一种蓄热式燃烧控制系统及其控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种蓄热式燃烧控制系统及控制方法，所述蓄热式燃烧控制系统包括上位工控机、下位机、助燃风机调节开关、排烟风机调节开关、烧嘴前阀门、传感器组、点火器，上位工控机安装有组态软件，上位工控机与下位机连接，烧嘴前阀门包括烧嘴前燃气开关，烧嘴前助燃风开关、烧嘴前排烟开关；下位机与助燃风机调节开关、排烟风机调节开关、烧嘴前阀门、传感器组、点火器均连接，下位机检测传感器组和点火器的工作状态并传送给上位机，上位机根据传感器组、点火器的工作状态以及组态软件进行综合处理，发送指令给下位机，通过下位机对蓄热燃烧器进行控制。本发明还包括该燃烧控制系统的控制方法。本发明排烟温度均匀，控温精度较好，能耗低。
【专利说明】一种蓄热式燃烧控制系统及其控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及加热炉燃烧控制【技术领域】，尤其是涉及一种蓄热式燃烧控制系统及其控制方法，适用于连续式加热炉、周期式加热炉，尤其是锻造加热炉中。
【背景技术】
[0002]随着当今世界经济的快速发展，能源消耗日益增长，作为能源消耗大户的加热炉，如何通过技术改进提高节能效果，已成为非常重要的指标。蓄热式燃烧技术的核心是高温空气燃烧技术，该技术在20世纪90年代以后，发达国家开始普遍采用推广的新型燃烧技术，具有高效烟气回收和高温预热空气，节能、环保效果较好。
[0003]目前蓄热式燃烧技术控制方法，主要有连续调节控制和普通的PID脉冲燃烧控制。当前的控制方法存在以下不足:
1、蓄热式控制参数固定，不能自适应整定，不同的加热炉调试需根据经验不断凑试，消耗大量时间精力财力；
2、燃烧器供热过程中容易出现炉膛压力波动较大；
3、不同蓄热体的排烟温度不均匀性明显，容易超温报警。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种控制参数调试简单，炉膛压力稳定，不同蓄热体排烟温度均匀的蓄热式燃烧控制系统及其控制方法。
[0005]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案包括:一种蓄热式燃烧控制系统，包括上位工控机、下位机、助燃风机调节开关、排烟风机调节开关、烧嘴前阀门、传感器组、点火器，上位工控机安装有组态软件，上位工控机通过以太网与下位机连接，烧嘴前阀门包括烧嘴前燃气开关、烧嘴前助燃风开关、烧嘴前排烟开关；下位机与助燃风机调节开关、排烟风机调节开关、烧嘴前阀门、传感器组、点火器均连接，下位机检测传感器组和点火器的工作状态并传送给上位机，上位机根据传感器组、点火器的工作状态以及组态软件进行综合处理，发送指令给下位机，通过下位机对助燃风机调节开关、排烟风机调节开关、烧嘴前阀门、传感器组、点火器对蓄热燃烧器进行控制。
[0006]本发明所述下位机由下位机PLC主站和下位机PLC从站组成，下位机PLC主站与下位机PLC从站通过PROFIBUS现场总线连接，下位机PLC从站与助燃风机调节开关、排烟风机调节开关、烧嘴前阀门、传感器组、点火器均连接。
[0007]本发明所述调节开关为具有开度调节的变频器或调节阀执行器。
[0008]作为优选，本发明所述下位机PLC从站采集现场信号是通过置于加热炉附近的远程站实现，通信采用PROFIBUS协议。
[0009]作为优选，本发明所述排烟风机调节开关采用变频器。
[0010]作为优选，本发明所述助燃风机调节开关采用变频器。
[0011]本发明运行中，下位机PLC从站通过排烟风机调节开关、助燃风机调节开关来调节烟气压力和助燃风压力。根据生产工艺要求，传感器组实时检测获得的炉膛温度信号与设定温度信号偏差值通过下位机PLC从站输出PID值，按照优化的PID脉冲燃烧控制策略，通过实时变化的PID输出值自动确定燃烧时间，以控制蓄热燃烧器的状态来控制炉膛内的供热，从而达到控制加热炉炉膛温度的目的。
[0012]本发明所述组态软件包括工艺曲线控制程序、PID脉冲燃烧控制程序、蓄热式烧嘴自动换向程序。所述程序即步骤或者按规定顺序执行的步骤的组合。
[0013]本发明所述蓄热燃烧器设置有多对蓄热式烧嘴，每对蓄热式烧嘴具有两个对称配置的蓄热式烧嘴，每个蓄热式烧嘴均由一个烧嘴和一个蓄热体构成。
[0014]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案还包括:一种蓄热式燃烧控制系统的控制方法，其特征是包括以下步骤:系统参数初始化并采集当前现场数据，启动助燃风机、排烟风机进入自动调节模式，开启燃气总阀，启动工艺曲线控制程序，启动PID脉冲燃烧控制程序，启动蓄热式烧嘴自动换向程序。
[0015]本发明所述PID脉冲燃烧控制程序包括以下步骤:PID参数初始化，采集热电偶参数并转换成实时温度，根据工艺设定温度与实时温度差值确定PID值，PID值大于死区执行PID值输出步骤，PID值不大于死区或者PID值输出步骤完成延时至下一个周期，转向采集热电偶参数并转换成实时温度步骤。
[0016]本发明所述PID值输出步骤包括:PID脉宽调制输出脉冲信号，根据脉冲信号转换为点火信号，烧嘴前阀门对应动作。
[0017]本发明所述蓄热式烧嘴自动换向程序包括以下步骤:初始化烧嘴换向标志位，烧嘴排烟温度是否超温的判断步骤，烧嘴排烟温度超温或者前烧嘴换向标志位无效时进行烧嘴不换向步骤否则进行烧嘴换向步骤，延时至下一个周期，转向烧嘴排烟温度是否超温的判断步骤。
[0018]所述烧嘴不换向步骤包括:烧嘴不换向进入燃烧状态，烧嘴前燃气开关、烧嘴前助燃风开关动作；烧嘴换向步骤包括:烧嘴换向进入排烟蓄热状态，烧嘴前排烟开关动作。
[0019]每对蓄热式烧嘴的两个蓄热式烧嘴交替燃烧或排烟，两个蓄热式烧嘴交替燃烧之间具有时间间隔-燃烧前排烟时段，燃烧前排烟时段时原先在燃烧的一个蓄热式烧嘴的烧嘴前燃气开关、烧嘴前助燃风开关关闭，烧嘴前排烟开关打开；同时另一个蓄热式烧嘴的烧嘴前燃气开关、烧嘴前助燃风开关打开，烧嘴前排烟风开关关闭。
[0020]本发明所述烧嘴换向进入排烟蓄热状态包括以下步骤:每对蓄热式烧嘴中原先在燃烧的那个蓄热式烧嘴的的烧嘴前燃气开关、烧嘴前助燃风开关关闭，烧嘴前排烟开关打开；同时另一个蓄热式烧嘴的烧嘴前燃气开关、烧嘴前助燃风开关打开，烧嘴前排烟风开关关闭。
[0021]本发明所述燃烧前排烟时段为1-2秒，通过燃烧前排烟时段预排烟以达到抵消炉压滞后升高的目的。若加热炉采用多对蓄热式烧嘴，则对多对蓄热式烧嘴进行错时换向，以减少同时换向对炉膛产生较大的冲击，减少压力波动，稳定炉压。
[0022]作为优选，本发明所述换向时间参数为30-90S范围内自适应调整。
[0023]作为优选，本发明所述PID脉冲输出点火死区为7-10s (死区:当PID输出值对应的脉冲点火时间小于等于死区时间，则不点火)。
[0024]作为优选，本发明所述蓄热式烧嘴换向采用队列的换向策略，进行交错依次换向，使炉压波动减小。
[0025]作为优选，本发明所述排烟温度高温报警值设定范围为180°C。
[0026]作为优选，本发明所述排烟温度高温限制温度为250°C，当某个蓄热烧嘴排烟温度超过250°C时，暂时关闭该侧的排烟功能。
[0027]本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果:通过优化的PID脉冲燃烧控制策略，蓄热加热炉内产生较强的循环气流，并且缩短了加热时间，炉膛压力较稳定，排烟温度均匀性好，控温精度较好，能耗降低明显，适用于连续式加热炉、周期式加热炉。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图1是本发明实施例的系统结构示意图。
[0029]图2是本发明实施例蓄热式烧嘴工作时序图。
[0030]图3是本发明实施例第一烧嘴燃烧而第二烧嘴蓄热的工作状态示意图。
[0031]图4是本发明实施例第一烧嘴蓄热而第二烧嘴燃烧的工作状态示意图。
[0032]图5是本发明实施例第一烧嘴、第二烧嘴均停止准备换向的工作状态示意图。
[0033]图6是本发明实施例的总控制流程图。
[0034]图7是本发明实施例的PID脉冲控制流程图。
[0035]图8是本发明实施例的蓄热式烧嘴自动换向控制流程图。
【具体实施方式】
[0036]下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
[0037]本发明工作原理如下:
本发明所述的蓄热式控制系统结构图见图1。该系统包括已安装组态软件的上位工控机1通过工业以太网络与下位机PLC主站2连接，下位机PLC主站2与置于加热炉附近的下位机PLC从站3通过PROFIBUS现场总线连接，下位机PLC主站2负责控制程序运行，通过PROFIBUS现场总线，将置于现场的下位机PLC从站3通过从站输入口 31采集现场加热炉传感器组4 (包括热电偶、压力变送器、火焰检测器等传感器)的实时信号(包括压力、流量、火焰检测、温度信号)反馈给下位机PLC主站2，下位机PLC主站2根据传感器组4以及点火器7的采集信号，运行程序发出指令，通过下位机PLC从站3的从站输出口 32输出对助燃风机调节开关5、排烟风机调节开关6、点火器7、烧嘴前燃气开关8，烧嘴前助燃风开关9，烧嘴前排烟开关10进行动作控制，以完成加热炉的自动控制。助燃风机调节开关5、排烟风机调节开关6通常采用具有开度调节功能的调节开关例如变频器和调节阀执行器中的一种或两种进行控制。本实施例助燃风机调节开关5和排烟风机调节开关6均采用变频器，包括助燃风机变频器、排烟风机变频器，分别对助燃风机、排烟风机进行变频调节。助燃风机、排烟风机分别通过助燃风管路、排烟风管路连通至每对蓄热式烧嘴前，燃气管路也连通至每对蓄热式烧嘴前。每对蓄热式烧嘴前均设置有一对烧嘴前阀门，烧嘴前阀门包括烧嘴前燃气开关8、烧嘴前助燃风开关9、烧嘴前排烟开关10，烧嘴前燃气开关8、烧嘴前助燃风开关9、烧嘴前排烟开关10分别与燃气管路、助燃风管路、排烟风管路连通并分别控制烧嘴前的燃气、助燃风、排烟风的开启和关闭。
[0038]每对烧嘴前阀门包括第一烧嘴A的第一烧嘴前燃气开关8A、第一烧嘴前助燃风开关9A、第一烧嘴前排烟开关10A，第二烧嘴B的第二烧嘴前燃气开关8B、第二烧嘴前助燃风开关9B、第二烧嘴前排烟开关10B。蓄热式烧嘴通常有3~12对。
[0039]上位工控机1对加热炉进行全面监控，在运行的组态软件中实时显示，包括压力、流量、温度、报警、蓄热燃烧器状态等，并且在组态软件中进行实时记录，操作人员根据设定权限对加热炉的操作控制动作也都进行记录，可查看历史曲线，报表，便于后期的查询分析。
[0040]本实施例PID参数在预设的范围内，根据炉膛内温度，压力的变化，进行自整定获得优化的参数，便于加热炉压力控制，燃烧控制。
[0041]下位机PLC主站2内的PID模块根据炉膛温度与设定温度偏差值输出PID值，该PID值经过死区设置，最小点火时间保证等优化预处理处理，再脉宽调制，输出脉冲信号，对蓄热烧嘴工作状态控制。该优化的PID控制方法避免了烧嘴频繁点火，点火时间较短引起蓄热效果不佳。
[0042]图2所示为PID脉冲燃烧控制时序图，取3个代表性的固定PID输出值33%，50%，100%，固定换向周期60s为例进行说明。图3所示为第一烧嘴A燃烧而第二烧嘴B蓄热的工作状态示意图，此时第一烧嘴A的第一烧嘴前燃气开关8A打开，第一烧嘴前助燃风开关9A打开，第一烧嘴前排烟开关10A关闭，第二烧嘴B的第二烧嘴前燃气开关8A关闭，第二烧嘴前助燃风开关9A关闭，第二烧嘴前排烟开关10A打开；图4所示为第一烧嘴A蓄热而第二烧嘴B燃烧的工作状态示意图，此时上述烧嘴前开关阀工作状态与图3状态相反；图5所示为第一烧嘴A、第二烧嘴B均停止准备换向的工作状态示意图，此时上述烧嘴前阀门开关都处于关闭状态。一般加热炉中存在多对蓄热式烧嘴，每对蓄热式烧嘴由第一烧嘴A、第二烧嘴B对称配置构成，第一烧嘴A、第二烧嘴B分别带有第一蓄热体11A、第二蓄热体11B。图中第一烧嘴A的燃烧循环周期(工作时段，下同)TA，第二烧嘴B的燃烧循环周期TB。
[0043]蓄热式燃烧系统运行中，每对蓄热式烧嘴交替燃烧且在两个蓄热式烧嘴燃烧时段之间具有一个双方均不燃烧但为对方燃烧做准备的燃烧前排烟时段(即一方的烧嘴前排烟阀开关先开始工作，此时另一方是点火时段，特例是l_2s)Tl，燃烧前排烟时段T1开启一方的烧嘴前排烟阀开关，而另一方则开始点火。第一烧嘴A的燃烧循环周期TA由燃烧前排烟时段T1和第一烧嘴A燃烧时段T2A组成，第二烧嘴B燃烧循环周期TB由燃烧前排烟时段T1和第二烧嘴B燃烧时段T2B组成，例如第一烧嘴A燃烧时段T2A结束时第二烧嘴B开始点火(即已经进入第二烧嘴B燃烧循环周期TB但还未燃烧)，此时燃烧前排烟时段T1开始，第一烧嘴A的第一烧嘴前排烟开关10A打开进行排烟，延迟l_2s后第二烧嘴B开始燃烧，反之同理。通过前反馈以达到抵消炉压滞后升高的目的。若加热炉采用多对蓄热式烧嘴，则多对蓄热式烧嘴按照上述方式进行错时依次换向，以减少同时换向对炉膛产生较大的冲击，减少压力波动，稳定炉压。
[0044]每对蓄热式烧嘴工作时，采用排烟超前，燃烧滞后的控制；多对蓄热式烧嘴错时换向，错时规则根据程序设定的队列，超前、滞后及错时时间根据需要可进行调整。该控制方法解决蓄热式炉膛压力波动过大的影响。
[0045]当一对蓄热式烧嘴中的某一个烧嘴排烟温度不均匀性变大，或者温度超过报警值，通过暂停排烟温度过高的烧嘴排烟功能，只能对该烧嘴燃烧控制，通过该方法排烟温度能保持相当的均匀性并且不会高温超限。
通过加热炉试验，当有多对蓄热式烧嘴时(作为优选，采用5对蓄热式烧嘴)，若不采用错时换向，炉压波动范围达到±100Pa，甚至更高；采用错时换向，炉压波动在±50Pa内。
[0046]当未采用超前动作排烟时，炉压波动范围约在±50Pa之间；采用超前动作排烟时，炉压波动范围缩小至±15Pa之内。
[0047]加热炉燃烧系统运行中，各对蓄热式烧嘴供热和排烟时间不尽相同而产生蓄热量不同和排烟温差，热电偶实时检测获得的排烟温度信号与设定温度信号偏差值，PLC可通过增大烧嘴工作的死区，延长燃烧-排烟状态的最小时间，调整燃烧过程中各蓄热式烧嘴排烟温度偏差，且进行超温保护。经过试验，未设置烧嘴工作死区，或者死区不合理时，各蓄热式烧嘴排烟温度经常超温报警，甚至超过设定的极限温度250°C。通过采用烧嘴工作死区合理设置，超温报警降低了许多，超过极限温度的情况未再出现过。
【权利要求】
1.一种蓄热式燃烧控制系统，包括上位工控机、下位机、助燃风机调节开关、排烟风机调节开关、烧嘴前阀门、传感器组、点火器，其特征在于:上位工控机安装有组态软件，上位工控机通过以太网与下位机连接，烧嘴前阀门包括烧嘴前燃气开关、烧嘴前助燃风开关、烧嘴前排烟开关；下位机与助燃风机调节开关、排烟风机调节开关、烧嘴前阀门、传感器组、点火器均连接，下位机检测传感器组和点火器的工作状态并传送给上位机，上位机根据传感器组、点火器的工作状态以及组态软件进行综合处理，发送指令给下位机，通过下位机对助燃风机调节开关、排烟风机调节开关、烧嘴前阀门、传感器组、点火器对蓄热燃烧器进行控制。
2.根据权利要求1所述的蓄热式燃烧控制系统，其特征在于:所述下位机由下位机PLC主站和下位机PLC从站组成，下位机PLC主站与下位机PLC从站通过PROFIBUS现场总线连接，下位机PLC从站与助燃风机调节开关、排烟风机调节开关、烧嘴前阀门、传感器组、点火器均连接。
3.根据权利要求1所述的蓄热式燃烧控制系统，其特征在于:所述调节开关为具有开度调节的变频器或调节阀执行器。
4.根据权利要求1~3任一权利要求所述的蓄热式燃烧控制系统的控制方法，其特征在于:其特征是包括以下步骤:系统参数初始化并采集当前现场数据，启动助燃风机、排烟风机进入自动调节模式，开启燃气总阀，启动工艺曲线控制程序，启动PID脉冲燃烧控制程序，启动蓄热式烧嘴自动换向程序。
5.根据权利要求4所述的蓄热式燃烧控制系统的控制方法，其特征在于:所述PID脉冲燃烧控制程序包括以下步骤:PID参数初始化，采集热电偶参数并转换成实时温度，根据工艺设定温度与实时温度差值确定PID值，PID值大于死区执行PID值输出步骤，PID值不大于死区或者PID值输出步骤完成延时至下一个周期，转向采集热电偶参数并转换成实时温度步骤。
6.根据权利要求5所述的蓄热式燃烧控制系统的控制方法，其特征在于:所述PID值输出步骤包括:PID脉宽调制输出脉冲信号，根据脉冲信号转换为点火信号，烧嘴前阀门对应动作。
7.根据权利要求4所述的蓄热式燃烧控制系统的控制方法，其特征在于:所述蓄热式烧嘴自动换向程序包括以下步骤:初始化烧嘴换向标志位，烧嘴排烟温度是否超温的判断步骤，烧嘴排烟温度超温或者前烧嘴换向标志位无效时进行烧嘴不换向步骤否则进行烧嘴换向步骤，延时至下一个周期，转向烧嘴排烟温度是否超温的判断步骤。
8.根据权利要求7所述的蓄热式燃烧控制系统的控制方法，其特征在于:所述烧嘴不换向步骤包括:烧嘴不换向进入燃烧状态，烧嘴前燃气开关、烧嘴前助燃风开关动作；烧嘴换向步骤包括:烧嘴换向进入排烟蓄热状态，烧嘴前排烟开关动作。
9.根据权利要求8所述的蓄热式燃烧控制系统的控制方法，其特征在于:所述烧嘴换向进入排烟蓄热状态包括以下步骤:每对蓄热式烧嘴中原先在燃烧的那个蓄热式烧嘴的烧嘴前燃气开关、烧嘴前助燃风开关关闭，烧嘴前排烟开关打开；同时另一个蓄热式烧嘴的烧嘴前燃气开关、烧嘴前助燃风开关打开，烧嘴前排烟风开关关闭。
10.根据权利要求4所述的蓄热式燃烧控制系统的控制方法，其特征在于:所述PID脉冲输出点火死区为7-lOs。
【文档编号】F23N5/00GK104456618SQ201410687571
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月26日 优先权日:2014年11月26日
【发明者】邢海潇, 潘景新, 杨应凯, 钟鸣, 张碧琰, 谢鑫 申请人:中国联合工程公司