燃烧过程自动化控制

汪晓寅

摘 要：重点阐述了燃烧过程控制的核心——空燃比自动调节控制之数字调节器方法的实现原理，及在陶瓷行业天然气辊道窑上的应用及效果。提出燃烧过程自动化控制的对工艺控制及节能减排的重要性，展望引入热工及传动等数学模型的辊道窑控制对生产的助力前景。

关键词：燃烧过程自动化控制;空燃比调节控制;气氛控制;热风助燃

1 燃烧过程自动化控制

燃气的燃烧过程，实质是助燃风中的氧气与燃料中可燃成分（天然气中主要成分是甲烷CH4）的完全氧化反应。其反应速度及强度由燃烧介质的混合速度及均匀性、可燃混合物的浓度、压力及温度等因素确定。燃烧过程中助燃风与燃气的比率控制十分重要。不同的空燃比对应的燃烧效率、烟气及污染物产生量等的大致趋势见图1。

燃烧过程的自动化控制是提高燃烧效率的主要途径，它以空燃比率自动调节控制为核心，包含燃烧介质供应压力控制、烧嘴燃烧控制、炉膛压力及气氛检测控制、及相关安全联锁控制等，为安全燃烧提供保障。

1.1空燃比率自动调节控制

燃烧过程的自动化控制的核心是燃烧介质的流量比例控制。对于以天然气为燃料的窑炉来说，就是助燃空气及天然气流量按比例供应给燃烧器，实现工艺燃烧控制。常用的空燃比的调节有以下几种方式：（1）采用差压控制阀;（2）采用空燃比调节器;（3）控制软件编程设计的数字调节器方式。采用方式3，增加的硬件是常用器件，便于安装调试维护及自动化控制处理，便于数据采集及后续数据处理。本文所述为方式3的数字调节器的方式，燃料为天然气。

1.1.1 流体力学相关

空燃比率控制系统涉及的流体力学方面基本计算方程包括：

√ 气体状态方程：P×V/T=P×V/T （P-压强、V-体积、T-温度）

√ 气体连续性方程：ρω s=ρωs（ρ-密度、ω-流速、s-面积）

√ 伯努利方程：p+ρV/2+ρgh=p+ρV/2+ρgh

（p-压强、ρ-密度、v-流速、g-重力加速度、h-高度）

1.1.2 控制回路

单回路温度控制系统如图2。当参与燃烧的介质自身的压力或温度变化时，都将引起其流量的变化，可能影响燃烧器的燃烧效果，并引起炉温发生变化，总滞后较大，采用这种控制方式，导致控制作用不及时。具体在陶瓷燃气辊道窑的温控上，目前的温度控制方式基本只是通过控制燃气流量来控制温度。完全没有考虑燃烧介质——燃气及助燃风自身的温度/压力的变化对燃烧效果带来的影响。对于天然气，冬夏季节的温差也有20℃以上。陶瓷辊道窑在不同的产量，或不同的温度控制区间，调节的燃气压力也有2-5kPa的差别。特别是对于热风助燃的系统，助燃风温度/压力变化较大时，燃烧器燃烧效果受到较大影响，控制偏差将增大，控制质量显著降低，不能满温度控制要求。

图3所示的控制方案中，为了消除参与燃烧的助燃空气、燃气因其温度/压力的变化，导致流量变化而引起的扰动，在温度主控环中串入流量控制副环。副环流量控制回路直接对燃气、助燃风因其自身的温度/压力变化等引起的流量变化产生的扰动进行调节，迅速克服流量变化造成的扰动影响，主环回路维持对温度扰动进行细调。可以看到，采用这种目标温度、燃烧介质流量串级控制方式，可以定量、定性地供应燃烧所需的燃气及助燃风，维持良好的燃烧效果，并且可以方便地控制燃烧气氛，提高控制品质。

副环流量控制回路的两个关键点是：燃烧介质流量及相互配比方式

⑴ 流量计算

气态是一种易于压缩/膨胀的物质状态。气体的流量，与气体的状态直接相关。燃烧系统介质流量的计算采用的统一的标准状态为：0℃（273.15K）、1atm（101.325kPa），流量有即时流量和累计流量两种表示方式。

⑵ 燃气、助燃风的配比方式

采用助燃风、燃气按设定比例配比的方式，在负荷变化时，燃气流量与空气流量按设定比率协调一致供应给燃烧系统燃烧。配比方式见图4。

当温度设定值与实际值有偏差时，温度控制器给出输出控制信号。实际温度低时，需要增加热量供应即增加燃气供应以提高温度，此时燃气流量的设定值取决于助燃风流量的实际值，助燃风流量增大、燃气流量也相应增大，燃气流量的增加又导致助燃风流量设定值增大，直到达到温度控制目标，在此过程中空燃比率保持在设定值。当实际温度偏高时，需要减少热量供应即减少燃气供应量，此时助燃风流量的设定值由燃气流量的实际值决定，燃气流量减少时，助燃风流量相应降低，这又导致燃气流量设定值降低，在此过程中空燃比率保持设定值。几点说明如下：

（1）关于设定温度的修正。

控制组温度的设定有两种方式：人工设定和引入数学模型计算设定

两种方式都可以对工艺制度中的温度值进行修订，优化形成对应产品的工艺制度配方。

（2）关于空燃比率的修正。

A.引入了燃料的热值，对燃料的空燃比进行修正，以适应不同热值燃料的空燃比设定控制。

B.空燃比的控制还可以與炉膛残氧检测信号形成闭环控制

（3）某些区间的燃烧器，在不影响产品质量的前提下可以增加脉冲燃烧功能，以加强气流搅拌，增强温度的均匀性。如低温预热阶段，气流分层严重截面温差大，燃烧器采用脉冲燃烧，就可以增强截面温度的均匀性。

1.2燃烧介质压力控制

包括助燃风机燃气的供应压力控制。为了保持系统的稳定性，一般采用单回路调节控制，也可以与系统总的供热量联锁自动控制。

1.3烧嘴燃烧控制

包括烧嘴的预吹扫、火焰检测、自动/手动点火等一套标准程序动作，并有熄火报警、就地/远程复位功能。每台燃烧器配置烧嘴控制器。多台烧嘴控制器宜采用具有通讯功能的烧嘴控制器。每个烧嘴的运行状态可以在主控台显示，并可以远程点火

1.4炉膛压力及气氛检测控制

通过控制排烟压力/排烟风机的转速来控制炉膛压力。

通过在线检测炉膛残氧量确认炉膛气氛，需要还原工艺的，则要配置CO检测系统。

1.5安全联锁控制

换热器安全联锁控制：包括换热器、助燃风的超温安全放散、掺冷风控制等。当换热器热风侧超温，或冷风侧的助燃风超温时，系统将采取掺入冷风、直接热风紧急放散等措施维持系统设备安全。

燃烧安全联锁控制：燃气通气条件、通气及关气程序的联锁，燃烧过程中紧急情况时（断电、助燃风/燃气失压、燃气泄漏、排烟/助燃系统故障等）的燃气切断等。主要涉及助燃风、燃气及炉膛压力等与燃气自动切断阀的联锁动作。

2 在陶瓷辊道窑上的应用

窑炉是陶瓷厂耗能的主要设备之一。现代宽体辊道窑产量大，用气量大，窑炉燃烧过程的自动化控制，有助于提高燃烧效率及窑炉余热利用效率，是陶瓷辊道窑节能减排的重要途径之一。案例陶瓷辊道窑相关信息如下：

代表产品：全抛釉地砖产品800×800（mm）。燃料为天然气（低位热值8300×4.18kJ/Nm3）。窑炉温度控制组设置100组。助燃风、天然气均分组调控，助燃风分前后两组风机供应。

前助燃风机提供前43组助燃风，最大产量时，（调节）组助燃风最高温度约90℃。平均温度60℃（仅在预热段炉底部分换热）。

后助燃风机主要提供后57组助燃风，最大产量时，（调节）组助燃风最高温度约150℃，平均约130℃（仅抽配部分冷却段余热）。

本案例窑炉的温度控制基于西门子S7-1500可编程序控制系统，燃烧过程控制系统采用流量串级的温度控制方式。空燃比率自动调控。

与传统单回路控制系统相比，增加了燃气/助燃风的流量、温度及压力检测，增加了助燃风的流量调节系统等，对天然气及助燃风的温度及压力的变化引起的流量变化进行补偿。

2.1信号采集及控制输出

系统采集的主要信号包括：炉膛温度，炉膛压力，燃气/助燃风流量、压力及温度，输出的信号主要是燃气/助燃风流量调节信号。

温度检测：热电偶;分度号Pt100、K、S;

压力检测：压力变送器。DC24V/4-20mA;

流量检测：流量计。DC24V/4-20mA;

流量调节：模拟量调节型; 4-20mA。

2.2 主控系统

每个温控回路涉及的模拟量十多个，加之控制回路多，总的需要处理的浮点数较多，给控制系统提出了较高的要求。本项目采用高性能、具有快速响应时间的西门子S7-1500系列高端中央处理器及接口模块。CPU浮点数运算时间只有几十纳秒，响应时间快速，功能强大。

可编程序控制系统采用主从结构模式，分布式从站放置在现场，主控制器设置在窑炉主控室控制柜。系統模块支持PROFINET和PROFIBUS通讯模式。现场控制组的检测器件、执行器件信号，均直接接入到现场从站，大大减少现场布线。

2.3 系统网络结构

现场设置三个分布式从站。主控制器设置在窑炉主控制室。上位监控计算机及HMI触摸屏等也设置在主控制室。

主从站之间采用以太网通讯，光纤连接。并设置交换机进行数据交换。

2.4 HMI及数据中心

本项目设置操作触摸屏，触摸屏上实现各类常用基本操作，并显示重要报警提示信息

上位计算机安装Windows 10 专业版操作系统，采用西门子Wincc软件组态监控，实现窑炉全工况模拟显示、各类报警提示;采集、处理、记录各类工艺参数，各类统计报表等。

其中燃烧控制部分的空燃比率监控画面包含：

√ 燃气燃烧温控组空燃比监控画面。包括：燃气流量显示、助燃风流量显示、空燃比显示、设定空燃比等

√ 空燃比率调试按钮

2.5 控制模型及工艺配方管理

√ 介质流量计算及温度、压力补偿的数学模型

√ 空燃比控制数学模拟

√ 空窑管理控制模型

√ 产品配方控制模型

2.6 远程监控

系统通过连接互联网，具备远程网络监控功能。通过互联网，可以远程电脑监控系统参数，调试系统软件，可以修改与身份对应的相关控制参数，如控制区设定温度、变频器运行频率等;通过手机APP、微信等可以远程监控主要控制参数，接受报警信息等。

2.7 燃烧自动化控制相关

燃烧过程自动化控制还包括：助燃风压力控制、天然气压力控制、燃烧器燃烧控制、炉膛压力控制、炉膛残氧量分析控制、助燃风换热器保护控制、其它安全控制等。

为了减少对系统的影响，助燃风及天然气压力、炉膛/排烟压力的控制，采用单回路自动控制。采用全氧化燃烧，烧成段残氧量控制在3%-6%。

助燃风机和排烟风机均由变频调速器驱动，通过构建 压力变送器—压力控制器—变频器（风机）闭环，来控制调节助燃风压力及炉膛/排烟压力。更为细致、稳定的调节方式是：由风机变频器的转速确定压力的范围，在此压力范围下，压力的细致调整由设置在管路上的流量调节阀调节。

可以在加热段关键区域设置在线式氧量检测系统，实时监测控制炉膛气氛。

2.8调试及效果

本项目经反复适应性调整调试，完全适用于陶瓷辊道窑热风助燃燃烧系统的节能减排控制。

（1）本项目综合降耗约10%-12%，成品优等品率98%。

（针对本项目的现场状况，经实际监测，单纯的空燃比投入降低燃耗可达5 %。结合热风助燃，综合降耗10%-12%）

（2）空燃比率调控系统投入后，可以方便地调节控制各温控区残氧含量，明确区分强、弱氧化区，减少NOx及烟气的生产量。空燃比系统投入后，助燃风换热系统可以全效率正常使用运行。据测算，燃烧助燃风温度每提高100℃，降低燃耗5%左右。

（3）低温氧化阶段，炉膛气流供氧需充足，保证炉膛烟气约4-6%的残氧含量，空气过剩系数维持在平均1.2-1.4左右。高温烧成、保温阶段，在保证完全燃烧的前提下，可以适当减少助燃风供应量，节能减排。炉膛残氧量维持在3-3.5%左右，各组空气过剩系数1.05-1.2左右

（4）在产品氧化温度区间，需要充足的氧气，气流的变化对砖型的影响小。空气过剩系数相对要加大，空燃比率调节范围可以设定大些。在高温区间，氧化已完成，温度、气流的变化对产品质量影响大，空气过剩系数可以小一些，空燃比率的调节范围也要减小，空燃比的调节相对需要更加的平稳平滑，在一些对产品品质影响特别大的温度区间，也可以转换为固定空气流量的燃气单回路调节控制。

（5）后记。

1）陶瓷产品在烧成加热阶段，预热、氧化期间的供热占总供热量的大部分。而这部分的燃烧器的助燃风主要由前助燃风机提供。应尽量提高这部分烧嘴助燃风的温度，节能效果更加明显。

2） 目前辊道窑的助燃风预热温度最高可以达到300℃以上，要求所配置的烧嘴当助燃风从常温到这种高温变化时，都能依据给定的空燃比率，快速、均匀等混合燃烧介质，充分发挥燃烧过程自动化控制系统的能力，节能降耗。

3）陶瓷辊道窑炉空窑/疏砖时，可利用的余热量有较大变化，造成助燃风温度大幅度变化，进而影响产品质量。单回路温度控制系统还没有手段消除这种影响。只有采取燃烧过程自动化控制的自动调节系统才可以适应这种变化工况，避免对产品质量的影响。

4） 需要重点考虑高温助燃风系统压力损失，适当提高助燃供风压力、减小管路阻力。在设计上需要全新的思路。包括助燃风机的工艺参数、助燃管路参数等，需要系统考虑、重新配置，才能满足高温热风助燃的要求。

5）模拟量信号（DC4-20mA）输入/输出的现场检测控制器件，传输的信号单一，易受干扰，陶瓷辊道窑检测控制点数量多，分布广，现场布线工作量也大。具备现场总线功能的检测控制器件，通过现场总线的串接连接到主控系统，抗干扰能力强，而且器件设备的各类信号（输出/输入信号、设备状态信号、设备位置信号等）都可以通过通讯获取，避免繁琐的现场布線及调试，更便于安装、调试、运行及维护。是智能自动化控制系统的应用方向。

3陶瓷辊道窑炉工艺过程控制展望

以窑炉为基础的系统控制大致可以分为三个层级：

直接控制/DDC，是以单个工艺参数（主要是温度）为控制对象，以工艺参数（温度）设定值为控制目标的。是最基础的自动化控制

工艺过程控制/SPC，兼顾到到整条窑炉的各项工艺参数的控制，以产品烧成工艺过程为对象，以优化产品生产工艺过程为目标的。

系统控制/SCC，兼顾到车间整条生产线乃至整厂多条生产线的生产协调控制，以系统为控制对象，以协调优化整个生产体系为目标的。

当前陶瓷窑炉控制基本是停留在DDC系统控制水平。随着炉内传热数学模型、传动数学模型等的引入，控制技术、数据处理技术、控制器件及网络软硬件技术的发展，部分窑炉开始采用了SPC级别的工艺过程控制，极大提高了在工艺状况变化时窑炉控制的适应性。并为以车间生产、乃至整厂生产协调控制的SCC控制方式打下基础，可以更加科学地安排生产线资源，打造低耗、优质、高产的现代新型工厂。

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