燃气热风发生器热风温度控制性能实验研究

同济大学 庞志辉 冯良 葛雪 李建设

热风发生器于20世纪70年代末在我国开始广泛应用，属于燃烧技术领域中供给热风的设备，在电子、食品、制药、印刷、包装、清洗、热处理等行业有十分广泛的应用前景。高效、可靠、稳定的热风发生器成为这些行业产品生产质量的重要保证。实验中所测试的采用全预混燃烧技术的直燃式热风发生器，具有污染物排放低(排放物中CO含量约为14×10-6，NOx含量约为6×10-6)，热效率高(几乎达到100%)等优点，符合国家节能减排的政策要求，可适用于各种场合。但是各行业的生产工艺有很大差别，所涉及的工艺参数较多，如热风流量、热风温度等,例如纤维类物料干燥系统，烘干温度若超过85 ℃，干燥后的物料变色发黄且易碎，物料的物性改变而不能使用，成为废品；若温度过低，又会造成生产效率下降，生产成本提高，还有像透气防毒服的主要研制设备喷涂式上浆机，由于是特种行业对产品的质量要求很高，喷涂式上浆机烘箱的控温精度要求相当严格，温控精度需达到±4 ℃，这就要求建立高性能的、精确的、稳定的热风发生器的控制系统。

1 热风发生器的控制方式

热风发生器的控制系统可分为燃烧控制和温度控制两部分。

1.1 燃烧控制

合理可靠的燃烧控制是热风发生器最关键的环节之一，控制质量的好坏直接影响燃烧稳定性。由于全预混燃烧具有火焰短、燃烧完全等明显优点，因此本研究采用该燃烧技术的热风发生器。一套完整的全预混燃烧系统包括全预混的燃烧器头部和空气/燃气比例控制装置等。对于全预混燃烧状态下的燃烧器，保持合理、稳定的空燃比是燃烧器正常工作的前提，调节空气/燃气比例的装置显得尤为重要。维持稳定的燃气、空气比例对燃气燃烧的主要作用是维持稳定的燃烧工况、提高燃烧效率、减少污染排放。

常用的空气/燃气比例调节的方式有以下三种：

(1)机械连杆调节阀：伺服电机驱动空气蝶阀，通过连杆同步控制燃气蝶阀的开度，同步调节空气和燃气的供给量，维持空气/燃气比例的恒定。

(2)燃气比例阀：通过混合器与伺服阀相结合的方法实现燃气、空气比例的调节。

(3)伺服电机分别控制燃气和空气蝶阀的开度，由所谓电子空燃比控制器进行协同控制。

由上述几种调节方式可以看出，有两种是利用蝶阀控制空气与燃气流量的方式来控制空气/燃气比例。这种调节方式的结构较简单，具有良好的流体控制特性和密闭性能。但是普通蝶阀的调节特性与快开式的调节特性接近，如图1，即在阀程很小时，流量就有比较大的增加，并很快达到最大，只在某一流量范围内线性度较好，而在最大和最小流量运行时会出现不稳定，在整个调节过程中，线性度不是很好。这样的调节特性极易使空燃比偏离预期的设定值，从而影响全预混燃烧器的燃烧状态。而且蝶阀的快开式调节特性，使得它的流量调节范围较小，继而使燃烧器负荷调节比受到限制。所以这种空燃比的控制方式，会影响到整个控制系统的精度。

图1 部分旋转阀的流量特性

本系统中控制空气/燃气比例的装置采用的是压力式空气/燃气比例调节技术，结构见图2，具体调节过程为，将空气压力作为调节量，燃气压力作为校正量，燃气比例阀在空气压力信号与燃气出口压力之间建立1:1关系，在空气压力发生变化时这个比例关系是保持不变的。

图2 空气/燃气比例调节装置

燃气比例阀的调节特性如图3，可见在较大的压力范围内(0.1~1.5 kPa)空气/燃气的比例保持稳定的值，可以达到我们的设计目的，保持合理、稳定的空燃比，维持全预混燃烧系统的理想燃烧工况。

图3 燃气比例阀空气/燃气比例调节特性

1.2 温度控制

热风发生器最主要的控制指标是热风的出口温度，控制变量为无刷直流风机的转速，即空气的流量。

1.2.1 ON-OFF控制模式

ON-OFF控制方式容易操作，当前温度如果低于设定值，温度控制器输出ON，燃烧器以最大功率(100%负荷)运行，如果温度高于设定值，温度控制器输出OFF，燃烧器停止运行(相当于0%负荷)。由于燃烧器启动需要一定的吹扫、点火等时间，响应较慢，因此在像热风发生器这种热惰性较小的应用场合，在温度达到设定值时，一般以能维持燃烧的较小功率运行(例如30%负荷)，即所谓的HIGH-LOW-OFF模式。由于它们都是由控制器输出触点的状态(ON或OFF)控制的，在这里把HIGH-LOW-OFF模式也归于ON-OFF控制模式，见图4。

ON-OFF控制方式就是以设定值为基准重复执行ON、OFF操作，将温度保持在固定的水平范围。

图4 ON-OFF控制过程示意

1.2.2 PID控制模式

PID是温度控制系统中应用较为广泛的一种控制方式。其调节的本质就是根据设定值与实际反馈值的偏差，通过比例、积分、微分这三个函数关系进行计算，计算结果用于控制输出。PID在时域里的微分方程为：

式中：u(t)—控制输出量；

Kp—控制器的比例系数；

e(t)—控制输入量；

Ti—为控制器的积分时间常数；

Td—控制器的微分时间常数。

比例环节反应了控制系统在偏差产生时控制器的响应速度。积分环节的作用是消除静态误差，但是会降低系统的响应速度，增加系统的超调量。微分环节的作用是对系统的动态过程起控制作用，根据偏差的变化趋势预先给出适当的纠正。这三个环节各自作用的相互配合，决定了PID控制器控制品质的优劣。

1.2.3 温度控制过程

燃烧系统采用PWM调速风机，因此控制器通过调节PWM输出信号来调节风机转速，从而控制空气流量的大小，由于燃气比例阀的控制作用，燃气流量随空气量的变化等比例的改变，稳定地控制燃烧器的负荷大小，从而最终实现新型的全预混热风发生器的温度调节控制。

热风温度采用ON-OFF控制模式时，温度控制器根据检测的热风温度值判断，如果低于设定温度值，输出ON给燃烧控制器的大小火控制端，燃烧控制器把最大功率对应的PWM信号给风机，如果高于设定温度值则输出OFF，燃烧控制器对应地把最小功率时的PWM信号给风机。采用PID温度控制模式时，选配的PID温度控制模块根据实测热风温度与设定温度的偏差，经PID计算后输出4~20 mA信号给燃烧控制器的4~20 mA信号输入端，而燃烧控制器把4~20 mA转化为对应的PWM转速信号后送风机。

2 热风发生器的温控性能测试

2.1 实验装置

实验装置见图5。

2.1.1 测试对象

全预混直燃式热风发生器。

图5 全预混燃烧热风发生器温度控制性能测试装置

2.1.2 温度数据采集

实验使用研华ADAM-4011温度采集智能模块温度数据采集装置为，该模块使用微处理器控制的积分式A/D转换器将热电偶电压信号转化为相应的温度值数字信号，采样的速率为10采样点/s，精度为0.05%(电压输入)。研华ADAM-4520智能模块将采集到的数据按照RS-485标准转化为计算机可以接受的RS-232标准数据，传递给上位机进行数据记录。

实验中组态软件记录温度的速率为1采样点/s。

2.1.3 温度控制器

在实验中使用的温度控制器兼有PID和ON-OFF控制的功能，通过开关来控制PID控制模式和ON-OFF控制模式的切换。

PID温度控制器有自整定的功能，可根据热风发生器自身具体的状况调整PID各参数，以达到最佳的控制性能。

ON-OFF控制模式时温控器在温度设定值及5 ℃的回差温度输出相应的ON和OFF信号，实现大小火的切换，大火为满负荷状态下运行，小火为满负荷的30%负荷运行。

2.2 测试结果

根据实验过程记录的PID控制模式与ON-OFF控制模式下温度数据，绘制成如图6、图7的温升曲线，从热风温升曲线可以看出：热风发生器在PID控制模式时，温度由49.8 ℃开始升温，第一次达到设定值的时间为14 s，超调量为11.7 ℃，最终稳定到的设定值时间为56 s，在热风温度稳定后，温度上下波动不超过1.5 ℃，所以温控精度为±2 ℃；在ON-OFF控制模式下，温度由50.6 ℃开始升温，第一次达到设定值的时间为12 s，但ON-OFF控制无法达到稳定，温度值总是在设定值上下振荡，振荡的幅度在20 ℃左右。

图6 PID控制模式下热风温升曲线

图7 ON-OFF控制模式下热风温升曲线

3 结束语

根据实际测得的温度响应可以看出，热风发生器在ON-OFF控制模式下，热风温度在设定温度点上有±20 ℃的波动；在PID控制模式下，系统的动态性能和稳态性能得到明显改善，热风温度在平衡点附近震荡小，控制精度显著提高，达到±2 ℃。将PID控制方式应用于热风发生器的热风温度控制中，实现了热风温度稳定、精确地控制，使得该类型热风发生器应用于更为广泛的场合，有利于该类型热风发生器的推广普及。