MESA氣氛控制系統在天然氣加熱爐中的應用及典型故障處理

吳亞飛

（寶雞市寶鈦集團有限公司鍛造廠，陜西 寶雞 721014）

1 概述

寶鈦集團鍛造廠擁有多臺天然氣加熱爐，在鈦及鈦合金鍛件加熱過程中如果爐膛內氧含量過高可會導致起某些金屬在高溫狀態下氧化，從而導致鍛件缺陷、凹陷或表面光潔度降低，這些都是不合格的產品。為了提高產品成品率，結合我廠實際情況，我們采用了MESA采樣式氣氛控制系統。

2 系統組成及安裝

該系統由采樣檢測裝置（氧化鋯探頭）、智能加熱電源（NTV44P）和氣氛調節部分構成。測量信號進入PLC系統，經過運算后，控制風量，以控制空氣燃氣比例，按照預設的氧含量（過量空氣系數λ值）進行閉環控制，λ值可以任意設定和修改。

采樣式是指通過氣體取樣管將被測氣體導入檢測室，然后通過加熱電源把氧化鋯探頭加熱到工作溫度（550℃）以上后輸出信號（如圖1所示）。相對于直插式，采樣式安裝方式靈活，維護簡便，因為采用了獨立的加熱電源，避免了氧化鋯探頭無法對低溫環境下氧含量進行檢測的弊端。

圖1 檢測系統安裝示意圖

MESA NTV44P智能加熱電源與氧化鋯探頭配套使用，具有下列功能：（1）可以將氧化鋯探頭的工作溫度控制在一個固定值上。（2）可以輸入氧化鋯探頭的信號，并加以隔離。（3）可以直接計算氧含量百分比或露點。（4）在量程范圍內，可選擇0-1300mV、0-10V、0-20mA或者4-20mA四種類型的輸出。取樣管測量的一端安裝了一臺抽氣泵，該氣泵可直接將爐膛內氣體抽至探頭處，提高了系統的靈敏度。在實際工況中，通常測量的λ值為0.8-2.0，且需要在此范圍內可調節。我們參照說明書，將NTV44P的量程設定為0.8-2.0，輸出設定為4-20mA，將此信號輸入到S7-300的模擬量輸入模塊上。

圖2 氣氛調節裝置安裝示意圖

氣氛調節裝置安裝在助燃風管道的一個分支上，來自PLC的信號對其進入燃氣比例閥的壓力進行控制，使其能夠借助助燃風的壓力對燃氣管道上的比例閥進行微調，以達到通過λ值對空燃比進行調整，實現閉環控制（如圖2所示）。

3 典型故障處理

3.1 λ測量值始終為1.0

出現該故障后，首先檢查了NTV44P智能加熱電源，發現輸入電壓正常，輸出至PLC的電流約為6mA。用手觸摸氧化鋯探頭安裝的部位發現溫度較高，說明NTV44P的加熱功能正常，探頭處于正常工作溫度。將氧化鋯探頭從測量室拆除，移至空氣中，測量輸出電流仍為6mA左右，正常時探頭暴露在空氣中的測量值為2，說明探頭內部并沒有與空氣接觸。仔細檢查后發現探頭內部有水。經分析，進入冬季后北方天氣寒冷，取樣管內外存在較高的溫差，而天然氣燃燒后的廢氣中含水，水氣冷凝后積存在取樣管和測量室中，導致氧化鋯探頭無法正常工作。后將取樣管從爐體拆除清理掉積存的水，并重新開孔安裝取樣管，抬高了測量室，使取樣管與水平方向形成約5°的夾角，以防止冷凝水再次積存。經過一冬天的觀察，此類故障再未出現。

3.2 λ測量值變化緩慢

根據以往的經驗，在爐膛開始升溫后，大約3分鐘之內，λ能達到預設值。但某日升溫開始一小時后仍未達到預設值。檢查了探頭、氣氛調節比例閥及加熱電源均未發現異常，最后發現氣泵抽氣不順暢。打開該隔膜泵后發現振動部分連接的硅鋼片一面已經斷裂，分析與安裝方向不對有關（此前安裝方式為側裝），震動的硅鋼片長期受力不均勻導致疲勞斷裂。后將其改為垂直安裝，此類故障再未出現。

經過一段時段的運行后筆者注意到此類隔膜泵因其內部存在振動機構，在連續工作的過程中仍然會造成內部元件損壞。且此泵為進口產品，價格較高、采購周期較長，故現已采用價格低廉的國產直流無刷真空泵作為采樣泵。這種泵體積小、重量輕、安裝不受條件限制，經實驗證明能滿足需要。

結語

經長時間的使用表明，MESA氣氛控制系統具有壽命長、系統響應速度快、可靠性高、測量準確等優點。經多批次試樣的檢測結果表明，此系統能夠滿足產品的需要，有效地提高了成品率。

參考文件

[1]夏麗芳.金屬熱處理工藝學[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2012.

[2]向曉漢，等.西門子PLC高級應用實例講解[M].北京：機械工業出版社，2010.