时序脉冲燃烧控制系统在北台厂退火炉上的应用

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近年来，随着燃烧控制技术的不断发展，一些热值较高的燃料(如：天然气、重油等)被逐步应用于热处理工艺中。在传统的燃烧控制方式中，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，即在加热的过程中，燃料和空气的流量是连续变化的。但在燃料热值较高的情况下，使用少量的燃料就可以满足热处理工艺的要求，因此燃料和空气的流量都比较小，输送燃料的管路截面也比较小，如果采用连续燃烧的方式进行控制，控制燃料流量的碟阀就要做得很小，而控制系统的响应能力无法满足流量变化的需要，因此控制温度的误差是很大的。为了解决这个问题，国外一些专家自80年代初即开始对时序脉冲燃烧控制系统进行了研究和应用。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子的温度。由于它具有动态性能好、控制温度波动小、节约燃料等优点，因而得到了广泛的重视和应用。我国自90年代初开始引进这项新技术，经实际应用验证，效果良好，具有较大的推广价值。下面以北台球墨铸铁管厂退火炉时序脉冲燃烧控制系统为例，介绍这种控制系统的组成和控制原理。

1、工艺简介

北台球墨铸铁管厂退火炉是1994年从德国IOB公司引进的，具有世界先进水平。该退火炉使用混合煤气作燃料，采用直火加热的方式对球墨铸铁管进行退火。炉子的结构为卧式，共有6个区，其中1区为加热区，温度控制在1010℃；2、3区为保温区，温度控制在970℃；4区为冷却区；5、6区为低温区，温度控制在700℃。管子在炉内运输链的带动下，以一定的速度由1区进入，从6区输出。按照设计要求，北台球墨铸铁管厂所用煤气热值为9200kJ/m3，压力为8000Pa。由于管子在1、2、3区进行了加热处理，到达5区时温度仍然在500℃以上，因此5、6区的热负荷较低，所用煤气的流量较小。5区共有4个烧嘴，全部燃烧时煤气总流量为250m3/h左右。6区共有6个烧嘴，全部燃烧时煤气总流量为350m3/h左右。5区煤气管路直径为100mm，6区煤气管路直径为120mm。为了满足工艺要求，5、6区采用了时序脉冲燃烧控制系统。由于5、6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简图如图1所示。

图1 控制熊硬件结构简图
其工作原理如下。炉子的温度是通过PI调节器设定的。PI调节器对设定的温度与热电偶检测到的炉子实际温度进行采样，并按照PI算法(即比例、积分算法)计算出偏差值，由偏差值的大小输出一个4～20mA的电流信号。这个电流信号经过A/D转换器转换成数字量以后，送给S5－115UPLC控制系统。S5－115U产生一系列时序脉冲信号，并根据输入数字量的大小控制不同的燃烧控制器和烧嘴，使它们按照一定的时序点燃或熄灭，进而控制退火炉的温度。图1中，PI调节器采用PHILIPS公司的KS4290系列数字式调节器。这种调节器是PHILIPS公司于90年代初生产的新型智能化调节器，可以实现正偏差和负偏差两种调节方式，即当PI算法计算出的偏差值为正时，调节器工作在正偏差调节方式，输出电流在12～20mA之间变化。当PI算法计算出的偏差值为负时，调节器工作在负偏差调节方式，输出电流在4～12mA之间变化。S5－115U可以根据A/D转换器输出的数字量的大小来识别调节器工作在哪一种调节方式。当调节器工作在负偏差调节方式，并且炉子的温度高于工艺要求的温度范围时(5区的温度范围为690～710℃，高于温度范围是指高于710℃)，S5－115U熄灭所有的烧嘴，并打开冷却装置对退火炉实施冷却。

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S5－115UPLC控制系统来生成时序脉冲信号和控制烧嘴的燃烧时间。

5区共有4个烧嘴，对称分布在炉内两侧。S5－115U使用4个扩展脉冲计时器T0、T1、T2、T3分别控制1＃、2＃、3＃、4＃4个烧嘴。计时器的计时值是通过A/D转换器转换以后得到的数值。计时器是通过S5－115U的一个中间标志字节FY29的4个标志位的信号状态来启动的，即当标志位FY29.3的信号状态为1时，启动计时器T3，点燃4＃烧嘴；当标志位FY29.2的信号状态为1时，启动计时器T2，点燃3＃烧嘴；依此类推，当标志位FY29.0信号状态为1时，启动计时器T0，点燃1＃烧嘴。为了使标志位的信号状态能依次被置位和复位，进而产生时序脉冲信号，图2为一个循环的程序流程框图。

图2 产生时序脉冲信号流程图
图2中，占空比为0.1s∶5s的脉冲信号，指脉冲信号为1时的时间值为0.1s，脉冲信号为0时的时间值为5s。当脉冲1到来时，执行第1个判断Y以后的程序，FY29.3置位为1，FY29.2、FY29.1、FY29.0为0。第1个脉冲过去后，执行第1个判断N以后的程序，各标志位的状态将维持5s。第2个脉冲到来时，信号状态为1的位，将由FY29.3移至FY29.2，FY29.3将由0补充。同时，由于执行了第2个判断N以后的程序，将不再置位FY29.3。FY29.1、FY29.0仍为0。第2个脉冲过去后，这个状态仍将维持5s，……当第5个脉冲到来时，将执行两个判断Y以后的程序，重新置位FY29.3，开始下一个循环。由程序流程图产生的各个标志位及各个计时器的信号状态如图3所示。

图3 各标志和计时器信号状态图
图3中各标志位置位的时序即是各烧嘴被依次点燃的时序，计时器的信号状态即是烧嘴的工作状态。每个烧嘴经过20s被循环点燃一次。时间t即是烧嘴的燃烧时间，是由PI调节器计算出的温度偏差值控制的。

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。北台球墨铸铁管厂退火炉采用德国KROMSCHRODER公司于90年代初研制生产的IFS110IM型燃烧控制器。烧嘴采用该公司同期生产的ZKIH20/10型点火烧嘴以及与之配套使用的LBY70型燃烧烧嘴。点火烧嘴安装在燃烧烧嘴的内部，它使用的煤气和空气是由辅助煤气管路和辅助空气管路提供的。辅助煤气管路和辅助空气管路上分别安装着辅助煤气阀和辅助空气阀，其中辅助空气阀是一个手动控制阀，一般情况下始终是打开的。燃烧烧嘴使用的煤气和空气是由主煤气管路和主空气管路提供的。主煤气管路和主空气管路上分别安装着主煤气阀和主空气阀。每个烧嘴由一个燃烧控制器控制，其控制系统线路原理如图4所示。