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摘 要：本文通过对几种燃烧控制方式的分析比较，设计一种较为理想的步进式热处理炉燃烧控制系统，并对燃烧过程中的炉膛氧含量、炉压的控制进行进行分析、设计。使炉膛的燃烧控制能够满足不同规格钢管的热处理要求。
关键词：比例控制；串级控制；双交叉限幅控制；燃烧效率
1 燃烧控制的任务
燃烧过程的任务和被控变量、操纵变量见表1-1。
表1-1 热处理炉燃烧过程的任务、被控变量和操纵变量
热处理炉在生产不同规格的钢管时，炉内的热负荷也随之发生变化，尤其是生产大规格、高壁厚的管时，管料吸收大量的热，温降很快，为此燃烧控制系统必须能快速做出反应，及时调整温度，使温度的变化控制在±10℃以内。在温度调整过程中，天然气和空气流量必须控制在合理的比值，确保天然气能够完全燃烧，并且有比较高的燃烧效率。为确保钢管质量，炉膛的压力也必须控制在合理范围，我们通过控制烟道闸板的开度来控制抽风量，以确保炉压的恒定。
2 燃烧过程的控制
2.1 燃烧过程基本控制
①基本控制方案一【见图2-1（a）】由两个控制系统组成：一个串级控制系统，炉膛温度作为主被控量、天然气流量作为副被控量；一个比例控制系统：天然气流量作为主动量、空气流量作为从动量。该方案使天然气量和空气量保持一定的比值恒定，当热负荷增大时，天然气量消耗也增大，助燃空气会按照恒定的比值增大。但这种方式，助燃空气量的增加明显落后，不能确保天然气的完全燃烧。
②基本控制方案二【见图2-1（b）】它是由两个串级控制系统组成。一个是炉膛温度作为主被控量、天然气量作为副被控量；另一个是炉膛温度作为主被控变量，助燃空气作为副被控量。该方案通过同时调节天然气电动调节阀和助燃空气电动调节阀来控制天然气量和空气量，并且使其维持在一定比值，以满足热处理负荷的变化，保持炉温的基本稳定。
③逻辑提量和逻辑减量控制系统（见图2-2）当生产大管径、厚壁管时炉膛热负荷增大，该方案在执行时是先增大空气流量，然后增大天然气量；当生产小管径、薄壁管时，热负荷减小，系统在执行时是先减小天然气量，然后减小空气量。这种方式的优点是确保天然气能够完全燃烧，同时确保炉膛温度的相对稳定。
2.2 双交叉限幅燃烧控制
在这种燃烧控制方式中，我们将热电偶检测到的炉膛温度作为主被控变量，差压变送器检测到的天然气流量和助燃空气流量同时作为副被控变量。两个副被控变量之间能够维持在相应比值。当热处理炉内的钢管规格不变、产量相对恒定时，天然气流量和空气流量基本保持在某一数值恒定。当管料更换规格时，热负荷发生变化，天然气量和空气量也会动态的发生变化，并使天然气和空气流量尽可能的维持在最佳比值。
[图2-3 双交叉限幅控制系统]
双交叉限幅燃烧控制系统如图2-3所示。在该热处理炉控制中，我们选用西门子400PLC进行系统控制。双交叉限幅控制可在程序中编程实现。在系统中，我们设定了两个限幅器：高限HLM和低限LLM；两个选择器：高选HSE和低选LSE。
①热处理炉在炉温稳定运行状况下 炉膛温度已经达到了我们之前的设定值。天然气流量控制器设定值SP1再经天然气系统的两个选择器后所得。空气流量控制器设定值SP2是温度控制器IC的输出先经过两个限幅器后，经空气系统的两个选择器乘以比值系数K所得，因此炉温稳定运行时有：
SP2=K×SP1
在系统中，两个流量控制器是积分函数，当炉温稳定运行时，设定值等于测量值，即F1=SP1，F2=SP2，故有K×F1=F2。在这种条件下，空燃比一直保持为K。
通过上述分析我们看到，在炉膛温度恒定的情况下，限幅器和选择器都没有起作用，输出都是炉膛温度信号值OT。
②管料规格增大，产量增加，热负荷增加时 由于炉膛内热量被大量消耗，炉膛温度下降，为了使炉膛温度回升，控制器IC的输出应增加，经限幅器后OT增加，从而使得天然气流量和空气流量设定值同时增加，但都受到限幅作用，SP1最大增量为K1，SP2最大增量为KK4，我们设定KK4>K1，使SP2的增加量大于SP1，即可实现空气量先增加，天然气量后增加。（图2-3）
通过分析，该控制系统经过交叉限幅后，温度回升并不是快速一步到位，而是通过天然气和空气量的交替增加，缓慢实现，两个量的变化都会影响到对方，这样做的优点是使空燃比尽量保持在最佳状态，确保天然气的完全燃烧，实现最佳燃烧效率，同时避免了温度的过大波动。
③管料规格减小，产量减少，负荷减少时 与上述情况相反，我们设定K2>KK3，使SP1的减少量大于SP2，即可实现天然气量先减少，空气量后减少。
3 燃烧热效率及炉膛氧含量控制
在步进式热处理炉中，炉膛内氧含量必须要控制在一个良好范围内。氧含量过高，钢管容易产生氧化铁，会影响钢管的质量。氧含量过低，则可能造成天然气的不充分燃烧，降低热处理炉的热效率，同时在烧嘴内部点火电极附近生成大量积碳，造成再次点火困难的情况。
3.1热处理炉的热效率
热处理炉燃烧时天然气是否充分燃烧及烟气的温度决定了热效率的高低。本热处理炉在烟道处添加一套换热系统，将烟气余热加以回收利用，可大大提高炉体的热效率。另外可通过检测烟气的含氧量AO来看是否燃烧充分。
我们将实际空气量QP与理论空气量QT的比值称为过剩系数，用α表示：α=QP/QT
α越大，助燃空气量多，被烟气带走的热量也越大，炉温降低越多。过剩空气系数很难直接测量，它与炉膛含氧量AO有关。
α=21/（21-AO）
3.2 炉膛含氧量控制
炉膛氧含量控制系统是在逻辑提量和减量控制系统的基础上，将定比值IK（图2-2）改为变比值。我们选用氧化锆氧量检测仪进行氧含量检测，将检测出的氧含量用于控制空燃比，使其及时作出调整，使天然气的燃烧更加充分，提高热处理炉的燃烧效率。
4 炉膛压力控制
炉膛压力的稳定关系到钢管产成品的质量，影响它稳定的因素有很多，助燃风量的变化，炉底水封槽液位高低、炉门及观察口的密封性，烟道闸板的响应时间等。在系统控制中主要还是热负荷变化后助燃风量变化的影响。为此，将助燃风量作为前馈信号，可组成图4-1所示的前馈-反馈控制系统。
图4-1 炉膛压力前馈-反馈控制系统
图4-1中，前馈控制器FY提前将助燃风量添加到炉压控制中。更有效地避免了炉压的过大波动。
通过分析设计，本热处理炉采用双交叉限幅的燃烧控制系统，并通过氧含量的控制和炉压控制，能够实现最优的燃烧效率，满足钢管的热处理要求。
参考文献：
[1]何衍庆，俞金寿，蒋慰孙.工业生产过程控制[M].化学工业出版社.
[2]石景作.玻璃工业仪表和自动化M].轻工业出版社.
关键词：比例控制；串级控制；双交叉限幅控制；燃烧效率
1 燃烧控制的任务
燃烧过程的任务和被控变量、操纵变量见表1-1。
表1-1 热处理炉燃烧过程的任务、被控变量和操纵变量
热处理炉在生产不同规格的钢管时，炉内的热负荷也随之发生变化，尤其是生产大规格、高壁厚的管时，管料吸收大量的热，温降很快，为此燃烧控制系统必须能快速做出反应，及时调整温度，使温度的变化控制在±10℃以内。在温度调整过程中，天然气和空气流量必须控制在合理的比值，确保天然气能够完全燃烧，并且有比较高的燃烧效率。为确保钢管质量，炉膛的压力也必须控制在合理范围，我们通过控制烟道闸板的开度来控制抽风量，以确保炉压的恒定。
2 燃烧过程的控制
2.1 燃烧过程基本控制
①基本控制方案一【见图2-1（a）】由两个控制系统组成：一个串级控制系统，炉膛温度作为主被控量、天然气流量作为副被控量；一个比例控制系统：天然气流量作为主动量、空气流量作为从动量。该方案使天然气量和空气量保持一定的比值恒定，当热负荷增大时，天然气量消耗也增大，助燃空气会按照恒定的比值增大。但这种方式，助燃空气量的增加明显落后，不能确保天然气的完全燃烧。
②基本控制方案二【见图2-1（b）】它是由两个串级控制系统组成。一个是炉膛温度作为主被控量、天然气量作为副被控量；另一个是炉膛温度作为主被控变量，助燃空气作为副被控量。该方案通过同时调节天然气电动调节阀和助燃空气电动调节阀来控制天然气量和空气量，并且使其维持在一定比值，以满足热处理负荷的变化，保持炉温的基本稳定。
③逻辑提量和逻辑减量控制系统（见图2-2）当生产大管径、厚壁管时炉膛热负荷增大，该方案在执行时是先增大空气流量，然后增大天然气量；当生产小管径、薄壁管时，热负荷减小，系统在执行时是先减小天然气量，然后减小空气量。这种方式的优点是确保天然气能够完全燃烧，同时确保炉膛温度的相对稳定。
2.2 双交叉限幅燃烧控制
在这种燃烧控制方式中，我们将热电偶检测到的炉膛温度作为主被控变量，差压变送器检测到的天然气流量和助燃空气流量同时作为副被控变量。两个副被控变量之间能够维持在相应比值。当热处理炉内的钢管规格不变、产量相对恒定时，天然气流量和空气流量基本保持在某一数值恒定。当管料更换规格时，热负荷发生变化，天然气量和空气量也会动态的发生变化，并使天然气和空气流量尽可能的维持在最佳比值。
[图2-3 双交叉限幅控制系统]
双交叉限幅燃烧控制系统如图2-3所示。在该热处理炉控制中，我们选用西门子400PLC进行系统控制。双交叉限幅控制可在程序中编程实现。在系统中，我们设定了两个限幅器：高限HLM和低限LLM；两个选择器：高选HSE和低选LSE。
①热处理炉在炉温稳定运行状况下 炉膛温度已经达到了我们之前的设定值。天然气流量控制器设定值SP1再经天然气系统的两个选择器后所得。空气流量控制器设定值SP2是温度控制器IC的输出先经过两个限幅器后，经空气系统的两个选择器乘以比值系数K所得，因此炉温稳定运行时有：
SP2=K×SP1
在系统中，两个流量控制器是积分函数，当炉温稳定运行时，设定值等于测量值，即F1=SP1，F2=SP2，故有K×F1=F2。在这种条件下，空燃比一直保持为K。
通过上述分析我们看到，在炉膛温度恒定的情况下，限幅器和选择器都没有起作用，输出都是炉膛温度信号值OT。
②管料规格增大，产量增加，热负荷增加时 由于炉膛内热量被大量消耗，炉膛温度下降，为了使炉膛温度回升，控制器IC的输出应增加，经限幅器后OT增加，从而使得天然气流量和空气流量设定值同时增加，但都受到限幅作用，SP1最大增量为K1，SP2最大增量为KK4，我们设定KK4>K1，使SP2的增加量大于SP1，即可实现空气量先增加，天然气量后增加。（图2-3）
通过分析，该控制系统经过交叉限幅后，温度回升并不是快速一步到位，而是通过天然气和空气量的交替增加，缓慢实现，两个量的变化都会影响到对方，这样做的优点是使空燃比尽量保持在最佳状态，确保天然气的完全燃烧，实现最佳燃烧效率，同时避免了温度的过大波动。
③管料规格减小，产量减少，负荷减少时 与上述情况相反，我们设定K2>KK3，使SP1的减少量大于SP2，即可实现天然气量先减少，空气量后减少。
3 燃烧热效率及炉膛氧含量控制
在步进式热处理炉中，炉膛内氧含量必须要控制在一个良好范围内。氧含量过高，钢管容易产生氧化铁，会影响钢管的质量。氧含量过低，则可能造成天然气的不充分燃烧，降低热处理炉的热效率，同时在烧嘴内部点火电极附近生成大量积碳，造成再次点火困难的情况。
3.1热处理炉的热效率
热处理炉燃烧时天然气是否充分燃烧及烟气的温度决定了热效率的高低。本热处理炉在烟道处添加一套换热系统，将烟气余热加以回收利用，可大大提高炉体的热效率。另外可通过检测烟气的含氧量AO来看是否燃烧充分。
我们将实际空气量QP与理论空气量QT的比值称为过剩系数，用α表示：α=QP/QT
α越大，助燃空气量多，被烟气带走的热量也越大，炉温降低越多。过剩空气系数很难直接测量，它与炉膛含氧量AO有关。
α=21/（21-AO）
3.2 炉膛含氧量控制
炉膛氧含量控制系统是在逻辑提量和减量控制系统的基础上，将定比值IK（图2-2）改为变比值。我们选用氧化锆氧量检测仪进行氧含量检测，将检测出的氧含量用于控制空燃比，使其及时作出调整，使天然气的燃烧更加充分，提高热处理炉的燃烧效率。
4 炉膛压力控制
炉膛压力的稳定关系到钢管产成品的质量，影响它稳定的因素有很多，助燃风量的变化，炉底水封槽液位高低、炉门及观察口的密封性，烟道闸板的响应时间等。在系统控制中主要还是热负荷变化后助燃风量变化的影响。为此，将助燃风量作为前馈信号，可组成图4-1所示的前馈-反馈控制系统。
图4-1 炉膛压力前馈-反馈控制系统
图4-1中，前馈控制器FY提前将助燃风量添加到炉压控制中。更有效地避免了炉压的过大波动。
通过分析设计，本热处理炉采用双交叉限幅的燃烧控制系统，并通过氧含量的控制和炉压控制，能够实现最优的燃烧效率，满足钢管的热处理要求。
参考文献：
[1]何衍庆，俞金寿，蒋慰孙.工业生产过程控制[M].化学工业出版社.
[2]石景作.玻璃工业仪表和自动化M].轻工业出版社.