阴极焙烧实验平台燃气控制系统.pdf

年第 期轻金属 基金项目：国家重点研发计划重点专项（）；贵州省科技重大专项计划（黔科合重大专项字 ）作者简介：闫朝宁（），男，硕士，主要从事铝冶炼智能装备与信息化研究。：收稿日期：阴极焙烧实验平台燃气控制系统闫朝宁，颜非亚，路 辉，邓 翔，杨运川，张 嘉（贵阳铝镁设计研究院有限公司，贵州 贵阳 ；国家铝镁电解装备工程技术研究中心，贵州 贵阳 ）摘要：为进行铝电解阴极材料焙烧启动模拟实验，本文建立了一种铝电解槽阴极焙烧温度控制实验平台。采用 调节自动控制天然气与压缩空气的输入量，控制阴极根据目标曲线焙烧升温。关键词：燃气焙烧；温度调节；控制中图分类号：文献标识码：文章编号：（）：，（，；，）：，：；铝电解槽用新材料、新装备及新工艺的研发，对于传统的铝电解及铝电解槽建设具有重要意义 。燃气焙烧具有一定的工艺优势 ，同时还具有成本效益 。为开展铝电解槽阴极材料研究，建立一种铝电解槽阴极焙烧实验平台，通过控制燃气燃烧放热，达到控制焙烧过程中阴极材料温度变化，使焙烧过程中阴极材料升温过程尽可能贴合目标升温曲线。平台设计实验平台主要由燃控系统、焙烧炉、烟气处理系统三部分组成。焙烧过程中产生的沥青烟气处理过程较为复杂，实验平台烟气处理相关工作文献 中有较专业详尽的说明，本文则主要研究燃烧温度控制部分。燃控系统主要包括燃气站、空气站、输送管道、检测仪表、调节阀组、温度传感器、燃烧器、控制器和上位机。系统根据工艺要求给定的温度目标曲线调节温度，自动判断保温时间及保温截止。铝电解常用天然气焙烧控制系统由燃气、空气、燃烧、控制等部分组成。燃气系统主要由天然气站、气体过滤、压力保持、压力调节和流量调节等部分组成。空气系统主要由压缩空气站、气体过滤、压力保持、压力调节、流量调节等部分组成，燃烧系统主要由烧嘴、调节阀和点火装置组成。控制系统主要由电源模块、电源保护、通信模块、温度采集、模拟量转换模块、上位机等组成。实验平台整体设计示意图参见图。?2?2?2?2?12?12?4?4?4?图 实验平台示意图 燃烧控制燃控系统基于 平台，以上位机软件为控制核心，采用 通信协议，建立星型 总线，实现温度采集、流量监控和调节阀控制。其中 闫朝宁 等：阴极焙烧实验平台燃气控制系统 年第 期温度采集输入信号为 路，其中上中下三层各 路、烟道 路、预留 路，路流量计流量采集，路调节阀控制需要进行模糊 调节，调节阀实时通量为输入信号，目标通量为输出信号。系统主要根据上中下三层温度、变化率和温度差，作为系统控制目标，以燃料量、空气量为系统调节输入变量，使用模糊 算法控制，实现燃烧控制和温度调节。燃控系统温度传感器为 支 型热电偶，采用材料内部预埋方式安装，上下共三层，外加炉膛和烟道温度单独显示仅用于观察，以时间、上层温度和上下温差为控制对象，根据材料燃烧特性设定流量配比，调节两燃烧支路的天然气、压缩空气流量。燃烧控制系统的控制原理图参见图 。实验平台的燃控系统工作流程如图 所示，温度检测信号与预期温度对比计算控制调整量，通过燃料量、空气量调整，根据压力检测适当调整烟气量，最终实现实验槽温度控制。?1?2?FTFCMMFCFT?FCFCFTFTPIDPIDMM?图 燃控系统控制原理?PID?PID?图 燃控系统工作流程图为保证天然气充分燃烧，需要对系统空燃比进行控制，并根据燃烧过反应和热力学方程联合确定空燃比。天然气燃烧化学反应式参见式（）。（）根据热力学理想气体状态方程，单位时间内方程可表达为式（）。（）式中：为气体压强，；为气体体积，；为气体物质的量，；为热力学温度，；为摩尔气体常数，（）。为方便区分，将天然气、空气的参数分别用下标、进行区分。因空气中氧气体积含量约为 ，所以氧气流量则为 ，由式（）得知 为最佳燃烧状态，可得：（）在式（）中，。天然气和空气管道在同一室温下，可认为，由此可知 为最佳燃烧状态。因此，空气流量 需要与天然气流量 同步调节，并保持二者的比例关系。为避免天然气流量和空气流量不同步造成的火焰 年第 期轻金属 熄灭或不充分燃烧问题，以天然气流量 为参照，空气流量 的理论值 为目标值，即 。采用 控制方式自动调节空气流量，采用调节阀通量 调节，简化后的离散化 表达式参见式（）。（）（）（）（）（()）（）式中：为比例常数，为积分常数，为微分常数，为迭代次数。根据系统设计选型结果，天然气最大流量 ，压缩空气最大流量 ，对流量调节进行控制仿真，流量调节阀流量特性曲线如图 所示。为便于仿真模拟，可认为调节阀的输出流量百分比与通量百分比为连续函数关系 （）。对压缩空气调节阀的流量特性曲线进行拟合。经过流量特性曲线拟合，得到通量和流量的百分比关系表达如式（）。（）（）则天然气流量、空气流量、天然气流量理论值 、天燃气调节阀通量的关系表达如式（）。（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）-.0 200 2.0 4.0 6.0 8.1 0.1 0.0 8.0 6.0 4.0 2.0?/%?/%00 5.1?/%00 5.1?/%图 流量特性曲线与拟合结果仿真设计参见图 。仿真观察调节 控制器，得到最终参数如表 所示。ScenarioSignal 110?xV220PID s()PID s()200MaxQ2uyfcnxMaxV1uyfcnV1Singa1V1V2VV21/xDivide图 燃气配比控制仿真表 初始参数表参数符号值单位采样周期 毫秒采样时间 毫秒燃气阀比例常数 燃气阀积分常数 燃气阀微分常数 空气阀比例常数 空气阀积分常数 空气阀微分常数 使用 编辑理想目标流量控制曲线，运行仿真程序后，通过 观察信号输出信号如图 所示。Scope2020151510005510200150100500131211109020406080100120140160180200V2V1V21/VV21/VV2V1Scope?Edilor图 仿真信号输出 闫朝宁 等：阴极焙烧实验平台燃气控制系统 年第 期由空气流量 与天然气流量 比值曲线图（图）可看出，在最初打开时在 ，范围内短时波动后趋于稳定，可进行电子点火，后续运行过程中不会因气体流量配比造成熄火或不充分燃烧的情况。13 5.13 0.12 5.12 0.11 5.11 0.10 5.10 0.9 5.9 0.8 5.020406080100120140160180200VV21/VV21/图 仿真空燃比曲线 运行效果在实验平台建设完成后，实施燃控系统硬件安装、控制软件调试等工作。最终，建立一种铝电解槽阴极焙烧实验平台，通过控制燃气燃烧放热，以此控制焙烧过程中阴极材料温度变化，使焙烧过程中阴极材料升温过程尽可能贴合目标升温曲线。实验平台与燃控系统运行情况如图 、图 。实验平台在电力、供水、燃气站、压缩空气站等外界条件下，运行平稳，数据准确，为后期研究积累大量数据。图 实验平台与控制界面?图 运行数据曲线 结 语本文以建立一种铝电解槽阴极焙烧实验平台为目的，温控部分通过流量与通量关系拟合、空燃比控制、控制仿真的方式确定实用平台燃控系统参数，使焙烧过程中阴极升温过程尽可能贴合目标曲线，最终取得良好的运行效果，为业内燃烧控制问题提供参考。参考文献：陈向国 电解铝工业焙烧启动技术进入新时代 节能与环保，（）：周萍，王志奇 铝电解槽燃气焙烧启动过程中的非稳态温度场仿真 轻金属，（）：刘永刚，唐骞，梁韬 铝电解大型预焙槽四种焙烧方法的比较 轻金属，（）：邓翔，曹斌，张嘉，杨运川，柴婉秋，吴中鼎 整体成型阴极实验排烟分析及控制 轻金属，（）：（责任编辑岳双双）行业资讯罗马尼亚铝业公司将关闭全部原铝产能罗马尼亚自由铝业联盟（）年 月对外表示，罗马尼亚铝业公司（）可能在 年 月前停止运营，高昂的能源价格是关闭的主要原因。欧洲的一些铝企业由于能源价格的节节上涨，一些削减产量，一些则选择关闭。铝业公司约有 名员工，是一个较大的原铝厂，目前仅有 的产能在运营。王祝堂 供稿