蓄熱式加熱爐變空燃比雙交叉限幅控制系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

陶麗杰，謝　鑫，宋　娜，趙華祺

（中國聯(lián)合工程公司，浙江 杭州310022）

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蓄熱式加熱爐變空燃比雙交叉限幅控制系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

陶麗杰，謝鑫，宋娜，趙華祺

（中國聯(lián)合工程公司，浙江 杭州310022）

針對蓄熱式加熱爐燃燒過程中熱值變化導(dǎo)致燃燒不穩(wěn)定的問題，利用檢測煙氣氧含量動態(tài)改變空燃比，使加熱爐在各種燃燒工況條件下，燃料在燒嘴內(nèi)充分混合，從而提高燃燒效率，節(jié)約能源，減少氧化燒損。

變空燃比；雙交叉限幅控制；氧化燒損

蓄熱式燃燒技術(shù)，又稱高溫空氣燃燒技術(shù)，是20世紀(jì)90年代在發(fā)達國家開始推廣的一項新型的燃燒技術(shù)，它具有高效煙氣余熱回收、空氣和煤氣預(yù)熱溫度高以及低氮氧化物排放的優(yōu)點，主要用于鋼鐵、冶金、機械、建材等工業(yè)部門中，并已出現(xiàn)迅猛發(fā)展的勢頭。但由于其燃燒過程較傳統(tǒng)燃燒方式更易受隨機因素干擾且影響因素多、具有大慣性、滯后的非線性特點，傳統(tǒng)的加熱爐燃燒控制系統(tǒng)依賴于對工藝過程各參數(shù)的精確測量，才能真正實現(xiàn)加熱爐加熱的全自動控制，因此實際過程中往往不能保證穩(wěn)定的鋼坯加熱質(zhì)量，鋼坯加熱氧化燒損嚴(yán)重，同時浪費大量能源。

本文對蓄熱式加熱爐的燃燒特性進行了深入分析，構(gòu)建了蓄熱式加熱爐控制系統(tǒng)，采用西門子PLC 和WINCC上位機界面，應(yīng)用了雙交叉限幅控制算法，同時測量煙氣氧含量變化動態(tài)改變空燃比，使加熱爐在各種燃燒工況條件下，能夠使燃料在燒嘴內(nèi)充分混合，使燃燒處于較佳狀態(tài)，從而提高爐溫控制精度，保證鋼錠按設(shè)定曲線達到出鋼溫度，節(jié)約能源，減少氧化燒損。

1　雙交叉限幅控制原理

PID溫度調(diào)節(jié)器的溫度設(shè)定值SP由計算機/ HMI人工手動設(shè)定；每個控制區(qū)的測溫?zé)犭娕疾杉臏囟刃盘枮闇囟葴y量值PV。PID溫度調(diào)節(jié)器的輸出為A在平衡狀態(tài)下，煤氣和空氣側(cè)的流量調(diào)節(jié)器的設(shè)定值均由PID溫度調(diào)節(jié)器的輸出A決定。但在非平衡狀態(tài)下進行的雙交叉限幅調(diào)節(jié)過程中的煤氣和空氣側(cè)的流量調(diào)節(jié)器設(shè)定值不完全由A決定。雙交叉限幅控制原理見圖1。

1.1當(dāng)PV＜SP（升溫）時，PID調(diào)節(jié)器的輸出A大幅度增加

（1）對煤氣回路，在高選器MAX（A與B的選擇）中，因A＞B，MAX的輸出為A；在低選器MIN（MAX的輸出與C的選擇）中，A與C進行比較，A＞C，即C為MIN的輸出。C為煤氣調(diào)節(jié)器（煤氣FIC）的設(shè)定值。

C=FA/α×K1=1.04×FA/α

圖1　雙交叉限幅控制原理圖

式中：K1=1.04為相關(guān)爐子的最終確認(rèn)值；

FA-助燃空氣流量；

α-修正后的空燃比。

綜上所述，在新課程改革不斷深入的背景下，新時期我國在積極加強小學(xué)生人才培養(yǎng)的過程中，要求小學(xué)語文教師充分發(fā)揮學(xué)科優(yōu)勢，在積極進行教材挖掘的基礎(chǔ)上，從傳統(tǒng)文化素養(yǎng)以及綜合素質(zhì)等角度出發(fā)，采取有效措施不斷促進小學(xué)生身心健康發(fā)展。因此，新時期，小學(xué)語文教師應(yīng)對學(xué)生傳統(tǒng)文化素養(yǎng)培養(yǎng)的重要性產(chǎn)生深刻認(rèn)知，并從注重培養(yǎng)學(xué)生對傳統(tǒng)文化的情感基礎(chǔ)、通過傳統(tǒng)文化傳承培養(yǎng)小學(xué)生語文核心素養(yǎng)、結(jié)合教學(xué)內(nèi)容深入挖掘傳統(tǒng)文化精華等角度出發(fā)，為促進小學(xué)生傳統(tǒng)文化素養(yǎng)的提升奠定基礎(chǔ)。

（2）對空氣回路，在低選器MIN（A與 D的選擇）中，因A的增加，A＞D，即MIN的輸出為D；而D＞E，所以在高選器MAX（MIN的輸出與E的選擇）中，MAX的輸出為D。即D為空氣調(diào)節(jié)器（空氣FIC）的設(shè)定值。

D=FF×α×K4=1.06×FF/α

式中：K4=1.06為相關(guān)爐子的最終確認(rèn)值；

FF—煤氣流量；

α—修正后的空燃比。

（3）可以看出升溫時，煤氣和空氣同時取上限限幅值。隨著溫度的升高，A值將逐漸變??；當(dāng)溫度上升到PV=SP時，雙交叉限幅過程結(jié)束，進入平衡狀態(tài)。

1.2當(dāng)PV＞SP（降溫）時，PID溫度調(diào)節(jié)器的輸出A值大幅度減小

（1）對煤氣回路，在高選器MAX（A與B的選擇）中，因A＜B，MAX的輸出為B；在低選器MIN （MAX的輸出與C的選擇）中，B與C比較，B＜C，即B為MIN的輸出。B為煤氣調(diào)節(jié)器（煤氣FIC）的設(shè)定值。

B=FA/α×K3=0.94×FA/α

式中：K3=0.94為相關(guān)爐子的最終確認(rèn)值；

FA—助燃空氣流量；

α—修正后的空燃比。

（2）對空氣回路，在低選器MIN（A與 D的選擇）中，因A減小，A＜D，MIN的輸出為A；在高選器MAX（MIN的輸出與E的選擇）中，因A＜E，MAX的輸出為E。即E為空氣調(diào)節(jié)器（空氣FIC）的設(shè)定值。

式中，K2=0.96為相關(guān)爐子的最終確認(rèn)值。

（3）可以看出，降溫時，煤氣和空氣同時取下限限幅值。隨著溫度的降低，A值逐漸增大，當(dāng)溫度下降到PV=SP時，雙交叉限幅過程結(jié)束，進入平衡狀態(tài)。

1.3關(guān)于偏差系數(shù)K1、K2、K3、K4

作為空氣/煤氣控制回路的設(shè)定值，偏差系數(shù)K1～K4的選擇很關(guān)鍵。它們一方面可以在過渡過程中起到限幅作用，使煤氣流量的變化速度始終不超過空氣流量的變化速度；另一方面能避免因為煤氣過量和空氣過量互相干擾引起的波動，保證燃燒過程在最佳燃燒段進行。

關(guān)于K1～K4的選?。合纫罁?jù)經(jīng)驗設(shè)定一個經(jīng)驗值，在調(diào)試及運行的過程中不斷修正，通過一段時間的運行最終確認(rèn)。

取K4＞K1，可以保證升溫時空氣先行，在增加煤氣時，可多增加些空氣量，不至于出現(xiàn)燃料過剩而冒黑煙。

取K3＜K2，可以保證降溫時煤氣先行，在減少煤氣時，把煤氣量多減一些，使煤氣變化的速度始終不超過空氣。

1.4當(dāng)燃料的熱值變化較大時，需要配置熱值儀，將燃料熱值引入空燃比參數(shù)的修正環(huán)節(jié)

當(dāng)熱值波動時，空燃比參數(shù)α也隨之調(diào)整，自動進行空氣、燃?xì)馀浔?，提高調(diào)節(jié)精度。熱值儀結(jié)合標(biāo)定的系數(shù)和煤氣、空氣的差壓計算出熱值，空燃比修訂環(huán)節(jié)結(jié)合計算出的熱值和輸入的空氣及煤氣的流量，進行計算分析，得出經(jīng)過修訂后的空燃比α。

2　變空燃比控制理論

影響加熱爐效率主要因素是燃料氣和空氣。如果能恰當(dāng)?shù)谋３秩剂吓c空氣量的正確比例，就能達到最小的熱損失和最大的熱效率。如果比例不當(dāng)，空氣不足，結(jié)果導(dǎo)致燃料不完全燃燒，熱量損失上升；如果空氣過多，就會使大量的熱量隨煙氣被排出，使燃燒效率降低。衡量空氣與燃料之間比例關(guān)系是否合適的指標(biāo)是過?？諝庀禂?shù)，所謂過剩空氣系數(shù)就是指燃料燃燒過程中實際進入的空氣量與完全燃燒所需要的理論空氣量之間的比值，一般在實際燃燒中，需要的空氣量都會大于理論值。

理想的燃燒過程應(yīng)該無論負(fù)荷穩(wěn)定還是急劇變化的情況下都能在最佳燃燒區(qū)內(nèi)進行。因此，項目中采用的變空燃比控制方式，如圖2所示，通過氧化鋯氧含量檢測器檢測煙氣中O2含量，然后根據(jù)O2含量來調(diào)節(jié)空燃比。調(diào)節(jié)后使油品能夠充分燃燒，同時又不產(chǎn)生黑煙。

圖2　空燃比控制原理圖

查詢某時刻的煙氣中的氧氣含量，當(dāng)氧含量大于煙氣中應(yīng)該含有的氧氣含量值時，表示燃燒時氧氣的流量大于所需要的氧氣流量，此時通過算法算出此刻實際應(yīng)該減小的空燃比百分?jǐn)?shù)，然后將新的空燃比賦值，減小氧氣流量，直到煙氣中的氧氣含量在一個合理的范圍內(nèi)。同理，當(dāng)氧含量小于煙氣中應(yīng)該含有的氧氣含量值時，表示燃燒時氧氣的流量小于所需要的氧氣流量，此時通過算法算出此刻實際應(yīng)該增加的空燃比百分?jǐn)?shù)，然后將新的空燃比付值，增大氧氣流量，直到煙氣中的氧含量在一個合理的范圍內(nèi)，綜上所述，通過動態(tài)改變空燃比，可以使燃料充分燃燒，同時又減少了缺氧燃燒和過氧燃燒帶米的熱損失，并且最大程度上降低了黑煙以及NOx和SOx給環(huán)境帶來的污染，也減小了離爐煙氣帶走的物理損失。

3　結(jié)論

從圖3中看到，重油的流量和助燃空氣的流量在溫度穩(wěn)定的情況下，基本是穩(wěn)定的，而且它們之間的比例也基本相同，只是在負(fù)荷增加或減少的時刻，才有改變。而且發(fā)現(xiàn)，火焰中夾雜黑煙的情況基本不存在，從而節(jié)約了燃料。

圖3　加熱爐參數(shù)趨勢圖

［1］王秉銓.工業(yè)爐設(shè)計手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1996.

［2］楊獻勇.熱工過程自動控制［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2000.

［3］池桂興.工業(yè)爐節(jié)能技術(shù)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1994.

［4］金作良.加熱爐基礎(chǔ)知識［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1985.

Design and Application of Variable Air-Fuel Ratio and Double Cross Limiting Control System in Regenerative Furnace

TAO Lijie，XIE Xin，SONG Na，ZHAO Huaqi
（China United Engineering Corporation，Hangzhou 310022，China）

Aiming at the shortcoming of combustion instability because of calorific value changes in combustion process of regenerative furnace，the air-fuel ratio is changed according to the oxygen content in gas of detect in furnace，which could make fuel full mixed in burner in various combustion conditions of furnace and improve combustion efficiency，save energy and reduce oxidation loss.

variable air-fuel ratio；double cross limiting control；oxidation loss

TP273；TG307

B

1001-6988（2016）02-0070-03

2015-11-12

陶麗杰（1984—），男，工程師，主要從事熱處理設(shè)備的技術(shù)開發(fā)與設(shè)計工作.