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蓄热式步进加热炉的最大特点是利用蓄热体对空气进行预热,在加热过程中两个蓄热体处于蓄热与放热不断交替的状态中,从而提高空气预热温度,使排烟温度控制在100~150℃。
蓄热式加热炉工作的关键在于控制两个蓄热体在蓄热与放热状态之间交换,如果两个蓄热体不能及时进行交换,就会使处于蓄热状态的蓄热体温度过高而失去从烟气中吸收热量的作用,同时,处于放热状态的蓄热体温度过低而失去对空气进行预热的作用。
蓄热式加热炉应用
与改造及其发展趋势
摘要:
本文通过介绍蓄热式加热炉的应用效果及特点等情况,表明高效蓄热式燃烧技术应用在燃油加热炉上也是一项高效、节能和环保的先进技术,提出国内蓄热式加热炉的发展方向及趋势。
关键词:
蓄热燃油加热炉节能环保国内蓄热式加热炉对比发展趋势
前言:
步进式,其缺点是利用换热器进行空气预热,预热温度低,排烟温度高,抑制了加热炉加热能力的提高。
随着带钢生产节奏的不断加快,加热炉越来越不能适应带钢生产,为此,2002年11月将原步进加热炉改为蓄热式步进加热炉。
为此,根据所了解的情况进行对比分析。
1.1燃烧控制系统的主要功能及其结构
加热炉燃烧控制系统的主要功能有:
燃烧控制;
炉膛压力控制;
助燃风机及空气压力控制;
换热器保护控制。
1.11系统可分为两级。
二级为监控计算机系统,主要完成加热炉最佳燃烧设定控制;
一级由西门子公司的可编程控制器S5-155U(C-PLC)和操作员工作站(MMI)COROS-LB及其相应检测执行元件系统来完成其功能的。
系统采用远程输入/输出组件ET-200,通过L2-DP数据通信网络来完成数据采集和设备驱动。
通过操作员工作站的20几幅画面可对炉内燃烧状况进行监视并进行相应操作。
通常C-PLC接受来自监控计算机的温度设定值进行温控,亦可直接在MMI上人工设定温度进行控制。
助燃风机控制采用西门子SIMOVERT-MASTER交直交变频传动控制装置。
燃烧控制系统共控制8个燃烧段,每段控制结构基本相同,其结构框图如图2所示。
1.12加热温度曲线的确定
最佳加热温度曲线实际上是由静态的温度加热曲线和在实际控制中动态的修正以完成最佳加热温度控制的过程。
在确定最佳加热温度曲线时,其控制要求呈多样性,诸如最大的产量、最小的燃料消耗、耐火材料和换热器的寿命、合适的出炉温度以及最小的脱碳和氧化铁皮损耗等等。
显然,各种要求是有着互相制约的关系的,系统只能根据某种原则来进行最佳控制。
1.13脱炭的计算钢氧化和脱碳现象的量化表述是坯料的氧化物的厚度和钢坯上下表面脱碳的深度,脱碳深度可以从钢坯的厚度角度来理解。
氧化和脱碳分别以氧化层和脱碳层的形式动态扩散,系统用一组描述氧化和脱碳扩散动力学的微分方程同时解出氧化和脱碳的深度,其深度初始值一般设定为0。
在方程中,炉压和钢种将作为其中的变量。
1.4加热炉和坯料的热交换计算
这主要基于炉内相应坯料的表面温度和炉内纵向相应位置温度的热交换。
如果我们设想炉内是由许多温度元素在加热炉内部进行热量的传递交换,那么实际上,这些温度元素之间的热交换以及与相应坯料的热交换是不同的。
各燃烧控制区段纵向相应位置的热电偶所采集的温度实际上是火焰、炉膛、炉顶、燃烧煤气和钢坯之间的热交换综合效应的反映。
故可根据Stefan-Boltzmann辐射热交换定律得出在炉内温度元素i和钢坯j的热交换Fij为
Fij=Kij×
(Ti4-Tj4)
因为热交换并不仅仅在机械物体上发生,在加热炉和坯料之间也存在着热传递和热导现象。
虽然对于相对于有效的热传递,此类现象的影响不大,但也必须考虑。
式中Kij作为可调整常数,可在调试时确定。
1.5坯料内部温度计算
钢坯内部的热扩散过程可以用有限差分法解傅立叶差分方程的数学模型来描述:
其中 K为物料的热传导系数;
Cp为比热;
D为钢的密度;
t为时间;
T为钢坯厚度方向的任意一点的温度;
参数K和Cp是温度和钢种的函数。
坯料中的热扩散方程如下:
其中 x和y是把钢坯的横截面作为坐标系其中的任意一点。
方程式有解的条件是:
时间t=0时,温度T=T0且0<x<hx;
0<y<hy
其中 hx是坯料的厚度;
hy是坯料的宽度。
1.6由于上述各类因素所表征的炉况特性的实际性将使模型计算出的钢坯温度出现偏差。
为了实时修正这个偏差,系统设置了温度自适应控制功能,即系统在钢坯出炉后经高压水除鳞和开坯机轧制一道次后由红外测温装置进行一次温度测量,该测量值送监控计算机,经过对相应钢种的坯料一段时间测量后的统计计算,加之采集并考虑钢坯出炉至测温装置的时间因素,计算出钢坯实际出炉温度并和数学模型所计算的出炉温度比较得出修正值。
当这种补偿经过一定量的统计分析后,系统将自动产生对应这个钢种的有效补偿数据而修正数学模型。
温度控制回路
各段的温度控制回路控制框图如图3所示。
温度控制回路的温度设定可有二种方式,其一为远程设置,其二为本地设置。
远程设置值来自监控计算机系统。
本地设置值来自C-PLC相应的MMI跟踪站,由操作工根据需要和经验设定。
但监控计算机仍然进行实际钢温和最佳加热曲线所设计的钢温温差计算,但仅作为显示,不参与控制。
远程控制和本地控制通过选择开关控制。
炉膛温度反馈通过双支热电偶采集后通过温度变送器直接输入C-PLC。
其后的各种处理则均以软件完成。
温度报警中可设定温度的上下限值,当此值达到并持续确定的时间,系统将使相应的煤气切断阀动作,停止供热。
热电偶两路采集为可靠起见,操作工可通过检测切换来选择通路A或通路B或二者取高值者作为温度实际值。
系统根据远程给定或本地给定和基于采集的温度实际值进行相应的数学计算产生的钢坯实际温度的偏差而给出控制调节器的调节输出量。
煤气/空气交叉限幅控制
在通常的燃烧控制系统中,采用串级比值调节系统。
温度调节器的输出直接作为空气流量调节控制器的给定,然后空气流量实际值除以空/燃比作为煤气流量调节控制器的给定。
在稳态时,煤气量可按一定的空燃比跟随空气实际流量而动,但在动态时,如升温、降温等变化时,这种常规系统就无法保证煤气量仍按一定的空燃比随空气量变化而变化。
在型钢加热炉燃烧控制系统中,采用了软件实现交叉限幅控制方式来保证无论在动态还是稳态时,都能满足一定的空燃配比性能。
交叉限幅控制的基本原则是:
升温时,空气先行;
降温时,煤气先行。
采用这种方式,使系统无论在稳态还是在动态时,都可获得较好的空燃比性能。
同时由于没有过氧燃烧和缺氧燃烧而起到节能降耗的效果。
从图4可见,系统通过高低选择器及其相应的空气和煤气实际反馈来完成升温空气调节先行,降温煤气调节先行的交叉限幅功能,达到控制目的。
另外,加热炉燃烧控制系统还包括有:
炉膛压力控制。
为了保证炉内有一个稳定的压力,使外界对炉内加热影响最小,需要对炉膛压力进行控制。
避免压力过大造成向外喷火,浪费能源;
压力过小造成炉外冷气吸入,降低炉温,也浪费能源。
所以要把炉内压力控制在比炉外大气压略高一点的微正压。
变频助燃风机及压力控制。
加热炉燃烧需要助燃空气,对于助燃空气,不仅有流量要求,还有压力要求。
如果助燃空气压力不稳定,对燃烧的稳定性产生很大影响。
换热器保护控制。
换热器安装在水平烟道内利用加热炉排出的高温废气对助燃空气加热,使其从20℃上升到600℃。
但若废气温度过高达到一定温度时,势必损坏换热器。
其换热器保护系统有三个部分:
稀释风控制回路;
热风放散控制回路;
加热炉预热段偏置回路。
蓄热式步进加热炉的最大特点是利用蓄热体对空气进行预热,在加热过程中两个蓄热体处于蓄热与放热不断交替的状态中,从而提高空气预热温度,使排烟温度控制在100~150℃。
因此,蓄热式加热炉烧钢控制的关键技术在于自动换向系统。
控制原理。
2.蓄热式步进加热炉工作原理
2.1工作原理
控制原理
蓄热式步进加热炉换向控制系统的换向控制是基于时间的控制。
如图1所示,在燃烧状态下,来自鼓风机的常温助燃空气首先由换向阀进入左侧通道,通过蓄热体时被加热,在极短时间内达到接近炉膛温度(一般为炉膛温度的80%~90%),煤气由通断阀向稀薄高温空气附近注入燃料,燃料在贫氧状态下实现燃烧;
与此同时,炉膛内燃烧后的热烟气通过另一侧蓄热体时将热量储存在蓄热体内,然后以低于150℃的低温烟气经过换向阀由引风机引出。
通过规定的时间后换向阀自动换向,常温助燃空气变为由右侧通道经蓄热体进入,热烟气从左侧通道排出,两个蓄热体自动进行蓄热与放热状态的切换,从而达到节能和环保的目的。
图1
蓄热式步进加热炉工作原理
2
换向控制系统
2.1
系统配置
蓄热式步进加热炉换向控制系统采用可编程控制器S7-300;
上位机选用工控机Pentium
IV
1.7G,内存128M,软件平台Microsoft
Windows;
采用功能强大的STEP-7软件包进行软件开发,以实现计算机控制换向系统的各种功能;
采用WinCC(Windows
Control
Center)组态软件建立人机界面。
2.2
控制功能
蓄热式步进加热炉换向系统的控制功能有:
(1)空气、烟气换向阀顺序控制,换向周期、顺序间隔周期设定。
(2)煤气通断阀顺序换向,换向周期、顺序间隔周期设定时间与空气/烟气换向阀相对应。
(3)排烟温度实时检测、显示,参与烧嘴换向控制。
(4)排烟温度超温报警、强制换向,报警温度人工设定。
(5)空气/烟气换向阀和煤气通断阀的阀位显示、阀位故障报警。
2.2.1
开机初始化
在开机初始状态,系统自动对各个换向阀和通断阀进行状态检测,只有确认24套空气/烟气换向阀均处于通空气位置,24套煤气通断阀均处于断煤气位置时,才允许进行下一步操作。
2.2.2
手动状态(炉温低于800℃烘炉阶段)
系统具有手动、自动、远程控制三种控制方式,在炉温低于800℃的烘炉阶段采用手动控制。
手动控制是在控制柜面板上先通过通道选择器设定需要操作的阀,再顺序操作“进空气(通煤气)”、“排烟气(断煤气)”按钮来实现对每个换向阀或通断阀的控制
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