烘爐燃燒器空燃比精細化控制研究與現(xiàn)場應用

韋金溫，黃水波，羅昭堅

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545616）

隨著國內汽車市場的快速發(fā)展及制造企業(yè)環(huán)境保護社會責任的提高，汽車制造過程中的降低碳排放和節(jié)能降耗工作顯得尤為突出。在汽車整車制造過程中，天然氣耗量占比總能耗約50%～60%，對天然氣使用過程中的燃燒效率、碳排放控制等精細化控制研究與現(xiàn)場應用改造是一個非常重要的話題。烘爐燃燒器空燃比精細化控制不僅可以節(jié)省能源，還可以改善烘爐的工作效率和品質。本文將詳細討論某整車工廠涂裝車間烘爐系統(tǒng)燃燒器空燃比精細化控制的研究與現(xiàn)場應用改造。

烘爐系統(tǒng)是目前整車涂裝生產(chǎn)線一個常規(guī)的烘干設備，研究烘爐燃燒器精細化控制，是提高燃燒器燃燒效率降低碳排放，減少天然氣耗量，進一步降低車間運行成本的重要方法。

1 當前使用的燃燒器控制方式分析

本文所研究的車間目前在用燃燒器空燃比的控制方式（圖1），僅單獨控制燃氣或空氣的流量。此控制方式存在缺陷：①空氣量控制閥為機械連桿機械，空燃比固定無法調節(jié)，無法單獨精細調整空氣和燃氣開度；②在調整燃燒器的空燃比時，需通過調整燃燒器內部的執(zhí)行器連桿，維修難度大；③當氣源、管路組件、過濾器等有變化時，因為是機械連桿連接，無法對空氣量進行單獨調節(jié)；④機械連桿控制空氣量方式為被動控制方式，PLC 通過PID 信號輸出控制天然氣的開度，間接控制空氣量的開度，空氣量的變化為非線性變化；⑤因無法單獨調整燃燒器的空氣和燃氣閥門開度，無法實現(xiàn)不同閥門開度情況下仍能保證燃燒器處在最佳空燃比狀態(tài)運行。

圖1 燃燒器單比調控制方式示意圖

現(xiàn)場調試跟蹤測量涂裝車間燃燒器燃燒效率，以期找到提高燃燒效率、降低碳排放的方法。以B 線烘爐燃燒區(qū)4 區(qū)為例，該燃燒器閥門開度運行平穩(wěn)在15%～40%，工藝設定溫度為154 ℃，實際溫度在152～158 ℃小幅度波動，CO 含量測試如圖2 所示。主要的調試方法和思路見表1。

表1 提高燃燒器燃燒效率和降低碳排放的調試方法和思路

圖2 B 線面漆烘爐4 區(qū)燃燒器不同閥門開度尾煙CO 含量趨勢

抽查檢測調試類似的燃燒器，發(fā)現(xiàn)燃燒器在5%～45%的中小開度區(qū)間一氧化碳CO 含量高，燃燒不充分有節(jié)能和降低碳排放改善空間，如圖3 所示。

圖3 不同燃燒器不同閥門開度尾煙CO 含量趨勢

通過對多臺燃燒器的調整驗證，對于單一比調控制的燃燒器，無法通過調試手段降低尾煙CO 含量（即無法通過調試提高燃燒效率）。

2 燃燒器空燃比精細化控制方式研究

在堅持安全和運行穩(wěn)定基礎上，采用燃氣和空氣量分別精細化控制的方法和裝置（圖4），在燃燒器運行過程中，獲取的多個最佳空燃比數(shù)據(jù)，根據(jù)空燃比數(shù)據(jù)生成控制曲線。燃燒器控制系統(tǒng)可根據(jù)控制曲線，自主控制空氣閥門和燃氣閥門開度。

圖4 燃燒器精細化控制方式示意圖

技術方案設計：PLC 分別控制的燃燒器空氣閥門和燃氣閥門的執(zhí)行機構，空燃比可根據(jù)預制算法進行自動調節(jié)，單獨精細調整空氣和燃氣開度?？諝忾y設計安全感應裝置：當點火前準備階段時，需要空氣量控制閥打到最大狀態(tài)，用新空氣進行充分的吹掃，以確保燃燒器爐膛內無殘余的天然氣，確保安全性。算法在ABPLC 內做成指令，固定算法，防止被篡改。

設計燃燒器空氣量控制閥門機構，根據(jù)車間烘爐燃燒器進空氣口進行設計，采用45#鋼進行閥門閥體加工，閥板轉軸部分使用銅套作為連接，防止軸的磨損；閥尾部設計可安裝檢測開關位置，在閥門打開時，行程開關可通過位置檢測開關反饋閥門開到位的狀態(tài)，PLC 采集該信號進行吹掃控制。該燃燒器空氣量執(zhí)行機構由PLC 控制。

執(zhí)行器部分采用執(zhí)行器SQM41.241A21 作為動力，該執(zhí)行器可提供0～90°的閥門開關動力，且控制精度高。

控制方式：使用PLC 的本地模擬量輸出模塊1756-OF8A 輸出4～20 mA 模擬量進行控制，控制輸出為4 mA 時，閥門輸出為0 開度，當控制模塊輸出為20 mA時，閥門控制輸出開度為90°（全開狀態(tài)）。

算法設計：設計程序為一個單獨調用的子程序，采集20 個天然氣開度做為樣本，單獨計算調整每個天然氣下的空氣開度需要量，生成多點線性曲線給出的控制曲線。

數(shù)據(jù)采集：使用尾氣檢測儀器檢測燃燒尾煙的CO和NOx含量，同時調整燃氣閥門開度和空氣閥門，當檢測到較低數(shù)值的CO 和NOx含量時，記錄下此時對應的燃氣開度點和空氣開度點。該組燃氣開度點和空氣開度點為一組最佳的空燃比比例點，同樣的方法可得到不同閥門開度下多組最佳的空燃比比例點（圖5）。

圖5 多組最佳空燃比比例點

算法：①啟動階段，按照燃氣閥的狀態(tài)進行跟隨動作，將空氣閥控制開啟到最大進行吹掃。②點火正常控制階段，根據(jù)現(xiàn)場所測得的空燃比數(shù)據(jù)進行多段非線性控制。③多點線性曲線給出的控制曲線的計算，以上一個區(qū)間、下一個控制區(qū)間為線性控制點進行計算以燃氣點1 與燃氣點2 為例進行計算的演示如下。

現(xiàn)場測量已知量為天然器開度1、空氣閥開度1，該點為該開度的最佳空燃比點，變量名簡稱為Gas_Simple[1]與Air_Actul[1]，下一組所測的開度點為Gas_Simple[2]與Air_Actul[2]。

計算兩點之間其他開度的值時，設定其他2 點之間為線性變化，根據(jù)一次函數(shù)方程式y(tǒng)=factor（a）x+factor（b）可得出以下計算公式，分別求出一次函數(shù)中的factor（a）與factor（b）的值

最終得出

依此類推，取20～50 個點，輸入程序內，自動生成程序的控制線性曲線。

程序的梯形圖如圖6 所示。

圖6 燃燒器精細化控制PLC 算法梯形圖

3 燃燒器空燃比精細化控制應用

現(xiàn)場烘爐系統(tǒng)中，原燃燒器燃控制方式，空氣量控制為機械連桿控制，空燃比固定無法調節(jié)，無法單獨精細調整空氣和燃氣開度，燃燒效率低，尾煙CO含量高。

在涂裝車間32 套烘爐燃燒器中完成空燃比精細化控制改造應用，利用多點曲線擬合算法，取燃燒器天然氣開度的20～50 個點，單獨計算每個點的最佳燃燒空氣比例佳，利用兩點間線性的比例計算方法，計算出燃燒器天然氣從開度0%到100%的曲線，每個天然氣開度對應1 個空氣開度，從而達到精確控制最佳空燃比。同時設計如圖7 所示的空氣量控制閥加裝到燃燒器中，確?？諝夂腿細忾y開度可單獨精細調整。

圖7 燃燒器精細化控制PLC 算法梯形圖

實際應用證明：燃燒器精細化控制方式，相比于原有被動空氣量控制閥板執(zhí)行機構，空燃比可根據(jù)上面所示算法進行自動調節(jié)，單獨精細調整空氣和燃氣開度，燃燒效率高，尾煙中的CO 含量保持在較低水平。

4 燃燒器空燃比精細化控制節(jié)能效果跟蹤

本文跟蹤驗證車間32 套燃燒器空燃比精細化控制改造應用數(shù)據(jù)。對某套燃燒器技術改造前后的燃氣耗量、尾煙CO 含量進行對比記錄，改造后單套燃燒器每小時約有2.8 m3燃氣節(jié)省量（圖8）、不同閥門開度下CO 含量保持在10 ppm 以下（圖9）。32 套燃燒器改造完成折合年節(jié)約燃氣37 萬余m3，節(jié)能效益達156.8 萬元。

圖8 單套燃燒器改造前后平均每小時燃氣耗量數(shù)據(jù)對比

圖9 某套燃燒器精細化控制改造前后尾煙數(shù)據(jù)對比

5 結論

本文通過燃燒器空燃比精細化控制改造在實際應用過程中，改造前后燃燒器在同等工況下每小時燃氣耗量和尾煙CO 含量數(shù)據(jù)對比，說明燃燒器空燃比精細化控制可有效提高燃燒器的燃燒效率、節(jié)約燃氣耗量、降低碳排放。