[科普中国]-脉冲燃烧控制技术

简介

工业炉的燃烧控制水平直接影响到生产的各项指标，例如：产品质量、能源消耗等。目前国内的工业炉一般都采用连续燃烧控制的形式，即通过控制燃料、助燃空气流量的大小来使炉内的温度、燃烧气氛达到工艺要求。由于这种连续燃烧控制的方式往往受到燃料流量的调节和测量等环节的制约，所以目前大多数工业炉的控制效果不佳。随着工业炉工业的迅猛发展，脉冲式燃烧控制技术也应运而生，并在国内外得到一定程度的应用，取得了良好的使用效果。2

工业炉行业采用脉冲燃烧的必要性

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。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。

脉冲射流机理为了更全面地开发脉冲燃烧控制技术,必须对脉冲射流的机理进行学习和研究1。

脉冲射流的基本特征是其产生的大尺度微团的振荡运动,这种运动对整个射流空间的动量、热量和质量传递起着决定性的作用。因为湍流能量主要是由大尺度微团携带的,在这些大尺度微团向射流下游及横向运动过程中,它们不断与周围流体进行能量交换,直至处于平衡状态。

根据泰勒湍流扩散理论,脉冲射流极大地提高了射流区的压力波动水平。有研究表明:压力波动水平与脉冲频率成正比。在射流区轴线以外及射流边界附近,脉冲频率的作用尤其明显。与稳态射流相比,脉冲射流最大均方根脉冲压力分布沿射流区具有明显扩展。脉冲射流改变了射流区湍流结构,主要表现在各点压力具有不同程度的“方波”信号特征。任何受流体的动量、热量和质量制约的工业过程均可通过适当地采用脉冲射流技术加以强化。

控制原理脉冲燃烧控制采用间断燃烧的方式,使用脉宽调制技术,通过调节燃烧时间的占空比(通断比)来实现加热炉的温度控制。这个系统并不调节某个区域内燃料输入的大小,而是调节在给定区域内每个烧嘴被点燃的频率和持续时间。烧嘴的输入量是事先给定的,每个烧嘴按照事先给定的开度和热量需求成正比的频率开闭。所有的烧嘴并不同时点燃,而是按照一定的时序依次点燃1。

顾名思义，脉冲燃烧控制采用的是一种间断燃烧的方式，使用脉宽调制技术，通过调节燃烧时间的占空比（通断比）实现窑炉的温度控制。燃料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，保证烧嘴燃烧时的燃气出口速度不变。当需要升温时，烧嘴燃烧时间加长，间断时间减小；需要降温时，烧嘴燃烧时间减小，间断时间加长。

主要控制功能及实现手段该炉的自动化系统包括燃烧自动化和电气自动化两部分，其控制功能设置围绕炉温控制而展开，辅以燃烧控制、炉压控制、机械运动控制、PLG、供风总管压力调节3。

炉温控制根据每个温区的温度情况，每区用一个脉冲控制器按照加热工艺要求设定统一的升温曲线来控制每个烧嘴的工作状态，这种燃烧方式在开，闭交替切换的过程中既调节了炉内局部热负荷，又增加炉气循环的扰动，能进一步消除炉内局部温差。

其炉温具体设定方式分为三种3：

①手动设定方式：根据仪表盘温控器的温度显示，通过仪表盘上的脉冲控制器改变相应的空气阀门执行器的开启和开度的频率。

②手动设定方式：在cRT E，手动改变温度调节器的设定值(SP)，对各段炉温进行设定。③程序设定方式：对于不同规格和材质的坯料，有不同的工艺曲线，因此亦对应不同的各供热区炉膛温度。工艺人员可将对应于上述不同规格和材质的理想炉温设定值以数据库的形式，保存在PLC内，并在cRT的“钢种选择画面”上“按组”显示。工作人员可根据需要，通过“一触式”按键，对各供热区的炉温进行批量设定。

燃烧控制燃烧控制系统由“本机”和“手控”2种控制模式．在“本机”工作状态下，由控制器实现自控，并根据设定的燃烧器开/闭自动交替。如果本机出现故障，还可以采用手动应急控制。

炉膛压力控制炉压控制对于本炉操作是至关重要的—个方面。在本应用中借助于烟道闸板阀实现炉压调节，将炉压控制在微正压：炉顶设微差压变送器监测；炉膛压力高、低报警；计算机显示记录，仪表盘显示。

紧急停炉保护联锁为保证燃烧系统的安全运行。系统设置紧急停炉保护联锁功能。在冷风压力过低、风机故障信号、电气停炉信号、紧急手动停炉情况下，发生自动停炉。当发生自动停炉时，系统完成总管燃气切断动作，提示操作员进行管道内煤气排放吹扫等操作。

电气控制电气控制系统含炉区范围内的电气控制和低压配电。炉区全部采用低压(380V/220 VAc)供电。控制范围包括：

①台车驱动控制：采用点动控制，设台车限位开关，前进、后退、前到位、后到位报警并指示。

②炉门升降控制：采用点动控制，设炉门限位开关，上升、下降、上到位、下到位报警并指示。

③气动密封装置控制：采用点动控制，设密封限位开关。

④助燃风机启/停控制。

⑤掺冷风风机。

优势脉冲燃烧控制的主要优点为4：

1.传热效率高，大大降低能耗。

2.可提高炉内温度场的均匀性。

3.无需在线调整，即可实现燃烧气氛的精确控制。

4.可提高烧嘴的负荷调节比。

5.系统简单可靠，造价低。

6.减少NOx的生成。

普通烧嘴的调节比一般为1：4左右，当烧嘴在满负荷工作时，燃气流速、火焰形状、热效率均可达到最佳状态，但当烧嘴流量接近其最小流量时，热负荷最小，燃气流速大大降低，火焰形状达不到要求，热效率急剧下降，高速烧嘴工作在满负荷流量50%以下时，上述各项指标距设计要求就有了较大的差距。脉冲燃烧则不然，无论在何种情况下，烧嘴只有两种工作状态，一种是满负荷工作，另一种是不工作，只是通过调整两种状态的时间比进行温度调节，所以采用脉冲燃烧可弥补烧嘴调节比低的缺陷，需要低温控制时仍能保证烧嘴工作在最佳燃烧状态。在使用高速烧嘴时，燃气喷出速度快，使周围形成负压，将大量窑内烟气吸人主燃气内，进行充分搅拌混合，延长了烟气在窑内的滞流时间，增加了烟气与制品的接触时间，从而提高了对流传热效率，另外，窑内烟气与燃气充分搅拌混合，使燃气温度与窑内烟气温度接近，提高窑内温度场的均匀性，减少高温燃气对被加热体的直接热冲击。

燃烧气氛的调节是提高工业窑炉性能必不可少的一个环节，而传统的连续燃烧控制只能通过在线测量烟气残氧量，反馈给燃烧气氛控制器，然后实时调节控制助燃空气流量执行器的输出，才能精确控制炉内的燃烧气氛。由于检测烟气残氧的氧化锆传感器的可靠性、寿命和价格的原因，在工业现场的使用往往不理想。有些窑炉自控系统干脆采用一台比例跟随器，使助燃空气的流量与燃料的流量成固定的比例，但这种方法不得不将助燃空气的富余量留得很大，达不到最佳的节能和控制过剩氧含量（或过剩空气系数）的要求。采用脉冲燃烧控制方式，可以将油压和风压一次性调整到合适值，在系统投人运行后，只需保持这两个压力稳定即可。对压力进行测量和控制要比流量简单得多，可以根据系统的实际情况采取全自动控制，也可以采取人工手动控制。

与连续燃烧控制相比，脉冲燃烧控制系统中参与控制的仪表大大减少，仅有温度传感器、控制器和执行器，省略了大量价格昂贵的流量、压力检测控制机构。并且，由于只需要两位式开关控制，执行器也由原来的气动（电动）阀门变为电磁阀门，增加了系统的可靠性，大大降低了系统造价。

技术应用为在工业炉行业中普及脉冲燃烧控制技术，研制开发出了“神雾脉冲燃烧系统”，由高速燃烧器和工业炉控制系统两部分组成，采用脉冲燃烧技术来完成工业炉的升温、控温。对于燃气窑炉内部温度场和温度波动力±2°C，对于燃油（柴油）窑炉内部温度场和温度波动为±3°C，在使用重柴油为燃料的窑炉上效果良好5。

普通燃烧器当窑炉内部温度低于燃料自燃温度时，燃烧器燃料间断后火焰立即熄灭，无法继续燃烧，为此我公司研制开发了带有先导点火装的高速燃烧器，此先导点火装置的发热量只占燃烧器设计发热量的1/20-1/30，对炉内温度不会产生影响，解决了熄火这一问题，并采用当今最先进的雾化技术--气泡雾化技术，使燃烧器的雾化效果更好、雾化介质使用量更少，原来烧轻柴油的窑炉现可烧重柴油。

工业炉控制系统采用工业PC机作为控制单元，采用先进的现场总线体系结构，功能强大、画面丰富、用户界面友好。所有部件均选用进口产品，从而使系统更加可靠。。

该系统具有以下功能：

实时监测炉内各点的温度、烟气残氧、炉膛压力、油（煤气）压、助燃风压、燃料流量和助燃风流量等参数。

具有上、下限报警功能，报警打印功能，报警上、下限由用户设定，并能将报警记录储存，用户可任意查询、打印。

可按用户设定的温度值或温度曲线对炉内各区段进行升、降控制，其中升温采用脉冲燃烧控制，降温采用强制脉冲风冷控制

可按用户设定的燃烧气氛对炉内的烟气残氧进行控制。

可对炉膛压力进行控制。

可对窑炉的进出料进行控制。

具有历史数据查询功能，可按用户需要存储、显示、打印历史数据。

具有报表打印功能，实时脱机打印班报、日报、月报。

具有动态工艺图，可显示整个窑炉的工艺流程图，实时动态显示炉内各点参数，实时动态显示炉内火焰燃烧状态。

在实际应用过程中，采用普通的脉宽调制的方法调节燃烧占空比时，当占空比接近0%或100%时，间断或燃烧的时间太短，现场的运行效果不理想，于是我们引人了最小时间这一概念，将间断和燃烧的最小时间定为3秒，当占空比接近0%或100%时，延长相应的燃烧和间断时间即可解决这一问题。

展望脉冲燃烧作为一项新技术有着广阔的应用前景5，可广泛应用于陶瓷、冶金、石化等行业，对提高产品质量、降低燃耗、减少污染将发挥重大作用，是工业炉行业自动控制的一次革新，将成为未来工业炉燃烧技术的发展方向。