炭素焙烧炉燃烧系统的控制方法

摘要

本发明公开了一种炭素焙烧炉燃烧系统的控制方法，其特征在于，主要包括以下步骤：(1)计算火道偏差，得出火道偏差值；(2)根据火道偏差值，进行常规PID控制；(3)根据得出的火道偏差值，对PID控制的输出值按百分比进行分级；(4)将分级后的功率比例化，实现功率一分为二；(5)将分开后的功率分别送入上、下游脉冲发射器，在上、下游脉冲发射器中分别产生一个相应的脉冲信号，并输出给相应的火道继电器控制其导通和断开时间等步骤。本发明对上、下游燃烧器的燃烧过程进行优化后，能确保进入火道内的每一份燃料在规定的燃烧距离内充分的燃烧，不仅提高了燃料的燃烧效率，使火道按照既定的升温曲线均匀快速的升温，而且还能进一步的节省燃料。

权利要求

1.炭素焙烧炉燃烧系统的控制方法，其特征在于，主要包括以下步骤：(1)计算火道偏差，得出火道偏差值；

(2)根据火道偏差值，进行常规PID控制；

(3)根据火道偏差值，对PID控制的输出值按百分比进行分级；

(4)将分级后的功率比例化，实现功率一分为二；

(5)根据分开后的上下游功率值，计算并得出上、下游燃烧器之间启动的间隔时间参数，用该间隔时间参数来控制上、下游脉冲发生器的间隔启动时间；

(6)将分开后的功率分别送入上、下游脉冲发射器，在上、下游脉冲发射器中分别产生一个相应的脉冲信号，并将该脉冲信号输出给相应的火道继电器以控制燃气阀的导通和关断，从而控制燃烧器的工作或停止。

2.根据权利要求1所述的炭素焙烧炉燃烧系统的控制方法，其特征在于，所述步骤(1)的计算火道偏差，得出火道偏差值具体包括以下步骤：(1)利用安装在火道内部上、下游处的热电偶采集现场温度信号，并将该现场温度信号输入PLC系统的AD转换器进行转换并送给PLC，经PLC运算后得出现场温度实际值；

(2)PLC用该现场温度实际值减去预先设定在其储存器中的温度设定值，得出火道温度偏差值。

3.根据权利要求1所述的炭素焙烧炉燃烧系统的控制方法，其特征在于，步骤(3)所述的对PID控制的输出值按百分比进行分级，其具体内容为：第一级，火道偏差值＜0时，输出为100％；第二级，0＜火道偏差值＜2时，输出为80％；第三级，2＜火道偏差值＜4时，输出为60％；第四级，火道偏差值＞4时，输出为50％。

4.根据权利要求1所述的炭素焙烧炉燃烧系统的控制方法，其特征在于，步骤(4)中所述的将分级后的功率比例化是指在PLC中将PID控制回路的输出值乘以分级后所对应的该级的输出百分比值。

5.根据权利要求1所述的炭素焙烧炉燃烧系统的控制方法，其特征在于，步骤(6)中所述的根据火道上、下游的功率值，计算并得出上、下游燃烧器之间启动的间隔时间参数，具体包括以下步骤：(1)在PLC中预先设定一个控制周期时间T；

(2)将分级后所对应的输出百分比值乘以该控制周期时间T，即为该控制阀的开阀时间；用控制周期时间T减去所得的开阀时间，即为开阀的间隔时间。

6.根据权利要求1所述的炭素焙烧炉燃烧系统的控制方法，其特征在于，在执行上述步骤的同时还执行过溢控制流程，所述的过溢控制流程具体包括以下步骤：(1)以5～10分钟为一个周期，并在该周期内对输出功率进行过溢判断，如果过溢则执行步骤(2)，否则重复步骤(1)；

(2)以1～5分钟为一个控制周期，在一个周期开始时将控制功率降低5～10个百分点；

(3)采集上一周期和下一周期的温度值，计算出温度偏差；

(4)判断所计算出的温度偏差是否大于或等于零，是则返回步骤(2)，否则执行步骤(5)；

(5)增加控制功率，其幅度为上一次降低的功率的一半；

(6)再扫描一个周期，计算温度偏差值，若偏差值大于或等于零，则切换为正常控制程序，否则返回步骤(5)。

7.根据权利要求6所述的炭素焙烧炉燃烧系统的控制方法，其特征在于，所述步骤(3)中的计算出温度偏差具体为：利用现场安装的测温用热电偶采集现场温度信号后，送入AD转换器转换生成实际温度值，并储存在PLC中；PLC在存储其温度值后，与上一个采集周期所采集到的实际温度值相减，得出两个采样周期的温度偏差值。

8.根据权利要求6所述的炭素焙烧炉燃烧系统的控制方法，其特征在于，所述步骤(1)中的过溢是指在一个周期内功率持续增加，而温度并不变化或极小幅度的变化。

说明书

炭素焙烧炉燃烧系统的控制方法

技术领域

[0001] 本发明属于焙烧炉领域，具体是指一种适用于天然气、煤气的炭素焙烧炉燃烧系统的控制方法。

背景技术

[0002] 目前，为了提高国内炭素制品厂的焙烧炉(包括阳极焙烧炉和阴极焙烧炉)的燃烧效率，大多的焙烧炉都采用了自控燃烧系统。在所应用的自控燃烧系统中，所有的燃烧器都受到计算机或PLC(可编程逻辑控制器)的控制，以脉动方式向焙烧炉的火道(炉腔)喷射可燃气体，并按照预先设定的升温曲线来工作。

[0003] 然而，目前焙烧炉燃烧系统中焙烧炉火道上下游的燃烧器的工作没有优化，即上下游燃烧器会同时向火道内注入燃料，由于火道内的空间有限，其助燃空气量也受限制，因此单位时间内进入的大量燃气在规定的燃烧距离内不易充分燃烧，而未燃烧的燃气则被炉内负压带入有效燃烧距离以外，从而使得相应的火道内会出现不升温或反而降温的情况。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于克服现有焙烧炉燃烧系统中燃烧器没有优化，会在同一时间向火道内喷射燃料，从而导致火道内出现不升温反而降温的缺陷，提供一种炭素焙烧炉燃烧系统的控制方法。

[0005] 本发明的目的通过下述技术方案实现：高效节能炭素焙烧炉燃烧系统的优化控制方法，主要包括以下步骤：

[0006] (1)计算火道偏差，得出火道偏差值；

[0007] (2)根据火道偏差值，进行常规PID控制；

[0008] (3)根据火道偏差值，对PID控制的输出值按百分比进行分级；

[0009] (4)将分级后的功率比例化，实现功率一分为二；

[0010] (5)将分开后的功率分别送入上、下游脉冲发射器，在上、下游脉冲发射器中分别产生一个相应的脉冲信号，并将该脉冲信号输出给相应的火道继电器以控制燃气的喷射和停止；

[0011] (6)根据火道分开后的功率，计算并得出上、下游燃烧器之间的间隔时间参数，用该间隔时间参数来控制上、下游脉冲发生器的间隔启动时间；

[0012] 进一步地，上述步骤中的计算火道偏差，得出火道偏差值具体包括以下步骤：

[0013] (1)利用安装在火道内部上、下游处的热电偶采集现场温度信号，并将该现场温度信号输入PLC的AD转换器进行转换，得出现场温度实际值；

[0014] (2)PLC用该现场温度实际值减去预先设定在其储存器中的温度设定值，得出火道偏差值。

[0015] 上述步骤中所述的对PID控制的输出值按百分比进行分级，其具体内容为：第一级，火道偏差值＜0时，输出为100％；第二级，0＜火道偏差值＜2时，输出为80％；第三级，2＜火道偏差值＜4时，输出为60％；第四级，火道偏差值＞4时，输出为50％。

[0016] 上述步骤中所述的将分级后的功率比例化是指在PLC中将PID控制回路的输出值乘以分级后所对应的该级的输出百分比值。

[0017] 上述步骤中所述的根据火道偏差值，计算并得出上、下游燃烧器之间启动的间隔时间参数，具体包括以下步骤：

[0018] (1)在PLC中预先设定一个控制周期时间T；

[0019] (2)将分级后所对应的输出百分比值乘以该控制周期时间T，即为该控制阀的开阀时间；用控制周期时间T减去所得的开阀时间，即为开阀的间隔时间。

[0020] 为了更好的实现本发明，在执行上述步骤的同时还执行过溢控制流程，该过溢控制流程主要包括以下步骤：

[0021] (1)以5～10分钟为一个周期，并在该周期内对输出功率进行过溢判断，如果过溢则执行步骤(2)，否则重复步骤(1)；

[0022] (2)以1～5分钟为一个控制周期，在一个周期开始时将控制功率降低5～10个百分点；

[0023] (3)采集上一周期和下一周期的温度值，计算出温度偏差。所述的计算出温度偏差具体为：利用现场安装的测温用热电偶采集现场温度信号后，送入AD转换器转换生成实际温度值，并储存在PLC中；PLC在存储其温度值后，与上一个采集周期所采集到的实际温度值相减，得出两个采样周期的温度偏差值；

[0024] (4)判断所计算出的温度偏差是否大于或等于零，是则返回步骤(2)，否则执行步骤(5)；

[0025] (5)增加控制功率，其幅度为上一次降低的功率的一半；

[0026] (6)再扫描一个周期，计算温度偏差值，若偏差值大于或等于零，则切换为正常控制程序，否则返回步骤(5)。

[0027] 本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

[0028] (1)本发明对上、下游燃烧器的燃烧过程进行优化后，能确保进入火道内的每一份燃料在规定的燃烧距离内充分的燃烧，不仅提高了燃料的燃烧效率，使火道按照既定的升温曲线均匀快速的升温，而且还能进一步节省燃料。

[0029] (2)通过本发明的优化过程以后，不仅稳定了自动化燃烧控制系统的状态，使火道内上、下、前、后的温度场分布均匀，而且还能保证制品加热均匀，为提高一级品合格率创造了有利条件。

附图说明

[0030] 图1为本发明的整体结构框图。

[0031] 图2为本发明的整体优化流程示意图。

[0032] 图3为本发明的溢流过程流程示意图。

具体实施方式

[0033] 下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

[0034] 实施例

[0035] 按照火道内部温度范围的不同，火道内部可以分为三个不同的温度区，即高温区、次高温区和中温区。在每个温度区内都设有如图1所示的上游燃烧器、下游燃烧器、控制燃气进入火道内的上、下游火道电磁阀，放置在火道内的热电偶，以及控制上、下游燃烧器导通和关断的PLC和上、下游火道继电器。

[0036] 所述的热电偶分别放置在火道内部的上游处和下游处，用于采集火道内上、下游处的温度值。且这些热电偶经导线后与PLC中的AD转换器相连接，以便将热电偶所采集到的温度值送入AD转换器进行模数转换。同时，PLC通过所采集到的温度等信号进行运算后，分别通过上、下游火道继电器和上、下游火道电磁阀的导通和关断来实现对上游燃烧器和下游燃烧器的控制。

[0037] 为了较好的实现本发明，所述的PLC优先选用德国西门子S7-300，该品牌PLC属西门子公司中型控制系统，具有配置灵活、使用方便等优点，能够应用在环境较为恶劣的场合。上、下游燃烧器则采用华索公司自行研制的高效节能燃烧器，该燃烧器带有配风口，能够根据燃烧情况进行配风，使氧量供应更充足，从而提高系统燃烧效率。上、下游的火道继电器采用日本欧姆龙24VDC继电器，该继电器具有长达8千万次的机械动作次数，具有较长的使用寿命，同时可使用在较恶劣的环境下。上、下游热电偶采用四川大清国产热电偶，该热电偶能够保证最长达6个月的更换周期，性价比极高。

[0038] 图2所示为高效节能炭素焙烧炉燃烧系统的优化控制方法，运行时，整个系统在PLC的控制下首先进入燃烧控制程序。

[0039] PLC控制热电偶分别采集火道上、下游处的现场温度信号，并将该现场温度信号输入PLC内部的AD转换器中，将该现场测温热电偶采集的温度信号转换为现场温度实际值。同时，PLC将该现场温度实际值送入其内部的运算器中，并调用预先存储在其存储器中的温度设定值，利用现场温度实际值减去该温度设定值得出火道偏差值。

[0040] PLC根据该火道偏差值进行常规PID控制。常规PID控制是指在工业过程控制领域的一种最常用的控制算法，PID是比例(Proportion)，积分(Integration)，微分(Differentiation)的缩写。其算法的公式如下：

[0041]

[0042] 其中，Kp-比例调节、Ti-积分调节、Td-微分调节。

[0043] 比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。

[0044] 积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。

[0045] 微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成PD或PID控制器。

[0046] PLC根据已经得出的火道偏差值，对PID控制的输出值按百分比进行分级。所谓的按百分比进行分级通常是根据工艺状况来决定分几级，在实际应用中，为了在保证控制精度的同时又不增加PLC的负担，我们通常将PID控制的输出值分为以下4级，且这4级分别对应各自的输出值，其对应关系是：

[0047] 第一级，火道偏差＜0，其输出为100％；

[0048] 第二级，0＜火道偏差＜2时，其输出为80％；

[0049] 第三级，2＜火道偏差＜4时，其输出为60％；

[0050] 第四级，火道偏差＞4时，其输出50％。

[0051] PLC将分级后的功率比例化，实现功率一分为二。即根据火道的偏差值分为4级后，其比例即为分级后的输出值。所谓的比例化，即是在PLC中将PID控制回路的输出值乘以分级后对应的输出百分比值，该百分比值即作为功率值。

[0052] 在火道的次高温区和中温区，将功率比例化后，较小的功率值送入上游燃烧器的脉冲发射器内，而较大的功率值则送入下游燃烧器的脉冲发射器内。例如，当火道偏差为0＜火道偏差＜2时，PID控制回路输出值乘以80％即得出较大的输出功率，并将该输出功率送入下游燃烧器的脉冲发射器中；而较小的输出功率就为PID控制回路输出值乘以(1-80％)，并将该输出功率送入上游燃烧器的脉冲发射器中。

[0053] 但是在高温区的情况就跟在次高温区和中温区的情况相反，即将较大的输出功率送入下游燃烧器的脉冲发射器中，而将较小的功率送入上游燃烧器的脉冲发射器中。例如，当火道偏差为0＜火道偏差＜2时，PID控制回路输出值乘以80％即得出较大的输出功率，并将该输出功率送入下游燃烧器的脉冲发射器中；而较小的输出功率就为PID控制回路输出值乘以(1-80％)，并将该输出功率送入上游燃烧器的脉冲发射器中。

[0054] 分开后的功率分别送入上、下游脉冲发射器后，在上、下游脉冲发射器中分别产生一个相应的脉冲信号，并输出给相应的上、下游火道继电器。由于该火道继电器直接参与控制燃气的进气阀门，因此通过控制该上、下游的火道继电器便可以控制燃气阀的打开和关闭。

[0055] 另外，PLC根据火道上、下游的功率，计算并得出上、下游燃烧器之间的间隔时间参数，用该间隔时间参数来控制上、下游脉冲发生器的间隔启动时间。其具体步骤为：首先要定义一个控制周期T，通常是根据经验值来定，而经验值也会根据具体燃烧情况及不同的工艺地点作调整，目前暂定为60S。

[0056] 间隔时间的计算方法即是用分级后所对应的输出百分比值乘以该控制周期时间T，即为该控制阀的开阀时间，周期时间减去开阀时间，即为开阀的间隔时间。其间隔时间以不超过30S，即0.5个周期为最佳。

[0057] 为了确保本发明能达到最佳的效果，本发明在执行以上程序的同时还执行过溢控制流程，其主要步骤如下：第一，系统进入过溢起始程序，并对系统是否过溢进行判断，即在PLC中以5～10分钟为一个周期，并在该周期内对输出功率进行过溢判断，如果判定为过溢则执行下一步，否则就重复该步骤。而这里所谓的过溢是指在一个周期内(一般以5分钟为限)如果功率持续增加，而温度并不变化或极小幅度的变化。

[0058] 第二步，以1～5分钟为一个控制周期，在每一个控制周期开始时将输出功率降低5～10个百分点(一般以10个百分点为基准)。

[0059] 第三步，PLC采集上一周期和下一周期的温度值，计算出温度偏差。即首先利用现场安装的测温用热电偶采集现场温度信号；并将该现场温度信号送入PLC的AD转换器进行转换，得出实际温度值；再将该实际温度值送入PLC，PLC在存储其温度值后，与上一个采集周期的温度值相减，从而得出两个采样周期的温度偏差值。

[0060] 第四步，判断所计算出的温度偏差是否大于或等于零，如果其温度偏差大于零，则系统返回第二步，继续以1～5分钟为一个控制周期，在每一个控制周期开始时将输出功率降低5～10个百分点。如果其温度偏差小于零，则执行第五步。

[0061] 第五步，增加控制功率，其幅度为上一次降低的功率的一半。即，如果上次输出功率降低10个百分点，则增加其控制功率的幅度则为5个百分点；同理，如果上次输出功率降低5的百分点，则增加控制其功率的幅度为2.5个百分点。

[0062] 第六步，再扫描一个周期，计算温度偏差值，若偏差值大于或等于零，则切换为正常的控制程序；否则重复第五步，即再增加控制功率，其幅度为上一次降低的功率的一半，直到所采集两个周期的温度偏差值大于或等于零，切换为正常的控制程序为止。

[0063] 如上所述，便可较好的实现本发明。