淺談蓄熱式燃燒系統和PID溫控系統在天然氣熔鋁爐中的應用

耿俊超

（東北輕合金有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150060）

1 概述

東北輕合合有限責任公司系國內第一家鋁鎂生產廠家，其軍工產品在國防和航空航天業占有主導地位。公司熔鑄生產線熔鋁爐為傳統的煤氣爐，因其設備老化嚴重，控制落后，成本、能耗、污染均比較高。2012年，公司引進新型環保蓄熱式天然氣熔鋁爐。

2 工作流程

熔煉爐可選用矩形（或圓型）固定式燃氣爐。爐子原料為100%的固體料（如鋁及鋁合金型材廢料、重熔鋁錠、中間合金錠及返回廢料），采用專用的加料工具（如叉車、專用加料車等）通過側置爐門（圓型爐為頂式加料）加到爐內，固體料在爐內按熔煉工藝進行熔化；燒嘴采用高效節能的蓄熱式燒嘴，能使固體鋁迅速熔化；固體料熔化之后，將按工藝要求進行配料，采用磁力攪拌器對液態鋁進行有效、充分的攪拌，以使鋁液溫度、成分更均勻（熔煉期間也可進行攪拌，可以提高爐子的熔化率）。在整個熔煉周期內，攪拌、扒渣（采用叉車或專用扒渣機進行扒渣）、取樣，樣品分析以及溫度調節都可以實施。

在鋁液的成分和溫度都符合工藝需求之后，鋁水通過轉注流槽注入保溫爐內，保溫爐為傾動式矩形燃氣爐，鋁水轉注完畢后，在爐內完成精煉、扒渣、靜置、調溫等工序。鋁熔體溫度符合鑄造工藝要求而且鑄造機已達到待鑄狀態，傾動爐子，鋁熔體通過流口、流槽流經在線除氣、過濾裝置后，進行鑄造。

3 蓄熱式燒嘴燃燒系統

天然氣爐采用蓄熱式燃燒系統，系統采用1對蓄熱式燃氣燒嘴，以滿足爐子的熔化率要求。此燒嘴采用小功率的天然氣燒嘴進行最初的點火。合理的燒嘴布置方式可確保鋁金屬熔體有良好的對流傳熱效果。燒嘴與蓄熱箱相連，燃燒廢氣經過沒有工作的燒嘴由排氣風機排出。廢氣的最終溫度取決于爐子的溫度，但最高不超過250℃。燒嘴的切換由PLC系統控制自動調節。燃燒時距燒嘴1m處測其噪音小于85dB（A）。

燃燒系統的燒嘴負荷調節采用流量配比調節方式。燃燒系統由助燃風機、排煙風機、點火及冷卻風機、電動調節蝶閥、助燃風及燃料流量檢測系統（孔板及壓力變送器）、穩壓閥、電磁閥、安全快斷閥、壓力開關/表等構成。在爐子運行期間，燒嘴控制系統自動調節燒嘴燃燒。當鋁水達到設定溫度時，控制系統自動調節或關閉火焰。每個燒嘴均設有點火系統及火焰檢測，連續監視火焰燃燒，一旦沒有測到火焰，裝置便會自動關閉燃氣管上的電磁閥。整個燃燒系統具有良好的連鎖保護、吹掃控制等功能，能確保燒嘴充分的燃燒及安全工作。

每個燒嘴都配有一個燒嘴噴頭，每個燒嘴噴頭配有一個以氧化鋁球為蓄熱介質的蓄熱式再生床，兩個燒嘴噴頭交替燃燒，再生床輪流蓄熱，實現空氣的預熱和廢氣的排放。根據爐內溫度的不同，燒嘴噴頭的切換周期也不同，其排放的煙氣溫度也不同，但排煙溫度最高不超過250℃。蓄熱介質采用氧化鋁小球，通常，需要每1～2個月更換一次，每次更換時間約需1～1.5小時。

4 控制系統

本爐子的控制系統選用SIEMENS S7-300程控器作為控制核心，硬件包括CPU模塊，I/O模塊，AI模塊，AO摸塊，電源模塊等（I/O預留10%余量）。熔化爐與同條線的保溫爐共用一套HMI（SIEMENS MP277-10 TOUCH）人機界面，用于實時顯示熔煉爐各部分的工作狀態，并可即時設定和修改工藝參數。

控制程序具備聯鎖保護、故障報警及完善的控制功能。已經過多次現場實踐，并可按照用戶的要求做適當的修改。程序具有相當的透明性，可理解性及易維護性。控制系統包括：溫度控制、燒嘴熱負荷調節控制、爐壓控制、吹掃控制、點火控制、燒嘴切換控制和傳動機械控制等。

4.1 溫度控制

溫度控制為本設備的核心，主加熱器為2個蓄熱式燒嘴。共有爐氣定溫控制和鋁液溫度串級控制（輔助）兩種，在熔化初期采用爐氣定溫控制，在熔化后期和轉爐之前，采用鋁液溫度串級控制。兩種控制方式的切換為人工手動切換，切換操作在觸摸屏上進行。

爐氣溫度控制是根據熱電偶采集到的溫度信號送入PLC中的模擬量輸入模塊經冷端補償，線性化處理，與給定溫度比較，經PID運算后，輸出電信號控制和調節燃燒負荷的大小，以達到溫度自動調節的目的。

4.2 串級控制

串級控制，即由鋁液溫度熱電偶采集的溫度信號送入溫度控制模塊經冷端補償，線性化處理，與給定值一起經PID運算，其結果與爐氣溫度熱電偶采集的溫度信號一起輸入到溫度控制模塊，經處理后輸出電信號控制和調節燃燒負荷的大小，達到溫度自動調節的目的。

4.3 PID控制

它通過調整比例P、積分I、微分D三個參數，使大多數工業控制系統獲得良好的閉環控制性能，具有結構簡單、參數易調整、不必求出被控對象的數學模型等優點，而數學式PID比模擬PID控制更靈活，有更多的控制思想，可以更充分的發揮計算機的優點，下面簡要介紹數字PID算法。

微分方程的PID表達式為

將其以周期T采樣，積分部分用矩形積分計算，微分部分用一階后向差分計算，并略寫T，便得到了標準的數字PID位置表達式。用位置表達式可以推算出其遞推表達式，選用-種離散方法進行離散，便得到了標準的數字PID遞推位置算式：

此即為流程圖和程序編寫的依據。

4.4 燒嘴熱負荷調節控制

選擇好爐子的溫度控制模式后，PLC根據所選定的溫度控制模式經PID計算出燒嘴的負荷，然后輸出到空氣及天然氣管路的調節閥，調節閥按預定比例自動調節供風量和供氣量，從而改變燃燒火焰大小，達到溫度自動調節的目的，供風量及供氣量通過孔板進行檢測并被送到PLC，由PLC根據預設定比例進行調節。

結語

蓄熱式燃燒技術和PID控溫系統在熔鋁爐上的應用，可以很精準的控制溫度，顯著地節約燃料，降低成本，提高加熱質量，并在減少污染物的排放方面有很大的優勢。

[1]李惠光.微型計算機控制技術[M].北京：機械工業出版社，2002.

[2]自動控制理論[M].北京：機械工業出版社，2001.

[3]周瑞增，杜萬明，高山虎.熔鋁爐節能改造與效益[J].有色冶金節能.