燃燒過程自動化控制

汪曉寅

摘 要：重點闡述了燃燒過程控制的核心——空燃比自動調節控制之數字調節器方法的實現原理，及在陶瓷行業天然氣輥道窯上的應用及效果。提出燃燒過程自動化控制的對工藝控制及節能減排的重要性，展望引入熱工及傳動等數學模型的輥道窯控制對生產的助力前景。

關鍵詞：燃燒過程自動化控制;空燃比調節控制;氣氛控制;熱風助燃

1 燃燒過程自動化控制

燃氣的燃燒過程，實質是助燃風中的氧氣與燃料中可燃成分（天然氣中主要成分是甲烷CH4）的完全氧化反應。其反應速度及強度由燃燒介質的混合速度及均勻性、可燃混合物的濃度、壓力及溫度等因素確定。燃燒過程中助燃風與燃氣的比率控制十分重要。不同的空燃比對應的燃燒效率、煙氣及污染物產生量等的大致趨勢見圖1。

燃燒過程的自動化控制是提高燃燒效率的主要途徑，它以空燃比率自動調節控制為核心，包含燃燒介質供應壓力控制、燒嘴燃燒控制、爐膛壓力及氣氛檢測控制、及相關安全聯鎖控制等，為安全燃燒提供保障。

1.1空燃比率自動調節控制

燃燒過程的自動化控制的核心是燃燒介質的流量比例控制。對于以天然氣為燃料的窯爐來說，就是助燃空氣及天然氣流量按比例供應給燃燒器，實現工藝燃燒控制。常用的空燃比的調節有以下幾種方式：（1）采用差壓控制閥;（2）采用空燃比調節器;（3）控制軟件編程設計的數字調節器方式。采用方式3，增加的硬件是常用器件，便于安裝調試維護及自動化控制處理，便于數據采集及后續數據處理。本文所述為方式3的數字調節器的方式，燃料為天然氣。

1.1.1 流體力學相關

空燃比率控制系統涉及的流體力學方面基本計算方程包括：

√ 氣體狀態方程：P×V/T=P×V/T （P-壓強、V-體積、T-溫度）

√ 氣體連續性方程：ρω s=ρωs（ρ-密度、ω-流速、s-面積）

√ 伯努利方程：p+ρV/2+ρgh=p+ρV/2+ρgh

（p-壓強、ρ-密度、v-流速、g-重力加速度、h-高度）

1.1.2 控制回路

單回路溫度控制系統如圖2。當參與燃燒的介質自身的壓力或溫度變化時，都將引起其流量的變化，可能影響燃燒器的燃燒效果，并引起爐溫發生變化，總滯后較大，采用這種控制方式，導致控制作用不及時。具體在陶瓷燃氣輥道窯的溫控上，目前的溫度控制方式基本只是通過控制燃氣流量來控制溫度。完全沒有考慮燃燒介質——燃氣及助燃風自身的溫度/壓力的變化對燃燒效果帶來的影響。對于天然氣，冬夏季節的溫差也有20℃以上。陶瓷輥道窯在不同的產量，或不同的溫度控制區間，調節的燃氣壓力也有2-5kPa的差別。特別是對于熱風助燃的系統，助燃風溫度/壓力變化較大時，燃燒器燃燒效果受到較大影響，控制偏差將增大，控制質量顯著降低，不能滿溫度控制要求。

圖3所示的控制方案中，為了消除參與燃燒的助燃空氣、燃氣因其溫度/壓力的變化，導致流量變化而引起的擾動，在溫度主控環中串入流量控制副環。副環流量控制回路直接對燃氣、助燃風因其自身的溫度/壓力變化等引起的流量變化產生的擾動進行調節，迅速克服流量變化造成的擾動影響，主環回路維持對溫度擾動進行細調?？梢钥吹?，采用這種目標溫度、燃燒介質流量串級控制方式，可以定量、定性地供應燃燒所需的燃氣及助燃風，維持良好的燃燒效果，并且可以方便地控制燃燒氣氛，提高控制品質。

副環流量控制回路的兩個關鍵點是：燃燒介質流量及相互配比方式

⑴ 流量計算

氣態是一種易于壓縮/膨脹的物質狀態。氣體的流量，與氣體的狀態直接相關。燃燒系統介質流量的計算采用的統一的標準狀態為：0℃（273.15K）、1atm（101.325kPa），流量有即時流量和累計流量兩種表示方式。

⑵ 燃氣、助燃風的配比方式

采用助燃風、燃氣按設定比例配比的方式，在負荷變化時，燃氣流量與空氣流量按設定比率協調一致供應給燃燒系統燃燒。配比方式見圖4。

當溫度設定值與實際值有偏差時，溫度控制器給出輸出控制信號。實際溫度低時，需要增加熱量供應即增加燃氣供應以提高溫度，此時燃氣流量的設定值取決于助燃風流量的實際值，助燃風流量增大、燃氣流量也相應增大，燃氣流量的增加又導致助燃風流量設定值增大，直到達到溫度控制目標，在此過程中空燃比率保持在設定值。當實際溫度偏高時，需要減少熱量供應即減少燃氣供應量，此時助燃風流量的設定值由燃氣流量的實際值決定，燃氣流量減少時，助燃風流量相應降低，這又導致燃氣流量設定值降低，在此過程中空燃比率保持設定值。幾點說明如下：

（1）關于設定溫度的修正。

控制組溫度的設定有兩種方式：人工設定和引入數學模型計算設定

兩種方式都可以對工藝制度中的溫度值進行修訂，優化形成對應產品的工藝制度配方。

（2）關于空燃比率的修正。

A.引入了燃料的熱值，對燃料的空燃比進行修正，以適應不同熱值燃料的空燃比設定控制。

B.空燃比的控制還可以與爐膛殘氧檢測信號形成閉環控制

（3）某些區間的燃燒器，在不影響產品質量的前提下可以增加脈沖燃燒功能，以加強氣流攪拌，增強溫度的均勻性。如低溫預熱階段，氣流分層嚴重截面溫差大，燃燒器采用脈沖燃燒，就可以增強截面溫度的均勻性。

1.2燃燒介質壓力控制

包括助燃風機燃氣的供應壓力控制。為了保持系統的穩定性，一般采用單回路調節控制，也可以與系統總的供熱量聯鎖自動控制。

1.3燒嘴燃燒控制

包括燒嘴的預吹掃、火焰檢測、自動/手動點火等一套標準程序動作，并有熄火報警、就地/遠程復位功能。每臺燃燒器配置燒嘴控制器。多臺燒嘴控制器宜采用具有通訊功能的燒嘴控制器。每個燒嘴的運行狀態可以在主控臺顯示，并可以遠程點火

1.4爐膛壓力及氣氛檢測控制

通過控制排煙壓力/排煙風機的轉速來控制爐膛壓力。

通過在線檢測爐膛殘氧量確認爐膛氣氛，需要還原工藝的，則要配置CO檢測系統。

1.5安全聯鎖控制

換熱器安全聯鎖控制：包括換熱器、助燃風的超溫安全放散、摻冷風控制等。當換熱器熱風側超溫，或冷風側的助燃風超溫時，系統將采取摻入冷風、直接熱風緊急放散等措施維持系統設備安全。

燃燒安全聯鎖控制：燃氣通氣條件、通氣及關氣程序的聯鎖，燃燒過程中緊急情況時（斷電、助燃風/燃氣失壓、燃氣泄漏、排煙/助燃系統故障等）的燃氣切斷等。主要涉及助燃風、燃氣及爐膛壓力等與燃氣自動切斷閥的聯鎖動作。

2 在陶瓷輥道窯上的應用

窯爐是陶瓷廠耗能的主要設備之一?，F代寬體輥道窯產量大，用氣量大，窯爐燃燒過程的自動化控制，有助于提高燃燒效率及窯爐余熱利用效率，是陶瓷輥道窯節能減排的重要途徑之一。案例陶瓷輥道窯相關信息如下：

代表產品：全拋釉地磚產品800×800（mm）。燃料為天然氣（低位熱值8300×4.18kJ/Nm3）。窯爐溫度控制組設置100組。助燃風、天然氣均分組調控，助燃風分前后兩組風機供應。

前助燃風機提供前43組助燃風，最大產量時，（調節）組助燃風最高溫度約90℃。平均溫度60℃（僅在預熱段爐底部分換熱）。

后助燃風機主要提供后57組助燃風，最大產量時，（調節）組助燃風最高溫度約150℃，平均約130℃（僅抽配部分冷卻段余熱）。

本案例窯爐的溫度控制基于西門子S7-1500可編程序控制系統，燃燒過程控制系統采用流量串級的溫度控制方式。空燃比率自動調控。

與傳統單回路控制系統相比，增加了燃氣/助燃風的流量、溫度及壓力檢測，增加了助燃風的流量調節系統等，對天然氣及助燃風的溫度及壓力的變化引起的流量變化進行補償。

2.1信號采集及控制輸出

系統采集的主要信號包括：爐膛溫度，爐膛壓力，燃氣/助燃風流量、壓力及溫度，輸出的信號主要是燃氣/助燃風流量調節信號。

溫度檢測：熱電偶;分度號Pt100、K、S;

壓力檢測：壓力變送器。DC24V/4-20mA;

流量檢測：流量計。DC24V/4-20mA;

流量調節：模擬量調節型; 4-20mA。

2.2 主控系統

每個溫控回路涉及的模擬量十多個，加之控制回路多，總的需要處理的浮點數較多，給控制系統提出了較高的要求。本項目采用高性能、具有快速響應時間的西門子S7-1500系列高端中央處理器及接口模塊。CPU浮點數運算時間只有幾十納秒，響應時間快速，功能強大。

可編程序控制系統采用主從結構模式，分布式從站放置在現場，主控制器設置在窯爐主控室控制柜。系統模塊支持PROFINET和PROFIBUS通訊模式。現場控制組的檢測器件、執行器件信號，均直接接入到現場從站，大大減少現場布線。

2.3 系統網絡結構

現場設置三個分布式從站。主控制器設置在窯爐主控制室。上位監控計算機及HMI觸摸屏等也設置在主控制室。

主從站之間采用以太網通訊，光纖連接。并設置交換機進行數據交換。

2.4 HMI及數據中心

本項目設置操作觸摸屏，觸摸屏上實現各類常用基本操作，并顯示重要報警提示信息

上位計算機安裝Windows 10 專業版操作系統，采用西門子Wincc軟件組態監控，實現窯爐全工況模擬顯示、各類報警提示;采集、處理、記錄各類工藝參數，各類統計報表等。

其中燃燒控制部分的空燃比率監控畫面包含：

√ 燃氣燃燒溫控組空燃比監控畫面。包括：燃氣流量顯示、助燃風流量顯示、空燃比顯示、設定空燃比等

√ 空燃比率調試按鈕

2.5 控制模型及工藝配方管理

√ 介質流量計算及溫度、壓力補償的數學模型

√ 空燃比控制數學模擬

√ 空窯管理控制模型

√ 產品配方控制模型

2.6 遠程監控

系統通過連接互聯網，具備遠程網絡監控功能。通過互聯網，可以遠程電腦監控系統參數，調試系統軟件，可以修改與身份對應的相關控制參數，如控制區設定溫度、變頻器運行頻率等;通過手機APP、微信等可以遠程監控主要控制參數，接受報警信息等。

2.7 燃燒自動化控制相關

燃燒過程自動化控制還包括：助燃風壓力控制、天然氣壓力控制、燃燒器燃燒控制、爐膛壓力控制、爐膛殘氧量分析控制、助燃風換熱器保護控制、其它安全控制等。

為了減少對系統的影響，助燃風及天然氣壓力、爐膛/排煙壓力的控制，采用單回路自動控制。采用全氧化燃燒，燒成段殘氧量控制在3%-6%。

助燃風機和排煙風機均由變頻調速器驅動，通過構建 壓力變送器—壓力控制器—變頻器（風機）閉環，來控制調節助燃風壓力及爐膛/排煙壓力。更為細致、穩定的調節方式是：由風機變頻器的轉速確定壓力的范圍，在此壓力范圍下，壓力的細致調整由設置在管路上的流量調節閥調節。

可以在加熱段關鍵區域設置在線式氧量檢測系統，實時監測控制爐膛氣氛。

2.8調試及效果

本項目經反復適應性調整調試，完全適用于陶瓷輥道窯熱風助燃燃燒系統的節能減排控制。

（1）本項目綜合降耗約10%-12%，成品優等品率98%。

（針對本項目的現場狀況，經實際監測，單純的空燃比投入降低燃耗可達5 %。結合熱風助燃，綜合降耗10%-12%）

（2）空燃比率調控系統投入后，可以方便地調節控制各溫控區殘氧含量，明確區分強、弱氧化區，減少NOx及煙氣的生產量?？杖急认到y投入后，助燃風換熱系統可以全效率正常使用運行。據測算，燃燒助燃風溫度每提高100℃，降低燃耗5%左右。

（3）低溫氧化階段，爐膛氣流供氧需充足，保證爐膛煙氣約4-6%的殘氧含量，空氣過剩系數維持在平均1.2-1.4左右。高溫燒成、保溫階段，在保證完全燃燒的前提下，可以適當減少助燃風供應量，節能減排。爐膛殘氧量維持在3-3.5%左右，各組空氣過剩系數1.05-1.2左右

（4）在產品氧化溫度區間，需要充足的氧氣，氣流的變化對磚型的影響小。空氣過剩系數相對要加大，空燃比率調節范圍可以設定大些。在高溫區間，氧化已完成，溫度、氣流的變化對產品質量影響大，空氣過剩系數可以小一些，空燃比率的調節范圍也要減小，空燃比的調節相對需要更加的平穩平滑，在一些對產品品質影響特別大的溫度區間，也可以轉換為固定空氣流量的燃氣單回路調節控制。

（5）后記。

1）陶瓷產品在燒成加熱階段，預熱、氧化期間的供熱占總供熱量的大部分。而這部分的燃燒器的助燃風主要由前助燃風機提供。應盡量提高這部分燒嘴助燃風的溫度，節能效果更加明顯。

2） 目前輥道窯的助燃風預熱溫度最高可以達到300℃以上，要求所配置的燒嘴當助燃風從常溫到這種高溫變化時，都能依據給定的空燃比率，快速、均勻等混合燃燒介質，充分發揮燃燒過程自動化控制系統的能力，節能降耗。

3）陶瓷輥道窯爐空窯/疏磚時，可利用的余熱量有較大變化，造成助燃風溫度大幅度變化，進而影響產品質量。單回路溫度控制系統還沒有手段消除這種影響。只有采取燃燒過程自動化控制的自動調節系統才可以適應這種變化工況，避免對產品質量的影響。

4） 需要重點考慮高溫助燃風系統壓力損失，適當提高助燃供風壓力、減小管路阻力。在設計上需要全新的思路。包括助燃風機的工藝參數、助燃管路參數等，需要系統考慮、重新配置，才能滿足高溫熱風助燃的要求。

5）模擬量信號（DC4-20mA）輸入/輸出的現場檢測控制器件，傳輸的信號單一，易受干擾，陶瓷輥道窯檢測控制點數量多，分布廣，現場布線工作量也大。具備現場總線功能的檢測控制器件，通過現場總線的串接連接到主控系統，抗干擾能力強，而且器件設備的各類信號（輸出/輸入信號、設備狀態信號、設備位置信號等）都可以通過通訊獲取，避免繁瑣的現場布線及調試，更便于安裝、調試、運行及維護。是智能自動化控制系統的應用方向。

3陶瓷輥道窯爐工藝過程控制展望

以窯爐為基礎的系統控制大致可以分為三個層級：

直接控制/DDC，是以單個工藝參數（主要是溫度）為控制對象，以工藝參數（溫度）設定值為控制目標的。是最基礎的自動化控制

工藝過程控制/SPC，兼顧到到整條窯爐的各項工藝參數的控制，以產品燒成工藝過程為對象，以優化產品生產工藝過程為目標的。

系統控制/SCC，兼顧到車間整條生產線乃至整廠多條生產線的生產協調控制，以系統為控制對象，以協調優化整個生產體系為目標的。

當前陶瓷窯爐控制基本是停留在DDC系統控制水平。隨著爐內傳熱數學模型、傳動數學模型等的引入，控制技術、數據處理技術、控制器件及網絡軟硬件技術的發展，部分窯爐開始采用了SPC級別的工藝過程控制，極大提高了在工藝狀況變化時窯爐控制的適應性。并為以車間生產、乃至整廠生產協調控制的SCC控制方式打下基礎，可以更加科學地安排生產線資源，打造低耗、優質、高產的現代新型工廠。

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