一种空燃比可调的蓄热式单烧嘴熔铝炉燃烧控制方法与流程

本发明涉及燃烧控制技术领域，更具体地说，涉及一种空燃比可调的蓄热式单烧嘴熔铝炉燃烧控制方法。

背景技术：

铝合金熔炼铸造是铝加工业主要的能耗工序，其能耗占铝材生产过程能耗的60％左右；如何通过改进现有生产工艺和设备实现节能减排，对铝加工工业实现绿色低碳经济具有重要意义。

目前熔铝炉常见的节能措施有：

1)工艺改进，如缩短并优化熔铸工艺流程。

2)采用蓄热式烧嘴等较先进的燃烧器，实现余热资源回收，降低排烟温度。

3)选用高标准的耐火材料，增大热交换面积，减少熔铝炉墙体的散热损失。

4)加装换热器或增设烟气余热梯级利用系统实现余热回收。

5)采用燃料空气比例自动调节等较先进的方式控制熔铝炉的过剩空气比例，以减少因空气量过多引起的排烟热损失及因空气量过少引起的燃料不完全燃烧热损失。

在上述节能措施中，燃料空气比例自动调节技术直接关系到熔铝炉的热效率，也代表了一个铝加工企业自动化水平的高低。

目前在铝型材挤压成型制品行业的熔炼设备中，传统的燃烧控制系统常采用压力平衡(均压)方式，其缺点如下：

1)由于只控制压力，它与燃烧器存在不匹配的可能。

2)燃烧器空气与燃气流量比的可调范围有限。

3)调节时控制精度较低，重复性不佳。

4)使用预热空气时，无法进行温度校正(即无法调节空气与燃气流量比)。

5)一旦熔铝炉燃烧特性发生变化，即无法实现精确控制。

由此可见，传统的定空燃比控制方式无法在燃烧的全过程中保证较高的热效率。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种空燃比可调的蓄热式单烧嘴熔铝炉燃烧控制方法，该控制方法可实现空燃比自动可调，使系统能更好地适应不同燃烧阶段熔铝炉燃烧特性的变化，达到节能降耗及提高熔铝品质的目的。

为了达到上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：一种空燃比可调的蓄热式单烧嘴熔铝炉燃烧控制方法，其特征在于：

根据实时检测的炉膛温度和燃气流量来控制燃气流量调节阀中燃气进入蓄热式单烧嘴熔铝炉的燃气流量；

根据实时检测的炉膛温度、排烟温度、助燃风温度和燃气温度得到实时的空燃比，或者根据蓄热式单烧嘴熔铝炉的燃烧阶段和燃烧模式设定空燃比；再根据空燃比和实时检测的助燃空气流量来控制助燃空气流量调节阀中助燃空气进入蓄热式单烧嘴熔铝炉的空气流量，实现燃气流量与空气流量实时控制调节，以提高蓄热式单烧嘴熔铝炉的燃烧热效率。

熔铝炉炉温控制主要在于燃气流量与空气流量的控制。空燃比是加热设备的一个重要参数，它对尾气排放、热效率和经济性能都有很大影响。空气流量不足将导致燃气燃烧不充分，造成能源的浪费；而空气流量过大则虽能充分燃烧，但多余的空气会带走大量热量，同样会造成能源的浪费。为使熔铝炉获得最大的燃烧效率，需将空燃比控制在合理的范围内。

在传统的比例调节法中，操作人员根据操作常识与经验，设定好一个固定的空燃比；在熔铝炉燃烧阶段，控制系统会根据炉膛或者烟气温度自动控制空气调节阀与燃气调节阀的开度。这种控制方式的缺点在于空气调节阀与燃气调节阀的开度比例在燃烧过称中保持固定，灵活性较差。事实上，由于熔铝炉具有多耦合、强非线性的特点，且包括燃气压力、热值等影响熔铝炉燃烧特性的不确定因素众多，致使固定空燃比的控制方式无法在燃烧的全过程中保证较高的热效率。

在上述方案中，本发明采用空燃比可调的燃烧控制方式，根据预热温度即助燃风温度、燃气温度、炉膛温度和排烟温度的变化情况，实时改变空燃比，该空燃比作为空气流量控制单元的输入量之一以控制调节助燃空气流量调节阀中助燃空气进入蓄热式单烧嘴熔铝炉的输出量，从而使系统能更好地适应不同燃烧阶段熔铝炉燃烧特性的变化，达到节能降耗及提高熔铝品质的目的，并可提高燃烧热效率进而实现节能。

具体地说，设定初始炉膛温度和初始燃气流量；所述初始炉膛温度与实时检测的炉膛温度作为炉温控制单元的输入量，得到炉膛温度控制量；所述炉膛温度控制量、初始燃气流量与实时检测的燃气流量作为燃气流量控制单元的输入量，通过燃气流量控制单元控制燃气流量调节阀中燃气进入蓄热式单烧嘴熔铝炉的燃气流量。

具体地说，设定初始空气流量；实时检测的炉膛温度、排烟温度、助燃风温度和燃气温度作为空燃比控制单元的输入量，以得到实时的空燃比；所述空燃比、初始空气流量和实时检测的空气流量作为空气流量控制单元的输入量，通过空气流量控制单元控制助燃空气流量调节阀中助燃空气进入蓄热式单烧嘴熔铝炉的空气流量。

所述根据蓄热式单烧嘴熔铝炉的燃烧阶段和燃烧模式设定空燃比是指：在蓄热式单烧嘴熔铝炉常设定的工作区间，以温度上升最快为目标或者根据炉膛火焰特点确定最佳空燃比，最佳空燃比作为设定的空燃比。

或者，所述根据蓄热式单烧嘴熔铝炉的燃烧阶段和燃烧模式设定空燃比是指：选择最优空燃比作为初始空燃比，并设定温度上限设定值；以最优空燃比进行燃烧控制，当温度达到温度上限设定值时，逐步改变空燃比，最终确定设定的空燃比。

或者，所述根据蓄热式单烧嘴熔铝炉的燃烧阶段和燃烧模式设定空燃比是指：在蓄热式单烧嘴熔铝炉工作的经验数据库内，寻找蓄热式单烧嘴熔铝炉的燃烧阶段和燃烧模式对应的数值来计算空燃比，该空燃比作为设定的空燃比。

在蓄热式单烧嘴熔铝炉的中部侧壁上设置测量炉温热电偶，以实时检测蓄热式单烧嘴熔铝炉的炉膛温度。

在蓄热式单烧嘴熔铝炉的顶部排烟处设置排烟温度热电偶，以实时检测蓄热式单烧嘴熔铝炉的排烟温度。

设置助燃风机和空气供给管道，所述助燃风机通过空气供给管道与蓄热式单烧嘴熔铝炉连接；所述助燃空气流量调节阀设置在空气供给管道上；在空气供给管道上还设置有助燃空气温度热电偶，以实时检测进入蓄热式单烧嘴熔铝炉的助燃风温度。

设置燃气供给装置和燃气供给管道，所述燃气供给装置通过燃气供给管道与蓄热式单烧嘴熔铝炉连接；所述燃气流量调节阀设置在燃气供给管道上；在燃气供给管道上还设置有测量燃气温度热电偶，以实时检测进入蓄热式单烧嘴熔铝炉的燃气温度。

与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：本发明空燃比可调的蓄热式单烧嘴熔铝炉燃烧控制方法可实现空燃比自动可调，使系统能更好地适应不同燃烧阶段熔铝炉燃烧特性的变化，达到节能降耗及提高熔铝品质的目的。

附图说明

图1是本发明空燃比可调的蓄热式单烧嘴燃烧控制方法的控制原理示意图；

图2是实现本发明控制方法的控制系统构成示意图；

图3是控制系统中控制机构输入、输出信号构成示意图；

其中，1为蓄热式单烧嘴熔铝炉、2为助燃风机、3为换热器、4为空气供给管道、5为燃气供给管道、6为助燃空气流量调节阀、7为助燃空气流量计、8为燃气流量调节阀、9为燃气流量计、10为可编程控制器plc、11为测量炉温热电偶、12为助燃空气温度热电偶、13为测量燃气温度热电偶、14为助燃空气压力表、15为助燃空气流量调节阀前压力测量传感器、16为助燃空气流量调节阀后压力测量传感器、17为燃气流量调节阀前压力测量传感器、18为燃气流量调节阀后压力测量传感器、19为燃气压力表、20为燃气电磁阀、21为燃气安全切断阀、22为燃气放散电磁阀、23为燃气检漏电磁阀、24为触摸屏、25为燃气调压阀。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。

实施例

如图1和图2所示，本发明空燃比可调的蓄热式单烧嘴熔铝炉燃烧控制方法是通过图2的控制系统实现的，该控制系统包括作为燃烧对象的蓄热式单烧嘴熔铝炉1、助燃风机2、燃气供给装置、换热器3、空气供给管道4、燃气供给管道5、助燃空气流量调节阀6、助燃空气流量计7、燃气流量调节阀8、燃气流量计9、可编程控制器plc10和检测机构，其中，助燃风机2通过空气供给管道4与蓄热式单烧嘴熔铝炉1连接，助燃空气流量计7、换热器3和助燃空气流量调节阀6依次设置在空气供给管道4上；燃气供给装置通过燃气供给管道5与蓄热式单烧嘴熔铝炉1连接，燃气流量计9和燃气流量调节阀8依次设置在燃气供给管道5上。该可编程控制器plc10与助燃风机2、燃气供给装置、助燃空气流量计7和燃气流量计9连接。

该可编程控制器plc10还包括炉温控制单元、燃气流量控制单元、空气流量控制单元和空燃比控制单元，而检测机构包括用于测量蓄热式单烧嘴熔铝炉1的炉膛温度的测量炉温热电偶11、用于测量助燃风温度的助燃空气温度热电偶12、以及用于测量燃气温度的测量燃气温度热电偶13。其中，测量炉温热电偶11设置在蓄热式单烧嘴熔铝炉1的中部侧壁上，并与炉温控制单元、燃气流量控制单元、燃气流量调节阀8和蓄热式单烧嘴熔铝炉1依次信号连接；炉温控制单元和空燃比控制单元分别依次与空气流量控制单元、助燃空气流量调节阀6和蓄热式单烧嘴熔铝炉1信号连接。助燃空气温度热电偶12设置在空气供给管道4上并与空气流量控制单元信号连接，测量燃气温度热电偶13设置在燃气供给管道5上并与燃气流量控制单元信号连接。而测量炉温热电偶11、助燃空气温度热电偶12和测量燃气温度热电偶13还分别与空燃比控制单元连接，实现自动调节蓄热式单烧嘴熔铝炉1的空燃比。

本实施例的控制系统还包括用于测量蓄热式单烧嘴熔铝炉1排烟温度的排烟温度热电偶，该排烟温度热电偶设置在蓄热式单烧嘴熔铝炉1的顶部排烟处，并与空燃比控制单元信号连接。该控制系统还包括助燃空气压力表14、与可编程控制器plc10连接的助燃空气流量调节阀前压力测量传感器15和助燃空气流量调节阀后压力测量传感器16，其中，助燃空气压力表14、助燃空气流量调节阀前压力测量传感器15和助燃空气流量调节阀后压力测量传感器16均设置在空气供给管道4上。而助燃空气流量调节阀前压力测量传感器15和助燃空气流量调节阀后压力测量传感器16分别与助燃空气流量调节阀6的输入端和输出端连接。

该控制系统还包括与可编程控制器plc10连接的燃气流量调节阀前压力测量传感器17和燃气流量调节阀后压力测量传感器18，该燃气流量调节阀前压力测量传感器17和燃气流量调节阀后压力测量传感器18均设置在燃气供给管道5上，并分别与燃气流量调节阀8的输入端和输出端连接。另外，本发明还包括设置在燃气供给管道5上的燃气压力表19、燃气电磁阀20、燃气安全切断阀21、燃气放散电磁阀22、燃气检漏电磁阀23和燃气调压阀25，其中，燃气电磁阀20、燃气安全切断阀21、燃气放散电磁阀22、燃气检漏电磁阀23和燃气调压阀25均与可编程控制器plc10连接。该控制系统还包括触摸屏24，可编程控制器plc10与触摸屏24连接。

本实施例以西门子s7-200plc及扩展i/o、模拟量模块为核心控制机构，配合蓄热式单烧嘴熔铝炉1组成一个集燃烧压力、流量、温度、换向阀位置、电磁阀、电动执行器、火焰信号、风机数据信号采集、控制的硬件平台。其中，s7-200plc为控制机构的核心处理器，炉温控制、压力校正、空燃比调节等算法均在其中实现。其输入、输出信号的构成如图3所示。本系统可自由设定空燃比，并具备温度/压力自动校正功能。相较于传统的定空燃比控制系统，本系统可在整个燃烧范围内实现更精确的燃烧控制，从而可更稳定地控制熔炉气氛，提高熔铝品质，在实现节能的同时减少氧化氮排放，保护环境。

本发明空燃比可调的蓄热式单烧嘴燃烧控制方法是这样的：根据实时检测的炉膛温度和燃气流量来控制燃气流量调节阀8中燃气进入蓄热式单烧嘴熔铝炉1的燃气流量；

根据实时检测的炉膛温度、排烟温度、助燃风温度和燃气温度得到实时的空燃比，或者根据蓄热式单烧嘴熔铝炉1的燃烧阶段和燃烧模式设定空燃比；再根据空燃比和实时检测的助燃空气流量来控制助燃空气流量调节阀6中助燃空气进入蓄热式单烧嘴熔铝炉1的空气流量，实现燃气流量与空气流量实时控制调节，以提高蓄热式单烧嘴熔铝炉1的燃烧热效率。

具体地说，设定初始炉膛温度和初始燃气流量，初始炉膛温度与实时检测的炉膛温度作为炉温控制单元的输入量，得到炉膛温度控制量，炉膛温度控制量、初始燃气流量与实时检测的燃气流量作为燃气流量控制单元的输入量，通过燃气流量控制单元控制燃气流量调节阀8中燃气进入蓄热式单烧嘴熔铝炉1的燃气流量。

设定初始空气流量；实时检测的炉膛温度、排烟温度、助燃风温度和燃气温度作为空燃比控制单元的输入量，以得到实时的空燃比；空燃比、初始空气流量和实时检测的空气流量作为空气流量控制单元的输入量，通过空气流量控制单元控制助燃空气流量调节阀6中助燃空气进入蓄热式单烧嘴熔铝炉1的空气流量。

上述根据蓄热式单烧嘴熔铝炉1的燃烧阶段和燃烧模式设定空燃比是指：在蓄热式单烧嘴熔铝炉1常设定的工作区间，以温度上升最快为目标或者根据炉膛火焰特点确定最佳空燃比，最佳空燃比作为设定的空燃比。

或者，上述根据蓄热式单烧嘴熔铝炉1的燃烧阶段和燃烧模式设定空燃比是指：选择最优空燃比作为初始空燃比，并设定温度上限设定值；以最优空燃比进行燃烧控制，当温度达到温度上限设定值时，逐步改变空燃比，最终确定设定的空燃比。

或者，上述根据蓄热式单烧嘴熔铝炉1的燃烧阶段和燃烧模式设定空燃比是指：在蓄热式单烧嘴熔铝炉1工作的经验数据库内，寻找蓄热式单烧嘴熔铝炉的燃烧阶段和燃烧模式对应的数值来计算空燃比，该空燃比作为设定的空燃比。

在传统的比例调节法中，操作人员根据操作常识与经验，设定好一个固定的空燃比；在熔铝炉燃烧阶段，控制系统会根据炉膛或者烟气温度自动控制空气调节阀与燃气调节阀的开度。这种控制方式的缺点在于空气调节阀与燃气调节阀的开度比例在燃烧过称中保持固定，灵活性较差。事实上，由于熔铝炉具有多耦合、强非线性的特点，且包括燃气压力、热值等影响熔铝炉燃烧特性的不确定因素众多，致使固定空燃比的控制方式无法在燃烧的全过程中保证较高的热效率。而本发明采用空燃比可调的燃烧控制方式，根据预热温度即助燃风温度、燃气温度、炉膛温度和排烟温度的变化情况，实时改变空燃比，该空燃比作为空气流量控制单元的输入量之一以控制调节助燃空气流量调节阀6中助燃空气进入蓄热式单烧嘴熔铝炉1的输出量，从而使系统能更好地适应不同燃烧阶段熔铝炉燃烧特性的变化，达到节能降耗及提高熔铝品质的目的，并可提高燃烧热效率进而实现节能。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。