戴广伟
徐州威卡电子控制技术有限公司 江苏徐州 221000
摘要：燃烧器是将燃料和空气，按所要求的浓度、速度、湍流度和混合方式送人炉膛，并使燃料能在炉膛内稳定着火及燃烧的装置，是锅炉的关键设备。随着节能环保越来越受到重视，燃烧器燃烧系统逐渐向多燃料的混合燃烧方式发展，对燃烧器控制有了新的要求。为此，提出了基于西门子PLC控制系统下的多燃料混烧解决方案，针对混烧燃料不同成分的热值关系，通过燃料流量和风量配比的控制，达到节能环保的要求。实际应用表明，所提出的解决方案经济、有效。
关键词：燃烧器；可编程逻辑控制器；混烧
近年来，出于成本考虑和节能减排的需要，燃烧器燃料品种日趋多样，除了燃油、燃气(煤气)外，还采用让一些含有可燃气体的(工业)废气或含有可燃液体的(工业)废液加入燃烧。在节能减排中，工业废液和废气需要充分利用，同时，对燃烧尾气中有害气体含量提出了严格的限制。由于这些混合燃烧的燃料热值不同，因此，对燃烧控制提出了更高的要求。
传统的燃烧器采用程控器和专用仪表控制，存在功能简单、输入输出点数少、运算功能差等不足，特别在混烧情况下，难于实现精确的燃烧控制和燃烧配风。基于SIEMENSs7—300系列PLC设计的控制系统，利用PLC易扩展、可编程、运算功能强的优势，通过控制算法实现符合设计要求的燃烧控制。
针对的控制对象为某化工厂导热油炉上的燃烧器系统，其可使用3种燃料，分别为天然气、重油、酚焦油。其中，酚焦油为该化工厂的废液，具有很高的燃烧热值。燃烧方式为酚焦油和重油混烧或天然气和酚焦油混烧。混烧控制时，要求通过合理的配风来实现燃料更好更充分地燃烧，在节能的同时，保证尾气排放合格。
1燃烧器控制系统设计
燃烧器控制系统是根据指令或锅炉负荷变化的要求，按照规定的操作顺序和条件启(投)、停(切)锅炉点火系统和(或)燃烧器运行的控制系统。
1.1系统架构
燃烧器控制系统中的设备包括：油泵、风机、阀组、传感器、火焰检测器等。其中，PLC是整个系统的核心，用于现场信号采集、数据处理、设备控制和信息显示。
1.2控制系统组成
燃烧器控制系统主要由现场信号采集子系统、燃烧器燃烧流程子系统、燃烧器报警子系统和闭环调节子系统等组成。
现场信号采集子系统采集现场信号后输入PLC系统，通过量程转换，将仪表参数显示在上位机画面中，同时通过运算处理，达到输出控制目的。
燃烧器控制流程子系统在一键启动后，根据工艺要求，自动运行启动流程，直到燃烧器点火成功。
燃烧器报警子系统用于监测设备运行情况，当运行参数越限时产生报警事件，并由控制器采取防护措施。闭环调节子系统负责在燃烧器启动成功后，自动控制导热油温度。
1.3硬件配置
系统设计中，燃烧器控制系统由西门子SIMATICS7—300系列PIC和MP系列MP277—10英寸的触摸屏组成。PLC和触摸屏之间采用西门子公司PROFIBUS总线进行连接。PLC模块配置：西门子300系列PLCCPU315—2DP、CPU的24V电源PS307、开关量输入模块SM321、开关量输出模块SM322、模拟量输入模块SM331、模拟量输出模块SM332。
1.4燃烧器控制原理
燃烧器控制流程分为：待机、前吹扫、点火火焰建立、主火焰建立、点火成功、负荷调节、后吹扫、停炉成功等几个阶段。待机情况下启动燃烧器，首先将炉膛内可燃气体吹扫干净，提供安全的点火环境，确保炉膛内无可燃气体，避免点火时发生爆燃；接着开启点火设备，建立点火火焰，为后续燃料大量进入、点燃主燃料做准备；然后将主燃料喷人炉膛，建立主火焰；点火成功，进入正常燃烧——负荷调节阶段，闭环调节子程序根据上位机(触摸屏)上设定导热油的目标温度自动控制燃烧，并调节导热油的出口温度。
燃烧器启动采用在操作屏上点击启动按钮启动(一键启动方式)，PLC会自动执行燃烧器控制流程，直到燃烧器启动成功。如果在启动过程中，出现联锁报警，PLC会自动检测燃烧器目前所处的工作状态，根据不同的状态采取不同的停炉方式。
例如，在点火火焰建立阶段停炉，由于有可燃气体或液体已经进人炉膛，必须进行炉膛吹扫后再次点火。
2关键技术及实现
多种燃料混合燃烧控制的关键在于，如何控制各种燃料的燃烧量，以及如何配比合适的燃烧风，使燃料充分燃烧。因此，燃烧控制主要由燃料的流量控制和配风控制两部分组成。
2.1混烧实现
本实例中燃烧方式有：单燃料燃烧和双燃料混烧。双燃料混烧有2种：重油和酚焦油混烧；天然气和酚焦油混烧。
重油的满负荷流量为960kg／h，酚焦油的满负荷流量为990kg／h，天然气的满负荷流量为1300m。／h。即单独满负荷燃烧其中1种燃料，产生的热量可以满足锅炉满负荷运行的要求。
相对于单燃料燃烧控制，双燃料混烧控制比较复杂。下面以重油和酚焦油混烧举例说明。
设定导热油的温度后，根据闭环调节的算法，运算出所需要的燃烧热量。根据酚焦油的储存量(设定燃料占空I：D以及重油和酚焦油的热值关系，计算出每种燃料需要的流量，根据各自的流量通过闭环调节，控制各自的调节阀。其中，燃料(酚焦油)的占空比K为O～1之问的参数，例如当K为0.3时，混烧时重油燃烧产生的热量占总热量的7O，酚焦油为30；如果占空比为0或者1，则是单烧重油或者酚焦油。天然气和酚焦油混烧时，同样可用以上方法。
2.2配风与实现
传统的燃烧器配风只有风门挡板控制，鼓风机没有配置变频器，只能在鼓风机全速运转的情况下，通过控制风门挡板的开度来控制风量，导致鼓风机用电量的极大良费。本系统采用风门挡板和鼓风机变频方式双重调节进风量，以减少电耗，节约能源。
2.2.1风门挡板配风的实现
首先让鼓风机运行在固定的频率下，以保证足够的风压和助燃效果。通过改变风门挡板的开度来调节进风量。随着燃烧量的增加，当风门挡板已经开到最大，但无法满足足够的风量时，再通过增加鼓风机的频率来增加进风量。因此，风门挡板调节是在低负荷运行情况下进行的。
在燃料热值稳定的情况下，燃料流量和燃烧进风量是成正比非线性关系。为了使燃料配风恰当，本系统采用分段线性化处理，拟合风门挡板开度对应燃料流量的分段曲线关系，根据实时的燃料流量，通过查表插值计算，得到对应的风门开度来调节风门。
将燃料流量分成1O段，每1段为满量程的1O。重油的满负荷流量为960kg／h，单烧重油，重油流量为288kg／h时，根据配风表，得到风门的开度是34。若重油流量是320kg／h，流量在288～384kg／h之间。
2.2.2鼓风机变频配风的实现
随着燃烧量的增加，当风门挡板位置开到最大仍不能满足进风量要求时，通过增加鼓风机的频率来增加进风量。鼓风机频率控制也采用了和风门挡板一样的分段曲线配风方法来实现。可通过燃料流量查找到对应的鼓风机频率值。 当尾气氧含量大于3时，通过公式求得修正值，在一定范围内减小鼓风机频率，在减小鼓风机用电量的同时，避免了进风量太多带走过多的热量，以提高热效率。当尾气氧含量小于3O时，通过公式求得修正值，在一定范围内增加进风量，使燃料能够更充分地燃烧，减少尾气中有害气体的含量，达到环保要求。
2.2.3混烧配风的实现
对于双燃料混烧的情况，由于燃料的热值各不相同，燃料与风(风门开度和风机频率)的配比也不是线性关系，因此，配风不能用简单的叠加办法来处理。理论上，燃烧需要的空气量是根据燃料所含的元素，按化学反应计算出的空气需求量(理论空气量)，再考虑适量的过氧空气系数可以得到。当无法得到燃料元素数据分析表时，可采用经验公式估算。
3结语
节能减排已成为燃烧器控制的重要研究方向，本设计结合具体项目进行了有益的实践，应用实例运行至今，效果良好，系统通过混烧废液，在节省燃料的同时，减少了工业废液排放，达到了节能减排目的。
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