黨永平，付紹軍

（金堆城鉬業(yè)股份有限公司，陜西西安710077）

0 引言

脈沖燃燒系統(tǒng)是一種有別于傳統(tǒng)連續(xù)燃燒系統(tǒng)的一種先進的燃燒系統(tǒng)。由于燃燒器在脈沖控制下的火焰高速噴射形成熱量湍流，且助燃空氣流場穩(wěn)定，較好解決了加熱爐內(nèi)溫度場的分布均勻性問題，使得加熱爐內(nèi)溫度分布較為均勻，避免了爐內(nèi)局部區(qū)域的過燒現(xiàn)象，從而在一定程度上提高了產(chǎn)品質(zhì)量的均勻性與穩(wěn)定性。

采用脈沖控制方法，簡化了系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)，從系統(tǒng)中移除了控制燃氣與燃燒空氣流量的比例調(diào)節(jié)閥，而直接取而代之以燃氣通斷電磁閥和燃燒空氣通斷電磁閥，利用電磁閥時域上的通斷來代替?zhèn)鹘y(tǒng)比例調(diào)節(jié)閥使用模擬量控制閥門開度對流量的調(diào)節(jié)，大大增強了系統(tǒng)溫度調(diào)節(jié)范圍。克服了傳統(tǒng)的比例調(diào)節(jié)式燒嘴控制精度低的局限性，溫度場不均勻的弊端（當(dāng)燒嘴氣流速度較低，很難形成均勻的溫度場）。而采用脈沖控制方式，不僅能形成均勻的溫度場，而且大大提高了加熱爐溫度控制的準確性與靈敏性。同時離散化的脈沖控制方法還簡化了燒嘴控制器與執(zhí)行器（電磁閥）的接口，省去了輸出模塊的數(shù)模轉(zhuǎn)換（D/A）單元，方便了執(zhí)行器的選型與安裝，在一定程度上實現(xiàn)了系統(tǒng)的即插即用，或者經(jīng)過簡單的調(diào)試即可使用。

因此，燃燒系統(tǒng)的脈沖控制方式可以使得加熱爐的控制和操作變得更加容易，更加靈活，調(diào)節(jié)比例更大，溫度均勻性更好。采用合適的PID控制算法，可以使得溫度調(diào)節(jié)器的控制精度更高。因此選擇燃燒控制方式得當(dāng)，在節(jié)能降耗上具有重要意義。正是基于以上優(yōu)點，脈沖燃燒控制系統(tǒng)是當(dāng)今加熱爐燃燒控制技術(shù)的主要發(fā)展方向。

1 脈沖燃燒控制原理

1.1 基本控制架構(gòu)

脈沖燃燒控制系統(tǒng)的基本控制架構(gòu)如圖1所示。整個系統(tǒng)為一閉環(huán)控制系統(tǒng)，被控對象為燒嘴，受控量為溫度，檢測元件為熱電偶，設(shè)定值SP根據(jù)工藝需求，通過手動方式在溫控儀上調(diào)節(jié)。反饋信號通過安裝在爐膛適當(dāng)位置的溫度檢測裝置（熱電偶）進行采集。

1.2 脈沖調(diào)制（PWM）基本原理

脈沖調(diào)制的基本原理，仍為傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)控制。假定燃燒系統(tǒng)包含了N個加熱區(qū)域，每個加熱區(qū)域又包含了Ni個燃燒器，控制系統(tǒng)（PLC或者溫控儀）通過安裝在每個加熱區(qū)域的溫度傳感器（如熱電偶等）獲取該區(qū)域的溫度信號，進行A/D轉(zhuǎn)換，與設(shè)定值SPn進行比較，在控制器或PLC中（目前主流應(yīng)用在溫度控制器中）利用其偏差按照系統(tǒng)設(shè)定的PID參數(shù)進行計算，輸出為能控制相應(yīng)燒嘴燃燒時間的脈沖信號，傳送到燒嘴控制器中。燒嘴控制器根據(jù)接收到的脈沖信號，完成對其所控制燒嘴的燃燒控制動作。通常情況下，為了避免冗余控制產(chǎn)生節(jié)拍沖突，同一溫區(qū)所有燒嘴的燒嘴控制器采用同一路PLC輸出信號。

圖1 脈沖控制系統(tǒng)的基本控制架構(gòu)

1.3 脈沖點火過程分析

一般情況下，每個燒嘴都配有單獨的燒嘴控制器。燒嘴控制器接收到上位機（溫控儀或PLC）的脈沖控制信號后，完成對燒嘴的點火、熄滅或報警等控制。點火系統(tǒng)的典型配置可參考圖2所示。

圖2 燃燒控制器典型配置

上位機（溫控儀或PLC）輸出端送入燒嘴控制器高電平信號“1”，燒嘴控制器接到點火指令，點火變壓器工作，火花塞開始放電，同時燃氣電磁閥打開（助燃空氣電磁閥常開，保證溫度場的均勻性），隨之火焰檢測裝置（電極電離式或UV紫外線式）開始檢測火花，燒嘴控制器關(guān)閉點火變壓器，點火過程結(jié)束；當(dāng)上位機（溫控儀或PLC）輸出端送入燒嘴控制器低電平信號“0”時，燒嘴控制器收到熄火指令，切斷主燃氣電磁閥（助燃空氣電磁閥常開），火焰熄滅。在點火過程中，如果由于各種原因，火焰檢測裝置無法檢測到火焰信號，點火過程持續(xù)一定時間（如10 s）后自動停止，關(guān)閉主燃氣電磁閥以及點火變壓器，發(fā)出報警信號送入PLC，送出故障報警信號給PLC。如果在燃燒過程中火焰熄滅，則燒嘴控制器發(fā)出點火指令給點火變壓器，點火變壓器嘗試一定次數(shù)（如3次）進行點火，如果點火失敗，則自動鎖閉燃氣電磁閥，并發(fā)出故障報警信號給上位機PLC。故障的復(fù)位一般是通過對燒嘴控制器重新上電或復(fù)位來實現(xiàn)，還可以通過外擴展開關(guān)單元（按鈕、繼電器觸點或者溫控儀觸點等）來實現(xiàn)。另外，點火控制回路與助燃空氣壓力繼電開關(guān)之間電氣互鎖，以保證有足夠的助燃空氣滿足充分燃燒條件，在助燃空氣不足時，自動安全鎖閉燃氣電磁閥，確保系統(tǒng)的安全性。

2 脈沖燃燒控制系統(tǒng)與比例式燃燒控制系統(tǒng)的主要區(qū)別

2.1 溫度控制原理不同

比例式燃燒控制系統(tǒng)，上位機仍采用溫控儀或者PLC來實現(xiàn)對各點的溫度控制。熱電偶測量溫度的毫伏信號送入溫度控制儀，經(jīng)過濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換，然后與給定的值比較，得到一個偏差值后，按照預(yù)先設(shè)置PID算法進行運算，運算結(jié)果經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換，放大轉(zhuǎn)化為4～20 mA標準的控制信號，并將此信號傳送給電動執(zhí)行器（或者風(fēng)門控制器）；電動執(zhí)行器根據(jù)信號大小控制空氣蝶閥的開度，即助燃空氣的大?。恢伎諝獾拇笮⊥ㄟ^氣路傳遞給空－燃比例閥；空－燃比例閥自動調(diào)節(jié)燃氣量，使天然氣和空氣達到最佳空燃比，電動執(zhí)行器和空－燃比例閥共同控制火焰大小來達到控制溫度的目的。

在比例式燃燒控制系統(tǒng)中，空－燃比的控制是最重要的?？眨急扔煽眨急壤{(diào)節(jié)閥控制。空氣過剩系數(shù)的大小，直接影響天然氣燃燒的狀況及廢氣排放量?？諝膺^剩系數(shù)過小時，天然氣不能完全燃燒，因而天然氣消耗量增大；空氣過剩系數(shù)過大時，煙氣量增多，帶走的熱量也就增加，導(dǎo)致然氣消耗量也增大。

與脈沖控制系統(tǒng)相比，比例式燃燒控制系統(tǒng)利用空域上比例調(diào)節(jié)閥閥門開度的大小來實現(xiàn)溫度控制，而脈沖控制系統(tǒng)則采用電磁閥時域上的通斷來實現(xiàn)溫度控制。與其相對應(yīng)，比例燃燒系統(tǒng)采用4～20 mA模擬信號作為控制輸出，而脈沖控制系統(tǒng)則采用離散的開關(guān)量控制。

2.2 系統(tǒng)硬件配置不同

基于2種不同的原理，其系統(tǒng)硬件配置也不盡相同。在溫控儀表的選擇上，脈沖控制系統(tǒng)要求溫控儀表必須具有脈沖信號輸出功能，而比例控制系統(tǒng)則要求儀表具有模擬量輸出功能。與此相對應(yīng)，在執(zhí)行器的選取上，脈沖控制系統(tǒng)在燃氣和助燃空氣管路上安裝的是開關(guān)電磁閥，而比例控制系統(tǒng)則安裝的是風(fēng)門執(zhí)行器配套以比例調(diào)節(jié)閥，用于控制燃氣與助燃空氣按比例（可手動設(shè)定）增加或者減少。

3 燃氣回轉(zhuǎn)加熱爐的脈沖燃燒控制

3.1 溫度分區(qū)及工藝要求

我分廠所用脈沖式燃氣回轉(zhuǎn)加熱爐，共有7個燃燒器，5個溫區(qū)，每區(qū)1個控溫點。其中I區(qū)和V區(qū)各有2個燃燒器，其它溫區(qū)各有1個燃燒器。根據(jù)工藝要求，5個溫度分區(qū)在物料還原階段有不同的溫度控制要求，溫度控制偏差不能超過±5℃。

3.2 控制系統(tǒng)硬件配置及相關(guān)設(shè)定

采用脈沖式燃燒控制系統(tǒng)，上位機PLC采用西門子S7－300系列可編程控制器CPU－314。溫控儀采用霍尼韋爾UDC3300通用型控制器。燃燒系統(tǒng)采用德國Kromschroder（霍科德）公司產(chǎn)品，燃燒控制器型號為IFS258，點火變壓器型號為TZI－5－15，開關(guān)電磁閥選用VG15R－02。

控制器PID參數(shù)設(shè)定參考經(jīng)驗數(shù)值，同時考慮到系統(tǒng)滯后較小，P值選為40％，積分時間T選為180 s，D選為5 s。

3.3 應(yīng)用效果

自投產(chǎn)以來，該燃燒系統(tǒng)一直運行穩(wěn)定，故障率很低。同時，溫度控制精度較高，由于PID參數(shù)設(shè)置較為恰當(dāng)，燃燒系統(tǒng)未出現(xiàn)超調(diào)和響應(yīng)速度慢、振蕩等現(xiàn)象。最大偏差基本控制在±2℃以內(nèi)，很好地滿足了工藝要求。從使用效果來看，物料還原較為充分，均勻性較好，這也反映了該種燃燒器燃燒室內(nèi)溫度均勻性好。從燃料氣的燃燒利用率來看，通過對煙道氣中一氧化碳含量的分析，脈沖燃燒系統(tǒng)煙道氣中一氧化碳含量較低，特別是在達到工藝溫度后的熱動態(tài)平衡狀態(tài)該效果更為明顯。從爐管物理伸縮變形量上看，直徑1 m上下的爐管局部變形量微乎其微，再次客觀的驗證脈沖式燃燒系統(tǒng)溫度場的均勻性。

［1］有祥武，榮莉，馬慶云，等.時序脈沖控制系統(tǒng)在北臺廠退火爐上的應(yīng)用［J］.冶金自動化，1999，23（6）：24－28.

［2］WS HJ－150燃燒器使用手冊.Kromschroder，Ger，2009.

［3］TJ015V2.6燃燒器使用手冊.Eclipse Combustion E-quipment，U.S.A，2009.

［4］楊福瑞.數(shù)字化脈沖燃燒控制技術(shù)在太鋼加熱爐上的應(yīng)用［J］.工業(yè)加熱，2007，6（5）：48－50.