環形加熱爐的電氣控制系統研究

蘇永權

（南寧八菱科技股份有限公司 廣西南寧 530003）

環形加熱爐的電氣控制系統研究

蘇永權

（南寧八菱科技股份有限公司 廣西南寧 530003）

本文結合工程實例，對環形加熱爐的電氣控制系統進行研究分析。文中詳細介紹了廣西某公司環形爐控制系統中燃燒控制及爐膛壓力控制和爐底旋控制、水封槽水位控制、液壓站控制、流量計量、歷史數據記錄等。研究實踐結果表明，環形爐控制系統能夠穩定展開運行，而且用戶操作界面能夠友好交互，操作過程簡單，滿足了該公司的發展需要。

環形加熱爐；電氣控制系統；結構設計

前言

該公司在我國廣西某地承建了一臺中徑為φ15m的環形加熱爐，爐膛斷面尺寸4540mm×18000mm。該電氣控制系統出料采用有軌取料機，采用無軌裝料機進行裝料作業。如果按照42CrMo進行科學計算，則加熱冷坯料過程中環形加熱爐的實際產量可達20t/h；如果按照熱裝溫度500℃進行科學計算，則熱裝時此環形加熱爐的最大產量為30t/h。當此環形加熱爐爐膛內鋼錠加熱過程中溫度上升到1250℃時，鋼錠出爐。因此，將此環形加熱爐的爐膛最高溫度與預熱段爐溫分別控制在500～800℃之間和800℃以下。除此之外，該環形加熱爐的升溫速度可進行自動化調節。具體可將其控制在20～200℃/h范圍內。環形加熱爐溫差與溫控精度分別設置在±10℃與±2℃以下，而環形加熱爐的爐面實際標高與金屬氧化燒損率分別設置為0.6m和1.25%。

1 環形加熱爐的電氣控制系統總體結構構造

首先，按照具體工藝運行要求，本項目在實踐過程中分別將該環形加熱爐的自裝料端到出料端依次設計為預熱段與一、二、三加熱段、均熱段及出口保溫段，而且將該環形加熱爐的爐頂設計為平直結構，將三道隔墻設置于裝出料機位置。在一、二、三加熱段分別通過高速燒嘴進行結構設計。在出料保溫段通過爐頂平焰燒嘴進行結構設計。利用各類型鋼結構及鋼板結構，共同組成環形加熱爐的總體框架結構，并從不同方位對其采用焊接結構及螺栓結構進行加固處理。

以上結構主要用于安裝電氣控制系統的儀表裝置及自動化檢修設備、爐門、燒嘴、支撐環形加熱爐的耐火材料和環形加熱爐兩側附件、環形加熱爐自動化燃燒系統的管道設備等。除此之外，該環形加熱爐的燃料采用發熱值為1250×4.18kJ/m3的混合煤氣。為了延長該環形加熱爐的使用周期，減少加熱爐爐膛內的燃燒焦油，在環形加熱爐的側墻安裝供熱段外燒嘴。該環形加熱爐共包括4個不同供熱段，同時將三臺爐頂平焰燒嘴設置于出料部位的爐頂中，從而保證出料發生延誤情況時，出料口錠料溫度能夠達到設計要求。

與此同時，本項目在總體結構設計過程中，為了避免出現焦油堵塞環形加熱爐的情況，需對該燃燒爐的上燃燒嘴進行總體結構優化，保證煤氣旋流芯可進行在線更換，同時該環形加熱爐的電氣控制系統采用大小火切換方式進行設計。系統各段燃燒嘴的實際燃燒能力按照額定供熱量的120%進行配置。如圖1為該環形加熱爐電氣控制系統的總體結構流程運行情況[1]。

2 環形加熱爐電氣控制系統結構優化設計

該環形加熱爐的自動化控制系統主要由儀表控制系統與電氣控制系統組成，另外通過友好的人機交互界面進行操作，實現了系統的智能化監測運行。系統主要設備型號為西門子S7-400PLC電氣控制系統，通過以太網對系統主站與HMI站進行科學連接。為了保證該電控系統能夠科學、穩定運行，通過PROFIBUS-DP網絡科學將PLC主站與PLC遠程I/O站連接，同時確保該環形加熱爐的電氣控制系統監測畫面切換時間在1s以下，系統預留點保持在20%左右，并利用加隔離器對自動化控制系統的模擬量信號進行科學采集。具體的分控系統運行過程如下[2]：

圖1 環形加熱爐電氣控制系統爐溫控制系統基本結構圖

2.1 環形加熱爐電氣控制系統中的儀控系統

這一運行系統的主要運行功能包括壓力檢測與記錄、溫度控制、流量檢測和數據記錄、環形加熱爐的水冷系統運行在線監測和設備運行參數控制等。按照技術工藝設計要求，該環形加熱爐的自動化控制系統分別由1個不供熱的預熱段與5個供熱段組成，且在電氣控制部位通過出料段及均熱區和加熱區共同輔助系統科學運行。對于該自動化控制系統的運行爐溫調節，主要采用自動化溫度傳感設備進行在線監測控制與調節。

2.2 環形加熱爐爐溫控制調節與自動化預警控制系統

該運行系統的主要功能是針對此環形加熱爐的運行溫度進行科學調節。采用雙交叉限幅控制優化技術進行調節，大大提升了該環形加熱爐的空燃比，且能夠對環形加熱爐進行動態化控制。為了進一步提升該系統的運行精度與穩定性，采用改進型的雙交叉方式進行系統控制，可對環形加熱爐的運行溫度進行自動糾錯。當運行溫度超過限值時，系統會自動將限幅系數取消，因此有效提升了環形加熱爐的自動化控制響應速度，如圖2所示。

圖2 環形加熱爐爐溫控制調節與自動化預警控制

與此同時，該電控系統安裝了超溫預警功能裝置。當此環形加熱爐的運行溫度超過允許值時，系統會自動發出預警信號，從而發揮電控系統的報警功能與熱電偶斷偶保護功能。當系統中的任何一只熱電偶被燒壞，本回路會立即切換到其中一只熱電偶。同時，溫度調節器會根據具體運行溫度發揮其限幅功能，結合環形加熱爐的最大加熱速率，對系統溫度調節器輸出具體的溫度限幅值，從而有效避免環形加熱爐內鋼錠過熱情況出現。

2.3 環形加熱爐爐壓控制系統

該自動化控制系統的主要功能是針對該環形加熱爐爐膛內的運行壓力進行參數調節。通過將調節閥設置于引風機入口部位，從而對爐膛的煙氣流量及爐膛開啟度進行控制，確保熱段爐中的爐壓保持在正常運行范圍內。一般情況下，環形加熱爐爐膛中的運行壓力參數最好控制在10Pa左右，同時需防范環形加熱爐中的爐焰外延及外部冷空子進入爐膛。為了起到自動調節氣壓的效果，本項目在實施運行過程中，按照前饋——反饋的自動化控制方式，對此環形加熱爐的爐壓進行科學控制，具體結構流程如圖3所示。

3 環形加熱爐電氣控制系統中的上位機監控系統

除了上述自動化控制系統外，本項目在實施運行過程中將HMI操作站設置于該總體控制系統儀表一級系統中，主要負責監視環形加熱爐燃燒系統的運行情況。另外，設一操作站于順控一級系統，主要負責該環形加熱爐的裝料操作及PDI信息的錄入等，兩臺設備一備一用。

圖3

在此總體結構系統中還分別設置了環形加熱爐的燃氣流量計量系統及水封槽水位控制系統、環形爐電控系統、液壓站控制系統、環形加熱爐爐底旋轉控制系統、環形加熱爐出料控制系統及物料運行跟蹤定位系統等。通過流量計量系統可對環形加熱爐的燃氣流量進行科學計量，因此為收取燃氣費用提供了依據。

水槽水位控制系統可避免環形加熱爐中爐氣發生嚴重泄露情況，使水封槽中的水對爐氣起到良好的密封作用。在此過程中，控制系統的主要作用是始終將水槽中的水位控制在預設參數范圍內。在電控系統中，環形加熱爐的電氣基礎自動化功能的實現，通過爐內運動裝置及出料運行裝置和裝料運行裝置及其它電氣控制系統進行操作。從開啟爐門到出料過程，實現了物料的全程跟蹤管理，而且通過信息參數運行監測，系統能夠對軋線控制系統的運行信息進行資源共享。比如鋼錠爐號、鋼號及支號和入爐具體時間、在爐時間、出爐時間等，通過上位機監控系統都能將上述運行信息清晰展示出來，監測圖如圖4所示。

圖4 運行時參數監控設置

4 結束語

綜上所述，經過該公司連續多年的運行實踐，結果表明，該環形加熱爐在使用電氣控制系統進行生產實踐時，大大提升了系統的工作運行效率。且環形加熱爐的熱錠產量與冷錠產量分別可達30t/h和20t/h。而且環形加熱爐的出料鍛爐均勻性可控制在10℃左右，大大改善了環形加熱爐的空燃比。在此運行實踐過程中，在加工生產現場沒有產生明顯的氧化鐵皮，而且使用煤氣熱值可達到1250×4.18kJ/m3，冷錠與熱錠過程中的環形加熱爐控制系統能耗分別為388m3/t和259m3/t。因此，從上述實踐應用效果來看，大大提升了該公司環形加熱爐控制系統的運行穩定性與安全性。與傳統加工運行設備相比，自動化程度較高，為該公司創造了巨大的經濟效益和社會效益。

[1]金君.軋鋼節能加熱爐電氣控制系統設計與分析[J].機電信息，2013，31（27）：154～155.

[2]楊金鼎，戚丙申，王驥，李建江.環形加熱爐電氣控制策略的優化[J].冶金能源，2011，30（04）：61～64.

TG307

A

1004-7344（2016）24-0223-02

2016-8-12

蘇永權（1986-），男，大專，主要從事電氣自動化技術工作。