烘爐燃燒器空燃比精細(xì)化控制研究與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

韋金溫，黃水波，羅昭堅(jiān)

（上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司，廣西 柳州 545616）

隨著國(guó)內(nèi)汽車(chē)市場(chǎng)的快速發(fā)展及制造企業(yè)環(huán)境保護(hù)社會(huì)責(zé)任的提高，汽車(chē)制造過(guò)程中的降低碳排放和節(jié)能降耗工作顯得尤為突出。在汽車(chē)整車(chē)制造過(guò)程中，天然氣耗量占比總能耗約50%～60%，對(duì)天然氣使用過(guò)程中的燃燒效率、碳排放控制等精細(xì)化控制研究與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用改造是一個(gè)非常重要的話題。烘爐燃燒器空燃比精細(xì)化控制不僅可以節(jié)省能源，還可以改善烘爐的工作效率和品質(zhì)。本文將詳細(xì)討論某整車(chē)工廠涂裝車(chē)間烘爐系統(tǒng)燃燒器空燃比精細(xì)化控制的研究與現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用改造。

烘爐系統(tǒng)是目前整車(chē)涂裝生產(chǎn)線一個(gè)常規(guī)的烘干設(shè)備，研究烘爐燃燒器精細(xì)化控制，是提高燃燒器燃燒效率降低碳排放，減少天然氣耗量，進(jìn)一步降低車(chē)間運(yùn)行成本的重要方法。

1 當(dāng)前使用的燃燒器控制方式分析

本文所研究的車(chē)間目前在用燃燒器空燃比的控制方式（圖1），僅單獨(dú)控制燃?xì)饣蚩諝獾牧髁?。此控制方式存在缺陷：①空氣量控制閥為機(jī)械連桿機(jī)械，空燃比固定無(wú)法調(diào)節(jié)，無(wú)法單獨(dú)精細(xì)調(diào)整空氣和燃?xì)忾_(kāi)度；②在調(diào)整燃燒器的空燃比時(shí)，需通過(guò)調(diào)整燃燒器內(nèi)部的執(zhí)行器連桿，維修難度大；③當(dāng)氣源、管路組件、過(guò)濾器等有變化時(shí)，因?yàn)槭菣C(jī)械連桿連接，無(wú)法對(duì)空氣量進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié)；④機(jī)械連桿控制空氣量方式為被動(dòng)控制方式，PLC 通過(guò)PID 信號(hào)輸出控制天然氣的開(kāi)度，間接控制空氣量的開(kāi)度，空氣量的變化為非線性變化；⑤因無(wú)法單獨(dú)調(diào)整燃燒器的空氣和燃?xì)忾y門(mén)開(kāi)度，無(wú)法實(shí)現(xiàn)不同閥門(mén)開(kāi)度情況下仍能保證燃燒器處在最佳空燃比狀態(tài)運(yùn)行。

圖1 燃燒器單比調(diào)控制方式示意圖

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試跟蹤測(cè)量涂裝車(chē)間燃燒器燃燒效率，以期找到提高燃燒效率、降低碳排放的方法。以B 線烘爐燃燒區(qū)4 區(qū)為例，該燃燒器閥門(mén)開(kāi)度運(yùn)行平穩(wěn)在15%～40%，工藝設(shè)定溫度為154 ℃，實(shí)際溫度在152～158 ℃小幅度波動(dòng)，CO 含量測(cè)試如圖2 所示。主要的調(diào)試方法和思路見(jiàn)表1。

表1 提高燃燒器燃燒效率和降低碳排放的調(diào)試方法和思路

圖2 B 線面漆烘爐4 區(qū)燃燒器不同閥門(mén)開(kāi)度尾煙CO 含量趨勢(shì)

抽查檢測(cè)調(diào)試類(lèi)似的燃燒器，發(fā)現(xiàn)燃燒器在5%～45%的中小開(kāi)度區(qū)間一氧化碳CO 含量高，燃燒不充分有節(jié)能和降低碳排放改善空間，如圖3 所示。

圖3 不同燃燒器不同閥門(mén)開(kāi)度尾煙CO 含量趨勢(shì)

通過(guò)對(duì)多臺(tái)燃燒器的調(diào)整驗(yàn)證，對(duì)于單一比調(diào)控制的燃燒器，無(wú)法通過(guò)調(diào)試手段降低尾煙CO 含量（即無(wú)法通過(guò)調(diào)試提高燃燒效率）。

2 燃燒器空燃比精細(xì)化控制方式研究

在堅(jiān)持安全和運(yùn)行穩(wěn)定基礎(chǔ)上，采用燃?xì)夂涂諝饬糠謩e精細(xì)化控制的方法和裝置（圖4），在燃燒器運(yùn)行過(guò)程中，獲取的多個(gè)最佳空燃比數(shù)據(jù)，根據(jù)空燃比數(shù)據(jù)生成控制曲線。燃燒器控制系統(tǒng)可根據(jù)控制曲線，自主控制空氣閥門(mén)和燃?xì)忾y門(mén)開(kāi)度。

圖4 燃燒器精細(xì)化控制方式示意圖

技術(shù)方案設(shè)計(jì)：PLC 分別控制的燃燒器空氣閥門(mén)和燃?xì)忾y門(mén)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，空燃比可根據(jù)預(yù)制算法進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，單獨(dú)精細(xì)調(diào)整空氣和燃?xì)忾_(kāi)度?？諝忾y設(shè)計(jì)安全感應(yīng)裝置：當(dāng)點(diǎn)火前準(zhǔn)備階段時(shí)，需要空氣量控制閥打到最大狀態(tài)，用新空氣進(jìn)行充分的吹掃，以確保燃燒器爐膛內(nèi)無(wú)殘余的天然氣，確保安全性。算法在ABPLC 內(nèi)做成指令，固定算法，防止被篡改。

設(shè)計(jì)燃燒器空氣量控制閥門(mén)機(jī)構(gòu)，根據(jù)車(chē)間烘爐燃燒器進(jìn)空氣口進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用45#鋼進(jìn)行閥門(mén)閥體加工，閥板轉(zhuǎn)軸部分使用銅套作為連接，防止軸的磨損；閥尾部設(shè)計(jì)可安裝檢測(cè)開(kāi)關(guān)位置，在閥門(mén)打開(kāi)時(shí)，行程開(kāi)關(guān)可通過(guò)位置檢測(cè)開(kāi)關(guān)反饋閥門(mén)開(kāi)到位的狀態(tài)，PLC 采集該信號(hào)進(jìn)行吹掃控制。該燃燒器空氣量執(zhí)行機(jī)構(gòu)由PLC 控制。

執(zhí)行器部分采用執(zhí)行器SQM41.241A21 作為動(dòng)力，該執(zhí)行器可提供0～90°的閥門(mén)開(kāi)關(guān)動(dòng)力，且控制精度高。

控制方式：使用PLC 的本地模擬量輸出模塊1756-OF8A 輸出4～20 mA 模擬量進(jìn)行控制，控制輸出為4 mA 時(shí)，閥門(mén)輸出為0 開(kāi)度，當(dāng)控制模塊輸出為20 mA時(shí)，閥門(mén)控制輸出開(kāi)度為90°（全開(kāi)狀態(tài)）。

算法設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)程序?yàn)橐粋€(gè)單獨(dú)調(diào)用的子程序，采集20 個(gè)天然氣開(kāi)度做為樣本，單獨(dú)計(jì)算調(diào)整每個(gè)天然氣下的空氣開(kāi)度需要量，生成多點(diǎn)線性曲線給出的控制曲線。

數(shù)據(jù)采集：使用尾氣檢測(cè)儀器檢測(cè)燃燒尾煙的CO和NOx含量，同時(shí)調(diào)整燃?xì)忾y門(mén)開(kāi)度和空氣閥門(mén)，當(dāng)檢測(cè)到較低數(shù)值的CO 和NOx含量時(shí)，記錄下此時(shí)對(duì)應(yīng)的燃?xì)忾_(kāi)度點(diǎn)和空氣開(kāi)度點(diǎn)。該組燃?xì)忾_(kāi)度點(diǎn)和空氣開(kāi)度點(diǎn)為一組最佳的空燃比比例點(diǎn)，同樣的方法可得到不同閥門(mén)開(kāi)度下多組最佳的空燃比比例點(diǎn)（圖5）。

圖5 多組最佳空燃比比例點(diǎn)

算法：①啟動(dòng)階段，按照燃?xì)忾y的狀態(tài)進(jìn)行跟隨動(dòng)作，將空氣閥控制開(kāi)啟到最大進(jìn)行吹掃。②點(diǎn)火正?？刂齐A段，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)得的空燃比數(shù)據(jù)進(jìn)行多段非線性控制。③多點(diǎn)線性曲線給出的控制曲線的計(jì)算，以上一個(gè)區(qū)間、下一個(gè)控制區(qū)間為線性控制點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算以燃?xì)恻c(diǎn)1 與燃?xì)恻c(diǎn)2 為例進(jìn)行計(jì)算的演示如下。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量已知量為天然器開(kāi)度1、空氣閥開(kāi)度1，該點(diǎn)為該開(kāi)度的最佳空燃比點(diǎn)，變量名簡(jiǎn)稱(chēng)為Gas_Simple[1]與Air_Actul[1]，下一組所測(cè)的開(kāi)度點(diǎn)為Gas_Simple[2]與Air_Actul[2]。

計(jì)算兩點(diǎn)之間其他開(kāi)度的值時(shí)，設(shè)定其他2 點(diǎn)之間為線性變化，根據(jù)一次函數(shù)方程式y(tǒng)=factor（a）x+factor（b）可得出以下計(jì)算公式，分別求出一次函數(shù)中的factor（a）與factor（b）的值

最終得出

依此類(lèi)推，取20～50 個(gè)點(diǎn)，輸入程序內(nèi)，自動(dòng)生成程序的控制線性曲線。

程序的梯形圖如圖6 所示。

圖6 燃燒器精細(xì)化控制PLC 算法梯形圖

3 燃燒器空燃比精細(xì)化控制應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)烘爐系統(tǒng)中，原燃燒器燃控制方式，空氣量控制為機(jī)械連桿控制，空燃比固定無(wú)法調(diào)節(jié)，無(wú)法單獨(dú)精細(xì)調(diào)整空氣和燃?xì)忾_(kāi)度，燃燒效率低，尾煙CO含量高。

在涂裝車(chē)間32 套烘爐燃燒器中完成空燃比精細(xì)化控制改造應(yīng)用，利用多點(diǎn)曲線擬合算法，取燃燒器天然氣開(kāi)度的20～50 個(gè)點(diǎn)，單獨(dú)計(jì)算每個(gè)點(diǎn)的最佳燃燒空氣比例佳，利用兩點(diǎn)間線性的比例計(jì)算方法，計(jì)算出燃燒器天然氣從開(kāi)度0%到100%的曲線，每個(gè)天然氣開(kāi)度對(duì)應(yīng)1 個(gè)空氣開(kāi)度，從而達(dá)到精確控制最佳空燃比。同時(shí)設(shè)計(jì)如圖7 所示的空氣量控制閥加裝到燃燒器中，確?？諝夂腿?xì)忾y開(kāi)度可單獨(dú)精細(xì)調(diào)整。

圖7 燃燒器精細(xì)化控制PLC 算法梯形圖

實(shí)際應(yīng)用證明：燃燒器精細(xì)化控制方式，相比于原有被動(dòng)空氣量控制閥板執(zhí)行機(jī)構(gòu)，空燃比可根據(jù)上面所示算法進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，單獨(dú)精細(xì)調(diào)整空氣和燃?xì)忾_(kāi)度，燃燒效率高，尾煙中的CO 含量保持在較低水平。

4 燃燒器空燃比精細(xì)化控制節(jié)能效果跟蹤

本文跟蹤驗(yàn)證車(chē)間32 套燃燒器空燃比精細(xì)化控制改造應(yīng)用數(shù)據(jù)。對(duì)某套燃燒器技術(shù)改造前后的燃?xì)夂牧俊⑽矡烠O 含量進(jìn)行對(duì)比記錄，改造后單套燃燒器每小時(shí)約有2.8 m3燃?xì)夤?jié)省量（圖8）、不同閥門(mén)開(kāi)度下CO 含量保持在10 ppm 以下（圖9）。32 套燃燒器改造完成折合年節(jié)約燃?xì)?7 萬(wàn)余m3，節(jié)能效益達(dá)156.8 萬(wàn)元。

圖8 單套燃燒器改造前后平均每小時(shí)燃?xì)夂牧繑?shù)據(jù)對(duì)比

圖9 某套燃燒器精細(xì)化控制改造前后尾煙數(shù)據(jù)對(duì)比

5 結(jié)論

本文通過(guò)燃燒器空燃比精細(xì)化控制改造在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，改造前后燃燒器在同等工況下每小時(shí)燃?xì)夂牧亢臀矡烠O 含量數(shù)據(jù)對(duì)比，說(shuō)明燃燒器空燃比精細(xì)化控制可有效提高燃燒器的燃燒效率、節(jié)約燃?xì)夂牧俊⒔档吞寂欧拧?/p>