺服電機Y 6 0：閥的電源供給元件為Q 6 0，燃氣流量調整的節流閥的打開/關閉是通過伺服電機Y 6 0，從PLC接收4-2 0 mA的模擬信號自動進行的控制，閥的流量位置調整（反饋-0/1 0 V）元件為B 6 0，并帶有低火位置微型開關S 6 0和高火位置微型開關S 6 1。

（6）精煉爐燃氣壓力傳感器B 7 0 ：燃氣壓力測量和指示，在循環指示最低壓力時應預設一個濾波器（5秒，可以設定），以避免由于管路壓力的波動而引起的低壓報警的介入。

2. 空氣閥組系統：如圖1－2所示，包括以下檢測元器件

（1）風機電機M1 0：提供燃燒空氣。

（2）空氣低壓開關S 4 0：空氣最低壓力的壓力開關，S 4 0動作將切斷安裝于燃氣閥組上的燃氣截止電磁閥Y 2 0。

（3）空氣壓力傳感器B 4 0：空氣壓力的測量，用于風機空氣壓力控制，可以控制風機空氣入口閥I/P轉換器Y 2 0。壓力控制循環指示最低壓力應預計一個濾波器（5秒，可以設定）以避免由于管路壓力的波動而引起的低壓報警的介入。

（4）電動閥I/P轉換器：精煉爐主燒嘴風機入口處空氣流量調節閥的執行從PLC接受一個4-2 0 mA的類比信號，當精煉爐主燒嘴風機-空氣壓力控制循環被切換為自動時，按PLC的指令自動執行，在精煉爐主燒嘴風機-空氣壓力控制循環變為手動時通過按鈕增加空氣（MP 1 0-S 2 1）/減少空氣（MP 1 0-S 2 2）由操作工手動進行。轉換器包括以下元件: 流量調節法Y 2 0（打開/關閉控制-4/2 0 mA），閥關閉S 2 0，閥打開S 2 1。

（5）空氣排氣電磁閥Y 3 0：單穩態電磁閥，得電時打開。當給精煉爐主燒嘴風機的要求的空氣流量低于一個確定的界線（比如：3 5 0 0 N m3/h,可通過H MI設定）時按PLC的控制自動打開,當要求的空氣流量超過上述的界線時關閉。應預設一個滯后區域以避免連續變換的波動。手動時，操作工通過發光選擇開關精煉爐主燒嘴風機排出閥打開/關閉（S 1 3）進行的控制。

3. 主燒嘴燃燒控制系統圖：如圖1－3所示，包括以下檢測元器件

（1）精煉爐點火小燒嘴/主燒嘴火焰探測器：是一個直接安裝于靠近燒嘴處的E S A E S T R O火焰控制器，火焰控制器直接管理精煉爐的點火小燒嘴燒嘴和主燒嘴的點火循環，火焰指示器元件及功能如表1－1所示：

（2）空氣流量傳感器B 6 0：壓差變送器（ΔP）B 6 0連接于一個安裝于精煉爐主燒嘴燃氣供應管路上的計量法蘭（由PLC進行平方根的提取）用于空氣流量的測量，在H MI上設定精煉爐主燒嘴空氣/燃氣比例和精煉爐主燒嘴空氣流量，對精煉爐主燒嘴空氣/燃氣比例和精煉爐主燒嘴空氣流量進行循環控制

圖1 －2

（3）精煉爐主燒嘴空氣電動伺服電機Y 7 0：流量調整（打開/關閉控制）是從PLC接收4-2 0 mA的模擬信號自動進行的控制，流量調整位置（反饋-0/1 0 V）信號元件為B 7 0，并帶有低火位置微型開關S 7 0和高火位置微型開關S 7 1。

當精煉爐主燒嘴空氣流量控制循環轉換為自動時從PLC接收0-2 0 mA的類比信號自動進行，伺服電機的行程由低火位置微型開關（S 7 0）和高火位置微型開關（S 7 1）限定.

（4）精煉爐主燒嘴空氣壓力傳感器B 8 0：精煉爐主燒嘴的空氣的壓力值的測量并循環顯示，壓力循環指示最低壓力應預設一個濾波器（5秒，可以設定）以避免由于管路壓力的波動而引起的低壓報警。

（5）精煉爐主燒嘴燃氣截止電磁閥Y 9 0：單穩態電磁閥。得電時打開，斷開時截止燃氣的輸入。可直接由精煉爐點火小燒嘴/主燒嘴火焰探測器Q 5 0 控制。

（6）精煉爐主燒嘴-空氣/燃氣比例控制循環：對精煉爐主燒嘴的空氣/燃氣比例的調整通過壓差變送器和相關伺服電機的類比信號和數字信號進行，如下表1－2所示：

當精煉爐主火焰開啟時該比例調整循環總是變換為自動（可設定滯后時間）。通過按鈕增加空氣（+MP 1 0-S 2 1）/減少空氣（+MP 1 0-S 2 2）經過空氣流量調可整伺服電機Y 7 0，空氣被調節。當操作工釋放按鈕時，PLC將當前的空氣流量值定為精煉爐主燒嘴-空氣/燃氣比例控制循環的設定點值，按照所設定的設定點精煉爐主燒嘴-空氣/燃氣比例控制循環控制燃氣流量調整伺服電機Y 6 0的定位以便獲得想要的空氣/燃氣比。如果在燃氣閥打開的階段PLC測得比例偏差大于一個確定的值（比如>5%（可通過H MI調節）持續1 0秒（可通過H MI調節）），PLC控制空氣流量調整伺服電機直至燃氣的流量值回到正常的比例范圍之中。為了優化空氣和燃氣流量調節伺服電機的功能要求一個線性化以補償節流閥的非線性，線性化將以下方式進行：

在節流閥已確定的打開度時通過計量法蘭流量的測量值填寫一個表格（在PLC程序內部設定1 0個點）如下圖1－4所示：

圖1 －3

表1 －1

表1 －2

圖1 －4

在下面圖1－5中控制循環將表格使用為圖解（表格被插入）

圖1 －5

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