基于热值反馈系统的窑炉用天然气供应装置研究

郑 斌

ZHENG Bin

（天津城市建设学院 热能与机械工程系，天津 300384）

0 引言

窑炉由于在玻璃制造中的特殊作用，其控制精度要求很高。要保证玻璃的生产质量，就要对窑炉的加热过程进行精确控制，因而燃气站设计特别是燃气热值调节装置的设计越来越具有机电一体化系统设计的特征。以某太阳能超白玻璃窑炉为例，炉内温度波动要求小于1℃，液面波动不高于0.1mm，要求供给窑炉的天然气热值从34.6～43.7 MJ/m3调节到34.3～34.9MJ/m3。[1]

为达到此要求，本研究设计了燃气热值在线测定装置，并以其作为反馈信号，采用在原燃气中掺混空气的办法调整燃气热值，构成了前馈-双闭环控制系统，使燃气热值得到很好的控制，获得了满意的控制精度。

1 热值控制系统工作原理

天然气属于可燃气体，燃烧后放出燃烧热，空气本身没有燃烧热，天然气和空气混合后，天然气将被稀释，热值将降低。热值调整采用管道式混合器（涡轮发生器）向天然气中掺混空气，热值调整通过控制调节阀开度来实现。系统的调节过程如下 ：

首先，通过在原燃气管路上的流量和热值测量装置（变送器），测量原燃气的流量和热值，热值控制前馈环节利用这两个信号，依据原燃气的情况确定一个预调的空气量。控制器PID2根据反馈的空气流量测量装置的空气流量信号调节空气调节阀门，将空气量控制在预设的空气量附近。

然后设定的空气量在混合器中与原燃气混合，从而使混合后的混合气热值接近设定的热值附近，混合气的热值经热值测量装置后反馈给控制器PID1，控制器PID1根据实测混合气热值与设定热值的误差给前馈环节计算的预调空气量附加一个修正量，从而使空气阀门开度和掺混空气量变化，最终使热值调整为预定的设定值。

由原燃气的流量以及调整前后燃气的热值计算，计算公式如下[2]（为前馈量）：

控制系统由内外两个闭环调整环节组成。内部调整环节以实测的调整空气流量与前馈空气流量之差为反馈量，由控制器PID2完成对调整空气量的控制；外部环节则以调整后的混合气体的热值与目标燃气热值之差为反馈量，由控制器PID1完成对前馈空气量的在线调整。内外两个环节配合可以补偿各种调节装置的误差，再加上合理的前馈环节，使系统具有良好的稳态和瞬态控制精度。

2 控制系统仿真实验

2.1 热值调节系统数学模型[3,4]

整个仿真系统模型主要分为前馈控制模型、燃气从参数测量点到混合气的传输过程模型、控制器模型、空气阀模型、混合气模型以及空气流量和热值测量模型。其中对系统设计具有特殊意义的是前馈控制模型和热值测量装置模型。

2.2 前馈控制模型

所以，如果知道原燃气的流量和热值，那么由上式不难得到要想使混合后混合气的热值得到目标值，那么所需的前馈预调空气量为：

公式（3）是前馈控制的稳态数学模型。模型仅考虑了稳态情况下前馈空气量的计算方法。为了考察控制系统的动态控制特性，就必须建立瞬态模型。影响前馈环节瞬态性能的因素主要是燃气热值以及流量测量装置的响应时间和由燃气取样管长度引起的测量滞后，而从前馈环节到空气阀门控制器 PID2的电信号滞后则可以忽略不计。

因此，前馈环节的瞬态特性可以用一个纯时间延迟Lff和时间常数Tff描述[3]。其中Lff为燃气取样管长度引起的滞后时间Lff，由于测量仪器安装在控制室内，从现场来的取样管长度为20m，因而产生较长的滞后时间Lff=6s；Tff为流量和热值测量装置时间常数的最大者，根据计算取热值测量时间常数，Tff=0.2s。

2.3 热值测量装置模型

系统采用了空气吸热式自动热量计[5]。为实现快速而准确的热值测定，热值测量装置中采用了复合运算器。其它各检测单元的检测信号输送到复合运算器,由复合运算器按预定的程序进行演算,最终输出热值数据。

热值按下式计算：

由于热值测量装置有一个20多米长的取样管，所以引起热值测量的滞后，用Lq表示，Lq=6s 。另外，从前面的公式推导，不难看出，热值是根据多种测量仪器的信号计算出来的，这些仪表均安装在现场，以电信号的形式输入到热值计算仪中，所以信号传输的延迟可以忽略不计。空气流式热值计利用燃气在燃烧器中燃烧放热给空气流加热的方法间接计算热值，当热值变化时，由于燃烧放热滞后和空气热容，所以使热值仪存在较大的时间常数。整个测量过程的时间常数为Tp= 0.5s。

2.4 仿真实验

根据前面建立的热值调整系统的数学模型，在MATLAB/SIMULIK环境下建立了仿真模型[7,8]。热值的控制目标为34.57MJ/m3，燃气的参数为：Fng=3000Nm3/h，=35.95MJ/m3。为了考察燃气参数变化对控制系统的影响，用两个信号发生器模仿燃气流量和热值的干扰。利用两个示波器Qs-scope和Fair-scope分别观察混合气热值和空气流量的变化。

按照系统的实际参数取前馈环节燃气取样管滞后时间Tff= 6s，燃气传输滞后时间Lngd= 0.3s，利用信号发生器给燃气的流量添加一个幅值为300、周期为100s的干扰，给热值添加一个幅值为100、周期为100s的干扰信号，考察有、无前馈环节时热值的波动情况。

3 结论

总之，热值反馈调节系统应用于窑炉燃气调节过程控制，其高精度、快速响应的特性，结合合理的前馈-反馈控制、串级控制策略，精度达到了1%，响应时间为6s,有效地保证了控制品质。调整后的燃气热值达到34.5～34.7 MJ/m3，满足了超白玻璃等高等级玻璃制造对玻璃熔化质量的要求。

[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.燃气燃烧与应用[M].北京：中国建筑工业出版社,2009,1-5.

[3] 郑斌.玻壳池炉用燃气热值及压力调整系统设计与实现[D].北京：清华大学,2001.