多煙囪退火爐中的倒吸現(xiàn)象

柳海濤，申國強，魏 佳，李寶強

（機械工業(yè)第六設(shè)計研究院有限公司，河南鄭州 450007）

多煙囪退火爐中的倒吸現(xiàn)象

柳海濤，申國強，魏 佳，李寶強

（機械工業(yè)第六設(shè)計研究院有限公司，河南鄭州 450007）

本文分析了退火爐倒吸現(xiàn)象成因及其影響，并提出了一種切實可行的解決方法。即把煙囪開關(guān)順序規(guī)定了優(yōu)先級——先開后關(guān)原則。先開一個煙道進(jìn)行排煙，除非一個排煙通道不夠時才開第二個來調(diào)節(jié)，以此類推，只有需要排煙的時候才開煙道，用爐內(nèi)自身的壓力堵住沉降口，避免了爐外冷空氣倒吸現(xiàn)象。

多煙囪；退火爐；倒吸

1 倒吸現(xiàn)象

在實際的工作過程中，工業(yè)爐未必都是按照設(shè)想的通道進(jìn)行排煙。為了簡化分析，下文把煙囪的數(shù)量減少到2根，并對圖1進(jìn)行進(jìn)一步的簡化。在設(shè)計期望中，希望的排煙流程是圖2所示的過程。

由于在設(shè)計中，煙囪一般按照最大裝載量且最高升溫速度來設(shè)計，并且留有一定余量，所以在約98%的時間段內(nèi)煙囪對于爐子來說都顯得大了。我們在退火爐設(shè)計和研究中發(fā)現(xiàn)，真實的(98%時間段內(nèi))排煙流程是圖3所示的令人驚訝的這樣一過程。

由于排煙現(xiàn)象的根本原因在于溫度的不均衡，熱空氣較輕，有向上運動的趨勢，通過空氣對流使得溫度達(dá)到平衡。當(dāng)爐子只有一根煙囪的時候，熱空氣只有一個通道，爐內(nèi)不斷燃燒的熱空氣產(chǎn)生壓力迫使熱空氣向上流動，同時這種爐內(nèi)的正壓也阻止了爐外冷空氣順著煙囪沉降的趨勢。但是，當(dāng)爐子具有兩根或者更多的煙囪的時候情況就發(fā)生了改變。造成排煙現(xiàn)象的根本動力是空氣密度不同。比如爐內(nèi)溫度為300℃時，根據(jù)熱力學(xué)定律，爐內(nèi)熱空氣密度是爐外常溫空氣密度的一半。如果說熱空氣有向上運動的趨勢，同時也就意味著，冷空氣有向下運動的趨勢。當(dāng)只有一根煙囪時，之所以冷空氣沒有發(fā)生沉降現(xiàn)象，是因為爐內(nèi)持續(xù)不斷地產(chǎn)生熱空氣，噴涌的壓力阻擋了冷空氣的下沉。當(dāng)系統(tǒng)有兩根或者兩根以上排煙通道的時候，由于煙囪的排煙能力在絕大多數(shù)時間都是充分過剩的，熱空氣上升的過程可以輕松沿著一根煙囪進(jìn)行，由于爐內(nèi)壓力的不平衡，另一根煙囪的壓力不足以阻擋冷空氣的沉降，于是沉降就順著另一根煙囪進(jìn)行。觀察一臺有4個煙囪爐子的情況，發(fā)現(xiàn)沉降煙囪和排煙煙囪的數(shù)量是不確定的，甚至在不同的運行階段沉降煙囪和排煙煙囪的順序也會發(fā)生改變。通常情況下是一根沉降煙囪，3根排煙煙囪，或者2根沉降煙囪2根排煙煙囪。當(dāng)?shù)搅讼乱粋€爐次的時候，沉降煙囪的位置也可能會發(fā)生改變。

2 倒吸現(xiàn)象對退火爐的影響

圖4是一段某大型退火爐的組態(tài)界面的截圖，這是一次典型的發(fā)生溫度沉降的過程記錄。在0:00時刻，某個煙囪開始倒吸，導(dǎo)致其周圍的數(shù)個溫區(qū)溫度突然下降。倒吸現(xiàn)象會嚴(yán)重影響爐溫均勻性。這種爐內(nèi)大范圍的空氣流向會干擾整個爐膛內(nèi)部的溫度場的均衡性，使得在燒嘴噴出的氣流偏離了與之對應(yīng)的測溫?zé)崤?，從而削弱了燒嘴與其測溫?zé)崤嫉臏囟认嚓P(guān)性，無法正?？刂茰囟取Ｎ挥诔两禑焽柘虏康膸讉€測溫儀示數(shù)顯示總是比平均溫度低50℃～100℃，排煙煙囪附近的溫區(qū)溫度示數(shù)總是較高。這種沉降現(xiàn)象給溫度控制帶來極大的困難，即使持續(xù)不斷的打開沉降煙囪下部的一些燒嘴，溫度仍然相差很大。這種現(xiàn)象違背了設(shè)計的初衷，本來分散煙囪是為了分散排煙壓力，但是卻導(dǎo)致了一冷一熱兩種煙囪，特別是在東北地區(qū)，在冬天這種現(xiàn)象可能會導(dǎo)致沉降煙囪內(nèi)部結(jié)冰，嚴(yán)重影響爐子的安全運行。如此大量的冷空氣沉降現(xiàn)象等價于直接往爐內(nèi)補冷風(fēng)，浪費了大量的能源，也導(dǎo)致了大量的廢氣排放。如對于大型工件（比如尺寸大于5m，重量大于50t），當(dāng)其位于有較大溫差的溫度場內(nèi)時，很可能會造成工件內(nèi)部嚴(yán)重缺陷或者直接開裂。

3 倒吸現(xiàn)象的解決方案

傳統(tǒng)的爐壓控制是用儀表控制煙囪內(nèi)部煙道蝶閥的開度來調(diào)節(jié)爐內(nèi)壓力（一般把爐內(nèi)壓力穩(wěn)定在-10Pa～10Pa左右），用一塊控制儀表根據(jù)爐內(nèi)壓力的反饋，來統(tǒng)一調(diào)節(jié)所有煙道蝶閥的開度。但是正是這一傳統(tǒng)的控制方案導(dǎo)致了沉降現(xiàn)象。原因是：如果閥門開度都為10%時剛好可以穩(wěn)定爐內(nèi)壓力在0Pa，假設(shè)此時4個煙囪的流量均為+3000m3/h，而如果閥門開度變大到20%，有一個煙囪開始沉降，同時另外3個煙囪的流量加大到+3600m3/h，沉降流量為600m3/h，仍然可以維持爐內(nèi)壓力是0Pa。針對這一問題，我們摸索出了一個切實可行的解決方案，即對所有的蝶閥進(jìn)行優(yōu)先級排序，每一個蝶閥的開閉都有一個優(yōu)先順序，如果優(yōu)先級高的蝶閥開度沒有開到100%，則不允許打開下一級的蝶閥。

具體實現(xiàn)是使用PLC取代控制儀表接管所有蝶閥的控制，對每一個蝶閥進(jìn)行優(yōu)先級排序（排序可以隨意指定）。首先關(guān)閉所有的蝶閥，當(dāng)爐內(nèi)壓力升高時打開優(yōu)先級最高的蝶閥，根據(jù)爐內(nèi)壓力反饋進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)?shù)谝粋€蝶閥全開仍然不能滿足排煙的時候，保持第一個蝶閥全開，對第二個蝶閥進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，以此類推。關(guān)閉的過程則相反，當(dāng)爐內(nèi)壓力過低時最先關(guān)閉優(yōu)先級最低的閥門。

當(dāng)然最理想的是要每隔一段時間更換排煙順序，以便對每個蝶閥都進(jìn)行機會均等的遍歷，否則優(yōu)先級最低的閥門會因經(jīng)常不開容易造成損壞。

圖5是采取了分優(yōu)先級打開煙囪后的溫度記錄截圖。從圖中可以看出溫度較好的跟隨了設(shè)定曲線。即使到了壓力最大（溫度達(dá)到800℃），曲線的跟隨性仍然很好。沒有再出現(xiàn)爐內(nèi)溫度場突變的情況。

4 結(jié)論

多煙囪退火爐普遍具有沉降現(xiàn)象，因為較重的冷空氣位于較輕的熱空氣上方，如果下部的熱空氣壓力不是足夠的高，沉降是必然的。本文詳細(xì)分析了倒吸現(xiàn)象成因及其后果，并提出了一種切實可行的解決方法。即把煙囪的開關(guān)順序規(guī)定優(yōu)先級——先開后關(guān)原則。只開一個煙道進(jìn)行排煙，除非一個排煙通道不夠時才開第二個來調(diào)節(jié)，以此類推，只有需要排煙的時候才開煙囪，用爐內(nèi)自身的壓力堵住沉降口，避免了爐外冷空氣倒吸現(xiàn)象。

[1]王秉銓.工業(yè)爐設(shè)計手冊[M].北京:機械工業(yè)出版社，2010,4.

[2]史培甫.工業(yè)鍋爐節(jié)能減排應(yīng)用技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009,9.

The Suck-back Phenomenon of Multi-chimney Annealing Furnace

Liu HaiTao，Shen GuoQiang，Wei Jia，Li BaoQiang
（SIPPR ENGINEERING GROUP CO.,LTD,Zhengzhou 450007,China）

The author analyzed the causes and results of the suck-back phenomenon of multi-chimney annealing furnace,And put forward a feasible solution.The author sets the sequence of chimney switches.First,open one chimney,open the second chimney until only one chimney is not enough,and so on.

Multi-chimney；Annealing Furnace；Suck-back.

TG155.1;

A；

1006－9658（2012）04－0036-3排煙系統(tǒng)是工業(yè)爐設(shè)計中的一個重要環(huán)節(jié)，是保證爐子正常運行的一個先決條件。在較大的退火爐設(shè)計中，根據(jù)煙氣流量和煙氣溫度等參數(shù)計算出的煙囪直徑很大且高度會很高。這就給安裝及煙囪內(nèi)調(diào)節(jié)閥的選擇帶來問題。一般的做法是將一根大煙囪分成幾根直徑小的煙囪來避開這一問題。見圖1。

2012－07－02

稿件編號：1207－079

柳海濤（1982-）男，工程師，主要研究方向為自動化控制，智能控制系統(tǒng)等