脈沖燃燒控制技術在耐材行業(yè)車式窯上的應用

徐春風，韓 祎

(機械工業(yè)第六設計研究院有限公司 第二工程院，河南 鄭州 450007)

當今，耐火材料燒成過程的高效節(jié)能，對企業(yè)參與市場競爭具有積極的現(xiàn)實意義，耐火材料窯爐是否節(jié)能及其溫度均勻性是企業(yè)選擇窯爐時考慮的關鍵問題.為了保證產品質量的可靠性和一致性，耐火材料燒成工藝對溫度場的均勻性，對燃燒氣氛的穩(wěn)定可控性要求都很高.除了窯爐本體的設計，燃燒控制系統(tǒng)的選擇也是影響溫度均勻性、燃燒氣氛穩(wěn)定可控性的關鍵因素[1].

通常用來提高耐火材料窯爐溫度均勻性及燃燒氣氛可控性的技術有如下兩項：使用過量的助燃空氣；使用脈沖燃燒控制系統(tǒng).國內的耐火材料窯爐一般采用連續(xù)燃燒控制方式.采用這種控制方式對燃燒氣氛進行調節(jié)時，首先將在線檢測的煙氣殘氧量數(shù)據(jù)反饋給控制器，然后實時調節(jié)助燃空氣流量，以精確控制窯爐內的燃燒氣氛.但是，連續(xù)燃燒控制方式受其所用氧量傳感器的壽命、價格和可靠性等影響，在工業(yè)現(xiàn)場的應用并不理想.若采用空氣比例閥，使助燃空氣流量與燃氣的流量成固定比例，則不得不將助燃空氣余量留得很大，達不到控制過剩氧含量(或過?？諝庀禂?shù))的要求，同時會大大增加能耗[2].

采用脈沖燃燒控制方式，可以將燃氣壓力和助燃風壓力調整到合適值，系統(tǒng)運行后只要保持這兩個壓力穩(wěn)定即可.脈沖燃燒與其他燃燒控制技術相比，具有以下優(yōu)勢：①傳熱效率高，能夠降低燃料成本和運營成本；②可提高窯爐內溫度場的均勻性；③容易實現(xiàn)燃燒氣氛的精確控制；④燃燒器處于最佳工作位置，能夠減少廢氣排放[3].

本文基于中鋼集團某耐火材料廠脈沖燃燒車式窯的建造過程，詳細分析脈沖燃燒控制技術在工業(yè)窯爐中的應用.

1 脈沖燃燒控制系統(tǒng)

中鋼集團某耐火材料廠脈沖燃燒車式窯共設置4個燒成控溫區(qū)，每個控溫區(qū)均含有一套燃燒系統(tǒng).燃燒系統(tǒng)中燒嘴采用高速燒嘴，每個燒嘴均配有一套點火變壓器、燃燒控制器和紫外火焰探測器(UV).在燒嘴對面窯墻上設置熱電偶檢測點.點火操作時，燃燒控制器發(fā)出點火指令，同時打開燃氣管路電磁閥，若火焰點著時，UV檢測到火焰信號，則燃燒控制器控制燃氣電磁閥導通，燒嘴保持著火狀態(tài)；若UV未檢測到火焰信號，則燃燒控制器控制燃氣電磁閥關閉，以保護設備安全.

各控溫區(qū)燃燒系統(tǒng)中燃氣支管可分為大火管路和小火管路兩種.每條管路上均設有電磁閥.在升溫階段，需要慢速升溫時，只需點火保持小火狀態(tài)即可；需要快速升溫時，首先切換至大火狀態(tài)，然后根據(jù)溫度曲線調節(jié)大火電磁閥的開啟時間.在降溫階段，大、小火電磁閥均關閉.在各控溫區(qū)助燃風支管上設有電氣動雙位蝶閥.通過控制電磁閥通入的壓縮空氣來驅動閥門的開度.助燃風系統(tǒng)與燃氣系統(tǒng)的燃燒階段相同，保持小風電磁閥常開狀態(tài)，大風電磁閥的開啟與大火電磁閥保持同步；快速降溫階段，小風電磁閥保持常開狀態(tài)，大風電磁閥根據(jù)溫度曲線調節(jié)開啟時間.脈沖燃燒控制系統(tǒng)如圖1所示[4].

圖1 脈沖燃燒控制系統(tǒng)

2 脈沖燃燒控制原理

脈沖燃燒控制采用間斷燃燒的方式，使用PID調節(jié)技術，通過調節(jié)燃燒時間的占空比(通斷比)來實現(xiàn)窯爐的溫度控制.燃燒系統(tǒng)中各控溫區(qū)燃氣支管分大火管路和小火管路，每條管路上均設有電磁閥.燃燒階段采用小火電磁閥常開、大火電磁閥間歇打開的脈沖燃燒方式.燃燒系統(tǒng)并不調節(jié)某個區(qū)域燃氣輸入的量，而是調節(jié)給定溫區(qū)內每個燒嘴大火階段被點燃的頻率和持續(xù)時間.當?shù)陀谠O定溫度時，燒嘴大火燃燒時間加長，間斷時間減短；當高于設定溫度時，燒嘴大火燃燒時間減短，間斷時間加長.脈沖燃燒控制原理如圖2所示.

圖2 脈沖燃燒控制原理圖

脈沖燃燒控制系統(tǒng)主要由PID調節(jié)單元、非線性信號處理單元、輸出控制單元組成.

PID調節(jié)單元主要對實測溫度與設定溫度進行處理.其輸入輸出傳遞函數(shù)為：

(1)

式中：P(t)為輸出；Kp為比例單元；KI為積分單元；KD為微分單元；e(t)為時間函數(shù)[5].

處理非線性信號的關系式為：

(2)

式中，f(t)為大火占空比的實際輸出.

當PID輸出P(t)<10%時，實測溫度與設定溫度偏差不大，只要在對應燃燒周期內保持小火燃燒即可，大火占空比為0.當PID輸出P(t)>90%時，實測溫度與設定溫度偏差較大，需要在對應燃燒周期內保持大火燃燒，大火占空比為100%.當PID輸出P(t)在10%～90%之間時，實測溫度與設定溫度偏差合理，對應燃燒周期內的大火燃燒比例按照實際輸出占空比控制即可.大伙占空比實際輸出與理論輸出的關系如圖3所示.

圖3 大火占空比實際輸出與理論輸出的關系曲線

兩次大火的間隔時間為一個控溫周期.在一個控溫周期Tp開始時刻，PLC系統(tǒng)采集窯內的溫度與燃燒曲線設定溫度值并進行PID運算，經過信號處理獲取輸出值OUTp.OUTp即為大火燃燒時間的占空比，范圍為0～100%.

在一個控溫周期內，大火的燃燒時間為：Tb=Tp·OUTp；小火的燃燒時間為：Ts=Tp·(100%-OUTp).PLC系統(tǒng)根據(jù)算出的大火運行時間，控制打開大火燃氣電磁閥和大閥位助燃風電磁閥的時間.在本控溫周期結束時，PLC系統(tǒng)再次采集溫度值并進行PID運算和處理，控制下個控溫周期的大火運行時間[6].單個燒嘴大小火切換控制時序如圖4所示.

圖4 單個燒嘴大小火切換時序

控制系統(tǒng)采用“計算機+PLC”控制方式，以西門子1500系列PLC系統(tǒng)為控制核心，工業(yè)計算機為工作站，F(xiàn)orceControl智能軟件為監(jiān)控平臺.PLC系統(tǒng)與上位機平臺之間通過工業(yè)以太網進行基于TCP/IP的網絡通信，來實現(xiàn)窯爐運行過程中溫度、壓力、氣氛、報警、安全連鎖等自動控制.監(jiān)控平臺具有溫控曲線的運行、各類實時數(shù)據(jù)采集和管理、模擬工藝畫面運行、報警記錄、歷史曲線查詢、報表打印等功能.觸摸屏安裝在控制柜上，可實現(xiàn)基本的窯爐操作控制，也可在工控機發(fā)生故障時作為后備顯示裝置，使系統(tǒng)仍能正常運行，保障產品燒成的連續(xù)性和產品質量.

窯內溫度采用分區(qū)控制方式.4個溫控區(qū)中每個控制區(qū)控制一個高速燒嘴，燒嘴對面相應位置設測溫熱電偶.窯爐運行時，軟件和PLC系統(tǒng)協(xié)同管理，依據(jù)溫度設定值和測量值的差值，控制每個燒嘴的大小火狀態(tài)，使其能夠按設定溫度曲線進行調節(jié)，滿足產品燒成工藝要求.通過風機變頻控制技術實現(xiàn)窯內的壓力控制.窯內氣氛控制主要通過控制進入燒嘴的助燃風和天然氣比例來實現(xiàn).因為是脈沖燃燒，所以應在調試階段依據(jù)產品對氣氛的需要設定比例值，而燒成過程中不再需要調節(jié).

3 脈沖燃燒控制系統(tǒng)應用效果

窯爐運行中要想達到較高的控溫精度，需要設置合理的控溫周期Tp.如果控溫周期Tp設置過大，燃燒系統(tǒng)中大火的通斷周期就會變長，控制精度降低.如果控溫周期Tp設置過小，燃燒系統(tǒng)中大火的通斷周期就會變短，控制精度增高，但大火電磁閥通斷頻繁，會影響設備使用壽命.在窯爐初期調試中，將燃燒系統(tǒng)控溫周期Tp設置為30 s，窯內溫度控制的最大偏差在±7 ℃以內.綜合考慮產品的工藝要求及設備壽命等因素后，將控溫周期Tp設置為20 s，現(xiàn)場對爐內溫度場進行了測試.從實際測試結果來看，基本達到了4個爐溫檢測點溫度偏差控制在±4 ℃之內.窯內溫度檢測記錄見表1.與該廠連續(xù)調節(jié)車式窯±3 ℃的溫度控制精度相比，各測溫點的溫度偏差稍大，但由于脈沖燃燒的應用，大小火產生強制攪拌,使窯內無死角，溫差和氣氛差都很小[4]，窯內有效加熱區(qū)溫度更加均勻，能夠滿足產品燒成工藝要求，因此燒成產品一直保持很高的良品率.

表1 窯內溫度記錄報表 ℃

實際運行中，該脈沖燃燒控制方案對設備要求較高.由于大火燃氣電磁閥與助燃風電磁閥平均每分鐘動作2～3次，通斷較為頻繁，國產價廉的電磁閥使用壽命大概在1～2年左右，換上知名品牌電磁閥后壽命有所延長.

4 結束語

用于耐火材料車式窯的脈沖燃燒控制系統(tǒng)，自動化程度和控制精度高，界面友好，基本可做到燒成、冷卻全過程的無人值守，有效地降低了現(xiàn)場操作人員的勞動強度.

該車式窯運行3年多來，產品燒成一直保持較高的良品率.窯內引入脈沖燃燒控制方式，無需過量的助燃風就可以保證合理的窯內氣氛以及溫度均勻性，減少了NOx等廢氣的排放，同時產品的單位氣耗相比該廠連續(xù)調節(jié)車式窯有所降低，節(jié)能減排效果較為顯著.因此，脈沖燃燒控制技術可廣泛應用在耐火材料、陶瓷磨具、冶金等行業(yè)的窯爐上，對提高產品質量、降低能耗、減少污染具有重大作用，是工業(yè)窯爐行業(yè)自動控制的一個發(fā)展方向.