脈沖時序燃燒技術在耐火試驗爐上的應用

付曉光 張曉穎 王 堃

（中國建筑材料科學研究總院，中國建筑材料檢驗認證中心有限公司，北京 100024）

1 前言

燃燒技術在耐火試驗爐的設計中占有十分重要的位置，它不但決定了試驗爐的溫度控制方式而且對試驗爐的運行穩(wěn)定性，控制靈活性以及測量的準確性有著決定性的影響。目前，國內的試驗爐一般都采用傳統(tǒng)的連續(xù)比例燃燒控制技術,即通過控制燃料和助燃空氣流量的大小來使爐內溫度、燃燒氣氛達到工藝要求。相對于傳統(tǒng)的連續(xù)比例燃燒控制技術在試驗爐上的廣泛應用，脈沖時序燃燒控制技術是比較先進的窯爐燃燒控制技術。脈沖燃燒控制技術采用的是一種間斷燃燒的方式,使用脈寬調制技術,通過調節(jié)燃燒時間的占空比(通斷比)實現(xiàn)試驗爐的溫度控制。

2 理論基礎

2.1 連續(xù)比例燃燒控制技術

連續(xù)比例燃燒控制技術是指根據爐內實際溫度和設定溫度的差值的大小，連續(xù)調節(jié)燃料和助燃空氣的供應量，實現(xiàn)燒嘴火焰從小到大或從大到小的連續(xù)變化，進而使爐內實際溫度達到設定溫度，完成燃燒控制。當在快速升溫階段，爐內實際溫度和設定溫度的差值非常大時，燃料和助燃空氣的供應量大，燃燒充分，此時連續(xù)比例燃燒控制技術對溫度控制精度和均勻性完全符合控制要求。當在高溫保溫階段，爐內實際溫度和設定溫度的差值非常小時，燃料和助燃空氣的供應量小，兩者的比例也很難控制，燃燒不充分，此時溫度控制精度和均勻性就很難符合控制要求了。其中，比例是指燃料和助燃空氣供應量的比例，它是實現(xiàn)完全燃燒的主要參數。

2.2 脈沖時序燃燒控制技術

脈沖時序燃燒控制技術中的脈沖指的是每個燒嘴按照脈沖（通斷）方式工作，即只在最大供熱量（滿負荷）和最小供熱量（關閉）兩種工況下運行。在脈沖寬度時間內燒嘴處于滿負荷工作狀態(tài)，在脈沖間隔時間內燒嘴處于最小負荷工作狀態(tài)。時序指的是各個燒嘴分別在什么開始時候工作，相互間的時間順序。燒嘴的燃料和助燃空氣輸入量是事先按照比例給定的，每個燒嘴工作時單位時間提供的熱量相同，所以燒嘴工作時間和熱量需求成正比。當爐內實際溫度和設定溫度的差值大時，熱量需求大，計算得到的控制輸出大，脈沖寬度變大，燒嘴在每個工作周期內的工作時間變長，提供的熱量多，溫度升高快，溫度差值變小。反之，脈沖寬度變小，溫升變慢或者降溫，溫度差值仍然變小。所有的燒嘴并不同時工作，而是按照一定的時序依次開始工作。脈沖時序燃燒控制技術的控制時序如圖1所示。

圖1 脈沖時序燃燒控制示意圖

由圖1可以看出，脈沖寬度T0與脈沖間隔T1相加就是燒嘴的一個工作周期T，即T=T0+T1。一般情況下，工作周期T根據控制器的運行速度、控制精度和執(zhí)行器的工作特性確定，是一個固定值。如上所述，需要快速升溫時，計算得到的脈沖寬度T0大，相應的脈沖間隔T1小，即燒嘴的工作時間長，停止時間短；反之，T0小T1大，即燒嘴的工作時間短，停止時間長。另外，燒嘴開始工作脈沖周期t=T/n，其中n表示燒嘴個數，即在一個工作周期T內，n個燒嘴依次工作一次。

2.3 兩種技術比較

與傳統(tǒng)的連續(xù)比例燃燒控制技術相比，脈沖時序燃燒控制技術具有如下優(yōu)點：

爐內溫度控制精度高；

爐內溫度均勻性好；

動態(tài)響應快，升溫速度快；

運行穩(wěn)定性好，可靠性高；

燃燒充分，節(jié)能環(huán)保。

3 采用脈沖時序燃燒控制技術的必要性

本文所說的建筑構件耐火試驗爐根據GB/T 9978—2008標準設計，其爐內標準時間--平均溫度曲線如圖2所示。由圖2可以看出，溫度曲線主要分為快速升溫階段和高溫保溫階段。根據需要實現(xiàn)的爐內標準時間--平均溫度曲線的特性和脈沖時序燃燒控制技術的特點，本耐火試驗爐非常適合采用脈沖時序燃燒控制技術進行溫度控制。因為在整個溫度曲線上，只需按照控制輸出調節(jié)脈沖寬度，燒嘴只要工作就會處于滿負荷狀態(tài)，燃燒充分，溫度控制準確。如果采用傳統(tǒng)的連續(xù)比例燃燒控制技術，為了滿足開始的快速升溫要求，燒嘴工作在滿負荷狀態(tài)，燃燒充分，溫度控制準確；但是在高溫保溫階段，燒嘴就會處于不完全燃燒狀態(tài)，運行穩(wěn)定性和溫度控制的準確性都變差，故未采用。

圖2 標準時間--溫度曲線

脈沖時序燃燒控制技術對燒嘴火焰的調節(jié)分為以下三種形式：大火小火形式、大火滅火形式和大火小火滅火形式。后兩種形式都有滅火狀態(tài)，燒嘴火焰處于滅火狀態(tài)時，由于爐體自然散熱和高溫煙氣排出，爐內溫度會較快下降，這對溫度控制的精度和靈活性非常重要；但是后兩種形式都需要不斷點火，各執(zhí)行器頻繁動作，這會大大縮短點火器和各執(zhí)行器的壽命，并大大降低溫度控制的穩(wěn)定性。由于本耐火試驗爐的燃氣、助燃空氣的壓力、流量的調節(jié)范圍很大，所以在大火時可以滿足快速升溫的需要，在小火時近似滅火可以滿足溫度控制的精度和靈活性。因此，本耐火試驗爐采用大火小火形式。

4 脈沖時序燃燒控制技術的具體實現(xiàn)

4.1 硬件設計

本文所說的耐火試驗爐采用脈沖時序燃燒控制技術的大火小火形式，其硬件結構如圖3所示。

圖3 大火小火形式硬件結構示意圖

由圖3可以看出，燃氣和助燃空氣通過各自管道在高速燃燒器內混合燃燒，其中助燃空氣管路分為主管路和輔助管路。點火器點火時，助燃空氣壓力已經穩(wěn)定并通過輔助管路進入高速燃燒器；此時燃氣電磁閥開啟，燃氣通過比例控制閥進入高速燃燒器與助燃空氣混合并被點燃；并且燃氣流量由比例控制閥根據助燃空氣壓力控制。當需要高速燃燒器工作在小火狀態(tài)時，電動蝶閥關閉，助燃空氣只通過輔助管路提供，流量少壓力小，比例控制閥開度小，燃氣進入量少壓力小，實現(xiàn)小火輸出；當需要高速燃燒器工作在大火狀態(tài)時，電動蝶閥開啟助燃空氣通過主管路和輔助管路同時提供，流量大壓力高，比例控制閥開度大，燃氣進入量多壓力大，實現(xiàn)大火輸出。其中比例控制閥的空燃比已經根據點火、小火和大火的具體情況事先設定好。需要注意的是：小火時燒嘴提供的熱量應低于試驗爐保溫所需的熱量；否則，即使所有燒嘴都工作在小火狀態(tài)，爐內實際溫度仍然會高于設定溫度，這樣就無法實現(xiàn)對爐溫的精確控制。

4.2 軟件設計

脈沖時序燃燒控制技術的大火小火形式的軟件實現(xiàn)是指PLC中的軟件部分，其在硬件基礎上對溫度的整體控制如圖四所示；其中硬件結構如圖3所示。由圖4可以看出，整個溫度控制采用負反饋控制策略，軟件部分是控制策略的核心。

圖4 整體控制示意圖

軟件部分主要包括三部分：（1）PID算法，根據設定溫度、實際測量溫度以及其他控制參數計算得到控制輸出；（2）脈沖時序燃燒參數計算，包括脈沖寬度T0、脈沖間隔T1、工作周期T、占空比、燒嘴開始工作脈沖等參數；（3）根據（2）中的各個參數控制執(zhí)行機構動作，實現(xiàn)脈沖時序燃燒控制，即完成溫度控制。其中第（2）部分是實現(xiàn)脈沖時序燃燒控制技術的主要部分。

一般的脈沖時序燃燒控制技術的工作周期是固定的，而本文所說的建筑構件耐火試驗爐采用的是變周期的脈沖時序燃燒控制技術。工作周期由脈沖寬度和脈沖間隔組成（T=T0+T1）；控制輸出MV（范圍0到100，即對應執(zhí)行器開度0%到100%）對應執(zhí)行器動作時間（即脈沖寬度T0），（100-MV）則表示執(zhí)行器關閉時間（即脈沖間隔T1）；所以，公式T1/T0=(100-MV)/MV成立。如果按照固定周期計算，當控制輸出MV在0到100之間從小到大變化時，對應的T0從0到T變化，T1從T到0變化，即燒嘴的大火時間從0到T變化。但是本耐火試驗爐的執(zhí)行器是電動蝶閥，其從開啟到完全打開或從打開到完全關閉需要3秒，這就要求在控制過程中T0、T1大于3秒。當T0或T1小于3秒時，電動蝶閥就不能完成動作，溫度控制精度就會下降，甚至損壞電動蝶閥，造成危險。

變周期的脈沖時序燃燒控制技術可以有效的解決這個問題，而且可以提高控制精度，延長執(zhí)行器壽命，其具體計算過程如下：

圖5 升溫曲線和標準時間—溫度曲線

當MV＜10%，為避免執(zhí)行器頻繁動作，看做MV=0%，燒嘴一直處于小火。

當10%＜=MV＜50%，脈 沖 間 隔T1固 定（根據電動蝶閥的工作特性和控溫精度要求，本系統(tǒng)T1=3），根據公式T1/T0=(100-MV)/MV計算得到T0=T1*MV/(100-MV)，并 且T0＞3，保 證 電 動蝶閥可以完成動作。

當50%＜=MV＜90%，脈 沖 寬 度T0固 定（根據電動蝶閥的工作特性和控溫精度要求本系統(tǒng)T0=3），根據公式T1/T0=(100-MV)/MV計算得到T1=T0*(100-MV)/MV，并 且T1＞3，保 證 電 動蝶閥可以完成動作。

當MV＞=90%，為避免執(zhí)行器頻繁動作，看做MV=100%，燒嘴一直處于大火。

所以，工作周期T=T0+T1在6秒到30秒之間變化。當控制輸出MV在50%左右時，工作周期T最小，控制最準確，窯壓波動最小。所以本耐火文所說的試驗爐通過調節(jié)T0、T1的固定值，進而調節(jié)燒嘴的最大功率，使系統(tǒng)在高溫保溫階段盡量工作在50%附近。圖5是某次實驗中爐內升溫曲線和標準時間—溫度曲線。由圖中可以看出，除了在剛開始的快速升溫階段溫度稍微超調之外，其他時段溫度曲線與標準時間—溫度曲線幾乎重合，溫差在5℃以內。

高速燒嘴噴出的高速高溫焰氣可以使爐內產生大的擾動，利于熱量傳遞溫度均勻。除此之外，本文所說的建筑構件耐火試驗爐還通過控制燒嘴的大火時序進一步使爐內溫度均勻。燒嘴的位置如圖6所示。根據燒嘴開始工作脈沖，燒嘴1、燒嘴2……燒嘴8依次開始大火；這樣在一個工作周期內爐內高溫焰氣先順時針“旋轉”，再逆時針“旋轉”，使溫度更加均勻。

圖6 爐膛結構示意圖

5 結論

脈沖時序燃燒控制技術在建筑構件耐火試驗爐上的應用使溫度控制完全符合GB/T 9978—2008標準規(guī)定的升溫曲線，并且爐內溫度均勻、結構簡單、易于實現(xiàn)、運行穩(wěn)定可靠，達到國內先進水平，具有很好的推廣應用價值。

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