[科普中国]-数字化燃烧技术

数字化燃烧技术的工作原理

数字化燃烧技术是烧嘴以时序脉冲方式燃烧，每对烧嘴单独控制"使用脉宽调制技术，通过调节燃烧时间的通断比实现窑炉的温度控制。这样断开了火焰分布!气氛控制与加热炉生产率之间的联系。在轧制延迟或者生产速率异常时，这种控制方式的益处更为明显：与传统加热炉相比，所有运行的数字化加热炉都表现出更加稳定的性能。烧嘴始终以最大能力燃烧，这样的结果是: 空/燃比恒定，可使燃烧效率保持稳定和最优状态; KLM排放量减少到最低; 平均燃料单耗最低2。

数字化控制的基本原理是:以加热炉区域温度为依据,通过调节烧嘴的工作时间即烧嘴的开关时间来实现区域的温度调节,实现自动烧钢,达到提高加热质量的目的。常规的比例燃烧控制通过调节各区域的空气和煤气流量来实现区域的温度控制。与常规的比例燃烧控制方案相比,数字化燃烧控制方案,特别是在产量异常和待轧时有着较强的优势:烧嘴开启时,总是以最大功率进行燃烧,从而提高燃烧效率、降低氧化烧损。

数字化燃烧控制采用的是一种间断燃烧的方式,加热炉所需热量通过控制烧嘴的燃烧时间来实现,而不是调节空气或燃气流量。烧嘴以时序脉冲方式燃烧,每对烧嘴单独控制。系统的煤气流量可通过压力调整预先设定,烧嘴一旦工作,就处于满负荷状态,以保证烧嘴燃烧时的燃气出口速度不变。

主要技术特色（1） 组织大动量火焰，提高炉内气体循环倍率，促使炉温均匀化"数字化燃烧方式是至今为止促使火焰炉炉温均匀化最有效的手段。能够更好地控制火焰形状和热量分配3。

（2）各燃烧单元按时间顺序进行燃烧供热，所以又称为时序燃烧"时序燃烧能最大限度地降低数字化供热方式对炉压产生的影响，并且进一步促进炉温均匀化，减少了氧化铁皮的生成。

（3） 调节供热量时，不调节空气和煤气阀门的开度，只调节火焰的燃烧时间，火焰始终保持满足工艺要求的最佳形态"提高了燃料利用率，减少了温室气体排放。

数字化脉冲燃烧控制的优点和问题通过以上对数字化脉冲燃烧控制的原理及炉温控制方法的介绍，可以总结出以下优点和问题4。

炉温控制精度高操作维护变得更容易和灵活由于烧嘴不存在物理分区， 可以根据实际的炉子负荷变动情况灵活地开启和关闭任何一个烧嘴，或者对烧嘴进行任意的组合，调节点多，可以精确实施炉温控制。

脉冲燃烧系统节能性好首先，温度均匀性好，精度高本身就意味着能耗的降低。其次，一般情况下， 要使燃气和助燃空气始终保持理想配比是不太容易的，这是因为各种比例调节阀或其他调节器实际上都只是近似于线性的。但脉冲燃烧系统中!只需在烧嘴最大火这一个工作点上调节到理想配比，则每一次燃烧都处于理想配比。 因此在燃烧负荷较小时燃烧也非常充分，节能效果非常明显， 比普通调节系统节能。

动态响应性好实现燃烧温度控制的快速响应。在炉子需要大幅度升温时，数字脉冲燃烧可以通过调整脉冲周期。使烧嘴始终处于燃烧状态。如同比例调节系统的最大燃烧。在炉温接近目标温度时，切换到脉冲燃烧控制!根据接近目标温度的程度，来调整脉冲周期内的燃烧时间! 快速稳定地实现温度控制。

从等效的控制器作用来看!时序脉冲燃烧控制系统相当于一种变比例、变积分、变微分的，控制，当实际温度远远低于设定温度时， 系统给出最大输出、相当于比例作用增强、积分作用减弱、微分作用增强、控制系统通过连续燃烧使炉子获得最快的升温速度。 同时，当温度偏差较小时、烧嘴处于脉冲燃烧状态、相当于比例作用减弱、积分作用增强，微分作用减弱!进而减小温度的超调量和稳态误差，因此采用这种控制系统一般情况下不会出现温度振荡的情况。

实际应用中的问题要实现脉冲燃烧，控制脉冲气流的电磁阀极为重要。以国内电磁阀工作寿命万次为例，若一个炉子24小时连续工作，每分钟进行一次脉冲，只能用两年多一点时间。如果脉冲稍微频繁一点，寿命更短。 此外脉冲燃烧是一项新技术，也是控制领域中一项较为复杂的系统工程。在实际炉子热负荷调试过程中要花费较多的时间去调试摸索经验。

应用现状采用数字化燃烧技术的炉子，由控制系统直接对燃烧单元进行独立控制，克服了传统工业炉固定分区域控制的局限性，使炉子具备更加有效的调节手段和更大灵活性，对于不同钢种、不同规格、不同产量和不同加热质量要求的各种加热工艺，都能有效而准确地调整和控制炉子的温热程度，更好地满足加热工艺对炉子产量和加热质量的要求。单独控制每对烧嘴，可灵活地选择每种钢坯的优化加热曲线，操作员可以调整加热过程中每个区域即预热段、加热段和均热段的长度，从而保证加热质量和燃料消耗达到最优"通过灵活调整加热炉每( 虚拟段) 的供热长度，可使最终用户适应其客户不断变化的需求，而不再被老式的比例燃烧系统的静态多烧嘴区域所限制5。

目前，高档工业产品对炉内温度场的均匀性要求较高，对燃烧气氛的稳定可控性要求较高，使用传统的连续燃烧控制无法实现。由于数字化燃烧方式能够显著提高炉温均匀性，所以正在被那些对炉温均匀性要求很高的火焰炉所采用，同时，数字化加热炉也成为当今工业炉发展方向的另一个主要流派。随着宽断面、大容量的工业炉的出现，必须采用脉冲燃烧控制技术才能控制炉内温度场的均匀性。近年来，数字化燃烧技术被广泛应用于锅炉、采暖、化工、干燥、水泥、冶金等行业。

在加热炉上的应用前景
数字化燃烧技术在以混合煤气或天然气等高热值为燃料的加热炉上,已在欧美国家得到广泛应用。由于加热钢材质量的提高,能耗指标的降低,使得经济效益显著;其生产的灵活性,又使钢铁企业很快适应新的钢种需求,且在激烈的市场竞争中赢得先机1。
考虑到中国各地能源供应很不平衡,有的钢铁企业缺乏高热值燃料,只有高炉煤气等低热值燃料,传统的燃烧方式在这种情况下已改为换向控制的蓄燃烧方式。在这种蓄热燃烧的炉子上,只要将脉冲控制原理与蓄热燃烧的换向控制方式结合起来考虑,应用脉冲燃烧技术的问题也容易解决。

数字化燃烧技术在莱钢的应用2004年,山东省冶金设计院与法国STEINHEURTEY公司合作,在莱钢型钢厂新建的260 t/h异型坯加热炉设计中,采用了数字化燃烧控制方式。该炉分为上、下两个温区控制,每个温区有14个烧嘴。调节器根据设定温度和实测温度进行PID计算,并将结果输出到燃烧控制器,燃烧控制器将4～0 mA的模拟信号转换成频率脉冲信号,分别传到
每个烧嘴的烧嘴控制器。最后,通过电磁阀、比例控制阀、烧嘴、自动点火系统完成燃烧过程,达到温度控制的目的1。
(1)电气控制设备

根据异型坯加热特点和大H型钢生产线自动化水平,该系统电气设备选用微处理器、流量开关、压力开关、热电偶、变送器、切断阀、控制阀等,PLC选用SIEMENS S7-400,设备选用AC马达、控制台、低压MCC。加热炉控制室配备两台PC机和打印机,所有过程参数、报警信息、历史趋势和生产班报既可显示在电脑屏幕上,也可打印出来。仪表用电源由电气专业集中供给,温度测量选用S型和K型热电偶,炉压测量选用差压变送器,流量测量选用孔板流量计,烟道闸板及风机百叶窗定位选用气动执行器,水封系统排渣选用气控橡胶阀。
(2)仪表控制系统

加热和操作控制系统分成3个不同的级别:0级为现场设备、仪表等,一级为加热和操作控制系统,二级为加热优化控制系统,三级为来往于轧线计算机的生产信息。

基于PLC(SIEMENS S7-400,CPU416)的一级系统完全独立于二级和更高级系统之外,它使得0级系统(变频驱动等)、一级系统和二级系统之间的通讯更为便利。如果加热过程中二级系统发生故障,可以继续生产而不必停炉。烧嘴采用时序脉冲燃烧方式,每一个烧嘴都单独控制,热量供给由烧嘴的燃烧时间确定。一级系统执行的功能有每个区域的温度自动控制、相邻区域的主-辅控制、炉压自动控制、带前馈功能的热风压力自动控制、带前馈功能的
煤气压力自动控制、空/燃比调整、换热器保护、冷却水回路保护、下均热段点火火焰控制、坯料温度检测、烟气中含氧量检测等。