脈沖加熱爐流量分配特性的仿真研究

曹炳雷

(武漢鋼鐵有限公司熱軋廠，湖北 武漢 430080)

隨著冶金加熱爐對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和節(jié)能減排要求的不斷提高，尤其是對(duì)于高端產(chǎn)品，要求加熱爐在不同工況下具有很高的溫度均勻性、氣氛穩(wěn)定性和可控性，因此，近年來(lái)脈沖燃燒控制技術(shù)在寶鋼、太鋼等加熱爐上得到了大規(guī)模的應(yīng)用，取得了較好效果[1-3]。脈沖燃燒技術(shù)是通過(guò)控制燒嘴的通斷比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的精確控制，燒嘴具有大火、小火和關(guān)閉三種狀態(tài),或大火和關(guān)閉兩種狀態(tài)，燒嘴始終處于最佳的工作狀態(tài)[2]。趙鈺等[1]研究了脈沖加熱爐熱負(fù)荷變化過(guò)程與燒嘴打開(kāi)/關(guān)閉的關(guān)系和爐溫控制信號(hào)的離散化。陳智華[4]介紹了脈沖加熱爐工程中常用的空燃比控制方案，分別是直接控制各燒嘴、控制各加熱段、控制空燃?xì)饪偣芸杖急龋瑢?duì)比其使用效果和優(yōu)缺點(diǎn)。唐龍偉等[5]總結(jié)了某不銹鋼生產(chǎn)線無(wú)段流量調(diào)節(jié)閥脈沖控制加熱爐的調(diào)試步驟和要點(diǎn)，胡玲艷等[6]研究了在分段式脈沖燃燒控制上，根據(jù)PLC控制輸出的不同區(qū)間值設(shè)定不同的大小火燃燒狀態(tài)，能夠提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和溫控精度。

1 研究?jī)?nèi)容

分段控制的脈沖加熱爐管路系統(tǒng)如圖1所示。

本文主要研究分段控制脈沖管路系統(tǒng)配置的性能特點(diǎn)，通過(guò)Flowmaster仿真加熱爐在各種工況下的流量分配特性。

2 計(jì)算模型及邊界條件

文章用Flowmaster對(duì)脈沖加熱爐的管路系統(tǒng)的流動(dòng)進(jìn)行一維仿真。

1.總管調(diào)節(jié)閥；2.段孔板；3.段調(diào)節(jié)閥；4.支管孔板；5.支管調(diào)節(jié)閥；6.支管切斷閥；7.燒嘴圖1 分段脈沖控制加熱爐管道系統(tǒng)

管道的壓降計(jì)算如下：

式中：ζt為管道總阻力系數(shù)；ρ為氣體密度，kg/m-3；v為氣體流速，m/s。

管道的總阻力系數(shù)計(jì)算如下：

式中：λi為管道摩擦因素；Di為管道直徑，m；Li為管道長(zhǎng)度，m；∑ζi為管道總局部阻力系數(shù)。

并聯(lián)管路的總阻力系數(shù)計(jì)算如下：

式中：ζt1為并聯(lián)管路總阻力系數(shù)，ζi為某個(gè)并聯(lián)支路阻力系數(shù)，n為支路數(shù)量。

仿真計(jì)算時(shí)，全爐共有24個(gè)燒嘴，分為4個(gè)脈沖控制段，每個(gè)段設(shè)置6個(gè)燒嘴，所有燒嘴功率相同，計(jì)算時(shí)假設(shè)空煤氣總管為壓力入口，所有燒嘴完全打開(kāi)時(shí)各燒嘴處于額定功率狀態(tài)。燒嘴有打開(kāi)和關(guān)閉兩個(gè)狀態(tài)或大火、小火和關(guān)閉三個(gè)狀態(tài)。

某個(gè)工況下某個(gè)加熱段燒嘴打開(kāi)的數(shù)量計(jì)算如下：

式中：n為某個(gè)加熱段燒嘴總數(shù)，p1為段計(jì)算所需熱負(fù)荷，p為段設(shè)計(jì)熱負(fù)荷。

3 仿真結(jié)果及分析

3.1 不同負(fù)荷下的流量分配特性

假設(shè)額定功率下，段孔板和燒嘴孔板壓力損失為2000 Pa，段調(diào)節(jié)閥和段管道阻力損失為1000 Pa，支管調(diào)節(jié)閥和支管道阻力為1000 Pa，燒嘴有打開(kāi)和關(guān)閉兩個(gè)狀態(tài)。燒嘴在額定功率下的設(shè)計(jì)壓力損失為1000 Pa、2000 Pa、3000 Pa時(shí)，各段在不同負(fù)荷下的燒嘴功率分配如圖2所示。可以看出，當(dāng)熱負(fù)荷為100%時(shí)，燒嘴功率調(diào)至設(shè)計(jì)功率100%，隨著段熱負(fù)荷的降低，即打開(kāi)的燒嘴數(shù)量減少時(shí)，單個(gè)燒嘴的功率逐漸增加，且超過(guò)了設(shè)計(jì)功率，并且隨著燒嘴設(shè)計(jì)壓力損失的減小，段熱負(fù)荷降低時(shí)燒嘴功率增加的幅度越大。燒嘴功率隨著熱負(fù)荷降低而增加的原因是，當(dāng)燒嘴打開(kāi)的數(shù)量減少時(shí)，煤氣段管流量減少，段調(diào)節(jié)閥和段孔板的壓力損失降低，導(dǎo)致支管入口處的壓力增加，從而實(shí)現(xiàn)運(yùn)行燒嘴的功率增加。

圖2 不同燒嘴壓損下燒嘴功率隨熱負(fù)荷的變化

3.2 不同支管阻損比下的流量分配特性

分段脈沖控制加熱爐管道系統(tǒng)的阻力損失主要包括段管道和燒嘴前支管道，段管道阻力損失件包括段孔板、段調(diào)節(jié)閥和管道，燒嘴前支管阻力損失件包括支管孔板、調(diào)節(jié)閥和管道。不同支管阻力損失比、不同負(fù)荷下的燒嘴功率比如圖3所示。可以看出，支管阻力損失占比越小，負(fù)荷減小時(shí)燒嘴功率增加幅度越大，表明支管阻力損失占比越低，負(fù)荷變化時(shí)單個(gè)燒嘴功率波動(dòng)幅度越大。

圖3 不同負(fù)荷下燒嘴功率隨支管阻損比的變化

3.3 大小火脈沖下的流量分配特性

針對(duì)具有大小火模式的脈沖控制進(jìn)行仿真，燒嘴工作時(shí)具有大火、小火兩個(gè)狀態(tài)，選取支管阻力損失占比63%的系統(tǒng)，小火額定功率為大火額定功率的30%、50%，分別計(jì)算燒嘴在不同大火打開(kāi)比率下的流量分配，如圖4所示?？梢钥闯觯弘S著小火功率的增加，當(dāng)大火燒嘴打開(kāi)比率降低時(shí)，燒嘴大火功率增加的幅度降低，表明大小火控制可以減小燒嘴功率變化的幅度；燒嘴的小火功率隨著小火打開(kāi)比例的增加而增加，小火功率變化的幅度小于大火功率變化的幅度。

圖4 不同小火設(shè)計(jì)功率下的燒嘴功率變化

4 結(jié)論

本文通過(guò)仿真分段控制的脈沖加熱爐管路系統(tǒng)，可得出以下結(jié)論：

(1)當(dāng)段熱負(fù)荷降低時(shí)，單個(gè)燒嘴的功率逐漸增加，且燒嘴設(shè)計(jì)阻力損失越小，增加幅度越大。

(2)當(dāng)段熱負(fù)荷降低時(shí)，支管阻力損失占比越小時(shí)，單個(gè)燒嘴的功率增加幅度越大。

(3)對(duì)于大小火控制的脈沖加熱爐，隨著小火設(shè)計(jì)功率的增加，燒嘴大火功率隨負(fù)荷波動(dòng)的幅度降低，且小火功率的波動(dòng)幅度小于大火功率的波動(dòng)幅度。