脉冲时序燃烧技术在耐火试验炉上的应用

付晓光 张晓颖 王 堃

（中国建筑材料科学研究总院，中国建筑材料检验认证中心有限公司，北京 100024）

1 前言

燃烧技术在耐火试验炉的设计中占有十分重要的位置，它不但决定了试验炉的温度控制方式而且对试验炉的运行稳定性，控制灵活性以及测量的准确性有着决定性的影响。目前，国内的试验炉一般都采用传统的连续比例燃烧控制技术,即通过控制燃料和助燃空气流量的大小来使炉内温度、燃烧气氛达到工艺要求。相对于传统的连续比例燃烧控制技术在试验炉上的广泛应用，脉冲时序燃烧控制技术是比较先进的窑炉燃烧控制技术。脉冲燃烧控制技术采用的是一种间断燃烧的方式,使用脉宽调制技术,通过调节燃烧时间的占空比(通断比)实现试验炉的温度控制。

2 理论基础

2.1 连续比例燃烧控制技术

连续比例燃烧控制技术是指根据炉内实际温度和设定温度的差值的大小，连续调节燃料和助燃空气的供应量，实现烧嘴火焰从小到大或从大到小的连续变化，进而使炉内实际温度达到设定温度，完成燃烧控制。当在快速升温阶段，炉内实际温度和设定温度的差值非常大时，燃料和助燃空气的供应量大，燃烧充分，此时连续比例燃烧控制技术对温度控制精度和均匀性完全符合控制要求。当在高温保温阶段，炉内实际温度和设定温度的差值非常小时，燃料和助燃空气的供应量小，两者的比例也很难控制，燃烧不充分，此时温度控制精度和均匀性就很难符合控制要求了。其中，比例是指燃料和助燃空气供应量的比例，它是实现完全燃烧的主要参数。

2.2 脉冲时序燃烧控制技术

脉冲时序燃烧控制技术中的脉冲指的是每个烧嘴按照脉冲（通断）方式工作，即只在最大供热量（满负荷）和最小供热量（关闭）两种工况下运行。在脉冲宽度时间内烧嘴处于满负荷工作状态，在脉冲间隔时间内烧嘴处于最小负荷工作状态。时序指的是各个烧嘴分别在什么开始时候工作，相互间的时间顺序。烧嘴的燃料和助燃空气输入量是事先按照比例给定的，每个烧嘴工作时单位时间提供的热量相同，所以烧嘴工作时间和热量需求成正比。当炉内实际温度和设定温度的差值大时，热量需求大，计算得到的控制输出大，脉冲宽度变大，烧嘴在每个工作周期内的工作时间变长，提供的热量多，温度升高快，温度差值变小。反之，脉冲宽度变小，温升变慢或者降温，温度差值仍然变小。所有的烧嘴并不同时工作，而是按照一定的时序依次开始工作。脉冲时序燃烧控制技术的控制时序如图1所示。

图1 脉冲时序燃烧控制示意图

由图1可以看出，脉冲宽度T0与脉冲间隔T1相加就是烧嘴的一个工作周期T，即T=T0+T1。一般情况下，工作周期T根据控制器的运行速度、控制精度和执行器的工作特性确定，是一个固定值。如上所述，需要快速升温时，计算得到的脉冲宽度T0大，相应的脉冲间隔T1小，即烧嘴的工作时间长，停止时间短；反之，T0小T1大，即烧嘴的工作时间短，停止时间长。另外，烧嘴开始工作脉冲周期t=T/n，其中n表示烧嘴个数，即在一个工作周期T内，n个烧嘴依次工作一次。

2.3 两种技术比较

与传统的连续比例燃烧控制技术相比，脉冲时序燃烧控制技术具有如下优点：

炉内温度控制精度高；

炉内温度均匀性好；

动态响应快，升温速度快；

运行稳定性好，可靠性高；

燃烧充分，节能环保。

3 采用脉冲时序燃烧控制技术的必要性

本文所说的建筑构件耐火试验炉根据GB/T 9978—2008标准设计，其炉内标准时间--平均温度曲线如图2所示。由图2可以看出，温度曲线主要分为快速升温阶段和高温保温阶段。根据需要实现的炉内标准时间--平均温度曲线的特性和脉冲时序燃烧控制技术的特点，本耐火试验炉非常适合采用脉冲时序燃烧控制技术进行温度控制。因为在整个温度曲线上，只需按照控制输出调节脉冲宽度，烧嘴只要工作就会处于满负荷状态，燃烧充分，温度控制准确。如果采用传统的连续比例燃烧控制技术，为了满足开始的快速升温要求，烧嘴工作在满负荷状态，燃烧充分，温度控制准确；但是在高温保温阶段，烧嘴就会处于不完全燃烧状态，运行稳定性和温度控制的准确性都变差，故未采用。

图2 标准时间--温度曲线

脉冲时序燃烧控制技术对烧嘴火焰的调节分为以下三种形式：大火小火形式、大火灭火形式和大火小火灭火形式。后两种形式都有灭火状态，烧嘴火焰处于灭火状态时，由于炉体自然散热和高温烟气排出，炉内温度会较快下降，这对温度控制的精度和灵活性非常重要；但是后两种形式都需要不断点火，各执行器频繁动作，这会大大缩短点火器和各执行器的寿命，并大大降低温度控制的稳定性。由于本耐火试验炉的燃气、助燃空气的压力、流量的调节范围很大，所以在大火时可以满足快速升温的需要，在小火时近似灭火可以满足温度控制的精度和灵活性。因此，本耐火试验炉采用大火小火形式。

4 脉冲时序燃烧控制技术的具体实现

4.1 硬件设计

本文所说的耐火试验炉采用脉冲时序燃烧控制技术的大火小火形式，其硬件结构如图3所示。

图3 大火小火形式硬件结构示意图

由图3可以看出，燃气和助燃空气通过各自管道在高速燃烧器内混合燃烧，其中助燃空气管路分为主管路和辅助管路。点火器点火时，助燃空气压力已经稳定并通过辅助管路进入高速燃烧器；此时燃气电磁阀开启，燃气通过比例控制阀进入高速燃烧器与助燃空气混合并被点燃；并且燃气流量由比例控制阀根据助燃空气压力控制。当需要高速燃烧器工作在小火状态时，电动蝶阀关闭，助燃空气只通过辅助管路提供，流量少压力小，比例控制阀开度小，燃气进入量少压力小，实现小火输出；当需要高速燃烧器工作在大火状态时，电动蝶阀开启助燃空气通过主管路和辅助管路同时提供，流量大压力高，比例控制阀开度大，燃气进入量多压力大，实现大火输出。其中比例控制阀的空燃比已经根据点火、小火和大火的具体情况事先设定好。需要注意的是：小火时烧嘴提供的热量应低于试验炉保温所需的热量；否则，即使所有烧嘴都工作在小火状态，炉内实际温度仍然会高于设定温度，这样就无法实现对炉温的精确控制。

4.2 软件设计

脉冲时序燃烧控制技术的大火小火形式的软件实现是指PLC中的软件部分，其在硬件基础上对温度的整体控制如图四所示；其中硬件结构如图3所示。由图4可以看出，整个温度控制采用负反馈控制策略，软件部分是控制策略的核心。

图4 整体控制示意图

软件部分主要包括三部分：（1）PID算法，根据设定温度、实际测量温度以及其他控制参数计算得到控制输出；（2）脉冲时序燃烧参数计算，包括脉冲宽度T0、脉冲间隔T1、工作周期T、占空比、烧嘴开始工作脉冲等参数；（3）根据（2）中的各个参数控制执行机构动作，实现脉冲时序燃烧控制，即完成温度控制。其中第（2）部分是实现脉冲时序燃烧控制技术的主要部分。

一般的脉冲时序燃烧控制技术的工作周期是固定的，而本文所说的建筑构件耐火试验炉采用的是变周期的脉冲时序燃烧控制技术。工作周期由脉冲宽度和脉冲间隔组成（T=T0+T1）；控制输出MV（范围0到100，即对应执行器开度0%到100%）对应执行器动作时间（即脉冲宽度T0），（100-MV）则表示执行器关闭时间（即脉冲间隔T1）；所以，公式T1/T0=(100-MV)/MV成立。如果按照固定周期计算，当控制输出MV在0到100之间从小到大变化时，对应的T0从0到T变化，T1从T到0变化，即烧嘴的大火时间从0到T变化。但是本耐火试验炉的执行器是电动蝶阀，其从开启到完全打开或从打开到完全关闭需要3秒，这就要求在控制过程中T0、T1大于3秒。当T0或T1小于3秒时，电动蝶阀就不能完成动作，温度控制精度就会下降，甚至损坏电动蝶阀，造成危险。

变周期的脉冲时序燃烧控制技术可以有效的解决这个问题，而且可以提高控制精度，延长执行器寿命，其具体计算过程如下：

图5 升温曲线和标准时间—温度曲线

当MV＜10%，为避免执行器频繁动作，看做MV=0%，烧嘴一直处于小火。

当10%＜=MV＜50%，脉 冲 间 隔T1固 定（根据电动蝶阀的工作特性和控温精度要求，本系统T1=3），根据公式T1/T0=(100-MV)/MV计算得到T0=T1*MV/(100-MV)，并 且T0＞3，保 证 电 动蝶阀可以完成动作。

当50%＜=MV＜90%，脉 冲 宽 度T0固 定（根据电动蝶阀的工作特性和控温精度要求本系统T0=3），根据公式T1/T0=(100-MV)/MV计算得到T1=T0*(100-MV)/MV，并 且T1＞3，保 证 电 动蝶阀可以完成动作。

当MV＞=90%，为避免执行器频繁动作，看做MV=100%，烧嘴一直处于大火。

所以，工作周期T=T0+T1在6秒到30秒之间变化。当控制输出MV在50%左右时，工作周期T最小，控制最准确，窑压波动最小。所以本耐火文所说的试验炉通过调节T0、T1的固定值，进而调节烧嘴的最大功率，使系统在高温保温阶段尽量工作在50%附近。图5是某次实验中炉内升温曲线和标准时间—温度曲线。由图中可以看出，除了在刚开始的快速升温阶段温度稍微超调之外，其他时段温度曲线与标准时间—温度曲线几乎重合，温差在5℃以内。

高速烧嘴喷出的高速高温焰气可以使炉内产生大的扰动，利于热量传递温度均匀。除此之外，本文所说的建筑构件耐火试验炉还通过控制烧嘴的大火时序进一步使炉内温度均匀。烧嘴的位置如图6所示。根据烧嘴开始工作脉冲，烧嘴1、烧嘴2……烧嘴8依次开始大火；这样在一个工作周期内炉内高温焰气先顺时针“旋转”，再逆时针“旋转”，使温度更加均匀。

图6 炉膛结构示意图

5 结论

脉冲时序燃烧控制技术在建筑构件耐火试验炉上的应用使温度控制完全符合GB/T 9978—2008标准规定的升温曲线，并且炉内温度均匀、结构简单、易于实现、运行稳定可靠，达到国内先进水平，具有很好的推广应用价值。

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