CN106287804A - 燃烧控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于燃烧控制的补偿系统，包括：一个旁路通道，其第一端与未预热的助燃风连通，其第二端与一个第二换热器连通，所述第二换热器置于预热的助燃风所在通道内；一个第一差压感测装置，其设置在所述旁路通道，用于感测所述旁路通道内的流量变化；一个补偿通道，其一端与所述旁路通道的第一端连通，其第二端连通到每个燃气调节装置的设定端，所述空燃比调节装置用于调节送入相应烧嘴的燃气压力；一个流量控制装置，其设置在所述补偿通道上，用于使得所述补偿通道上的流量变化率等于所述第一差压感测装置感测到的所述旁路通道上的流量变化率。

Description

燃烧控制系统

技术领域

本发明总体涉及工业燃烧领域，尤其涉及工业炉窑中燃烧控制系统和方法。

背景技术

在工业燃烧行业，助燃风和燃气一同输送到烧嘴点火燃烧。空气作为助燃风，其与燃料的比率称作空燃比。空燃比的控制对于工业炉窑非常重要。空燃比不仅关系到工业炉的能耗，还关系炉窑的安全。当空气大量过剩时，大量的过剩空气会带走炉窑中的有用热量，还会造成炉窑中氧含量过剩，导致加热材料氧化或烧损。如若助燃空气量不足，则无法实现充分燃烧，燃烧不充分进而会产生例如一氧化碳等有毒气体，引起安全问题。业内一般用工业炉中实际使用的空气量与理论上的空气用量之比来衡量空气是否过剩，这一比值称作空气过剩系数，简称空气系数。空气过剩系数越接近1，工业炉的性能越佳。

传统的空燃比控制方法是根据空气压力来调整燃气量，也称作静压空燃比系统。目前，为了节约能源，业内也越来越多地使用助燃风预热技术。很多工业炉使用一个换热器将助燃风预热后再分给炉窑上的各个烧嘴进行燃烧。助燃风被预热之后体积膨胀，表现为空气体积流量上升而质量流量下降，所以采用传统的静压空燃比系统无法保证稳定的空气过剩系数，同时也影响了整个工业炉的热效率。

为了稳定空气过剩系数、提高热效率，需要一个能够补偿助燃风温度变化的补偿系统。于2013年11月20日公开的中国专利CN203298342U披露了一种具有温度补偿功能的燃烧控制系统。如该专利所述，燃烧控制系统中，热风管上设有热电偶；炉体上还设有炉内压力检测装置、炉内气氛检测装置和烟气阀；第一孔板流量计、第一电动调节蝶阀、第二孔板流量计、第二电动调节蝶阀、炉内压力检测装置、炉内气氛检测装置和烟气阀分别连接至控制终端。该控制终端通过预定算法计算来确定流量/压差的变化量，进而利用计算出的变化量来控制空燃比。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于燃烧控制系统的补偿系统以及具有该补偿系统的燃烧控制系统。采用本发明提出的方案能够及时根据因助燃风温度波动而发生的流量变化来控制空燃比。本发明的另一个目的在于提供一种用于燃烧控制系统的补偿系统，其能够补偿由于一部分烧嘴的状态改变导致的助燃风压力变化对其他烧嘴的空气流量的影响。

根据本发明一个方面，本发明提出的燃烧控制系统包括：一个助燃风通道，提供助燃气体；一个燃气通道，提供可燃气体；至少一个烧嘴，能够分别连通到所述助燃风通道和所述燃气通道；至少一个燃气调节装置，每个燃气调节装置设置在相应烧嘴的到所述燃气通道的通路上，用于调节送入所述烧嘴的燃气压力；一个第一换热器，设置在所述助燃风通道上，以对助燃风预热，并输出预热助燃风；一个补偿系统，该补偿系统包括：一个旁路通道，其第一端与未预热的助燃风通道连通，其第二端与一个第二换热器连通，所述第二换热器置于所述助燃风通道内且在所述第一换热器的下游；一个第一差压感测装置，其设置在所述旁路通道，用于所述旁路通道内的流量变化；一个补偿通道，其一端与所述旁路通道的第一端连通，其第二端连通到每个所述燃气调节装置的设定端；一个流量控制装置，其设置在所述补偿通道上，用于使得所述补偿通道上的流量变化率等于所述第一差压感测装置感测到的所述旁路通道上的流量变化率。

优选地，所述流量控制装置包括：一个第二差压感测装置，用于感测所述补偿通道上的流量变化率；一个差压比例阀，其与所述第一差压感测装置和第二差压感测装置，用于调节所述补偿通道内的流量变化，以使得所述第一和第二差压感测装置上感测到的所述流量变化率相同。

优选地，燃烧控制系统，还包括一个比例调节阀，其设置在第一差压感测装置的下游，其设定端连通到所述预热助燃风，其反馈端连通到所述第二换热器的上游。

根据本发明另一个方面，本发明提出一种用于燃烧控制的补偿系统，包括：一个旁路通道，其第一端与未预热的助燃风连通，其第二端与一个第二换热器连通，所述第二换热器置于预热的助燃风所在通道内；一个第一差压感测装置，其设置在所述旁路通道,用于感测所述旁路通道内的流量变化；一个补偿通道，其一端与所述旁路通道的第一端连通，其第二端连通到每个燃气调节装置的设定端，所述空燃比调节装置用于调节送入相应烧嘴的燃气压力；一个流量控制装置，其设置在所述补偿通道上，用于使得所述补偿通道上的流量变化率等于所述第一差压感测装置感测到的所述旁路通道上的流量变化率。

优选地，所述流量控制装置包括：一个第二差压感测装置，用于感测所述补偿通道上的流量变化；一个差压比例阀，其与所述第一差压感测装置和第二差压感测装置连接，用于调节所述补偿通道内的流量变化，以使得所述第一和第二差压感测装置上感测到的所述流量变化率相同。

优选地，本发明提出的补偿系统，还包括：一个比例调节阀，其设置在第一差压感测装置的下游，其设定端连通到所述预热助燃风，其反馈端连通到所述第二换热器的上游。优选地，所述差压感测装置为一个差压孔板。

优选地，所述燃气调节装置为一个比例调节阀，其设定端连通到所述补偿通道，其反馈端与到相应烧嘴的燃气通道连通。

优选地，补偿系统还包括第一节流阀，其设置在所述旁路通道中所述第二换热器的下游，且其一端连通到所述旁路通道，另一端连通大气；第二节流阀，其设置在所述补偿通道上所述第二差压感测装置的下游，其一端连通到所述补偿通道，另一端连通大气。

根据本发明另一个方面，本发明还提出一种用于燃烧控制的补偿方法，包括：感测一个旁路通道的流量变化，所述旁路通道的第一端与未预热的助燃风连通，其第二端与一个第二换热器连通，所述第二换热器置于预热的助燃风所在通道内；

使得一个补偿通道上的流量变化率等于所感测到的所述旁路通道上的流量变化率，其中所述补偿通道的一端与所述旁路通道的第一端连通，其第二端用于调节送入相应烧嘴的燃气压力。

附图说明

以下附图仅对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。

图1示出根据本发明一个实施例的燃烧控制系统。

图2示出根据本发明另一个实施例的燃烧控制系统。

图3示出根据本发明一个实施例的燃烧控制的补偿方法。

具体实施方式

为了对发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式，在各图中相同的标号表示相同的部分。

在本文中，“示意性”表示“充当实例、例子或说明”，不应将在本文中被描述为“示意性”的任何图示、实施方式解释为一种更优选的或更具优点的技术方案。

为使图面简洁，各图中的只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。

在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

在本文中，“第一”、“第二”等仅用于彼此的区分，而非表示它们的重要程度及顺序、以及互为存在的前提等。

本文中，“连接”、“固定”可以是两个结构之间直接地连接，也可以是通过其他结构间接地连接。

图1示出了根据本发明一个实施例的燃烧控制系统的示意图。如图1所示，一个典型的燃烧控制系统至少包括：一个助燃风通道20、一个燃气通道30和至少一个烧嘴40。助燃风和燃气分别输送到每个烧嘴40。对于多个烧嘴的情况，多个烧嘴彼此并联，并分别经支路连接到助燃风通道20和燃气通道30。图1示例性地示出了两个烧嘴40-1和40-2(统称为烧嘴40)的情况。烧嘴40-1设计成只有大/小火两种状态。烧嘴40-1经燃气支路30-1连通到总的燃气通道30，经助燃风支路20-1连通到总的助燃风通道20。在燃气支路30-1上设置有一个用于大、小火状态切换的电磁阀48-1。相应地，在助燃风支路20-1上设置有一个可调节助燃风大小的调节阀42-1，且可在例如大风和小风两个状态下切换，以配合燃气支路上的燃气输送，从而保证燃料和助燃空气的配比。烧嘴40-2设计成一个可电子式位置比例调节的烧嘴。烧嘴40-2分别经助燃风支路20-2和燃气支路30-2连通到总的助燃风通道20和燃气通道30。两个调节阀42-2和43-2分别设置在燃气和助燃风支路上，且这两个调节阀可以由一个控制器44-2来根据实际需要进行调控。该控制器44-2例如可以使用西门子公司出品的LMV37控制器。为了有效控制空燃比，在两个烧嘴各自的燃气支路30-1和30-2上还分别设置有一个燃气调节装置46-1和46-2，用来按照所需的设定压力调节燃气支路上的燃气压力。优选地，燃气调节装置46可选用具有反馈的比例调节阀，例如采用西门子公司出品SKP 25燃气阀门液压执行器以及与之配套的阀门来实现。如图1所示，比例调节阀46具有一个设定端464-2和一个反馈端464-1。设定端464-2接收一个所期望的设定压力。反馈端464则连通到该比例调节阀46下游的燃气支路上。比例调节阀46使得其所在燃气支路30-1上的燃气压力平衡在其设定端其设定的压力上。由此，比例调节阀46可以按照需要控制或调节每个烧嘴40的空燃比。

在图1的例子中，为了节约能源，助燃风通道20上设置有一个换热器22。换热器22可以将冷态的助燃风(例如20摄氏度的空气)预热到例如300摄氏度。由于升温，助燃风的体积膨胀，致使助燃风的质量流量下降，例如下降到冷态时的80％。也就是说送到烧嘴40的助燃风质量流量下降80％，为此需要相应地调节送到烧嘴的燃气流量。

在本发明中提供了一个能够实现空燃比补偿的补偿系统100。图1示例性地示出了根据本发明一个实施例的补偿系统100。如图1所示，补偿系统100包括一个旁路通道120和一个补偿通道130。旁路通道120一端与换热器22上游的助燃风通道20连通，另一端连通到一个小型的换热器126。小型的换热器126置于换热器122下游的预热后的助燃风通道内。换言之，小型的换热器126可以模拟助燃风通道预热前后的温度变化。由此，旁路通道120上常温空气的流量变化率可以反映助燃风通道20上预热前后的质量流量变化率。补偿通道130一端与旁路通道120连通，其也同样流过常温空气。补偿通道130的另一端连接到例如位于燃气支路上的燃气调节装置46的设定端462上。在补偿通道130作用在于使其自身通道上的流量变化率等于旁路通道120上的流量变化率。也就是说，最终使得燃气调节装置46的设定端464-2上(压力变化)反应助燃风道20上的质量流量变化，从而及时调整燃气量，使之与助燃风量匹配。

具体地，在图1所示的例子中，在旁路通道120上，换热器126的下游连接有一个节流阀128。换热器126的上游设置一个差压感测装置122，其用来感测旁路通道120上的流量变化。优选地，该差压感测装置122为一个差压孔板，其可以测得孔板两个表面的压差，进而得到流量变化。节流阀128的一端连通到旁路通道120，另一端连通大气。节流阀128用来控制旁路通道120的空气流量在合理的范围之内。所谓合理范围是指足以感测出助燃空气因温度变化引起的流量变化的范围内。在本发明一个例子中，在冷态下，节流阀128例如调节成使得差压孔板122上的差压为10mbar，旁路通道120内的流量在大于6立方米/小时。小型的换热器126例如可具体为置于预热后的助燃风通道内的一段曲折的管道，其使得换热器126内的助燃风也被升温到例如300摄氏度。与助燃风通道情况类似，由于换热器126内空气升温到300，旁路通道120内的空气流量也相应下降到原来的80％，即4.8立方米/小时。差压孔板122上的压差也相应下降。

在图1所示的例子中，补偿通道130的远端也连接有一个节流阀136。与节流阀128类似，节流阀136同样为了控制补偿通道130内的空气流量在一个合理的范围内。在本发明一个例子中，与旁路通道120类似，在冷态下，节流阀136将补偿通道130内的空气流量控制在例如6立方米/小时。在实际应用中，补偿通道和旁路通道的流量大小不必相同。补偿通道130上设置有一个流量控制装置140，其用于使得补偿通道130上的流量变化等于旁路通道120上的流量变化。经过流量调节后，在节点135处的压力可进一步传递到燃气调节装置46的设定端。

具体地，在图1的例子中，流量控制装置140包括一个差压感测装置142和一个差压比例阀144。差压感测装置142优选为一个差压孔板，其能够测得补偿通道130上的流量变化。差压比例阀144的设定端144-a连接到旁路通道120上的差压孔板122，其反馈端144-b连接到补偿通道130上的差压孔板142。由此，差压比例阀144可以调整其阀的开度来使得补偿通道130上的流量变化等同于旁路通道120上的流量变化。也就是说，调整以后，补偿通道130上的流量也变为原来的80％。从而，节流阀136之前的节点135处的压力则减小到原来的64％(压差变化为流量变化的平方)。这一压力变化进一步转移到例如比例调节阀46的设定端462。比例调节阀46则将连接到烧嘴40的燃气压力也减小到原来的64％，即燃气流量减小为冷态的80％(流量变化为压力变化的开方)。由此，可实现燃气流量与空气流量的同比例变化，保持空燃比。

图2示出了根据本发明另一个实施例的补偿系统200的示意图。图2中与图1相同的部件采用了相同的附图标记，这些部件的功能和作用也与图1所示部件相同，这里不再赘述。在图2中，补偿系统200具有一个与图1不同的旁路通道220。旁路通道220上，在换热器126的上游设置有一个比例调节阀124。比例调节阀124的反馈端124-b连通到其下游的旁路通道，其设定端124-a连通到预热后的助燃风通道20。比例调节阀124可通过调整其阀门开度大小来使得节点125处的压力等于预热后的助燃风通道20内129位置的压力。从而，旁路通道220的流量变化不仅反映助燃风通道内因温度变化导致的流量变化，还反映了助燃风通道内因烧嘴工作数量变化导致的流量变化。

以图2所示的两个烧嘴的情况为例。在运行中，如果一个烧嘴40-1停止工作，则通过换热器22的流量例如减小为原来的50％，使得预热后的助燃风通道内的压力升高,例如为原来125％,进而导致烧嘴40-2的助燃风流量上升例如11.8％.。此时，比例调节阀124上设定端124-a的压力也同等升高。比例调节阀124调节其阀门开度，使得旁路通道220上的压力同等升高125％，也就是旁路通道220上的流量变化与烧嘴40-2的助燃风变化11.8％相同.比例调节阀124所改变的流量变化(例如+11.8％)与换热器126导致的流量变化(-20％)叠加后，形成旁路通道120上总体流量变化，并经差压比例阀144转换为节点135处的压力变化，该压力变化最后用来调节烧嘴的燃气支路的流量变化。

采用图2所示的补偿系统200，不仅可以补偿温度变化带来的助燃风流量变化，还可以考虑因烧嘴工作数量的变化而导致的流量变化。由此，补偿系统200可以动态调整燃气流量，保证空燃比一直靠近理论计算的理想值。

根据本发明的上述实施例，本发明还提出了一种示例性的燃烧控制的补偿方法。图3示例性地示出了该方法的一种实现方式。如图3所示，在步骤S310中，感测旁路通道120的流量变化，该旁路通道120的第一端121与未预热的助燃风连通，其第二端123与换热器126连通，该换热器126置于预热的助燃风所在通道内。换热器126用于模拟助燃风通道内的温度变化。在步骤S320中，使得补偿通道130上的流量变化率等于所感测到的所述旁路通道上的流量变化率，其中补偿通道130的第一端与所述旁路通道120的第一端121连通，其第二端135用于调节送入相应烧嘴的燃气压力。优选地，在步骤S330中，将所述预热后助燃风的流量变化叠加到所述旁路通道的流量变化。

本发明提出的补偿系统能够针对工业燃烧应用有效补偿因助燃风温度和压力的变化而带来的空燃比控制问题。简而言之，本发明提出的补偿系统通过采用引出一路助燃风的旁路通道来对燃烧系统助燃风的温度和压力进行实时跟踪模拟，再通过例如差压比例阀将跟踪模拟所获得的助燃风流量的变化转变为压力信号的变化补偿到燃气通道中。也就是说，即当燃烧系统中的实际空气量因助燃风的温度和压力变化时每个烧嘴的燃气流量能够得到近似相同比率的补偿，从而保证整个系统在各种工况下的高效运行。

采用本发明提出的补偿系统和补偿方法则不必使用大量流量计和传感器来进行感测，也无需使用例如CPU的控制器来进行各种复杂计算。因此，本发明提出的补偿系统相对于现有的补偿系统而言成本低，没有因复杂计算导致的调节滞后，也不会出现因调节滞后而引起的空燃比彼此不匹配的问题，更不会出现因没有冗余配置(使用单个CPU)而带来的可靠性问题。

采用本发明提出的补偿系统，因将空燃比控制在较为理想的值，其可以有效的提高燃烧系统的整体热效率。本发明提出的补偿系统能够很好地补偿烧嘴工作数量变化导致空燃比不匹配，因而特别适用于工业炉中一个换热器给多个烧嘴供应热风的应用，而且烧嘴的数量和功率不受限制。本发明提出的补偿系统可以实时补偿助燃风温度变化而引起的空燃比偏差，实时补偿助燃风压力变化而引起的空燃比偏差。由此，采用本发明提出的补偿系统可以有效提升炉窑的升温速度和提升炉窑的燃烧效率。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施方式描述的，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方案或变更，如特征的组合、分割或重复，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种燃烧控制系统，包括：

一个助燃风通道(20)，提供助燃气体；

一个燃气通道(30)，提供可燃气体；

至少一个烧嘴(40)，能够分别连通到所述助燃风通道(20)和所述燃气通道(30)；

至少一个燃气调节装置(46)，每个燃气调节装置(46)设置在相应烧嘴(40)的到所述燃气通道(30)的通路(30-1、30-2)上，用于调节送入所述烧嘴的燃气压力；

一个第一换热器(22)，设置在所述助燃风通道(20)上，以对助燃风预热，并输出预热助燃风；

一个补偿系统(100)，包括：

一个旁路通道(120)，其第一端(121)与未预热的助燃风通道(20)连通，其第二端(123)与一个第二换热器(126)连通，所述第二换热器(126)置于所述助燃风通道(20)内且在所述第一换热器(22)的下游；

一个第一差压感测装置(122)，其设置在所述旁路通道(120)，用于所述旁路通道内的流量变化；

一个补偿通道(130)，其一端与所述旁路通道(120)的第一端(121)连通，其第二端(135)连通到每个所述燃气调节装置(46)的设定端(464-2)；

一个流量控制装置(140)，其设置在所述补偿通道(130)上，用于使得所述补偿通道(130)上的流量变化率等于所述第一差压感测装置(122)感测到的所述旁路通道上的流量变化率。

2.如权利要求1中所述的燃烧控制系统，其中，所述流量控制装置(140)包括：

一个第二差压感测装置(142)，用于感测所述补偿通道(130)上的流量变化率；

一个差压比例阀(144)，其与所述第一差压感测装置(122)和第二差压感测装置(142)，用于调节所述补偿通道(130)内的流量变化，以使得所述第一和第二差压感测装置上感测到的所述流量变化率相同。

3.如权利要求1或2中所述的燃烧控制系统，还包括：

一个比例调节阀(124)，其设置在第一差压感测装置(122)的下游，其设定端连通到所述预热助燃风，其反馈端连通到所述第二换热器(126)的上游。

4.一种用于燃烧控制的补偿系统，包括：

一个旁路通道(120)，其第一端(121)与未预热的助燃风连通，其第二端(123)与一个第二换热器(126)连通，所述第二换热器(126)置于预热的助燃风所在通道内；

一个第一差压感测装置(122)，其设置在所述旁路通道(120)，用于感测所述旁路通道(120)内的流量变化；

一个补偿通道(130)，其一端与所述旁路通道(120)的第一端(121)连通，其第二端(135)连通到每个燃气调节装置(46)的设定端(464-2)，所述空燃比调节装置(46)用于调节送入相应烧嘴的燃气压力；

一个流量控制装置(140)，其设置在所述补偿通道(130)上，用于使得所述补偿通道(130)上的流量变化率等于所述第一差压感测装置(122)感测到的所述旁路通道上的流量变化率。

5.如权利要求4中所述的补偿系统，其中，所述流量控制装置(140)包括：

一个第二差压感测装置(142)，用于感测所述补偿通道(130)上的流量变化；

一个差压比例阀(144)，其与所述第一差压感测装置(122)和第二差压感测装置(142)连接，用于调节所述补偿通道(130)内的流量变化，以使得所述第一和第二差压感测装置上感测到的所述流量变化率相同。

6.如权利要求4或5所述的补偿系统，还包括：

一个比例调节阀(124)，其设置在第一差压感测装置(122)的下游，其设定端连通到所述预热助燃风，其反馈端连通到所述第二换热器(126)的上游。

7.如权利要求4-6中任一所述的补偿系统，其中，所述差压感测装置(122、142)为一个差压孔板。

8.如权利要求4-7中任一所述的补偿系统，其中，所述燃气调节装置(46)为一个比例调节阀，其设定端连通到所述补偿通道(130)，其反馈端与到相应烧嘴的燃气通道连通。

9.如权利要求4-8中任一所述的补偿系统，还包括：

第一节流阀(128)，其设置在所述旁路通道(120)中所述第二换热器(126)的下游，且其一端连通到所述旁路通道，另一端连通大气；

第二节流阀(136)，其设置在所述补偿通道上所述第二差压感测装置的下游，其一端连通到所述补偿通道(130)，另一端连通大气。

10.一种用于燃烧控制的补偿方法，包括：

感测一个旁路通道(120)的流量变化，所述旁路通道(120)的第一端(121)与未预热的助燃风连通，其第二端(123)与一个第二换热器(126)连通，所述第二换热器(126)置于预热的助燃风所在通道内；

使得一个补偿通道(130)上的流量变化率等于所感测到的所述旁路通道上的流量变化率，其中所述补偿通道(130)的一端与所述旁路通道(120)的第一端(121)连通，其第二端(133)用于调节送入相应烧嘴的燃气压力。