自动化与仪器仪表ZID ONGHUA YU Y I Q I Y IBI AO 2005年第5期(总第121期) 文章编号:1001-9227(2005)05-0003-03脉冲燃烧控制技术兰 霄,田小果(中冶赛迪技术股份有限公司 重庆,400013)摘 要:脉冲燃烧控制技术被称为“未来工业炉控制技术的发展方向”。
可广泛应用于冶金、陶瓷、石化等行业,对提高产品质量、降低能耗、减少污染发挥了重大作用。
本文较全面地介绍了脉冲燃烧控制技术的原理和应用结果。
关键词:脉冲射流;燃烧控制;工业炉ABSTRACT:The pulse burning con tro l technique w as ca lled“the directi o n of future industr y fur nace con trol technique”and cou l d be used i n m e tallur gy,cera m ics and pe tr oche m ical industry.The t h eory and appli-cation effect is introduced in t h e paper.KEY WORDS:Pulse je t flo w;Burning con tro l;I ndustry fur nace中图分类号:TF325.6文献标识码:B0 概 述众所周知,工业窑炉内工件加热质量的提高与燃烧控制技术有着密切的联系。
目前国内普遍采用比例控制、双交叉限幅控制等形式,但其实现往往受燃料量的测量和调节这一关键环节的制约,存在一些弊端。
为了克服传统燃烧控制的弊端,近来国际上又出现了颇具革命性的脉冲燃烧控制技术,脉冲燃烧控制技术已经被称为“未来工业炉控制技术的发展方向”1 脉冲射流机理为了更全面地开发脉冲燃烧控制技术,必须对脉冲射流的机理进行学习和研究。
脉冲射流的基本特征是其产生的大尺度微团的振荡运动,这种运动对整个射流空间的动量、热量和质量传递起着决定性的作用。
因为湍流能量主要是由大尺度微团携带的,在这些大尺度微团向射流下游及横向运动过程中,它们不断与周围流体进行能量交换,直至处于平衡状态。
根据泰勒湍流扩散理论,脉冲射流极大地提高了射流区的压力波动水平。
有研究表明:压力波动水平与脉冲频率成正比。
在射流区轴线以外及射流边界附近,脉冲频率的作用尤其明显。
与稳态射流相比,脉冲射流最大均方根脉冲压力分布沿射流区具有明显扩展。
脉冲射流改变了射流区湍流结构,主要表现在各点压力具有不同程度的“方波”信号特征。
任何受流体收稿日期:2005-01-25的动量、热量和质量制约的工业过程均可通过适当地采用脉冲射流技术加以强化。
2 控制原理脉冲燃烧控制采用间断燃烧的方式,使用脉宽调制技术,通过调节燃烧时间的占空比(通断比)来实现加热炉的温度控制。
这个系统并不调节某个区域内燃料输入的大小,而是调节在给定区域内每个烧嘴被点燃的频率和持续时间。
烧嘴的输入量是事先给定的,每个烧嘴按照事先给定的开度和热量需求成正比的频率开闭。
所有的烧嘴并不同时点燃,而是按照一定的时序依次点燃。
见图1。
脉冲燃烧控制理论的总体结构如图2所示。
主要由调节单元、非线性处理单元和输出控制单元三部分组成。
(1) 调节单元主要完成对实测温度和设定信号进行处理。
调节单元通常选择PI D控制,其输入和输出关系如下:3p (t )=k p e (t )+k I ∫e (t )dt +k Dde (t )dt(1)(2) 非线性处理单元其非线性变换关系为:f 0(t )=0p (t )sgn [p (t )]×f m ax D 0<|p (t )|<D 0|p (t )|<D 1|p (t )|>D 1(2)当|p (t )|>D 1时,说明系统输出偏差很大,应该将所有烧嘴打开;当D 0<|p (t )|<D 1时,采用脉冲时序控制,保证有较好的过渡过程和控温精度;当|p (t )|<D 0时,即进入控制死区,系统在加热和冷却转换之间,这时控制输入视为零,不加热也不冷却。
(3) 控制输出单元s (t )为描述每一个烧嘴输出的函数,如下所示,其中T 0为烧嘴打开的持续时间。
U 0表示每一个烧嘴打开时燃料的给进量,U (t )为任意时刻加到燃烧炉中总的燃料量,U (t )则为:U (t )=∑tt =tiU 0s (t -t i )(3)t i 由下式确定:U 0=|∫ii -1f 0(t )dt |(4)图3给出了脉冲控制系统在不同输出量时烧嘴的工作情况。
3 变结构的PI D 调节特性从公式(2)可以进一步看出,脉冲控制的作用实际上是把传统的PI D 的比例、积分作用的相对强弱根据p (t )的大小不同来回改变。
当p (t )较大时,相当于PI D 的比例作用较强;当p (t )较小时,相当于PI D 以积分作用为主,可以减小超调量和稳态误差,从而提高温控精度。
总体来讲,相当于PI D 控制器中K I 和K P 的两个参数来回改变,相当于一种变结构的PI D 调节,这种变结构功能既可以保证系统偏差较大时,给出最大输出,获得最快的升温速度;又可以保证系统输出偏差较小时,调整烧嘴被点燃的时刻和燃烧时间,来提高控温精度,节约能源。
4 脉冲燃烧控制的优点脉冲燃烧控制技术的主要优点为:(1) 提高炉内温度场的均匀性,平均温差<11℃,保证加热质量,减少高温燃气对被加热体的直接热冲击;(2) 提高传热效率。
脉冲控制比常规PI D 控制升温时间快10分钟左右。
对于一座140t /h 的加热炉,升温时间加快10分钟,加热能力提高约20t /h ;(3) 节能效果明显,可节约煤气10%;(4) 提高产品收得率。
稳态偏差和超调量小,可减少烧损,提高收得率。
采用脉冲燃烧控制,稳态偏差<5℃,超调量<10℃;(下转第12页)4胜任的。
这就需要DDC 和皮托管风速计很好的吻合。
比较有技术的VAV B OX 制造商一般都强调这一点。
串联形FP -VAV 除了风机运行时间长的缺点外,还有一个温升的缺点。
我们假定FP -VAV 的风机风量为2000m 3/h ,假定相应的串联FP -VAV 的风机功率为0.2k W 。
其温升t 为:Δt =0.2×3600/2000/1.21≈0.3℃假定室内温度24℃,夏季送风温度14℃(使用方形散流器),0.3℃的温升几乎耗去了3%的空调能力。
对于使用条缝形风口的场合,最大许可送风温差才8.6℃(吊顶底高3.5米),0.3℃的温升将耗去约3.5%的空调能力。
假定使用离心式冷冻机、2次泵变水量,变风量空调的空调系统的系统成绩系数(COP )为4,使用串联形FP -VAV 将使其系统C OP 降至3.88。
以一个20万平方米的办公大楼为例,冷负荷指标假定为100W /m 2,系统COP 从4降至3.88时多耗能154.6k W 。
年运行时间3,600小时,按1.0元/k W h 的电费来计算的话,由于FP -VAV 温升多增加的运行费为556,700元电费。
因此,我们可以由此而理解,为什么FP -VAV 在日本得不到应用的理由。
因此,从控制角度来看,我们应该尽量考虑使用并联形FP -VAV ,同时尽量减少FP -VAV 风机的运行时间。
5 数值控制技术在改善VAV 风阀的工作流量特性上的应用DDC (D ir ect D i g ital Contro l ,直接数值控制)控制器的使用使自控技术产生了极大的飞跃,其中最显著的是非线性系统的线性化。
表1 VAV B OX 工作流量特性曲线的线性化对照表相对流量[%]线性开度[%]实际开度[%]0001010420207303010404013505016606019707022808027909036959547100100100 如图7和表1所示,使用DDC 控制器的制表功能,我们可以将非常复杂的非线性控制简单的进行线性化处理。
VAV BOX 工作流量特性曲线经过线性化处理后,就可以变得如同VAV BOX 本身就具有线性工作流量特性一样工作。
6 结束语本文通过对变风量空调末端设备中的各部件的控制特性的分析,指出了各自的特性对变风量控制和节能的影响。
只有在认识和理解了风阀权重系数、变送风温度控制、异程同阻设计等环节的重要性,才能为设计变风量控制系统提供理论依据。
参考文献1 陈向阳.Si m ula tion on Dyna m ic P erfor m ance of HVAC Syste m.Pa rt 8-S i m u lati onM ode l o fVAV Box ,日本建筑学会大会学术讲演梗概集D2,2002RH ,pp .1097-10982 S t eve Y.S .Chen ,Stanley J .D e m ster V a riab l e A ir V o l u m e Sys -te m s fo r Environ m en t a l Qua lit y .M c G raw -H ill ,19963 Tho m as J .H oran .C on tro l Sy st em s and A pp lications for HVAC /R .P rentice H a ll ,1997(上接4页)(5) 动态响应好。
每升降50℃,达到新的稳态只需7～8分钟,而常规PI D 控制大约需要15分钟以上;(6) 抗干扰能力强。
脉冲控制采用电磁阀,抗电磁干扰能力强,误动作率低,故障率低,控制稳定;(7) 高可调比,高达5～95%;(8) 减少NOX 的生成,减少大气污染,利于环保。
5 应 用脉冲燃烧控制技术有着广阔的应用前景,可广泛应用于冶金、陶瓷、石化等行业,对提高产品质量、降低能耗、减少污染将发挥重大作用,是工业炉行业自动控制的一次革新,法国斯坦因公司称其为“构筑未来加热炉的适应性”。
目前,此项技术已经被国家和省市列为多种攻关计划。
12。