脈衝燃燒控制技術

脈衝燃燒控制技術是一種通過控制燒嘴的燃燒時序和燃燒的時間來控制爐子的溫度，並且每個燒嘴可以進行單獨的調節和控制的 技術。這種控制方式的動態性能好，控制溫度波動小，節約燃料，目前已經得到的廣泛的重視和套用。工業爐的燃燒控制水平直接影響到生產的各項指標，例如：產品質量、能源消耗等。隨著工業爐工業的迅猛發展，脈衝式燃燒控制技術也應運而生，並在國內外得到一定程度的套用，取得了良好的使用效果。

基本介紹

• 中文名：脈衝燃燒控制技術
• 外文名：Pulse combustion control technology
• 指標：產品質量、能源消耗
• 優勢：傳熱效率高
• 領域：工業
• 學科：熱力工程

簡介

工業爐的燃燒控制水平直接影響到生產的各項指標，例如：產品質量、能源消耗等。目前國內的工業爐一般都採用連續燃燒控制的形式，即通過控制燃料、助燃空氣流量的大小來使爐內的溫度、燃燒氣氛達到工藝要求。由於這種連續燃燒控制的方式往往受到燃料流量的調節和測量等環節的制約，所以目前大多數工業爐的控制效果不佳。隨著工業爐工業的迅猛發展，脈衝式燃燒控制技術也應運而生，並在國內外得到一定程度的套用，取得了良好的使用效果。

工業爐行業採用脈衝燃燒的必要性

目前高檔工業產品對爐內溫度場的均勻性要求較高，對燃燒氣氛的穩定可控性要求較高，使用傳統的連續燃燒控制無法實現。隨著寬斷面、大容量的工業爐的出現，必須採用脈衝燃燒控制技術才能控制爐內溫度場的均勻性。

脈衝射流機理

為了更全面地開發脈衝燃燒控制技術,必須對脈衝射流的機理進行學習和研究。

脈衝射流的基本特徵是其產生的大尺度微團的振盪運動,這種運動對整個射流空間的動量、熱量和質量傳遞起著決定性的作用。因為湍流能量主要是由大尺度微團攜帶的,在這些大尺度微團向射流下游及橫向運動過程中,它們不斷與周圍流體進行能量交換,直至處於平衡狀態。

根據泰勒湍流擴散理論,脈衝射流極大地提高了射流區的壓力波動水平。有研究表明:壓力波動水平與脈衝頻率成正比。在射流區軸線以外及射流邊界附近,脈衝頻率的作用尤其明顯。與穩態射流相比,脈衝射流最大均方根脈衝壓力分布沿射流區具有明顯擴展。脈衝射流改變了射流區湍流結構,主要表現在各點壓力具有不同程度的“方波”信號特徵。任何受流體的動量、熱量和質量制約的工業過程均可通過適當地採用脈衝射流技術加以強化。

控制原理

脈衝燃燒控制採用間斷燃燒的方式,使用脈寬調製技術,通過調節燃燒時間的占空比(通斷比)來實現加熱爐的溫度控制。這個系統並不調節某個區域內燃料輸入的大小,而是調節在給定區域內每個燒嘴被點燃的頻率和持續時間。燒嘴的輸入量是事先給定的,每個燒嘴按照事先給定的開度和熱量需求成正比的頻率開閉。所有的燒嘴並不同時點燃,而是按照一定的時序依次點燃。

顧名思義，脈衝燃燒控制採用的是一種間斷燃燒的方式，使用脈寬調製技術，通過調節燃燒時間的占空比（通斷比）實現窯爐的溫度控制。燃料流量可通過壓力調整預先設定，燒嘴一旦工作，就處於滿負荷狀態，保證燒嘴燃燒時的燃氣出口速度不變。當需要升溫時，燒嘴燃燒時間加長，間斷時間減小；需要降溫時，燒嘴燃燒時間減小，間斷時間加長。

主要控制功能及實現手段

該爐的自動化系統包括燃燒自動化和電氣自動化兩部分，其控制功能設定圍繞爐溫控制而展開，輔以燃燒控制、爐壓控制、機械運動控制、PLG、供風總管壓力調節。

爐溫控制

根據每個溫區的溫度情況，每區用一個脈衝控制器按照加熱工藝要求設定統一的升溫曲線來控制每個燒嘴的工作狀態，這種燃燒方式在開，閉交替切換的過程中既調節了爐內局部熱負荷，又增加爐氣循環的擾動，能進一步消除爐內局部溫差。

其爐溫具體設定方式分為三種：

①手動設定方式：根據儀錶盤溫控器的溫度顯示，通過儀錶盤上的脈衝控制器改變相應的空氣閥門執行器的開啟和開度的頻率。

②手動設定方式：在cRT E，手動改變溫度調節器的設定值(SP)，對各段爐溫進行設定。③程式設定方式：對於不同規格和材質的坯料，有不同的工藝曲線，因此亦對應不同的各供熱區爐膛溫度。工藝人員可將對應於上述不同規格和材質的理想爐溫設定值以資料庫的形式，保存在PLC內，並在cRT的“鋼種選擇畫面”上“按組”顯示。工作人員可根據需要，通過“一觸式”按鍵，對各供熱區的爐溫進行批量設定。

燃燒控制

燃燒控制系統由“本機”和“手控”2種控制模式．在“本機”工作狀態下，由控制器實現自控，並根據設定的燃燒器開/閉自動交替。如果本機出現故障，還可以採用手動應急控制。

爐膛壓力控制

爐壓控制對於本爐操作是至關重要的—個方面。在本套用中藉助於煙道閘板閥實現爐壓調節，將爐壓控制在微正壓：爐頂設微差壓變送器監測；爐膛壓力高、低報警；計算機顯示記錄，儀錶盤顯示。

緊急停爐保護聯鎖

為保證燃燒系統的安全運行。系統設定緊急停爐保護聯鎖功能。在冷風壓力過低、風機故障信號、電氣停爐信號、緊急手動停爐情況下，發生自動停爐。當發生自動停爐時，系統完成總管燃氣切斷動作，提示操作員進行管道內煤氣排放吹掃等操作。

電氣控制

電氣控制系統含爐區範圍內的電氣控制和低壓配電。爐區全部採用低壓(380V/220 VAc)供電。控制範圍包括：

①台車驅動控制：採用點動控制，設台車限位開關，前進、後退、前到位、後到位報警並指示。

②爐門升降控制：採用點動控制，設爐門限位開關，上升、下降、上到位、下到位報警並指示。

③氣動密封裝置控制：採用點動控制，設密封限位開關。

④助燃風機啟/停控制。

⑤摻冷風風機。

優勢

脈衝燃燒控制的主要優點為：

1.傳熱效率高，大大降低能耗。

2.可提高爐內溫度場的均勻性。

3.無需線上調整，即可實現燃燒氣氛的精確控制。

4.可提高燒嘴的負荷調節比。

5.系統簡單可靠，造價低。

6.減少NOx的生成。

普通燒嘴的調節比一般為1：4左右，當燒嘴在滿負荷工作時，燃氣流速、火焰形狀、熱效率均可達到最佳狀態，但當燒嘴流量接近其最小流量時，熱負荷最小，燃氣流速大大降低，火焰形狀達不到要求，熱效率急劇下降，高速燒嘴工作在滿負荷流量50%以下時，上述各項指標距設計要求就有了較大的差距。脈衝燃燒則不然，無論在何種情況下，燒嘴只有兩種工作狀態，一種是滿負荷工作，另一種是不工作，只是通過調整兩種狀態的時間比進行溫度調節，所以採用脈衝燃燒可彌補燒嘴調節比低的缺陷，需要低溫控制時仍能保證燒嘴工作在最佳燃燒狀態。在使用高速燒嘴時，燃氣噴出速度快，使周圍形成負壓，將大量窯內煙氣吸人主燃氣內，進行充分攪拌混合，延長了煙氣在窯內的滯流時間，增加了煙氣與製品的接觸時間，從而提高了對流傳熱效率，另外，窯內煙氣與燃氣充分攪拌混合，使燃氣溫度與窯內煙氣溫度接近，提高窯內溫度場的均勻性，減少高溫燃氣對被加熱體的直接熱衝擊。

燃燒氣氛的調節是提高工業窯爐性能必不可少的一個環節，而傳統的連續燃燒控制只能通過線上測量煙氣殘氧量，反饋給燃燒氣氛控制器，然後實時調節控制助燃空氣流量執行器的輸出，才能精確控制爐內的燃燒氣氛。由於檢測煙氣殘氧的氧化鋯感測器的可靠性、壽命和價格的原因，在工業現場的使用往往不理想。有些窯爐自控系統乾脆採用一台比例跟隨器，使助燃空氣的流量與燃料的流量成固定的比例，但這種方法不得不將助燃空氣的富餘量留得很大，達不到最佳的節能和控制過剩氧含量（或過剩空氣係數）的要求。採用脈衝燃燒控制方式，可以將油壓和風壓一次性調整到合適值，在系統投人運行後，只需保持這兩個壓力穩定即可。對壓力進行測量和控制要比流量簡單得多，可以根據系統的實際情況採取全自動控制，也可以採取人工手動控制。

與連續燃燒控制相比，脈衝燃燒控制系統中參與控制的儀表大大減少，僅有溫度感測器、控制器和執行器，省略了大量價格昂貴的流量、壓力檢測控制機構。並且，由於只需要兩位式開關控制，執行器也由原來的氣動（電動）閥門變為電磁閥門，增加了系統的可靠性，大大降低了系統造價。

技術套用

為在工業爐行業中普及脈衝燃燒控制技術，研製開發出了“神霧脈衝燃燒系統”，由高速燃燒器和工業爐控制系統兩部分組成，採用脈衝燃燒技術來完成工業爐的升溫、控溫。對於燃氣窯爐內部溫度場和溫度波動力±2°C，對於燃油（柴油）窯爐內部溫度場和溫度波動為±3°C，在使用重柴油為燃料的窯爐上效果良好。

普通燃燒器當窯爐內部溫度低於燃料自燃溫度時，燃燒器燃料間斷後火焰立即熄滅，無法繼續燃燒，為此我公司研製開發了帶有先導點火裝的高速燃燒器，此先導點火裝置的發熱量只占燃燒器設計發熱量的1/20-1/30，對爐內溫度不會產生影響，解決了熄火這一問題，並採用當今最先進的霧化技術--氣泡霧化技術，使燃燒器的霧化效果更好、霧化介質使用量更少，原來燒輕柴油的窯爐現可燒重柴油。

工業爐控制系統採用工業PC機作為控制單元，採用先進的現場匯流排體系結構，功能強大、畫面豐富、用戶界面友好。所有部件均選用進口產品，從而使系統更加可靠。。

該系統具有以下功能：

實時監測爐內各點的溫度、煙氣殘氧、爐膛壓力、油（煤氣）壓、助燃風壓、燃料流量和助燃風流量等參數。

具有上、下限報警功能，報警列印功能，報警上、下限由用戶設定，並能將報警記錄儲存，用戶可任意查詢、列印。

可按用戶設定的溫度值或溫度曲線對爐內各區段進行升、降控制，其中升溫採用脈衝燃燒控制，降溫採用強制脈衝風冷控制

可按用戶設定的燃燒氣氛對爐內的煙氣殘氧進行控制。

可對爐膛壓力進行控制。

可對窯爐的進出料進行控制。

具有歷史數據查詢功能，可按用戶需要存儲、顯示、列印歷史數據。

具有報表列印功能，實時脫機列印班報、日報、月報。

具有動態工藝圖，可顯示整個窯爐的工藝流程圖，實時動態顯示爐內各點參數，實時動態顯示爐內火焰燃燒狀態。

在實際套用過程中，採用普通的脈寬調製的方法調節燃燒占空比時，當占空比接近0%或100%時，間斷或燃燒的時間太短，現場的運行效果不理想，於是我們引人了最小時間這一概念，將間斷和燃燒的最小時間定為3秒，當占空比接近0%或100%時，延長相應的燃燒和間斷時間即可解決這一問題。

展望

脈衝燃燒作為一項新技術有著廣闊的套用前景，可廣泛套用於陶瓷、冶金、石化等行業，對提高產品質量、降低燃耗、減少污染將發揮重大作用，是工業爐行業自動控制的一次革新，將成為未來工業爐燃燒技術的發展方向。