蓄热式加热炉变空燃比双交叉限幅控制系统设计及应用

陶丽杰，谢　鑫，宋　娜，赵华祺

（中国联合工程公司，浙江 杭州310022）



蓄热式加热炉变空燃比双交叉限幅控制系统设计及应用

陶丽杰，谢鑫，宋娜，赵华祺

（中国联合工程公司，浙江 杭州310022）

针对蓄热式加热炉燃烧过程中热值变化导致燃烧不稳定的问题，利用检测烟气氧含量动态改变空燃比，使加热炉在各种燃烧工况条件下，燃料在烧嘴内充分混合，从而提高燃烧效率，节约能源，减少氧化烧损。

变空燃比；双交叉限幅控制；氧化烧损

蓄热式燃烧技术，又称高温空气燃烧技术，是20世纪90年代在发达国家开始推广的一项新型的燃烧技术，它具有高效烟气余热回收、空气和煤气预热温度高以及低氮氧化物排放的优点，主要用于钢铁、冶金、机械、建材等工业部门中，并已出现迅猛发展的势头。但由于其燃烧过程较传统燃烧方式更易受随机因素干扰且影响因素多、具有大惯性、滞后的非线性特点，传统的加热炉燃烧控制系统依赖于对工艺过程各参数的精确测量，才能真正实现加热炉加热的全自动控制，因此实际过程中往往不能保证稳定的钢坯加热质量，钢坯加热氧化烧损严重，同时浪费大量能源。

本文对蓄热式加热炉的燃烧特性进行了深入分析，构建了蓄热式加热炉控制系统，采用西门子PLC 和WINCC上位机界面，应用了双交叉限幅控制算法，同时测量烟气氧含量变化动态改变空燃比，使加热炉在各种燃烧工况条件下，能够使燃料在烧嘴内充分混合，使燃烧处于较佳状态，从而提高炉温控制精度，保证钢锭按设定曲线达到出钢温度，节约能源，减少氧化烧损。

1　双交叉限幅控制原理

PID温度调节器的温度设定值SP由计算机/ HMI人工手动设定；每个控制区的测温热电偶采集的温度信号为温度测量值PV。PID温度调节器的输出为A在平衡状态下，煤气和空气侧的流量调节器的设定值均由PID温度调节器的输出A决定。但在非平衡状态下进行的双交叉限幅调节过程中的煤气和空气侧的流量调节器设定值不完全由A决定。双交叉限幅控制原理见图1。

1.1当PV＜SP（升温）时，PID调节器的输出A大幅度增加

（1）对煤气回路，在高选器MAX（A与B的选择）中，因A＞B，MAX的输出为A；在低选器MIN（MAX的输出与C的选择）中，A与C进行比较，A＞C，即C为MIN的输出。C为煤气调节器（煤气FIC）的设定值。

C=FA/α×K1=1.04×FA/α

图1　双交叉限幅控制原理图

式中：K1=1.04为相关炉子的最终确认值；

FA-助燃空气流量；

α-修正后的空燃比。

综上所述，在新课程改革不断深入的背景下，新时期我国在积极加强小学生人才培养的过程中，要求小学语文教师充分发挥学科优势，在积极进行教材挖掘的基础上，从传统文化素养以及综合素质等角度出发，采取有效措施不断促进小学生身心健康发展。因此，新时期，小学语文教师应对学生传统文化素养培养的重要性产生深刻认知，并从注重培养学生对传统文化的情感基础、通过传统文化传承培养小学生语文核心素养、结合教学内容深入挖掘传统文化精华等角度出发，为促进小学生传统文化素养的提升奠定基础。

（2）对空气回路，在低选器MIN（A与 D的选择）中，因A的增加，A＞D，即MIN的输出为D；而D＞E，所以在高选器MAX（MIN的输出与E的选择）中，MAX的输出为D。即D为空气调节器（空气FIC）的设定值。

D=FF×α×K4=1.06×FF/α

式中：K4=1.06为相关炉子的最终确认值；

FF—煤气流量；

α—修正后的空燃比。

（3）可以看出升温时，煤气和空气同时取上限限幅值。随着温度的升高，A值将逐渐变小；当温度上升到PV=SP时，双交叉限幅过程结束，进入平衡状态。

1.2当PV＞SP（降温）时，PID温度调节器的输出A值大幅度减小

（1）对煤气回路，在高选器MAX（A与B的选择）中，因A＜B，MAX的输出为B；在低选器MIN （MAX的输出与C的选择）中，B与C比较，B＜C，即B为MIN的输出。B为煤气调节器（煤气FIC）的设定值。

B=FA/α×K3=0.94×FA/α

式中：K3=0.94为相关炉子的最终确认值；

FA—助燃空气流量；

α—修正后的空燃比。

（2）对空气回路，在低选器MIN（A与 D的选择）中，因A减小，A＜D，MIN的输出为A；在高选器MAX（MIN的输出与E的选择）中，因A＜E，MAX的输出为E。即E为空气调节器（空气FIC）的设定值。

式中，K2=0.96为相关炉子的最终确认值。

（3）可以看出，降温时，煤气和空气同时取下限限幅值。随着温度的降低，A值逐渐增大，当温度下降到PV=SP时，双交叉限幅过程结束，进入平衡状态。

1.3关于偏差系数K1、K2、K3、K4

作为空气/煤气控制回路的设定值，偏差系数K1～K4的选择很关键。它们一方面可以在过渡过程中起到限幅作用，使煤气流量的变化速度始终不超过空气流量的变化速度；另一方面能避免因为煤气过量和空气过量互相干扰引起的波动，保证燃烧过程在最佳燃烧段进行。

关于K1～K4的选取：先依据经验设定一个经验值，在调试及运行的过程中不断修正，通过一段时间的运行最终确认。

取K4＞K1，可以保证升温时空气先行，在增加煤气时，可多增加些空气量，不至于出现燃料过剩而冒黑烟。

取K3＜K2，可以保证降温时煤气先行，在减少煤气时，把煤气量多减一些，使煤气变化的速度始终不超过空气。

1.4当燃料的热值变化较大时，需要配置热值仪，将燃料热值引入空燃比参数的修正环节

当热值波动时，空燃比参数α也随之调整，自动进行空气、燃气配比，提高调节精度。热值仪结合标定的系数和煤气、空气的差压计算出热值，空燃比修订环节结合计算出的热值和输入的空气及煤气的流量，进行计算分析，得出经过修订后的空燃比α。

2　变空燃比控制理论

影响加热炉效率主要因素是燃料气和空气。如果能恰当的保持燃料与空气量的正确比例，就能达到最小的热损失和最大的热效率。如果比例不当，空气不足，结果导致燃料不完全燃烧，热量损失上升；如果空气过多，就会使大量的热量随烟气被排出，使燃烧效率降低。衡量空气与燃料之间比例关系是否合适的指标是过剩空气系数，所谓过剩空气系数就是指燃料燃烧过程中实际进入的空气量与完全燃烧所需要的理论空气量之间的比值，一般在实际燃烧中，需要的空气量都会大于理论值。

理想的燃烧过程应该无论负荷稳定还是急剧变化的情况下都能在最佳燃烧区内进行。因此，项目中采用的变空燃比控制方式，如图2所示，通过氧化锆氧含量检测器检测烟气中O2含量，然后根据O2含量来调节空燃比。调节后使油品能够充分燃烧，同时又不产生黑烟。

图2　空燃比控制原理图

查询某时刻的烟气中的氧气含量，当氧含量大于烟气中应该含有的氧气含量值时，表示燃烧时氧气的流量大于所需要的氧气流量，此时通过算法算出此刻实际应该减小的空燃比百分数，然后将新的空燃比赋值，减小氧气流量，直到烟气中的氧气含量在一个合理的范围内。同理，当氧含量小于烟气中应该含有的氧气含量值时，表示燃烧时氧气的流量小于所需要的氧气流量，此时通过算法算出此刻实际应该增加的空燃比百分数，然后将新的空燃比付值，增大氧气流量，直到烟气中的氧含量在一个合理的范围内，综上所述，通过动态改变空燃比，可以使燃料充分燃烧，同时又减少了缺氧燃烧和过氧燃烧带米的热损失，并且最大程度上降低了黑烟以及NOx和SOx给环境带来的污染，也减小了离炉烟气带走的物理损失。

3　结论

从图3中看到，重油的流量和助燃空气的流量在温度稳定的情况下，基本是稳定的，而且它们之间的比例也基本相同，只是在负荷增加或减少的时刻，才有改变。而且发现，火焰中夹杂黑烟的情况基本不存在，从而节约了燃料。

图3　加热炉参数趋势图

［1］王秉铨.工业炉设计手册［M］.北京：机械工业出版社，1996.

［2］杨献勇.热工过程自动控制［M］.北京：清华大学出版社，2000.

［3］池桂兴.工业炉节能技术［M］.北京：冶金工业出版社，1994.

［4］金作良.加热炉基础知识［M］.北京：冶金工业出版社，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

陶丽杰（1984—），男，工程师，主要从事热处理设备的技术开发与设计工作.