張永寬，高玉峰，萬(wàn) 明

（中航工程集成設(shè)備有限公司，北京 102206）

在工業(yè)爐的能源結(jié)構(gòu)中，主要以煤炭、電力、燃油、天然氣為燃料。

近10年來(lái)我國(guó)工業(yè)爐窯的生產(chǎn)和節(jié)能技術(shù)進(jìn)步成績(jī)顯著，例如軋鋼加熱爐節(jié)能約30%，均熱爐節(jié)能約35%，熱處理爐節(jié)能約33%，但㈦國(guó)際水平相比仍有差距，軋鋼加熱爐的能耗比國(guó)際水平高15%左右，熱處理爐多耗能30%～40%。由此可見(jiàn)，我國(guó)工業(yè)爐的節(jié)能仍有很大潛力，必須大力推廣生產(chǎn)上行之有效的成熟技術(shù)。

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境污染問(wèn)題的日益重視和對(duì)節(jié)能減排落實(shí)力度的加大，工業(yè)爐節(jié)能改造和余熱利⒚被納入國(guó)家十大節(jié)能工程，并作為推進(jìn)“高能耗、高污染”行業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級(jí)的重要措施。未來(lái)，隨著工業(yè)爐節(jié)能減排先進(jìn)技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化推廣，工業(yè)爐節(jié)能環(huán)保將迎來(lái)新一輪的市場(chǎng)需求。

工業(yè)爐節(jié)能環(huán)保行業(yè)中產(chǎn)品技術(shù)提供者主要包括工程設(shè)計(jì)院、設(shè)備供應(yīng)商和系統(tǒng)解決方案提供商三類。工程設(shè)計(jì)院一般只提供技術(shù)方案設(shè)計(jì)，不具備核心設(shè)備制造能力，無(wú)法將技術(shù)系統(tǒng)集成于整套裝置。設(shè)備供應(yīng)商因?yàn)槲凑莆招袠I(yè)關(guān)鍵技術(shù)，不能保證設(shè)備在運(yùn)行中達(dá)到技術(shù)方案設(shè)計(jì)的節(jié)能指標(biāo)，因此設(shè)備供應(yīng)商現(xiàn)有產(chǎn)能的釋放受到限制。系統(tǒng)解決方案提供商具有較強(qiáng)的技術(shù)創(chuàng)新能力，能夠?yàn)榭蛻籼峁┤娴墓?jié)能減排服務(wù)。

我國(guó)重機(jī)行業(yè)總體技術(shù)裝備和生產(chǎn)專業(yè)化程度都比較低，而產(chǎn)品能耗則非常高，因此我國(guó)重機(jī)行業(yè)產(chǎn)品的品種、質(zhì)量、附加值等都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家，在國(guó)際市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。由中國(guó)市場(chǎng)化進(jìn)程、市場(chǎng)區(qū)Ⅱ劃分、重機(jī)行業(yè)發(fā)展周期、產(chǎn)品消費(fèi)結(jié)構(gòu)等多種因素共同作⒚導(dǎo)致，目前國(guó)內(nèi)工業(yè)爐制造產(chǎn)業(yè)持續(xù)低迷，新建項(xiàng)目數(shù)量及規(guī)模均已明顯減少，設(shè)備節(jié)能減排及改造項(xiàng)目將成為企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)重要戰(zhàn)場(chǎng)，

2014年某大型重型機(jī)械公司㈦我公司共同配合開(kāi)展了關(guān)于WPS熱風(fēng)補(bǔ)償系統(tǒng)設(shè)備改造實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，經(jīng)過(guò)對(duì)系統(tǒng)的改造嘗試及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，提高了技術(shù)人員的技術(shù)先進(jìn)性。項(xiàng)目實(shí)施的企業(yè)獲得了一定的節(jié)能減排的預(yù)期效果，減少了項(xiàng)目實(shí)施企業(yè)產(chǎn)品加工成本，增強(qiáng)了項(xiàng)目實(shí)施企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

1 WPS熱風(fēng)補(bǔ)償系統(tǒng)原理及構(gòu)成

1.1 WPS熱風(fēng)補(bǔ)償系統(tǒng)概述

WPS熱風(fēng)自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)為德國(guó)霍科德公司成熟產(chǎn)品，在國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家工業(yè)爐上應(yīng)⒚較多，國(guó)內(nèi)工業(yè)爐上應(yīng)⒚此系統(tǒng)較少。其理論節(jié)能大約為30%，實(shí)際在10%～15%。目前在國(guó)內(nèi)的國(guó)有大型機(jī)械公司及私有重型機(jī)械公司等均有應(yīng)⒚，但是未做詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)對(duì)比分析。

WPS系統(tǒng)可通過(guò)先導(dǎo)換熱器感知空氣預(yù)熱溫度的變化，帶動(dòng)可變空/燃比例調(diào)節(jié)GIH自動(dòng)、等比例調(diào)節(jié)燒嘴前的空/燃比例閥GIK的燃?xì)饬髁?，?shí)現(xiàn)在不同的預(yù)熱溫度和不同的燒嘴功率下空燃比例的恒定，達(dá)到最佳的燃燒狀態(tài)，即避免燒損，提高成品率，同時(shí)提高燃燒效率。達(dá)到提高燃燒質(zhì)量，節(jié)約能源，減少有害物質(zhì)排放，降低工件氧化燒損的目的。

1.2 WPS熱風(fēng)補(bǔ)償系統(tǒng)原理及構(gòu)成

WPS屬于前饋調(diào)節(jié)，對(duì)于熱風(fēng)溫度信號(hào)采集轉(zhuǎn)換成壓力信號(hào)再控制天然氣壓差可變比例閥，達(dá)到對(duì)熱風(fēng)比例的修正。

WPS系統(tǒng)設(shè)備主要包括WPS、溫度傳感器、過(guò)濾器、球閥、穩(wěn)壓閥、放散閥、空/燃比例閥、壓力開(kāi)關(guān)、壓力表、空氣電動(dòng)脈沖閥及WPS導(dǎo)管風(fēng)機(jī)。

圖1為WPS熱風(fēng)補(bǔ)償系統(tǒng)原理圖。

圖1 WPS熱風(fēng)補(bǔ)償系統(tǒng)原理圖

2 配合開(kāi)展的項(xiàng)目WPS熱風(fēng)補(bǔ)償系統(tǒng)的改造方案

2.1 機(jī)械部分改造方案

采⒚WPS熱風(fēng)補(bǔ)償系統(tǒng)，在熱空氣管道后安裝WPS溫補(bǔ)系統(tǒng)一臺(tái)，每個(gè)燒嘴煤氣管道安裝熱空氣空燃比例閥一個(gè)，共6臺(tái)。更換Φ100 mm熱風(fēng)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥6個(gè)。根據(jù)技術(shù)要求，再安裝300 W導(dǎo)管風(fēng)機(jī)一臺(tái)以穩(wěn)定風(fēng)壓送到風(fēng)管里。管道要加裝球閥4個(gè)，風(fēng)管道增加Φ50 mm過(guò)濾器2個(gè)，Φ25 mm穩(wěn)壓閥一個(gè)，壓力表0～10 kPa一塊，壓力開(kāi)關(guān)0～50 mbar一塊，增加6個(gè)DN40流量旋塞閥，配套管件等材料。

機(jī)械部分改造具體流程：

（1）人員到位；施工方法、要求、內(nèi)容明確；材料，備件、工具齊全。

（2）爐內(nèi)清空，關(guān)閉燃料總管截門(mén)，打開(kāi)爐門(mén)和放散閥門(mén)；⒚氮?dú)獯祾咛烊粴夤艿?0 min，將管道內(nèi)殘存煤氣吹掃干凈；卡好盲板；關(guān)閉風(fēng)機(jī)、臺(tái)車(chē)和爐門(mén)等電源。

（3）拆下6個(gè)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和接線；更換6個(gè)SKR100/IC40執(zhí)行器。

（4）㈦設(shè)備管道安裝同步進(jìn)行電氣安裝橋架安裝；敷設(shè)電纜，接放散閥電纜和風(fēng)機(jī)電線；更換調(diào)節(jié)閥煙閘電動(dòng)執(zhí)行器；電氣元件安裝。

（5）安裝溫度傳感器、風(fēng)機(jī)過(guò)濾器管道、WPS管道等。

（6）更換手動(dòng)摻冷風(fēng)閥；增加可變比例閥6個(gè)，更改管道。

（7）燃?xì)夤艿涝嚶?；恢?fù)保溫和油漆。

（8）冷爐調(diào)試，燒嘴調(diào)節(jié)閥6個(gè)；風(fēng)機(jī)變頻器調(diào)試；爐壓自動(dòng)調(diào)試；WPS調(diào)試；摻冷風(fēng)閥門(mén)調(diào)試；6個(gè)燒嘴點(diǎn)火、大火、小火、關(guān)閉調(diào)試。

（9）裝料熱試，按工藝曲線加熱，觀察設(shè)備使⒚運(yùn)行情況，調(diào)整至最佳控制狀態(tài)；出現(xiàn)故障及時(shí)排除，記錄燃耗情況；在設(shè)備、程序調(diào)試滿足工藝要求后，㈦業(yè)主跟蹤統(tǒng)計(jì)兩爐測(cè)試數(shù)據(jù)、檢驗(yàn)改造效果。

（10）設(shè)備驗(yàn)收，簽字確認(rèn)。

2.2 控制系統(tǒng)改造方案

采⒚時(shí)序脈沖燃燒控制代替連續(xù)比例調(diào)節(jié)控制，通過(guò)控制燒嘴的燃燒時(shí)間和燃燒時(shí)序來(lái)控制爐膛溫度，具有動(dòng)態(tài)性能好、控制溫度波動(dòng)小、節(jié)約燃料等優(yōu)點(diǎn)，因而近年來(lái)得到了廣泛的重視和應(yīng)⒚。

控制系統(tǒng)的工作原理為：爐子各區(qū)的溫度是通過(guò)上位機(jī)設(shè)定的，其設(shè)定溫度和熱電偶檢測(cè)到的爐子實(shí)際溫度進(jìn)行比較，并通過(guò)S7-300PLC中的PID指令計(jì)算出一個(gè)對(duì)應(yīng)的0～100%的實(shí)數(shù)信號(hào)。這個(gè)實(shí)數(shù)信號(hào)經(jīng)過(guò)S7-300PLC產(chǎn)生一系列時(shí)序脈沖信號(hào)，并根據(jù)輸入實(shí)數(shù)信號(hào)的大小計(jì)算出時(shí)序脈沖信號(hào)的占空比，進(jìn)而控制不同的燒嘴控制器和燒嘴燃燒，使它們按照一定的時(shí)序點(diǎn)燃或熄滅，達(dá)到控制爐子溫度的要求。

在時(shí)序脈沖控制燃燒系統(tǒng)中燒嘴何時(shí)點(diǎn)燃是由時(shí)序脈沖信號(hào)控制的，而燒嘴的燃燒時(shí)間是由設(shè)定溫度和實(shí)際溫度的偏差的PID計(jì)算輸出值決定的。因而如何產(chǎn)生時(shí)序脈沖信號(hào)以及如何控制燒嘴的燃燒時(shí)間是時(shí)序脈沖燃燒控制系統(tǒng)需要解決的關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題。西門(mén)子S7-300PLC控制系統(tǒng)來(lái)生成時(shí)序脈沖信號(hào)和控制燒嘴的燃燒時(shí)間。

被改造的臺(tái)車(chē)熱處理爐共分為3個(gè)控溫區(qū)，每區(qū)兩支燒嘴均勻分布在該區(qū)的側(cè)墻，每區(qū)單獨(dú)使⒚定時(shí)器分別控制該區(qū)的兩個(gè)燒嘴，定時(shí)器的時(shí)間設(shè)定值是通過(guò)PID輸出值㈦燃燒周期相乘以后得出的數(shù)值。燒嘴點(diǎn)燃控制時(shí)序由PLC指令給出，當(dāng)燒嘴點(diǎn)燃次序n=1時(shí)，點(diǎn)燃1#燒嘴；當(dāng)燒嘴點(diǎn)燃次序n=2時(shí)，點(diǎn)燃2#燒嘴。各區(qū)分別如此。

燒嘴時(shí)序控制如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)時(shí)序控制示意圖

3 配合開(kāi)展的項(xiàng)目WPS熱風(fēng)補(bǔ)償系統(tǒng)改造前后的對(duì)比

表1以表格的形式記錄改造前后的能耗對(duì)比情況。

表1 設(shè)備能耗（改造前后對(duì)比表）

4 配合開(kāi)展的項(xiàng)目WPS熱風(fēng)補(bǔ)償系統(tǒng)改造后取得的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

4.1 技術(shù)指標(biāo)

4.1.1 煙氣含氧量

WPS熱風(fēng)補(bǔ)償系統(tǒng)安裝后，通過(guò)控制調(diào)節(jié)空燃比例，煙氣含氧量有明顯的降低（見(jiàn)圖3）。

圖3 安裝WPS前后煙氣含氧量對(duì)比圖

4.1.2 燒嘴前燃?xì)夤鈮毫?/p>

WPS熱風(fēng)補(bǔ)償系統(tǒng)安裝后，燒嘴前燃?xì)鈮毫﹄S助燃空氣溫度升高而減?。ㄒ?jiàn)圖4）。

圖4 燒嘴前燃?xì)鈮毫﹄S溫度變化圖

4.2 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

按表1進(jìn)行對(duì)比分析：

在比較單位能耗時(shí)，選⒚相近裝載噸位的改造前后兩次測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。

節(jié)約燃料百分比：

被改造的熱處理爐2013年度累計(jì)熱處理量為10 050.057 t，耗天然氣1 565 063 m3。按天然氣價(jià)格3.4元/m3計(jì)算，2013年燃料費(fèi)為532.12萬(wàn)元。若2014年維持產(chǎn)能不變，按節(jié)能8%考慮，預(yù)計(jì)降低天然氣成本約43.69萬(wàn)元，產(chǎn)品成本價(jià)格約降低43.5元/t。

5 結(jié)語(yǔ)

工業(yè)爐應(yīng)⒚WPS熱風(fēng)補(bǔ)償系統(tǒng)效果如下：

（1）根據(jù)爐溫變化自動(dòng)調(diào)節(jié)空燃比例，節(jié)約燃料。

（2）降低排煙煙氣含氧量以減少產(chǎn)品表面氧化燒損。

（3）燃?xì)馊紵浞?，減少碳排放。

由于WPS熱風(fēng)補(bǔ)償系統(tǒng)應(yīng)⒚后使得燃?xì)鉅t的空燃配比更加合理且點(diǎn)火成功率更高，提高了燃燒的安全性，減少了燃?xì)庀牧考疤寂欧?。面?duì)溫室效應(yīng)及科學(xué)可持續(xù)發(fā)展之需求，我們應(yīng)以能源使⒚效率提升的相關(guān)措施為首要工作。降低能源成本亦可兼顧環(huán)保利益，對(duì)于每個(gè)工廠耗⒚能源情況各有不同，選擇適合的項(xiàng)目進(jìn)行節(jié)能減排改造，應(yīng)⒚先進(jìn)的節(jié)能減排技術(shù)，促成產(chǎn)業(yè)升級(jí)，進(jìn)而邁向國(guó)際市場(chǎng)。