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线性-脉冲复合燃烧自控窑炉设计方案

测控系统(单点线性-脉冲复合燃烧+分区均衡全自动控制系统)

线性-脉冲复合控制技术简介

   脉冲燃烧技术自问世以来,因其高效率燃烧,炉温均匀以及节能环保等技术优势得以在冶金,化工等行业的工业炉上推广应用。但是在抽屉窑炉,梭式窑炉等间歇式工作的陶瓷窑炉上应用尚不普遍。特别是在一些需要高精度控温的特种窑炉上,仍在沿用传统的线性燃烧技术。近年来,我们在脉冲燃烧技术与线性燃烧技术的融合创新上作了一些工作,推出了以线性-脉冲复合燃烧技术为基础的新型窑炉控制系统,并已应用在高级石英陶瓷制品的烧成窑炉上,得到了满意的效果。

脉冲燃烧与连续线性燃烧的各自特点

   脉冲燃烧控制采用的是一种间断燃烧的方式,它使用脉宽调制技术,通过调节燃烧时间的占空比(通断比)实现工业窑炉的温度控制。系统的空气/燃气流量可通过压力调整预先设定,烧嘴一旦工作,就处于满负荷状态,保证烧嘴燃烧时的燃气出口速度不变。通过调整燃烧和不燃烧两种状态的时间比进行温度调节。也就是说,当需要升温时,烧嘴燃烧时间长,熄火时间短;相反,需要降温时,烧嘴燃烧时间短,熄火时间长。 
   温度场均匀性是工业炉窑控制一个重要参数,它直接关系到产品的质量。连续线性燃烧方式燃烧时,炉内主要靠火焰辐射,离火焰近的地方温度高,离火焰远的地方温度低。它们之间的温差也较大。另外,烧嘴处于小负荷时,特别是燃料流量接近最小流量时,空/燃气流流速大大降低,火焰形状达不到要求,温差也较大。而采用脉冲燃烧,在任何时候,只要烧嘴燃烧,烧嘴就处于满负荷状态,燃气流速、火焰形状都处于最佳。燃气速度快,使周围形成负压,而且使炉内形成环流,加上两侧烧嘴交替燃烧,使炉内充分搅拌,炉内温场均匀性大大改善。鉴于上述特点,脉冲燃烧的节能效果显著。如烧嘴功率及特性与窑炉特性匹配的好,一般可节能20%左右。
   但是,脉冲燃烧也有一些缺点。如在间歇式窑炉的初始点火升温及低温保温阶段,烧嘴的满负荷状态燃烧会造成烧嘴火焰周围温度瞬间过高,干扰了制品所需的低温烧成制度,严重的会造成制品损坏。另外,普通脉冲燃烧的机理造成了脉冲烧嘴工作时的背景功率不可调控,或为零功率(熄火),或为一个固定的功率(长期燃烧的点火小烧嘴),形成脉冲工作周期中烧嘴功率变化剧烈。这就成为了在炉温较低的阶段,温度很难平稳控制的原因。连续线性燃烧是目前以燃油或燃气为燃料的工业炉常用的加热方式。理论上,在烧嘴标称的功率调节范围内,输出功率可以连续平滑且线性地加以调节。相应的炉温也可平稳线性地控制。
   所以,脉冲燃烧方式在低温区间的缺陷可以用连续线性燃烧加以弥补。


线性-脉冲复合燃烧技术的原理简介

作为一项跨学科专业的技术创新,线性-脉冲复合燃烧技术的研发涉及到燃烧器(烧嘴),窑炉热工,自动控制等多个领域。目前的线性-脉冲复合燃烧控制系统主要由下列主要设备组成;
A. 背景(小火)功率可调节,可适应连续线性/脉冲燃烧的烧嘴
B.模拟线性/脉冲控制双模式电动执行机构
C. 采用(德)西门子SIMATIC S7 构成了线性-脉冲复合燃烧控制系统的高可靠性硬件设备,系统软件为我公司研发的线性-单点脉冲+分区均衡燃烧控制软件。

控制模式:
A. 低温段: 单点线性控温
B.中温段: 单点线性控温/背景功率可调节的单点脉冲控温/无扰过渡
C.高温段: 单点脉冲控温+分组均衡搅拌

控制算法:
线性控温:  自适应模糊控制
单点脉冲控温:自适应模糊控制
规则约束控制
温度场均衡: 程序控制(配方控制)
动态(可选择)增强搅拌

新型单点线性-脉冲复合燃烧窑炉与目前国内流行的普通脉冲窑炉的比较

可比项目/指标

普通单点模式

普通多点模式

我公司的控制模式

温度/温差约束自动控制

分区/组间燃烧器自动平衡

可按不同的烧成阶段自动改变气流搅拌方式

专用的燃烧强度/背景温度自动程序控制

 

窑压、助燃风空气总管压力等回路的自动控制

   窑压由压力变送器采集后送至数显变送器,在显示当前值的同时,将信号送入系统的闭环控制单元,进行自动控制。调温空气总管压力、助燃风压和窑压均由控制系统通过变频器调整风机转速,控制精度高,保障了窑炉的高效率热能利用,节约能源。

机电设备连锁和安全保护

   本窑炉控制系统严格按照操作规范互锁窑上的所有机电设备的启、停操作,包括在单机启/停时如不符合安全规程,也会提供保护。燃烧系统的安全保护为在每个烧嘴上采用火焰监测/点火控制器,可由控制系统按预先设定之程序进行自动点火,熄火保护等工作,提供可靠安全保障。

控制系统的设备配置

   本窑炉控制系统方案的电气控制硬/软件平台采用了(德)西门子公司倡导的”全集成自动化”方式(SIMATIC S7),控制软件编制采用了我公司集20余年窑炉控制工程丰富经验研发的先进过程控制技术软件平台内核。

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