摘要：脉冲燃烧控制加热炉具有温度控制精度高、控制区域灵活、炉膛温度均匀性好、钢坯氧化损失低、NOx排放低的优点。被广泛应用于钢铁行业高端产品轧制生产线的钢坯加热。脉冲燃烧控制加热炉一般有带段流量调节和不带段流量调节两种，其中不带段流量调节的脉冲控制系统，由于其自身特点的限制，前期调试对充分发挥脉冲控制系统优点显得至关重要。
关键词：无段流量调节；脉冲控制加热炉；燃烧系统；调试；
某厂轧钢生产线脉冲燃烧控制加热炉，对无段流量调节脉冲控制燃烧系统调试前准备工作、脉冲烧嘴调试步骤进行了梳理；对调试时数据测量和后续分析进行了总结，可供类似无段流量调节脉冲加热炉燃烧系统设计和生产使用时参考。
一、脉冲燃烧技术优点
1.保证每个烧嘴始终在额定状态下工作，从而降低了炉子运行中的燃料消耗，减少氧化铁皮的产生，减少NOx的产生，保证稳定的空燃比，可以方便地设定炉内气氛。
2.与传统的只能实现分段控制的比例燃烧相比，脉冲燃烧可以实现对每一个烧嘴的单独控制，可以任意调节供热段和非供热段的长度，以及精确地控制各供热段的供热量。
3.在额定的燃气压力、热值下，脉冲燃烧状态喷出热气流的热焓、速度以及长度都是一个定值，如果对多个烧嘴进行适当的组合，合理地布置，就会很容易获得较好的炉内温度场分布，保证极高的坯料加热质量。
4.从传统的空气、燃料的流量比例调节改变为以控制每个烧嘴额定燃烧条件下的供热时间来控制供热量，系统相对简化，操作简单，维护方便。
5.通过烧嘴间隔性的开闭组合，能够更大程度地增强炉内各段的炉气紊流搅拌，促进炉气和钢坯的热交换，达到节能和提高炉子热效率的目的。
二、脉冲燃烧技术控制的原理
近年来，在轧钢加热炉上采用脉冲燃烧技术改善了炉内火焰温度分布，进而改善了炉膛内的温度分布，有利于钢坯的均匀加热。早在20世纪60年代，为了满足加热及热处理工艺对温度均匀性的严格要求，尤其是中、低温炉内温度均匀性要求，脉冲控制的高速烧嘴在各行业得到广泛应用,其原理是利用高速烧嘴喷出的高速(大于100m／s)气流搅动炉内气体，从而得到均匀的炉温。炉温控制由原来调节烧嘴能力大小改变成为控制烧嘴开闭时间来实现，烧嘴的开闭时间可自动设定，这样就实现了0—100％热负荷的线性输出。烧嘴前的空气、煤气管道上配备有电磁阀及空煤气比例控制设备，可以有效地保证每个烧嘴的最佳空燃比，从而保证烧嘴最佳燃烧状态，这就保证了不同热负荷时炉温的均匀性。
为了避免采用这种方式供热时，由于空气、煤气供热时有时无，造成对管网压力的冲击，以及炉子的断续供热造成的炉压等问题，对各个烧嘴的开闭时间及其开关顺序进行控制调节。脉冲燃烧控制采用间断燃烧的方式，使用脉宽调制技术，通过调节燃烧时间的占空比(通断比)来实现加热炉的温度控制。这个系统并不调节某个区域内燃料输入的大小，而是调节在给定区域内每个烧嘴被点燃的频率和持续时间。烧嘴的输入量是事先给定的，每个烧嘴按照事先给定的供开度和热量需求成正比的频率开闭。所有的烧嘴并不同时点燃，而是按照一定的时序依次点燃。
三、工程案例
1.加热炉概况。本次调试对象为某厂轧钢生产线加热炉。加热炉设计额定生产能力为90t/h，加热炉砌体长度28.9m，内宽7 m。从装料端至出料端，加热炉沿炉长分为热回收段、预热段、加热段和均热段，其中上均热段采用炉顶平焰烧嘴，双交叉限幅连续燃烧控制，其余各段采用侧向烧嘴，脉冲燃烧控制。加热炉炉型结构简图参见图1。
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图1 某厂轧钢生产线加热炉结构简图
2.调试前准备工作。在调试工作开始前，应对加热炉的燃烧系统做详细的了解并对脉冲烧嘴进行编号，准备好计算资料、数据记录表格等。（1）系统简图及脉冲烧嘴编号。本项目脉冲燃烧控制段采用大环管结构，空气、煤气系统简图见图2、图3。
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图2空气系统简图 图3煤气系统简图
为方便后续叙述，本工程的烧嘴编号如下方式进行（从装料端至出料端）：
轧机侧上部烧嘴：NA01~NA08；
轧机侧下部烧嘴：NB01~NB11；
非轧机侧上部烧嘴：FA01~FA08；
非轧机侧下部烧嘴：FB01~FB11。
（2）计算资料。脉冲烧嘴的调平及空气、燃气配比都是通过调节烧嘴前手动阀的开度来实现，而流量只能通过测量烧嘴前孔板前后压差△P来进行计算。因此，为提高调试效率，需要预先准备好各脉冲烧嘴在不同负荷下烧嘴前空气、煤气孔板的压差。孔板前后压差△P可按式（a）计算：
△P=ρ×Q2（k×d2×ε×α）^2（a）
式中：△P为烧嘴前孔板前后压差，Pa；ρ为介质密度，kg/m3（标准）；Q为介质流量，m3/h（标准）；K为孔板结构系数；d为工况下孔板开孔直径；ε为介质可膨胀系数；α为介质流量系数。
3.调试.调试工作主要为脉冲烧嘴空气、煤气调平和数据测试、分析，每个烧嘴的调试方法基本相同。为节约篇幅和便于叙述，本文选取加热段的4个脉冲烧嘴来进行阐述，4个烧嘴分别为加上轧机侧NA07、加下轧机侧NB07、加上非轧机侧FA07、加下非轧机侧FB07。
(1)脉冲烧嘴调平。脉冲烧嘴的调平工作是指在额定空气、煤气总管压力下，通过调整烧嘴前空气、煤气手动调节阀的开度，将烧嘴能力、空燃比调整到目标值。根据本项目的特点，需先将空气总管压力稳定在8.5 kPa、煤气总管压力稳定在7.5 kPa，所有脉冲烧嘴的负荷调整为最大负荷的90%，其中预热段空气过剩系数为1.1、加热段为1.08、均热段为1.05。具体调试步骤如下：1）计算烧嘴在目标负荷、目标空气过剩系数下，烧嘴前空气、煤气流量测量孔板的压差，以NA07、NB07、FA07、FB07为例，计算出的孔板压差见表1。
表1烧嘴前空气、煤气流量测量孔板压差 Pa
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2）将空气总管压力调节阀和煤气总管压力调节阀的设定值分别设为8.5 kPa和7.5 kPa，同时将总管压力稳定在上述设定值。3）逐个测量每个脉冲烧嘴前空气、煤气孔板前后压差，通过调节烧嘴前手动阀门的开度，使空气、煤气孔板前后压差稳定在表1中的计算值附近。
（2）数据测试与分析。在加热炉各脉冲烧嘴调平的基础上，分别改变空气、煤气总管的压力，测试各脉冲烧嘴的空燃比及空气过剩系数变化范围，为自动控制提供基础数据。注意，在数据测试过程中，烧嘴前的空气、煤气手动阀门开度需保持不变。1）数据测试。根据本项目特点，空气总管的压力分别设定为7.0、7.5、8.0、8.5、9.1 kPa，煤气总管的压力分别设定为7.0、7.5、8.0、8.5、9.0 kPa。通过测量烧嘴前空气、煤气孔板的压差，再由公式（1）算出对应的空气、煤气流量。2）数据分析。数据分析的目的主要有两点，一是对前期调平过程的检验，二是将测试的数据提供给自动化控制系统，作为控制的原始数据。数据分析的内容主要包括空燃比和空气过剩系数。本项目燃料为天然气，理论空燃比为10.042，分析结果：①当空气、煤气总管压力波动一致时，烧嘴的空燃比、空气过剩系数基本保持一致；②当空气、煤气总管压力在7.0～9.0 kPa波动时，对应的四个烧嘴的空燃比在9～11.8波动，对应的空气过剩系数在0.9～1.18波动。为分析全炉的数据，可将所有烧嘴的数据进行算术平均。为了便于叙述，此处仍以上述烧嘴为例，分析结果：a通过调整空气、煤气总管压力，可调整全炉的空气过剩系数。b若煤气总管压力设定为7.5 kPa，空气总管压力在7～9 kPa波动时，空气过剩系数在1.00～1.13波动，对应的残氧值波动幅度在0%～2.4%。c若空气、煤气总管压力同时波动时，全炉的空气过剩系数可在0.9～1.16调整。
总之，分析可以看出，脉冲燃烧控制加热炉燃烧系统前期调试对发挥脉冲系统的优点至关重要，其调试工作量也是传统加热炉的数倍，所以调试前应做好充分的准备工作，测试数据应认真分析，给自动化控制提供正确的原始数据。
参考文献：
[1]赵海鹏.脉冲燃烧技术在步进加热炉中的应用.2018.
[2]王华平.浅谈无段流量调节脉冲控制加热炉调试要点研究.2019.