时序脉冲燃烧控制系统在北台厂退火炉上的应用 - 文章

时序脉冲燃烧控制系统在北台厂退火炉上的应用

作者：有祥武荣莉马庆云

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近年来，随着燃烧控制技术的不断发展，一些热值较高的燃料(如：天然气、重油等)被逐步应用于热处理工艺中。在传统的燃烧控制方式中，给加热炉加热一般是通过调节燃料和空气的流量使之充分混合、燃烧来完成的，即在加热的过程中，燃料和空气的流量是连续变化的。但在燃料热值较高的情况下，使用少量的燃料就可以满足热处理工艺的要求，因此燃料和空气的流量都比较小，输送燃料的管路截面也比较小，如果采用连续燃烧的方式进行控制，控制燃料流量的碟阀就要做得很小，而控制系统的响应能力无法满足流量变化的需要，因此控制温度的误差是很大的。为了解决这个问题，国外一些专家自80年代初即开始对时序脉冲燃烧控制系统进行了研究和应用。这种控制系统是通过控制烧嘴的燃烧时序和燃烧时间来控制炉子的温度。由于它具有动态性能好、控制温度波动小、节约燃料等优点，因而得到了广泛的重视和应用。我国自90年代初开始引进这项新技术，经实际应用验证，效果良好，具有较大的推广价值。下面以北台球墨铸铁管厂退火炉时序脉冲燃烧控制系统为例，介绍这种控制系统的组成和控制原理。

1、工艺简介

北台球墨铸铁管厂退火炉是1994年从德国IOB公司引进的，具有世界先进水平。该退火炉使用混合煤气作燃料，采用直火加热的方式对球墨铸铁管进行退火。炉子的结构为卧式，共有6个区，其中1区为加热区，温度控制在1010℃；2、3区为保温区，温度控制在970℃；4区为冷却区；5、6区为低温区，温度控制在700℃。管子在炉内运输链的带动下，以一定的速度由1区进入，从6区输出。按照设计要求，北台球墨铸铁管厂所用煤气热值为9200kJ/m3，压力为8000Pa。由于管子在1、2、3区进行了加热处理，到达5区时温度仍然在500℃以上，因此5、6区的热负荷较低，所用煤气的流量较小。5区共有4个烧嘴，全部燃烧时煤气总流量为250m3/h左右。6区共有6个烧嘴，全部燃烧时煤气总流量为350m3/h左右。5区煤气管路直径为100mm，6区煤气管路直径为120mm。为了满足工艺要求，5、6区采用了时序脉冲燃烧控制系统。由于5、6区控制系统在设计上基本是一样的，为此，本文仅以5区为例介绍时序脉冲燃烧控制系统的组成和控制原理。

2、控制系统

2.1 组成及工作原理

控制系统的硬件结构简图如图1所示。

图1 控制熊硬件结构简图

其工作原理如下。炉子的温度是通过PI调节器设定的。PI调节器对设定的温度与热电偶检测到的炉子实际温度进行采样，并按照PI算法(即比例、积分算法)计算出偏差值，由偏差值的大小输出一个4～20mA的电流信号。这个电流信号经过A/D转换器转换成数字量以后，送给S5－115UPLC控制系统。S5－115U产生一系列时序脉冲信号，并根据输入数字量的大小控制不同的燃烧控制器和烧嘴，使它们按照一定的时序点燃或熄灭，进而控制退火炉的温度。图1中，PI调节器采用PHILIPS公司的KS4290系列数字式调节器。这种调节器是PHILIPS公司于90年代初生产的新型智能化调节器，可以实现正偏差和负偏差两种调节方式，即当PI算法计算出的偏差值为正时，调节器工作在正偏差调节方式，输出电流在12～20mA之间变化。当PI算法计算出的偏差值为负时，调节器工作在负偏差调节方式，输出电流在4～12mA之间变化。S5－115U可以根据A/D转换器输出的数字量的大小来识别调节器工作在哪一种调节方式。当调节器工作在负偏差调节方式，并且炉子的温度高于工艺要求的温度范围时(5区的温度范围为690～710℃，高于温度范围是指高于710℃)，S5－115U熄灭所有的烧嘴，并打开冷却装置对退火炉实施冷却。

2.2 软件设计

在时序脉冲燃烧控制系统中，烧嘴何时点燃是由时序脉冲信号控制的，而烧嘴的燃烧时间是由设定温度和炉子实际温度的偏差值决定的。因此如何产生时序脉冲信号以及如何控制烧嘴的燃烧时间是时序脉冲燃烧控制系统需要解决的关键性技术问题。为了确保系统的可靠性，该控制系统采用S5－115UPLC控制系统来生成时序脉冲信号和控制烧嘴的燃烧时间。

5区共有4个烧嘴，对称分布在炉内两侧。S5－115U使用4个扩展脉冲计时器T0、T1、T2、T3分别控制1＃、2＃、3＃、4＃4个烧嘴。计时器的计时值是通过A/D转换器转换以后得到的数值。计时器是通过S5－115U的一个中间标志字节FY29的4个标志位的信号状态来启动的，即当标志位FY29.3的信号状态为1时，启动计时器T3，点燃4＃烧嘴；当标志位FY29.2的信号状态为1时，启动计时器T2，点燃3＃烧嘴；依此类推，当标志位FY29.0信号状态为1时，启动计时器T0，点燃1＃烧嘴。为了使标志位的信号状态能依次被置位和复位，进而产生时序脉冲信号，图2为一个循环的程序流程框图。

图2 产生时序脉冲信号流程图

图2中，占空比为0.1s∶5s的脉冲信号，指脉冲信号为1时的时间值为0.1s，脉冲信号为0时的时间值为5s。当脉冲1到来时，执行第1个判断Y以后的程序，FY29.3置位为1，FY29.2、FY29.1、FY29.0为0。第1个脉冲过去后，执行第1个判断N以后的程序，各标志位的状态将维持5s。第2个脉冲到来时，信号状态为1的位，将由FY29.3移至FY29.2，FY29.3将由0补充。同时，由于执行了第2个判断N以后的程序，将不再置位FY29.3。FY29.1、FY29.0仍为0。第2个脉冲过去后，这个状态仍将维持5s，……当第5个脉冲到来时，将执行两个判断Y以后的程序，重新置位FY29.3，开始下一个循环。由程序流程图产生的各个标志位及各个计时器的信号状态如图3所示。

图3 各标志和计时器信号状态图

图3中各标志位置位的时序即是各烧嘴被依次点燃的时序，计时器的信号状态即是烧嘴的工作状态。每个烧嘴经过20s被循环点燃一次。时间t即是烧嘴的燃烧时间，是由PI调节器计算出的温度偏差值控制的。

2.3 燃烧控制器及烧嘴的工作原理

由于在时序脉冲燃烧控制系统中，烧嘴要被频繁地点燃和熄灭，这就要求燃烧控制器和烧嘴要有快速的响应能力，这是决定该控制系统是否可靠和实用的一个重要因素。北台球墨铸铁管厂退火炉采用德国KROMSCHRODER公司于90年代初研制生产的IFS110IM型燃烧控制器。烧嘴采用该公司同期生产的ZKIH20/10型点火烧嘴以及与之配套使用的LBY70型燃烧烧嘴。点火烧嘴安装在燃烧烧嘴的内部，它使用的煤气和空气是由辅助煤气管路和辅助空气管路提供的。辅助煤气管路和辅助空气管路上分别安装着辅助煤气阀和辅助空气阀，其中辅助空气阀是一个手动控制阀，一般情况下始终是打开的。燃烧烧嘴使用的煤气和空气是由主煤气管路和主空气管路提供的。主煤气管路和主空气管路上分别安装着主煤气阀和主空气阀。每个烧嘴由一个燃烧控制器控制，其控制系统线路原理如图4所示。

图4 燃烧控制器和烧嘴控制系统线路原理图
YL1、YL2、YL3—电磁阀线圈；Y1、Y2、Y3—电磁阀；KL1、KL2、KL3—中间继电器线圈；K1、K2、K3—中间继电器辅助接点；S—起动按钮；A—烧嘴；T—高压线圈；Y4—手动控制器

工作原理如下。首次点燃烧嘴时，按动启动按钮S，燃烧控制器首先打开辅助煤气阀Y1，同时燃烧控制器在高压线圈T上产生的高电压通过点火烧嘴A放电，点燃辅助煤气管路。燃烧控制器通过检测回路在3s内检测点火烧嘴是否被点燃，如未被点燃，则切断辅助煤气阀；如已被点燃，则给中间继电器K3送电，使K3吸合。K3的辅助接点接在S5－115U的输入接口上，S5－115U根据K3是吸合的还是断开的来判断点火烧嘴是点燃的还是熄灭的，只有在K3是吸合的情况下，S5－115U的控制程序才允许点燃燃烧烧嘴，否则燃烧烧嘴不能被点燃。中间继电器K1是由S5－115U输出接口控制的，即是由图3中的某一个计时器控制的。当控制某一个烧嘴的时序脉冲信号到来并且K3已经吸合时，与该脉冲信号对应的计时器置位，中间继电器K1吸合，主空气阀Y3打开；同时，中间继电器K2吸合，主煤气阀Y2打开，点燃燃烧烧嘴。当计时器达到计时值时，计时器复位，K1断开，主煤气阀及主空气阀关闭，燃烧烧嘴熄灭。但此时点火烧嘴仍然打开，以便维持一个火源。在其后的燃烧控制中，点火烧嘴始终是点燃的。只有主煤气阀和主空气阀按照一定的时序打开和关闭，才能实现脉冲燃烧控制。这样可以充分保证烧嘴具有快速的响应能力，以提高控制系统的性能。

图4中，检测回路是根据煤气在燃烧时具有导电性的原理来工作的。燃烧控制器的一个输出端通过点火烧嘴对地产生一个4V左右的控制电压，当点火烧嘴未点燃时，该输出端对地是开路的；当点火烧嘴点燃时，由于煤气在燃烧时具有导电性，该输出端对地形成回路，并产生一个大于1μA的电流，燃烧控制器以此来判断点火烧嘴是点燃的还是熄灭的。此外，点火烧嘴所使用的煤气和空气均要经过减压阀减压以后才能使用。煤气压力控制在1000～2000Pa为宜；空气压力控制在3000～4000Pa为宜。这样可以防止高压脱火、易于点燃。

采用这种燃烧控制器和烧嘴还有一个特点：它具有良好的安全性。当因为某种异常的原因导致点火烧嘴熄灭时(如：煤气热值过小、控制系统出现故障等)，检测回路因为检测不到火焰，便将辅助煤气阀和主煤气阀关断，避免煤气泄漏给人身和设备带来危险。

2.4 煤气和空气流量配比的控制

在使用煤气作燃料的燃烧控制系统中，当煤气的热值和压力一定时，煤气和空气只有按一定的比例混合才能充分燃烧。在时序脉冲燃烧控制系统中，同样因为烧嘴要被频繁地点燃和熄灭，因此要求空气的流量在随煤气流量变化时要有快速的跟随性。这是保证控制系统能否达到工艺要求的另一个重要因素。北台球墨铸铁管厂退火炉采用了德国KROMSCHRODER公司90年代初生产的MK5型阀来控制煤气的流量，并采用德国LANDISGYR公司同期生产的SKP20110B27型气动比例调节阀来控制空气的流量。MK5型煤气控制阀可以实现慢开启、快关断功能，即当阀得电时缓慢打开，而失电时快速关断。这样可以防止主煤气阀在打开的瞬间煤气流量波动太大造成危险。SKP20110B27型气动比例调节阀通过一个连接管路和主煤气管路相连，当主煤气阀打开时，气动比例阀通过连接管路对煤气流量进行采样，并按照一定的比例打开主空气阀。当煤气流量变化时，空气流量按一定比例跟随变化。当主煤气阀关断时，主空气阀也即刻关断。使用气动比例控制方式控制空气和煤气流量的配比，可以减少中间控制环节，提高系统的快速响应能力。

2.5 炉压控制

为了确保烧嘴具有良好的燃烧状态，5、6区安装了炉压控制装置，即在废气排放管路上安装了一个挡板，通过调整挡板的开度来控制炉压。挡板是由执行器驱动的。PID调节器采用了PHILIPS公司90年代初研制的KS4290系列数字化调节器。炉子压力通过PID调节器来设定。PID调节器对设定的炉压和压力变送器回馈的炉子实际压力进行采样，并按照增量型PID算法计算出偏差值，由偏差值的正、负控制执行器的正转和反转，由偏差值的大小控制执行器转动量的大小。在实际生产中，烧嘴是在微正压的状态下燃烧的，炉子压力应控制在5Pa为宜。

2.6 系统动态性能分析

动态性能好坏是衡量一种控制系统质量好坏的重要标志。从对图3的分析可以看出，时序脉冲燃烧控制系统可以实现连续燃烧和脉冲燃烧两种状态。当热电偶检测到的实际温度远远小于设定温度时，PI调节器输出的电流最大，计时器的计时值t大于20s，这样，某一个已经被启动的计时器在没有达到计时值时，被下一个到来的时序脉冲信号重新启动，计时器的信号状态始终为1(4个计时器都是这种情况)。此时，各烧嘴处于连续燃烧状态。当实际温度接近设定温度时，烧嘴由连续燃烧状态转变成脉冲燃烧状态，并且燃烧时间逐渐减小。当实际温度等于或大于设定温度时，t值为0，烧嘴全部熄灭。从等效的控制器作用来看，时序脉冲燃烧控制系统相当于一种变比例、变积分PI控制器，当实际温度远远低于设定温度时，系统给出最大输出，相当于比例作用增强，积分作用减弱，控制系统通过连续燃烧使炉子获得最快的升温速度。同时，当温度偏差较小时，烧嘴处于脉冲燃烧状态，相当于比例作用减弱，积分作用增强，进而减小温度的超调量和稳态误差，因此采用这种控制系统一般情况下不会出现温度振荡的情况。此外，与连续燃烧控制系统相比，这种控制系统使用两位阀控制燃料输出，由于两位阀只有开、关两种状态，因此可以克服连续燃烧控制系统中碟阀的非线性死区对控制温度的影响，充分提高了控制系统的动态性能。

从对图1的分析可以看出，当炉子温度发生扰动时，适当调整PI调节器的比例和积分参数，可以影响烧嘴在脉冲燃烧时的燃烧时间，即影响图3中的t，改变t在跟随温度变化时的跟随性和过渡过程。如果跟随过慢，可适当加大比例系数，反之亦然。如果过渡过程太长，可减少积分时间，反之亦然。

在时序脉冲燃烧控制系统中，由于烧嘴在不同的区域以一定的时序点燃或熄灭，因此可能出现炉膛内温度控制不均匀的情况。从对图2的分析可以看出，适当改变图2中脉冲信号的占空比，可以改变烧嘴被循环点燃的时间间隔，控制脉冲燃烧的节奏，进而改善温度控制不均匀的情况。当然这样做会对控制系统在其它方面的性能产生影响。

在实际应用中，要对上述因素全面考虑、综合分析，根据实际情况反复调整有关参数，以达到最佳匹配，提高温度控制的精度。

3、运行情况及存在的问题

北台球墨铸铁管厂退火炉是由德国IOB公司全套设计、调试和生产的，自1994年投产以来，控制系统的可靠性和安全性都是很好的。5、6区的温度波动范围低于±10℃，控制系统动态性能良好，控制精度达到了1.5％，满足了工艺要求，同时能耗也较低，是一种代表当今世界燃烧控制技术发展趋势的新型燃烧控制方式。但我们在实际应用中也遇到了一些难以解决的问题，主要有：煤气质量不好导致控制系统性能下降。由于北台球墨铸铁管厂没有安装压力调节装置、热值调节装置、煤气过滤装置等，煤气压力和热值波动较大，焦油含量也较大。有时因为煤气压力和热值波动过大，不得不使用手动工作方式维持生产。此外，点火烧嘴的煤气管路较细，焦油含量过大可以导致煤气流动不畅，烧嘴不易点燃。为此，今后在引进和自行设计时序脉冲燃烧控制系统时，首先要考虑配套设施的完善，充分提高煤气的质量，这是保证控制系统是否能可靠运行的重要因素。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/20/2005)


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