烘爐燃燒器空燃比精細化控制研究與現場應用

韋金溫，黃水波，羅昭堅

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545616）

隨著國內汽車市場的快速發展及制造企業環境保護社會責任的提高，汽車制造過程中的降低碳排放和節能降耗工作顯得尤為突出。在汽車整車制造過程中，天然氣耗量占比總能耗約50%～60%，對天然氣使用過程中的燃燒效率、碳排放控制等精細化控制研究與現場應用改造是一個非常重要的話題。烘爐燃燒器空燃比精細化控制不僅可以節省能源，還可以改善烘爐的工作效率和品質。本文將詳細討論某整車工廠涂裝車間烘爐系統燃燒器空燃比精細化控制的研究與現場應用改造。

烘爐系統是目前整車涂裝生產線一個常規的烘干設備，研究烘爐燃燒器精細化控制，是提高燃燒器燃燒效率降低碳排放，減少天然氣耗量，進一步降低車間運行成本的重要方法。

1 當前使用的燃燒器控制方式分析

本文所研究的車間目前在用燃燒器空燃比的控制方式（圖1），僅單獨控制燃氣或空氣的流量。此控制方式存在缺陷：①空氣量控制閥為機械連桿機械，空燃比固定無法調節，無法單獨精細調整空氣和燃氣開度；②在調整燃燒器的空燃比時，需通過調整燃燒器內部的執行器連桿，維修難度大；③當氣源、管路組件、過濾器等有變化時，因為是機械連桿連接，無法對空氣量進行單獨調節；④機械連桿控制空氣量方式為被動控制方式，PLC 通過PID 信號輸出控制天然氣的開度，間接控制空氣量的開度，空氣量的變化為非線性變化；⑤因無法單獨調整燃燒器的空氣和燃氣閥門開度，無法實現不同閥門開度情況下仍能保證燃燒器處在最佳空燃比狀態運行。

圖1 燃燒器單比調控制方式示意圖

現場調試跟蹤測量涂裝車間燃燒器燃燒效率，以期找到提高燃燒效率、降低碳排放的方法。以B 線烘爐燃燒區4 區為例，該燃燒器閥門開度運行平穩在15%～40%，工藝設定溫度為154 ℃，實際溫度在152～158 ℃小幅度波動，CO 含量測試如圖2 所示。主要的調試方法和思路見表1。

表1 提高燃燒器燃燒效率和降低碳排放的調試方法和思路

圖2 B 線面漆烘爐4 區燃燒器不同閥門開度尾煙CO 含量趨勢

抽查檢測調試類似的燃燒器，發現燃燒器在5%～45%的中小開度區間一氧化碳CO 含量高，燃燒不充分有節能和降低碳排放改善空間，如圖3 所示。

圖3 不同燃燒器不同閥門開度尾煙CO 含量趨勢

通過對多臺燃燒器的調整驗證，對于單一比調控制的燃燒器，無法通過調試手段降低尾煙CO 含量（即無法通過調試提高燃燒效率）。

2 燃燒器空燃比精細化控制方式研究

在堅持安全和運行穩定基礎上，采用燃氣和空氣量分別精細化控制的方法和裝置（圖4），在燃燒器運行過程中，獲取的多個最佳空燃比數據，根據空燃比數據生成控制曲線。燃燒器控制系統可根據控制曲線，自主控制空氣閥門和燃氣閥門開度。

圖4 燃燒器精細化控制方式示意圖

技術方案設計：PLC 分別控制的燃燒器空氣閥門和燃氣閥門的執行機構，空燃比可根據預制算法進行自動調節，單獨精細調整空氣和燃氣開度。空氣閥設計安全感應裝置：當點火前準備階段時，需要空氣量控制閥打到最大狀態，用新空氣進行充分的吹掃，以確保燃燒器爐膛內無殘余的天然氣，確保安全性。算法在ABPLC 內做成指令，固定算法，防止被篡改。

設計燃燒器空氣量控制閥門機構，根據車間烘爐燃燒器進空氣口進行設計，采用45#鋼進行閥門閥體加工，閥板轉軸部分使用銅套作為連接，防止軸的磨損；閥尾部設計可安裝檢測開關位置，在閥門打開時，行程開關可通過位置檢測開關反饋閥門開到位的狀態，PLC 采集該信號進行吹掃控制。該燃燒器空氣量執行機構由PLC 控制。

執行器部分采用執行器SQM41.241A21 作為動力，該執行器可提供0～90°的閥門開關動力，且控制精度高。

控制方式：使用PLC 的本地模擬量輸出模塊1756-OF8A 輸出4～20 mA 模擬量進行控制，控制輸出為4 mA 時，閥門輸出為0 開度，當控制模塊輸出為20 mA時，閥門控制輸出開度為90°（全開狀態）。

算法設計：設計程序為一個單獨調用的子程序，采集20 個天然氣開度做為樣本，單獨計算調整每個天然氣下的空氣開度需要量，生成多點線性曲線給出的控制曲線。

數據采集：使用尾氣檢測儀器檢測燃燒尾煙的CO和NOx含量，同時調整燃氣閥門開度和空氣閥門，當檢測到較低數值的CO 和NOx含量時，記錄下此時對應的燃氣開度點和空氣開度點。該組燃氣開度點和空氣開度點為一組最佳的空燃比比例點，同樣的方法可得到不同閥門開度下多組最佳的空燃比比例點（圖5）。

圖5 多組最佳空燃比比例點

算法：①啟動階段，按照燃氣閥的狀態進行跟隨動作，將空氣閥控制開啟到最大進行吹掃。②點火正常控制階段，根據現場所測得的空燃比數據進行多段非線性控制。③多點線性曲線給出的控制曲線的計算，以上一個區間、下一個控制區間為線性控制點進行計算以燃氣點1 與燃氣點2 為例進行計算的演示如下。

現場測量已知量為天然器開度1、空氣閥開度1，該點為該開度的最佳空燃比點，變量名簡稱為Gas_Simple[1]與Air_Actul[1]，下一組所測的開度點為Gas_Simple[2]與Air_Actul[2]。

計算兩點之間其他開度的值時，設定其他2 點之間為線性變化，根據一次函數方程式y=factor（a）x+factor（b）可得出以下計算公式，分別求出一次函數中的factor（a）與factor（b）的值

最終得出

依此類推，取20～50 個點，輸入程序內，自動生成程序的控制線性曲線。

程序的梯形圖如圖6 所示。

圖6 燃燒器精細化控制PLC 算法梯形圖

3 燃燒器空燃比精細化控制應用

現場烘爐系統中，原燃燒器燃控制方式，空氣量控制為機械連桿控制，空燃比固定無法調節，無法單獨精細調整空氣和燃氣開度，燃燒效率低，尾煙CO含量高。

在涂裝車間32 套烘爐燃燒器中完成空燃比精細化控制改造應用，利用多點曲線擬合算法，取燃燒器天然氣開度的20～50 個點，單獨計算每個點的最佳燃燒空氣比例佳，利用兩點間線性的比例計算方法，計算出燃燒器天然氣從開度0%到100%的曲線，每個天然氣開度對應1 個空氣開度，從而達到精確控制最佳空燃比。同時設計如圖7 所示的空氣量控制閥加裝到燃燒器中，確保空氣和燃氣閥開度可單獨精細調整。

圖7 燃燒器精細化控制PLC 算法梯形圖

實際應用證明：燃燒器精細化控制方式，相比于原有被動空氣量控制閥板執行機構，空燃比可根據上面所示算法進行自動調節，單獨精細調整空氣和燃氣開度，燃燒效率高，尾煙中的CO 含量保持在較低水平。

4 燃燒器空燃比精細化控制節能效果跟蹤

本文跟蹤驗證車間32 套燃燒器空燃比精細化控制改造應用數據。對某套燃燒器技術改造前后的燃氣耗量、尾煙CO 含量進行對比記錄，改造后單套燃燒器每小時約有2.8 m3燃氣節省量（圖8）、不同閥門開度下CO 含量保持在10 ppm 以下（圖9）。32 套燃燒器改造完成折合年節約燃氣37 萬余m3，節能效益達156.8 萬元。

圖8 單套燃燒器改造前后平均每小時燃氣耗量數據對比

圖9 某套燃燒器精細化控制改造前后尾煙數據對比

5 結論

本文通過燃燒器空燃比精細化控制改造在實際應用過程中，改造前后燃燒器在同等工況下每小時燃氣耗量和尾煙CO 含量數據對比，說明燃燒器空燃比精細化控制可有效提高燃燒器的燃燒效率、節約燃氣耗量、降低碳排放。