燃氣熱風發生器熱風溫度控制性能實驗研究

同濟大學 龐志輝 馮良 葛雪 李建設

熱風發生器于20世紀70年代末在我國開始廣泛應用，屬于燃燒技術領域中供給熱風的設備，在電子、食品、制藥、印刷、包裝、清洗、熱處理等行業有十分廣泛的應用前景。高效、可靠、穩定的熱風發生器成為這些行業產品生產質量的重要保證。實驗中所測試的采用全預混燃燒技術的直燃式熱風發生器，具有污染物排放低(排放物中CO含量約為14×10-6，NOx含量約為6×10-6)，熱效率高(幾乎達到100%)等優點，符合國家節能減排的政策要求，可適用于各種場合。但是各行業的生產工藝有很大差別，所涉及的工藝參數較多，如熱風流量、熱風溫度等,例如纖維類物料干燥系統，烘干溫度若超過85 ℃，干燥后的物料變色發黃且易碎，物料的物性改變而不能使用，成為廢品；若溫度過低，又會造成生產效率下降，生產成本提高，還有像透氣防毒服的主要研制設備噴涂式上漿機，由于是特種行業對產品的質量要求很高，噴涂式上漿機烘箱的控溫精度要求相當嚴格，溫控精度需達到±4 ℃，這就要求建立高性能的、精確的、穩定的熱風發生器的控制系統。

1 熱風發生器的控制方式

熱風發生器的控制系統可分為燃燒控制和溫度控制兩部分。

1.1 燃燒控制

合理可靠的燃燒控制是熱風發生器最關鍵的環節之一，控制質量的好壞直接影響燃燒穩定性。由于全預混燃燒具有火焰短、燃燒完全等明顯優點，因此本研究采用該燃燒技術的熱風發生器。一套完整的全預混燃燒系統包括全預混的燃燒器頭部和空氣/燃氣比例控制裝置等。對于全預混燃燒狀態下的燃燒器，保持合理、穩定的空燃比是燃燒器正常工作的前提，調節空氣/燃氣比例的裝置顯得尤為重要。維持穩定的燃氣、空氣比例對燃氣燃燒的主要作用是維持穩定的燃燒工況、提高燃燒效率、減少污染排放。

常用的空氣/燃氣比例調節的方式有以下三種：

(1)機械連桿調節閥：伺服電機驅動空氣蝶閥，通過連桿同步控制燃氣蝶閥的開度，同步調節空氣和燃氣的供給量，維持空氣/燃氣比例的恒定。

(2)燃氣比例閥：通過混合器與伺服閥相結合的方法實現燃氣、空氣比例的調節。

(3)伺服電機分別控制燃氣和空氣蝶閥的開度，由所謂電子空燃比控制器進行協同控制。

由上述幾種調節方式可以看出，有兩種是利用蝶閥控制空氣與燃氣流量的方式來控制空氣/燃氣比例。這種調節方式的結構較簡單，具有良好的流體控制特性和密閉性能。但是普通蝶閥的調節特性與快開式的調節特性接近，如圖1，即在閥程很小時，流量就有比較大的增加，并很快達到最大，只在某一流量范圍內線性度較好，而在最大和最小流量運行時會出現不穩定，在整個調節過程中，線性度不是很好。這樣的調節特性極易使空燃比偏離預期的設定值，從而影響全預混燃燒器的燃燒狀態。而且蝶閥的快開式調節特性，使得它的流量調節范圍較小，繼而使燃燒器負荷調節比受到限制。所以這種空燃比的控制方式，會影響到整個控制系統的精度。

圖1 部分旋轉閥的流量特性

本系統中控制空氣/燃氣比例的裝置采用的是壓力式空氣/燃氣比例調節技術，結構見圖2，具體調節過程為，將空氣壓力作為調節量，燃氣壓力作為校正量，燃氣比例閥在空氣壓力信號與燃氣出口壓力之間建立1:1關系，在空氣壓力發生變化時這個比例關系是保持不變的。

圖2 空氣/燃氣比例調節裝置

燃氣比例閥的調節特性如圖3，可見在較大的壓力范圍內(0.1~1.5 kPa)空氣/燃氣的比例保持穩定的值，可以達到我們的設計目的，保持合理、穩定的空燃比，維持全預混燃燒系統的理想燃燒工況。

圖3 燃氣比例閥空氣/燃氣比例調節特性

1.2 溫度控制

熱風發生器最主要的控制指標是熱風的出口溫度，控制變量為無刷直流風機的轉速，即空氣的流量。

1.2.1 ON-OFF控制模式

ON-OFF控制方式容易操作，當前溫度如果低于設定值，溫度控制器輸出ON，燃燒器以最大功率(100%負荷)運行，如果溫度高于設定值，溫度控制器輸出OFF，燃燒器停止運行(相當于0%負荷)。由于燃燒器啟動需要一定的吹掃、點火等時間，響應較慢，因此在像熱風發生器這種熱惰性較小的應用場合，在溫度達到設定值時，一般以能維持燃燒的較小功率運行(例如30%負荷)，即所謂的HIGH-LOW-OFF模式。由于它們都是由控制器輸出觸點的狀態(ON或OFF)控制的，在這里把HIGH-LOW-OFF模式也歸于ON-OFF控制模式，見圖4。

ON-OFF控制方式就是以設定值為基準重復執行ON、OFF操作，將溫度保持在固定的水平范圍。

圖4 ON-OFF控制過程示意

1.2.2 PID控制模式

PID是溫度控制系統中應用較為廣泛的一種控制方式。其調節的本質就是根據設定值與實際反饋值的偏差，通過比例、積分、微分這三個函數關系進行計算，計算結果用于控制輸出。PID在時域里的微分方程為：

式中：u(t)—控制輸出量；

Kp—控制器的比例系數；

e(t)—控制輸入量；

Ti—為控制器的積分時間常數；

Td—控制器的微分時間常數。

比例環節反應了控制系統在偏差產生時控制器的響應速度。積分環節的作用是消除靜態誤差，但是會降低系統的響應速度，增加系統的超調量。微分環節的作用是對系統的動態過程起控制作用，根據偏差的變化趨勢預先給出適當的糾正。這三個環節各自作用的相互配合，決定了PID控制器控制品質的優劣。

1.2.3 溫度控制過程

燃燒系統采用PWM調速風機，因此控制器通過調節PWM輸出信號來調節風機轉速，從而控制空氣流量的大小，由于燃氣比例閥的控制作用，燃氣流量隨空氣量的變化等比例的改變，穩定地控制燃燒器的負荷大小，從而最終實現新型的全預混熱風發生器的溫度調節控制。

熱風溫度采用ON-OFF控制模式時，溫度控制器根據檢測的熱風溫度值判斷，如果低于設定溫度值，輸出ON給燃燒控制器的大小火控制端，燃燒控制器把最大功率對應的PWM信號給風機，如果高于設定溫度值則輸出OFF，燃燒控制器對應地把最小功率時的PWM信號給風機。采用PID溫度控制模式時，選配的PID溫度控制模塊根據實測熱風溫度與設定溫度的偏差，經PID計算后輸出4~20 mA信號給燃燒控制器的4~20 mA信號輸入端，而燃燒控制器把4~20 mA轉化為對應的PWM轉速信號后送風機。

2 熱風發生器的溫控性能測試

2.1 實驗裝置

實驗裝置見圖5。

2.1.1 測試對象

全預混直燃式熱風發生器。

圖5 全預混燃燒熱風發生器溫度控制性能測試裝置

2.1.2 溫度數據采集

實驗使用研華ADAM-4011溫度采集智能模塊溫度數據采集裝置為，該模塊使用微處理器控制的積分式A/D轉換器將熱電偶電壓信號轉化為相應的溫度值數字信號，采樣的速率為10采樣點/s，精度為0.05%(電壓輸入)。研華ADAM-4520智能模塊將采集到的數據按照RS-485標準轉化為計算機可以接受的RS-232標準數據，傳遞給上位機進行數據記錄。

實驗中組態軟件記錄溫度的速率為1采樣點/s。

2.1.3 溫度控制器

在實驗中使用的溫度控制器兼有PID和ON-OFF控制的功能，通過開關來控制PID控制模式和ON-OFF控制模式的切換。

PID溫度控制器有自整定的功能，可根據熱風發生器自身具體的狀況調整PID各參數，以達到最佳的控制性能。

ON-OFF控制模式時溫控器在溫度設定值及5 ℃的回差溫度輸出相應的ON和OFF信號，實現大小火的切換，大火為滿負荷狀態下運行，小火為滿負荷的30%負荷運行。

2.2 測試結果

根據實驗過程記錄的PID控制模式與ON-OFF控制模式下溫度數據，繪制成如圖6、圖7的溫升曲線，從熱風溫升曲線可以看出：熱風發生器在PID控制模式時，溫度由49.8 ℃開始升溫，第一次達到設定值的時間為14 s，超調量為11.7 ℃，最終穩定到的設定值時間為56 s，在熱風溫度穩定后，溫度上下波動不超過1.5 ℃，所以溫控精度為±2 ℃；在ON-OFF控制模式下，溫度由50.6 ℃開始升溫，第一次達到設定值的時間為12 s，但ON-OFF控制無法達到穩定，溫度值總是在設定值上下振蕩，振蕩的幅度在20 ℃左右。

圖6 PID控制模式下熱風溫升曲線

圖7 ON-OFF控制模式下熱風溫升曲線

3 結束語

根據實際測得的溫度響應可以看出，熱風發生器在ON-OFF控制模式下，熱風溫度在設定溫度點上有±20 ℃的波動；在PID控制模式下，系統的動態性能和穩態性能得到明顯改善，熱風溫度在平衡點附近震蕩小，控制精度顯著提高，達到±2 ℃。將PID控制方式應用于熱風發生器的熱風溫度控制中，實現了熱風溫度穩定、精確地控制，使得該類型熱風發生器應用于更為廣泛的場合，有利于該類型熱風發生器的推廣普及。