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1、钢管学会五届三次年会论文集一节能减排时序脉冲燃烧控制技术在衡钢回火炉上的应用肖劲松，黄建荣( 衡阳钢管( 集团) 有限公司，湖南衡阳4 2 1 0 0 1 )摘要：为了克服传统的燃烧控制方式受测量和调节环节的影响，衡钢1 号回火炉燃烧控制系统采用时序脉冲燃烧控制技术来控制回火炉的炉膛温度。重点介绍了该系统的组成、工作原理及动态性能，由于它具有控制温度波动小、节约燃料等优点，因此具有广泛的推广价值。关键宇：时序脉冲；P I D 指令；烧嘴控制器：动态性能；占空比；定时器O 前言在传统的双交叉限幅串级燃烧控制技术中，给加热炉加热一般是通过调节燃料和空气的流量使之充分混合、燃烧来完成的，即在加热的过
2、程中，燃料和空气的流量是连续配比变化的。这种燃烧控制方式技术成熟、应用广泛，但对于“小流量”的控制存在缺陷，造成控温精度的偏差较大，炉内温度场的分布不均匀，难以满足具有特殊要求的热处理工艺的需要。为了解决这个问题，国内外一些专家自8 0 年代中期即开始对时序脉冲燃烧控制技术进行了研究和应用。这种控制系统是通过控制烧嘴的燃烧时序和燃烧时间来控制炉膛温度。由于它具有动态性能好、控制温度波动小、节约燃料等优点，近年来，因而得到了广泛的重视和应用。本文以衡钢l 号回火炉时序脉冲燃烧控制系统为例，重点介绍这种控制系统的组成和控制原理。l 工艺简介衡钢1 号回火炉是2 0 0 6 年由北京凤凰工业炉有限公
3、司承建的，达到国内先进水平。该回火炉使用天然气作燃料，采用直火加热的方式对钢管进行回火处理。根据工艺对管材回火的要求，回火炉要保持在炉长方向的温度梯度以及在炉宽方向的温度均匀性。炉子分为3 个供热段共9 个区，其中1 、2 、3 区为加热一段，温度控制在5 3 0 ；4 、5 、6 区为加热二段，温度控制在5 7 0 ：7 、8 、9区为均热段，温度控制在5 6 0 。钢管在炉内步进梁的带动下，以一定的速度由预热段( 不供热段)进入，从7 、8 、9 区输出。按照设计要求，该炉所用天然气热值为80 0 0 4 1 8k J N m 3 ，压力为80 0 0P a 。每区各有5 个烧嘴，全部燃烧
4、时天然气总管最大流量为14 0 0N m 3 h 左右。为了满足工艺要求，各区采用了时序脉冲燃烧控制系统。由于各区控制系统在设计上基本是一样的，为此，本文仅以5区为例介绍时序脉冲燃烧控制系统的组成和控制原理。2 控制系统2 1 组成及工作原理控制系统的硬件结构如图l 所示。其工作原理如下：炉子各区的温度是通过上位机设定的，其设定的温度与热电偶检测到的炉子实际温度进行比较，并通过s 7 4 0 0 P L C 中的P I D 指令计算出各区对应的P I D 输出值，这个输出值的大小是一个对应的O 1 0 0 的实数。这个实数经过S 7 4 0 0 P L C产生一系列时序脉冲信号，并根据输入实数
5、信号的大小计算出时序脉冲信号的占空比，进而控制不3 2 4钢管学会五届二三次年会论文集一节能减排同的烧嘴控制器，再由烧嘴控制器控制烧嘴燃烧，使它们按照一定的时序点燃或熄灭，达到控制回火炉温度的目的。图l 控制系统硬件结构示意2 2 软件设计在时序脉冲燃烧控制系统中，烧嘴何时点燃是由时序脉冲信号控制的，而烧嘴的燃烧时间是由设定温度和炉子实际温度的偏差的P I D 计算输出值决定的。因此如何产生时序脉冲信号以及如何控制烧嘴的燃烧时间是时序脉冲燃烧控制系统需要解决的关键性技术问题。为了确保系统的可靠性，该控制系统采用S 7 4 0 0 P L C 控制系统来生成时序脉冲信号和控制烧嘴的燃烧时间。5
6、区共有5 个烧嘴，均匀分布在炉子该区的侧墙。S 7 4 0 0 P L C 使用5 个定时器T l 、1 2 、T 3 、T 4 、T 5 分别控制1 号、3 号、5 号、2 号、4 号5 个烧嘴，烧嘴点燃次序，l 按先后排序依次对应为l 号、3 号、5 号、2 号、4 号5 个烧嘴。定时器的预置值是通过P I D 输出值与燃烧周期相乘以后得到的数值。定时器的使能端( e n a b l e ) 是通过S 7 - 4 0 0 P L C 的一个中间变量( 即烧嘴点燃次序以) 的信号状态来启动的，即当烧嘴点燃次序，l 为l 时，定时器T l 被置位，点燃l 号烧嘴；当烧嘴点燃次序n为2 时，定时
7、器T 2 被置位，点燃3 号烧嘴；依此类推，当烧嘴点燃次序n 为5 时，定时器T 5 被置位，点燃4 号烧嘴。图2 为一个循环的程序流程框图。图2 时序脉冲信号产生的流程图2 中，程序经初始化启动后，计时时间和烧嘴点燃次序n 被清零，当第一个脉冲到来时，执行第2 个判断Y 以后的程序，烧嘴点燃次序，l 为l ，定时器T 1 被置位，其他定时器保持原来状态不3 2 5钢管学会血届t 次年会论文集一节能减排变。第1 个脉冲过去后，执行第2 个判断N 以后的程序，各烧嘴点燃次序的状态将维持2 4S 。第2个脉冲到来时，烧嘴点燃次序，l 为2 ，定时器T 2 被置位，其他定时器保持原来状态不变。第2
8、个脉冲过去后，各烧嘴点燃次序的状态仍将维持2 4S ，当第5 个脉冲过去后，计时时间将达到1 2 0s ，程序执行两个判断Y 以后的程序，重新置位T 1 ，开始下一个循环。由程序流程图产生的各个烧嘴点燃次序及各个定时器的信号状态如图3 所示。图3 各烧嘴点燃次序和定时器信号状态图图3 中烧嘴点燃次序疗按时间先后排序依次对应为l 号、3 号、5 号、2 号、4 号5 个烧嘴，定时器的信号状态即是烧嘴的工作状态。每个烧嘴经过T = 1 2 0S 被循环点燃一次。时间t 即是烧嘴的燃烧时间，是由P I D 指令计算出的输出值控制的。上图表示本炉区的供热量在5 0 的情况下，每个烧嘴控制脉冲的O N
9、O F F 时序图。很显然，当要求热负荷由最小变到最大或者相反时，只要在固定的脉冲周期下，调整烧嘴控制脉冲的O N O F F 时间即t ，就可以达到调整热负荷的目的。2 3 燃烧控制器及烧嘴的工作原理由于在时序脉冲燃烧控制系统中，烧嘴要被频繁地点燃和熄灭，这就要求燃烧控制器和烧嘴要有快速的响应能力，这是决定该控制系统是否可靠和实用的一个重要因素。衡钢1 回火炉采用德国K R O MS C H R O D E R 公司生产的I F S 2 5 8 型烧嘴控制器和T Z l 5 型点火变压器。每个烧嘴使用的天然气和空气是由单独的天然气支管路和空气支管路提供的。并分别安装着燃气电磁控制阀和空气电磁
10、控制阀。每个烧嘴由一个烧嘴控制器控制，其控制系统线路原理如图4 所示。工作原理如下：合上K l 后，打开烧嘴控制器面板开关，其绿灯亮，表示准备就绪。当端子3得到来自P L C 的点火信号后，烧嘴控制器端子1 0 得到信号启动点火变压器T 在高压线圈上产生的5 0 0 0 V 高压，并通过点火电极Z 放电，同时I F S 2 5 8 打开燃气电磁控制阀L 1 和空气电磁控制阀L 2 ，燃烧控制器通过检测电极I 在5 s 内检测烧嘴是否被点燃，如检测到火焰信号，则点火过程结束：如未被点燃，则切断燃气电磁控制阀L 1 和空气电磁控制阀L 2 ，同时端子8 和端子9 闭合，中间继电器J K l 得电，
11、使J K I - 1 吸合，烧嘴故障信号送往P L C ；S 7 4 0 0 P L C 根据J K l 是吸合的还是断开的来判断烧嘴是熄灭的还是点燃的，触点S I 是由S 7 - - 4 0 0 P L C 输出模块控制的，即是由图3 中的某一个计时器控制的。当计时器达到预置值时，计时器复位，s l 断开，燃气电磁控制阀L 1 和空气电磁3 2 6钢管学会血届t 次年会论文集一节能减排控制阀L 2 关闭，烧嘴熄灭。图4 中，检测回路是根据燃气在燃烧时具有导电性的原理来工作的。当烧嘴点燃时，由于天然气在燃烧时具有导电性，该输出端对地形成回路，并产生一个大于2 衅的电流，燃烧控制器以此来判断烧嘴
12、是点燃的还是熄灭的。此外，烧嘴前所使用的天然气的压力控制在2k P a 左右为宜；空气压力控制在3k P a 左右为宜。这样可以防止高压脱火、易于点燃。L 1 燃气电磁控制阀L 2 一空气电磁控制阀K l 一电源开关T _ 一点火变压器J K l 一远传报警中间继电器 S 1 、R l 一点火信号、复位信号( 来自P L c ) 二一点火电极蝴测电极B C 烧嘴控制器图4 烧嘴控制器线路原理2 4 天然气和空气流量配比的控制在使用天然气作燃料的燃烧控制系统中，天然气和空气只有按一定的比例混合才能充分燃烧。在时序脉冲燃烧控制系统中，同样因为烧嘴要被频繁地点燃和熄灭，因此要求天然气的流量在随空气流
13、量变化时要有快速的跟随性。这是保证控制系统能否达到工艺要求的另一个重要因素。衡钢l号回火炉采用了德国K R O MS C H R O D E R 公司生产的M K 5 型燃气电磁控制阀来实现天然气的开启、关断功能，并采用该公司的气动比例调节阀来调节天然气的流量。即当电磁阀得电时缓慢打开，而失电时快速关断。这样可以防止天然气电磁阀在打开的瞬间天然气流量波动太大造成危险。由于一根管道内，当管道内的流量增大时，压力也会增大；气动比例调节阀通过一个连接管路和空气管路相连，当空气电磁控制阀打开后，空气管内的压力通过连接管路传到气动比例调节阀，这样空气管内的压力就控制着了气动比例调节阀后的燃气压力，控制了
14、燃气压力，也就控制了燃气流量，这样空气流量变化时专空气压力变化专燃气压力变化专燃气流量变化，并且这种变化是同方向性的，即空气量f 一燃气量f ，空气量I 一燃气量l 。这样，燃气流量跟随空气流量近似比例变化。使用气动比例控制方式控制空气和天然气流量的配比，可以减少中间控制环节，提高系统的快速响应能力。2 5 炉压控制为了确保回火炉炉膛内具有良好的燃烧气氛，该炉在烟道安装了炉压控制装置，即在烟气排放通道上安装了一个挡板，通过调整挡板的开度来控制炉压。挡板是由气动执行机构驱动的。S 7 4 0 0 P L C 控制系统的P I D 指令的输出值经转换为相应的4 2 0m AD C 电流，通过正作用
15、方式来调整挡板开度。实现炉膛压力控制在5 8P a 范围内。有关P I D 算法方程式为：3 2 7钢管学会血届t 次年会论文集一节能减排C 弘= 疋( J E 沣1 ，死ro t E d t + T a d E 由) + D I S V式中，K 为控制器增益；五为积分时间；乃为微分时间；P V 为过程变量：E 为偏差( 泸P y ) ；D I S V为偏置量；C V 为控制变量；d f 为回路更新时间。3 动态性能分析动态性能好坏是衡量一种控制系统质量好坏的重要标志。从对图3 的分析可以看出，时序脉冲燃烧控制系统可以实现连续燃烧和脉冲燃烧两种状态。在一个周期T ( 1 2 0s ) 内，烧嘴
16、燃烧的时间为t ，而t = - T C V ，C V ：P I D 运算结果的输出值，范围0 1 0 0 。当C V = 1 0 0 时，t = - T ，即在一个周期内，烧嘴一直燃烧着，此时即为连续燃烧的过程；当C V 1 0 0 时，t T ，此时在一个周期内有丁段时间为烧嘴处于熄灭状态，这时即为脉冲燃烧状态；当C V - - O 时，t = O ，即在整个周期丁内，烧嘴都为熄灭状态，这时炉内全部烧嘴熄灭。在自动调节过程中，绝大部分时间内，0 C V 1 0 0 ，即绝大部分时间内为脉冲燃烧过程，由于采用的为亚高速烧嘴，烧嘴喷出的火焰的气流速度较高，在炉内起到搅动作用，从而使炉内温度均匀。从等效的控制器作用来看，时序脉冲燃烧控制系统相当于一种变比例、变积分的P I D 控制，当实际温度远远低于设定温度时，系统给出最大输出，相当于比例作用增强，积分作用减弱，控制系统通过连续燃烧使炉子获得最快的升温速度。同时，当温度偏差较小时，烧嘴处于脉冲燃烧状态，相当于比例作用减弱，
