CN103836642B - 一种燃气炉多烧嘴脉冲燃烧控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种燃气炉多烧嘴脉冲燃烧控制方法。该控制方法的关键是通过控制器计算设定温度与燃气炉内的实际温度的差值，将温差信号通过PID计算并结合烧嘴工作的最大工作周期转换为多时序可变脉冲信号，作为控制信号输出。所述多时序可变脉冲信号根据加热方式的不同控制空气阀和燃气阀的开闭状态，并且控制烧嘴控制器的工作周期。该方法使烧嘴按照一定的规律燃烧，从而有效控制燃烧温度，保证燃气炉内的温度均匀性，提高燃烧效率。

Description

一种燃气炉多烧嘴脉冲燃烧控制方法

技术领域

本发明涉及一种烧嘴燃烧方法，特别是一种热处理燃气炉多烧嘴脉冲燃烧方法。

背景技术

随着工业天然气燃料的广泛使用，燃气炉种类和数量不断增加，传统的烧嘴燃烧控制方法已很难适应更高的热处理温度工艺要求。

目前在燃气炉燃烧控制方面，主要采用火焰连续控制和大小火控制两种方式。大小火燃烧控制又分为简单的通断脉冲燃烧和固定脉宽燃烧，前者缺少热能的有序有规则分配，只能满足一部分燃气炉温控要求，后者在均衡燃烧方面有一定的不足。

要实现较高热处理工艺要求，采用上述的燃烧控制方法，在很多燃气低温炉上，无法达到温度均匀性要求。

发明内容

本发明的目的是为燃气炉提供一种新的烧嘴脉冲燃烧方法，该方法基于热能的数字化分配规则，能够实现燃气炉的加热控制和冷却控制。

本发明的技术方案如下：

一种燃气炉多烧嘴脉冲燃烧控制方法，包括以下步骤：

a.设置温度传感器，通过所述温度传感器测量燃气炉内的实际温度；

b.设置控制器，采集所述温度传感器测量得到的燃气炉内的实际温度，并输入设定温度以及设定烧嘴工作的最大工作周期、最小工作周期；计算燃气炉内实际温度与所述设定温度的温差信号，并将所述温差信号通过PID计算并结合烧嘴工作的最大工作周期转换为多时序可变脉冲信号输出；

c.分别设置燃气阀、空气阀；当控制器设定为脉冲加热控制方式时，所述多时序可变脉冲信号控制空气阀和燃气阀同时开闭；当控制器设定为脉冲冷却控制方式时，燃气阀常闭，所述多时序可变脉冲信号控制空气阀的开闭；

d.设置烧嘴控制器，所述多时序可变脉冲信号为高电平时，烧嘴控制器在所述控制器的控制下点小火并进行火焰检测，维持烧嘴燃烧。

其进一步的技术方案为：所述步骤b中，将温差信号转换为多时序可变脉冲信号输出的方法如下：

通过PID计算公式（1）将温差信号转换为功率百分比信号：

$u\left(t\right)=K_{p}e\left(t\right)+K_i\∫e\left(t\right)\mathrm{dt}+K_d\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

式（1）中u(t)为输出的功率百分比信号，e(t)为设定温度和实际温度的差值，K_p、K_i、K_d分别为比例常数、积分常数、微分常数；

通过式（2）将功率百分比信号u(t)转换为控制烧嘴工作的多时序可变脉冲信号的脉冲宽度Ton：

Ton=u(t)Tonmax（2）

式（2）中Tonmax为烧嘴工作的最大工作周期，u(t)的取值为0～100%，当u(t)小于5%时，燃烧炉工作不稳定，脉冲信号关闭，烧嘴不燃烧；

脉冲宽度Ton的取值范围为Ton=（0，K₁P），多时序脉冲的工作时间间隔为：Tr=K₂Pe^1-p，其中P为输出功率，K₁、K₂为常数，K₁的取值范围为60～100，K₂的取值范围为5～15。

其进一步的技术方案为：相邻两个烧嘴的工作时间间隔大于零。

其进一步的技术方案为：当所述脉冲的时序转换时，所述控制器将多个烧嘴燃烧顺序定时由顺时序转换为逆时序，或由逆时序转换为顺时序。

本发明的有益技术效果是：

在本发明中，脉冲信号的宽度Ton随温差信号而变化，相邻脉冲时间间隔Tr也是变化的，这使得烧嘴大火时间不是固定不变的，所以炉内燃烧在时间上和空间上比较均衡，比较节约能源。在燃烧中，炉内气氛搅拌混合比较充分，热交换程度热烈，炉内温度均匀性好。而且这种脉冲控制方法适合高低温炉的燃烧控制。

多烧嘴燃烧炉采用本方法后，也避免了同一时间有2个及以上烧嘴的工作时间完全重合，可以避免空气燃气压力剧烈波动。另外，多烧嘴的工作时序可以定时自动在顺时序燃烧和逆时序燃烧两种情况中自动改变，提高了热效率和热量的交换。

附图说明

图1是本发明的控制***组成框图。

图2是一种烧嘴布置的实施例示意图。

图3-a是输出功率为100%满功率时的时序脉冲分配图。

图3-b是输出功率为满功率的75%时的时序脉冲分配图。

图3-c是输出功率为满功率的50%时的时序脉冲分配图。

图3-d是输出功率为满功率的10%时的时序脉冲分配图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

本发明针对燃气炉中多个烧嘴的控制提出了一种新的控制方法，不涉及基本的单个烧嘴的燃烧控制情况。每个烧嘴能正常燃烧，需要空气阀和燃气阀分别提供空气和燃气，并保证一定合理的空燃比，还需要烧嘴控制器提供点火和火检等功能。

在烧嘴工作前，设定烧嘴燃烧的最大工作周期时间Tonmax和最小工作周期时间Tonmin。

如图1所示，控制器接收到温度传感器测量的实际温度后，与设定温度对比，得到温差信号，进行PID计算，输出一个功率百分比信号。其控制规律为：

$u\left(t\right)=K_{p}e\left(t\right)+K_i\∫e\left(t\right)\mathrm{dt}+K_d\frac{\mathrm{de}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

其中：u(t)为输出的功率百分比信号，e(t)为设定温度和实际温度的差值，K_p、K_i、K_d分别为比例常数、积分常数、微分常数，K_p、K_i、K_d三个常数可由实验凑试法确定。首先将K_p调至一个较小值，逐渐增大K_p，观测响应曲线，直至得到反应快、超调小的响应线。然后将K_p减小为原来的50%～80％，再将积分时间调至一个较大值，逐渐减小积分时间，并相应调整K_i，反复试凑至得到较满意的响应。最后将微分时间调至为零，逐渐增大微分时间，同时相应地改变Kd与积分时间，反复试凑，最终获得满意的控制效果和PID控制参数。上述方法为现有公知技术，具体可参见PID自控领域的教科书或工具手册。

该功率百分比信号的大小u(t)可以转换为控制烧嘴工作的多时序可变脉冲信号Ton：

Ton=u(t)Tonmax（2）

u(t)的取值为0～100%，当u(t)小于5%时，燃烧炉工作不稳定，脉冲信号将关闭，烧嘴停止燃烧。

由（1）和（2）两个式子可知，不同的温差信号e(t)对应不同的工作脉宽Ton，实现了对脉冲宽度的控制。

脉冲宽度的取值范围为Ton=（0，K₁P），脉冲的工作时间间隔为：Tr=K₂Pe^1-p，其中，P为输出功率，K₁、K₂为常数，K₁的取值范围为60～100，K₂的取值范围为5～15。

图2为一个燃气炉中多个烧嘴的分布方式，图中四个炉嘴分别编号为B1、B2、B3和B4。

图3-a、图3-b、图3-c和图3-d显示了几个特定的脉冲波形图。图3-a是输出功率为100%满功率时的时序脉冲分配图，此时烧嘴全功率燃烧。图3-b是输出功率为满功率的75%时的时序脉冲分配图。图3-c是输出功率为满功率的50%时的时序脉冲分配图，此时每个烧嘴工作脉宽为最大值的一半，相邻两个烧嘴错时工作，形成一个燃烧漩涡，利于热量的传递。图3-d是输出功率为满功率的10%时的时序脉冲分配图，此时每个烧嘴工作很短时间，但能保证每个烧嘴稳定可靠工作，此时间也是烧嘴能够可靠工作的最小的周期时间。如果输出功率小于5%时，燃烧炉工作不稳定，脉冲将关闭。从图中可知，脉冲分布是均匀并有时序的，这种方法可以克服传统控制方法所带来的集中扎堆燃烧问题。

为了提高热效率和热量的交换，在本发明中，多个烧嘴的工作时序是可以定时转变的，多时序可变脉冲信号时序转换时，所述控制器将多个烧嘴燃烧顺序定时由顺时序转换为逆时序，或由逆时序转换为顺时序。如图3-a所示的四个烧嘴的燃烧顺序是顺时序：B1-B2-B3-B4，可以定时自动改变为逆时序：B4-B3-B2-B1。

燃气炉实现加热工艺时，控制器控制空气阀和燃气阀同时开闭，脉冲信号控制空气阀和燃气阀的工作周期。燃气炉实现冷却工艺时，燃气阀一直关闭，脉冲信号只控制空气阀的工作周期。

在本发明中，因为烧嘴燃烧的工作脉宽是变化的，即烧嘴大火时间不是固定不变的，所以炉内燃烧在时间上和空间上比较均衡，比较节约能源，提高了燃烧效率。在燃烧中，炉内气氛搅拌混合比较充分，热交换程度热烈，炉内温度均匀性好。而且这种脉冲控制方法适合高低温炉的燃烧控制。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种燃气炉多烧嘴脉冲燃烧控制方法，包括以下步骤：

a.设置温度传感器，通过所述温度传感器测量燃气炉内的实际温度；

b.设置控制器，采集所述温度传感器测量得到的燃气炉内的实际温度，并输入设定温度以及设定烧嘴工作的最大工作周期、最小工作周期；计算燃气炉内实际温度与所述设定温度的温差信号，并将所述温差信号通过PID计算并结合烧嘴工作的最大工作周期转换为多时序可变脉冲信号输出；

c.分别设置燃气阀、空气阀；当控制器设定为脉冲加热控制方式时，所述多时序可变脉冲信号控制空气阀和燃气阀同时开闭；当控制器设定为脉冲冷却控制方式时，燃气阀常闭，所述多时序可变脉冲信号控制空气阀的开闭；

d.设置烧嘴控制器，所述多时序可变脉冲信号为高电平时，烧嘴控制器在所述控制器的控制下点小火并进行火焰检测，维持烧嘴燃烧；

所述步骤b中，将温差信号转换为多时序可变脉冲信号输出的方法如下：

通过PID计算公式(1)将温差信号转换为功率百分比信号：

$u\left(t\right)=K_{p}e\left(t\right)+K_i\∫e\left(t\right)dt+K_d\frac{de\left(t\right)}{dt}---\left(1\right)$

式(1)中u(t)为输出的功率百分比信号，e(t)为设定温度和实际温度的差值，K_p、K_i、K_d分别为比例常数、积分常数、微分常数；

通过式(2)将功率百分比信号u(t)转换为控制烧嘴工作的多时序可变脉冲信号的脉冲宽度Ton：

Ton＝u(t)Tonmax(2)

式(2)中Tonmax为烧嘴工作的最大工作周期，u(t)的取值为0～100％，当u(t)小于5％时，燃烧炉工作不稳定，脉冲信号关闭，烧嘴不燃烧；

脉冲宽度Ton的取值范围为Ton＝(0，K₁P)，多时序脉冲的工作时间间隔为：Tr＝K₂Pe^1-p，其中P为输出功率，K₁、K₂为常数，K₁的取值范围为60～100，K₂的取值范围为5～15。