脈沖時(shí)序燃燒技術(shù)在耐火試驗(yàn)爐上的應(yīng)用

付曉光 張曉穎 王 堃

（中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院，中國(guó)建筑材料檢驗(yàn)認(rèn)證中心有限公司，北京 100024）

1 前言

燃燒技術(shù)在耐火試驗(yàn)爐的設(shè)計(jì)中占有十分重要的位置，它不但決定了試驗(yàn)爐的溫度控制方式而且對(duì)試驗(yàn)爐的運(yùn)行穩(wěn)定性，控制靈活性以及測(cè)量的準(zhǔn)確性有著決定性的影響。目前，國(guó)內(nèi)的試驗(yàn)爐一般都采用傳統(tǒng)的連續(xù)比例燃燒控制技術(shù),即通過(guò)控制燃料和助燃空氣流量的大小來(lái)使?fàn)t內(nèi)溫度、燃燒氣氛達(dá)到工藝要求。相對(duì)于傳統(tǒng)的連續(xù)比例燃燒控制技術(shù)在試驗(yàn)爐上的廣泛應(yīng)用，脈沖時(shí)序燃燒控制技術(shù)是比較先進(jìn)的窯爐燃燒控制技術(shù)。脈沖燃燒控制技術(shù)采用的是一種間斷燃燒的方式,使用脈寬調(diào)制技術(shù),通過(guò)調(diào)節(jié)燃燒時(shí)間的占空比(通斷比)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)爐的溫度控制。

2 理論基礎(chǔ)

2.1 連續(xù)比例燃燒控制技術(shù)

連續(xù)比例燃燒控制技術(shù)是指根據(jù)爐內(nèi)實(shí)際溫度和設(shè)定溫度的差值的大小，連續(xù)調(diào)節(jié)燃料和助燃空氣的供應(yīng)量，實(shí)現(xiàn)燒嘴火焰從小到大或從大到小的連續(xù)變化，進(jìn)而使?fàn)t內(nèi)實(shí)際溫度達(dá)到設(shè)定溫度，完成燃燒控制。當(dāng)在快速升溫階段，爐內(nèi)實(shí)際溫度和設(shè)定溫度的差值非常大時(shí)，燃料和助燃空氣的供應(yīng)量大，燃燒充分，此時(shí)連續(xù)比例燃燒控制技術(shù)對(duì)溫度控制精度和均勻性完全符合控制要求。當(dāng)在高溫保溫階段，爐內(nèi)實(shí)際溫度和設(shè)定溫度的差值非常小時(shí)，燃料和助燃空氣的供應(yīng)量小，兩者的比例也很難控制，燃燒不充分，此時(shí)溫度控制精度和均勻性就很難符合控制要求了。其中，比例是指燃料和助燃空氣供應(yīng)量的比例，它是實(shí)現(xiàn)完全燃燒的主要參數(shù)。

2.2 脈沖時(shí)序燃燒控制技術(shù)

脈沖時(shí)序燃燒控制技術(shù)中的脈沖指的是每個(gè)燒嘴按照脈沖（通斷）方式工作，即只在最大供熱量（滿負(fù)荷）和最小供熱量（關(guān)閉）兩種工況下運(yùn)行。在脈沖寬度時(shí)間內(nèi)燒嘴處于滿負(fù)荷工作狀態(tài)，在脈沖間隔時(shí)間內(nèi)燒嘴處于最小負(fù)荷工作狀態(tài)。時(shí)序指的是各個(gè)燒嘴分別在什么開(kāi)始時(shí)候工作，相互間的時(shí)間順序。燒嘴的燃料和助燃空氣輸入量是事先按照比例給定的，每個(gè)燒嘴工作時(shí)單位時(shí)間提供的熱量相同，所以燒嘴工作時(shí)間和熱量需求成正比。當(dāng)爐內(nèi)實(shí)際溫度和設(shè)定溫度的差值大時(shí)，熱量需求大，計(jì)算得到的控制輸出大，脈沖寬度變大，燒嘴在每個(gè)工作周期內(nèi)的工作時(shí)間變長(zhǎng)，提供的熱量多，溫度升高快，溫度差值變小。反之，脈沖寬度變小，溫升變慢或者降溫，溫度差值仍然變小。所有的燒嘴并不同時(shí)工作，而是按照一定的時(shí)序依次開(kāi)始工作。脈沖時(shí)序燃燒控制技術(shù)的控制時(shí)序如圖1所示。

圖1 脈沖時(shí)序燃燒控制示意圖

由圖1可以看出，脈沖寬度T0與脈沖間隔T1相加就是燒嘴的一個(gè)工作周期T，即T=T0+T1。一般情況下，工作周期T根據(jù)控制器的運(yùn)行速度、控制精度和執(zhí)行器的工作特性確定，是一個(gè)固定值。如上所述，需要快速升溫時(shí)，計(jì)算得到的脈沖寬度T0大，相應(yīng)的脈沖間隔T1小，即燒嘴的工作時(shí)間長(zhǎng)，停止時(shí)間短；反之，T0小T1大，即燒嘴的工作時(shí)間短，停止時(shí)間長(zhǎng)。另外，燒嘴開(kāi)始工作脈沖周期t=T/n，其中n表示燒嘴個(gè)數(shù)，即在一個(gè)工作周期T內(nèi)，n個(gè)燒嘴依次工作一次。

2.3 兩種技術(shù)比較

與傳統(tǒng)的連續(xù)比例燃燒控制技術(shù)相比，脈沖時(shí)序燃燒控制技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

爐內(nèi)溫度控制精度高；

爐內(nèi)溫度均勻性好；

動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，升溫速度快；

運(yùn)行穩(wěn)定性好，可靠性高；

燃燒充分，節(jié)能環(huán)保。

3 采用脈沖時(shí)序燃燒控制技術(shù)的必要性

本文所說(shuō)的建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)爐根據(jù)GB/T 9978—2008標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，其爐內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間--平均溫度曲線如圖2所示。由圖2可以看出，溫度曲線主要分為快速升溫階段和高溫保溫階段。根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)的爐內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間--平均溫度曲線的特性和脈沖時(shí)序燃燒控制技術(shù)的特點(diǎn)，本耐火試驗(yàn)爐非常適合采用脈沖時(shí)序燃燒控制技術(shù)進(jìn)行溫度控制。因?yàn)樵谡麄€(gè)溫度曲線上，只需按照控制輸出調(diào)節(jié)脈沖寬度，燒嘴只要工作就會(huì)處于滿負(fù)荷狀態(tài)，燃燒充分，溫度控制準(zhǔn)確。如果采用傳統(tǒng)的連續(xù)比例燃燒控制技術(shù)，為了滿足開(kāi)始的快速升溫要求，燒嘴工作在滿負(fù)荷狀態(tài)，燃燒充分，溫度控制準(zhǔn)確；但是在高溫保溫階段，燒嘴就會(huì)處于不完全燃燒狀態(tài)，運(yùn)行穩(wěn)定性和溫度控制的準(zhǔn)確性都變差，故未采用。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間--溫度曲線

脈沖時(shí)序燃燒控制技術(shù)對(duì)燒嘴火焰的調(diào)節(jié)分為以下三種形式：大火小火形式、大火滅火形式和大火小火滅火形式。后兩種形式都有滅火狀態(tài)，燒嘴火焰處于滅火狀態(tài)時(shí)，由于爐體自然散熱和高溫?zé)煔馀懦?，爐內(nèi)溫度會(huì)較快下降，這對(duì)溫度控制的精度和靈活性非常重要；但是后兩種形式都需要不斷點(diǎn)火，各執(zhí)行器頻繁動(dòng)作，這會(huì)大大縮短點(diǎn)火器和各執(zhí)行器的壽命，并大大降低溫度控制的穩(wěn)定性。由于本耐火試驗(yàn)爐的燃?xì)?、助燃空氣的壓力、流量的調(diào)節(jié)范圍很大，所以在大火時(shí)可以滿足快速升溫的需要，在小火時(shí)近似滅火可以滿足溫度控制的精度和靈活性。因此，本耐火試驗(yàn)爐采用大火小火形式。

4 脈沖時(shí)序燃燒控制技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)

4.1 硬件設(shè)計(jì)

本文所說(shuō)的耐火試驗(yàn)爐采用脈沖時(shí)序燃燒控制技術(shù)的大火小火形式，其硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 大火小火形式硬件結(jié)構(gòu)示意圖

由圖3可以看出，燃?xì)夂椭伎諝馔ㄟ^(guò)各自管道在高速燃燒器內(nèi)混合燃燒，其中助燃空氣管路分為主管路和輔助管路。點(diǎn)火器點(diǎn)火時(shí)，助燃空氣壓力已經(jīng)穩(wěn)定并通過(guò)輔助管路進(jìn)入高速燃燒器；此時(shí)燃?xì)怆姶砰y開(kāi)啟，燃?xì)馔ㄟ^(guò)比例控制閥進(jìn)入高速燃燒器與助燃空氣混合并被點(diǎn)燃；并且燃?xì)饬髁坑杀壤刂崎y根據(jù)助燃空氣壓力控制。當(dāng)需要高速燃燒器工作在小火狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)蝶閥關(guān)閉，助燃空氣只通過(guò)輔助管路提供，流量少壓力小，比例控制閥開(kāi)度小，燃?xì)膺M(jìn)入量少壓力小，實(shí)現(xiàn)小火輸出；當(dāng)需要高速燃燒器工作在大火狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)蝶閥開(kāi)啟助燃空氣通過(guò)主管路和輔助管路同時(shí)提供，流量大壓力高，比例控制閥開(kāi)度大，燃?xì)膺M(jìn)入量多壓力大，實(shí)現(xiàn)大火輸出。其中比例控制閥的空燃比已經(jīng)根據(jù)點(diǎn)火、小火和大火的具體情況事先設(shè)定好。需要注意的是：小火時(shí)燒嘴提供的熱量應(yīng)低于試驗(yàn)爐保溫所需的熱量；否則，即使所有燒嘴都工作在小火狀態(tài)，爐內(nèi)實(shí)際溫度仍然會(huì)高于設(shè)定溫度，這樣就無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)爐溫的精確控制。

4.2 軟件設(shè)計(jì)

脈沖時(shí)序燃燒控制技術(shù)的大火小火形式的軟件實(shí)現(xiàn)是指PLC中的軟件部分，其在硬件基礎(chǔ)上對(duì)溫度的整體控制如圖四所示；其中硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。由圖4可以看出，整個(gè)溫度控制采用負(fù)反饋控制策略，軟件部分是控制策略的核心。

圖4 整體控制示意圖

軟件部分主要包括三部分：（1）PID算法，根據(jù)設(shè)定溫度、實(shí)際測(cè)量溫度以及其他控制參數(shù)計(jì)算得到控制輸出；（2）脈沖時(shí)序燃燒參數(shù)計(jì)算，包括脈沖寬度T0、脈沖間隔T1、工作周期T、占空比、燒嘴開(kāi)始工作脈沖等參數(shù)；（3）根據(jù)（2）中的各個(gè)參數(shù)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)脈沖時(shí)序燃燒控制，即完成溫度控制。其中第（2）部分是實(shí)現(xiàn)脈沖時(shí)序燃燒控制技術(shù)的主要部分。

一般的脈沖時(shí)序燃燒控制技術(shù)的工作周期是固定的，而本文所說(shuō)的建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)爐采用的是變周期的脈沖時(shí)序燃燒控制技術(shù)。工作周期由脈沖寬度和脈沖間隔組成（T=T0+T1）；控制輸出MV（范圍0到100，即對(duì)應(yīng)執(zhí)行器開(kāi)度0%到100%）對(duì)應(yīng)執(zhí)行器動(dòng)作時(shí)間（即脈沖寬度T0），（100-MV）則表示執(zhí)行器關(guān)閉時(shí)間（即脈沖間隔T1）；所以，公式T1/T0=(100-MV)/MV成立。如果按照固定周期計(jì)算，當(dāng)控制輸出MV在0到100之間從小到大變化時(shí)，對(duì)應(yīng)的T0從0到T變化，T1從T到0變化，即燒嘴的大火時(shí)間從0到T變化。但是本耐火試驗(yàn)爐的執(zhí)行器是電動(dòng)蝶閥，其從開(kāi)啟到完全打開(kāi)或從打開(kāi)到完全關(guān)閉需要3秒，這就要求在控制過(guò)程中T0、T1大于3秒。當(dāng)T0或T1小于3秒時(shí)，電動(dòng)蝶閥就不能完成動(dòng)作，溫度控制精度就會(huì)下降，甚至損壞電動(dòng)蝶閥，造成危險(xiǎn)。

變周期的脈沖時(shí)序燃燒控制技術(shù)可以有效的解決這個(gè)問(wèn)題，而且可以提高控制精度，延長(zhǎng)執(zhí)行器壽命，其具體計(jì)算過(guò)程如下：

圖5 升溫曲線和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間—溫度曲線

當(dāng)MV＜10%，為避免執(zhí)行器頻繁動(dòng)作，看做MV=0%，燒嘴一直處于小火。

當(dāng)10%＜=MV＜50%，脈 沖 間 隔T1固 定（根據(jù)電動(dòng)蝶閥的工作特性和控溫精度要求，本系統(tǒng)T1=3），根據(jù)公式T1/T0=(100-MV)/MV計(jì)算得到T0=T1*MV/(100-MV)，并 且T0＞3，保 證 電 動(dòng)蝶閥可以完成動(dòng)作。

當(dāng)50%＜=MV＜90%，脈 沖 寬 度T0固 定（根據(jù)電動(dòng)蝶閥的工作特性和控溫精度要求本系統(tǒng)T0=3），根據(jù)公式T1/T0=(100-MV)/MV計(jì)算得到T1=T0*(100-MV)/MV，并 且T1＞3，保 證 電 動(dòng)蝶閥可以完成動(dòng)作。

當(dāng)MV＞=90%，為避免執(zhí)行器頻繁動(dòng)作，看做MV=100%，燒嘴一直處于大火。

所以，工作周期T=T0+T1在6秒到30秒之間變化。當(dāng)控制輸出MV在50%左右時(shí)，工作周期T最小，控制最準(zhǔn)確，窯壓波動(dòng)最小。所以本耐火文所說(shuō)的試驗(yàn)爐通過(guò)調(diào)節(jié)T0、T1的固定值，進(jìn)而調(diào)節(jié)燒嘴的最大功率，使系統(tǒng)在高溫保溫階段盡量工作在50%附近。圖5是某次實(shí)驗(yàn)中爐內(nèi)升溫曲線和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間—溫度曲線。由圖中可以看出，除了在剛開(kāi)始的快速升溫階段溫度稍微超調(diào)之外，其他時(shí)段溫度曲線與標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間—溫度曲線幾乎重合，溫差在5℃以內(nèi)。

高速燒嘴噴出的高速高溫焰氣可以使?fàn)t內(nèi)產(chǎn)生大的擾動(dòng)，利于熱量傳遞溫度均勻。除此之外，本文所說(shuō)的建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)爐還通過(guò)控制燒嘴的大火時(shí)序進(jìn)一步使?fàn)t內(nèi)溫度均勻。燒嘴的位置如圖6所示。根據(jù)燒嘴開(kāi)始工作脈沖，燒嘴1、燒嘴2……燒嘴8依次開(kāi)始大火；這樣在一個(gè)工作周期內(nèi)爐內(nèi)高溫焰氣先順時(shí)針“旋轉(zhuǎn)”，再逆時(shí)針“旋轉(zhuǎn)”，使溫度更加均勻。

圖6 爐膛結(jié)構(gòu)示意圖

5 結(jié)論

脈沖時(shí)序燃燒控制技術(shù)在建筑構(gòu)件耐火試驗(yàn)爐上的應(yīng)用使溫度控制完全符合GB/T 9978—2008標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的升溫曲線，并且爐內(nèi)溫度均勻、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，達(dá)到國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平，具有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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