基于熱值反饋系統的窯爐用天然氣供應裝置研究

鄭 斌

ZHENG Bin

（天津城市建設學院 熱能與機械工程系，天津 300384）

0 引言

窯爐由于在玻璃制造中的特殊作用，其控制精度要求很高。要保證玻璃的生產質量，就要對窯爐的加熱過程進行精確控制，因而燃氣站設計特別是燃氣熱值調節裝置的設計越來越具有機電一體化系統設計的特征。以某太陽能超白玻璃窯爐為例，爐內溫度波動要求小于1℃，液面波動不高于0.1mm，要求供給窯爐的天然氣熱值從34.6～43.7 MJ/m3調節到34.3～34.9MJ/m3。[1]

為達到此要求，本研究設計了燃氣熱值在線測定裝置，并以其作為反饋信號，采用在原燃氣中摻混空氣的辦法調整燃氣熱值，構成了前饋-雙閉環控制系統，使燃氣熱值得到很好的控制，獲得了滿意的控制精度。

1 熱值控制系統工作原理

天然氣屬于可燃氣體，燃燒后放出燃燒熱，空氣本身沒有燃燒熱，天然氣和空氣混合后，天然氣將被稀釋，熱值將降低。熱值調整采用管道式混合器（渦輪發生器）向天然氣中摻混空氣，熱值調整通過控制調節閥開度來實現。系統的調節過程如下 ：

首先，通過在原燃氣管路上的流量和熱值測量裝置（變送器），測量原燃氣的流量和熱值，熱值控制前饋環節利用這兩個信號，依據原燃氣的情況確定一個預調的空氣量。控制器PID2根據反饋的空氣流量測量裝置的空氣流量信號調節空氣調節閥門，將空氣量控制在預設的空氣量附近。

然后設定的空氣量在混合器中與原燃氣混合，從而使混合后的混合氣熱值接近設定的熱值附近，混合氣的熱值經熱值測量裝置后反饋給控制器PID1，控制器PID1根據實測混合氣熱值與設定熱值的誤差給前饋環節計算的預調空氣量附加一個修正量，從而使空氣閥門開度和摻混空氣量變化，最終使熱值調整為預定的設定值。

由原燃氣的流量以及調整前后燃氣的熱值計算，計算公式如下[2]（為前饋量）：

控制系統由內外兩個閉環調整環節組成。內部調整環節以實測的調整空氣流量與前饋空氣流量之差為反饋量，由控制器PID2完成對調整空氣量的控制；外部環節則以調整后的混合氣體的熱值與目標燃氣熱值之差為反饋量，由控制器PID1完成對前饋空氣量的在線調整。內外兩個環節配合可以補償各種調節裝置的誤差，再加上合理的前饋環節，使系統具有良好的穩態和瞬態控制精度。

2 控制系統仿真實驗

2.1 熱值調節系統數學模型[3,4]

整個仿真系統模型主要分為前饋控制模型、燃氣從參數測量點到混合氣的傳輸過程模型、控制器模型、空氣閥模型、混合氣模型以及空氣流量和熱值測量模型。其中對系統設計具有特殊意義的是前饋控制模型和熱值測量裝置模型。

2.2 前饋控制模型

所以，如果知道原燃氣的流量和熱值，那么由上式不難得到要想使混合后混合氣的熱值得到目標值，那么所需的前饋預調空氣量為：

公式（3）是前饋控制的穩態數學模型。模型僅考慮了穩態情況下前饋空氣量的計算方法。為了考察控制系統的動態控制特性，就必須建立瞬態模型。影響前饋環節瞬態性能的因素主要是燃氣熱值以及流量測量裝置的響應時間和由燃氣取樣管長度引起的測量滯后，而從前饋環節到空氣閥門控制器 PID2的電信號滯后則可以忽略不計。

因此，前饋環節的瞬態特性可以用一個純時間延遲Lff和時間常數Tff描述[3]。其中Lff為燃氣取樣管長度引起的滯后時間Lff，由于測量儀器安裝在控制室內，從現場來的取樣管長度為20m，因而產生較長的滯后時間Lff=6s；Tff為流量和熱值測量裝置時間常數的最大者，根據計算取熱值測量時間常數，Tff=0.2s。

2.3 熱值測量裝置模型

系統采用了空氣吸熱式自動熱量計[5]。為實現快速而準確的熱值測定，熱值測量裝置中采用了復合運算器。其它各檢測單元的檢測信號輸送到復合運算器,由復合運算器按預定的程序進行演算,最終輸出熱值數據。

熱值按下式計算：

由于熱值測量裝置有一個20多米長的取樣管，所以引起熱值測量的滯后，用Lq表示，Lq=6s 。另外，從前面的公式推導，不難看出，熱值是根據多種測量儀器的信號計算出來的，這些儀表均安裝在現場，以電信號的形式輸入到熱值計算儀中，所以信號傳輸的延遲可以忽略不計。空氣流式熱值計利用燃氣在燃燒器中燃燒放熱給空氣流加熱的方法間接計算熱值，當熱值變化時，由于燃燒放熱滯后和空氣熱容，所以使熱值儀存在較大的時間常數。整個測量過程的時間常數為Tp= 0.5s。

2.4 仿真實驗

根據前面建立的熱值調整系統的數學模型，在MATLAB/SIMULIK環境下建立了仿真模型[7,8]。熱值的控制目標為34.57MJ/m3，燃氣的參數為：Fng=3000Nm3/h，=35.95MJ/m3。為了考察燃氣參數變化對控制系統的影響，用兩個信號發生器模仿燃氣流量和熱值的干擾。利用兩個示波器Qs-scope和Fair-scope分別觀察混合氣熱值和空氣流量的變化。

按照系統的實際參數取前饋環節燃氣取樣管滯后時間Tff= 6s，燃氣傳輸滯后時間Lngd= 0.3s，利用信號發生器給燃氣的流量添加一個幅值為300、周期為100s的干擾，給熱值添加一個幅值為100、周期為100s的干擾信號，考察有、無前饋環節時熱值的波動情況。

3 結論

總之，熱值反饋調節系統應用于窯爐燃氣調節過程控制，其高精度、快速響應的特性，結合合理的前饋-反饋控制、串級控制策略，精度達到了1%，響應時間為6s,有效地保證了控制品質。調整后的燃氣熱值達到34.5～34.7 MJ/m3，滿足了超白玻璃等高等級玻璃制造對玻璃熔化質量的要求。

[1] Luis Claudio,ACBC Project Logic Diagram of the Natural Gas and LPG Blending System[R].Algas Industries,INC.,Mar22,2002.

[2] 姜正侯,郭文博,等.燃氣燃燒與應用[M].北京：中國建筑工業出版社,2009,1-5.

[3] 鄭斌.玻殼池爐用燃氣熱值及壓力調整系統設計與實現[D].北京：清華大學,2001.