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工业燃气燃烧设备中阀门的介绍与选择

2024-06-27

良1,钮坤1,牛亚楠1,承念鹤1,蒋承伟2,沈蓉蓉2

(1.同济大学机械工程学院,上海200092;2.上海旭电子玻璃有限公司,上海200237)

摘要:阀门是燃气燃烧系统中非常重要的动作执行机构,关系到燃烧的效率和安全。介绍了工业燃烧器的运行

模式,并对燃烧器中阀门的基本原理和选择方法作了相关的论述。

关键词:工业燃气;燃烧设备;阀门;安全;控制

备注:如有侵权,请联系删除

 

工业燃烧设备一般都由助燃空气、燃气、空气流量控制、燃气、流量控制、燃气空气混合器和喷嘴头等基本部分组成。工业燃烧设备的运行工况是否良好,很大程度上取决于能否在任何负荷工况下获得准确的空气、燃气混合比。由于压力决定流量,所以

为燃烧设备获取稳定、合适的燃气和空气压力是很重要的。本文不涉及点火和火焰监控的燃烧控制系统,主要论述和介绍与控制空气、燃气流量相关的阀 门的基本原理和选择方法。

1工业燃烧器的运行模式

工业燃烧器根据与空气的混合方式可分为扩散 式、部分预混式和全预混式等多种形式。根据运行模式又可分为开关(ON一0FF)型、两段火(HIGH-LOW-OFF)型和比例调节(proportional)型。考察工业燃烧器本身性能的优劣有多项指标,包括有最DA额定负荷、负荷调节比、过剩空气系数和烟气排放指(主要为CO和NOX。)等。运行模式一般与燃烧器本身无关,仅依赖于所采用的控制设备及阀门的形式。由于影响成熟工业燃烧器性能和排放指标的主要因素是它的过剩空气系数,因此需要一定的控制设备来维持燃烧器运行时的空燃比。一般小负荷燃烧器多为开关型,中型燃烧器多 采用大小两段火型,而大负荷燃烧器多采用比例调节型,但也可根据加热工艺的精度要求来选择,但直接影响设备总投资。

1.1开关型开关型控制模式相对比较简单,通过测量被加热目标的温度进行开关控制,加热温度未达到设定温度,燃烧器工作,而达到设定温度时,则关闭燃烧器。这种控制形式常见于配备单台燃烧器的小型加热设备中,优点是设备投资小,适用于加热温度波动要求不高、负荷变化不大的场合。由于这种控制模式的燃烧器运行时负荷恒定不变,所以只要一次性调好燃气和空气的流量即可。

1.2两段火型

两段火型燃烧方式,可以避免燃烧器频繁开关,大小火切换时对加热设备的热冲击比燃烧器启动时要小得多。而且由于燃烧器启动前需进行一定时间的前吹扫,负荷加热反映比较慢,且会被吹扫空气带走大量的热能,造成能源的浪费,因此两段火型燃烧方式比开关型要好一些。实现两段火燃烧需要设置两个温度控制点,即炉内在较低温度设定点以下时,大火燃烧;在低温和高温设定点之间,小火燃烧;而达到高温设定点,则燃烧器关闭。实现二段燃烧的常见方式为采用两段式燃气电磁阀以及电动蝶阀,系统调试时只需设定好大、小负荷时的燃气和空气流量。这种燃烧形式多见于配备单台燃烧器的中型燃烧设备上。

1.3比例调节型

比例调节型燃烧方式适用于大型加热炉窑或大型锅炉上,当大型炉窑上配备多台燃烧设备时,每台燃烧器分别对一定的划分区域进行加热。为维持设定的加热制度(温度和精度),需要配备能进行温度闭环控制的负荷控制器,即能根据实际温度随时调节燃烧量以满足加热要求。

实现比例调节燃烧的方式有连杆蝶阀、比例阀控制和流量控制等多种形式。所谓的连杆蝶阀就是空气蝶阀和燃气蝶阀之间用机械连轴连接,通过伺服电机控制其中一个蝶阀,另一蝶阀由连杆同步驱动,由于同种结构不同尺寸的蝶阀的开度与流量比例基本一致,因此该形式可以基本满足燃气、空气成比例调节的要求。但由于机械结构的局限性,空气管道和燃气管道以及连杆、蝶阀安装位置要求比较高,缺乏灵活性,且控制精度不高。

利用比例调节阀进行负荷调节是目前采用得比较多的一种形式,通过压力的测量,由比例调节阀维持燃气、空气出口压力的一致。燃气燃烧过程中,一般助燃空气的流量及管道尺寸比燃气的大得多,从降低设备成本的角度出发,通常采用电动蝶阀调节空气流量,而比例调节阀跟随调节燃气流量。利用比例调节阀,可以摆脱蝶阀连杆形式的局限性,安装灵活性大大提高,因此应用越来越多。配备比例调节阀的燃烧系统能维持不同负荷工况下恒定的空燃比,但缺点是不能实时调节其大小。因此,在用于国内液化石油气等燃料组分经常波动的燃气时有一定的局限性,它与开关型、两段火型燃烧设备一样,无 法进行过剩空气系数的实时控制,且它的设备成本比连杆蝶阀形式要高一些。

为了能实时调节空燃比,出现了采用直接调节燃气空气流量的控制方法,即通过测量燃气、空气的实时流量,由伺服电机分别驱动燃气、空气蝶阀来调整流量,实现理想的空燃比的目的。这种系统配置灵活,但要求有精QUE的流量测量元件(一般为孔板流量计或比托管流量计和变送器)、现场流量数字式控制器和上位控制计算机组成一套控制系统。现场流量控制器利用流量仪测得的流量,与控制器的目标流量比较来确定电动蝶阀的开度,而空气和燃气的目标流量由上位机通过加热炉的设定温度和实时测量温度进行比较,采用一定的算法(例如PID)来确定目标流量,把目标流量信息传递给现场流量控制器,最后驱动电动蝶阀实现流量的控制。由于计算机控制系统的强大功能,因此系统可以根据实际情况进行各种功能的扩充,例如可根据烟气中氧含量进行空燃比的调节等。这种系统的设备成本较高,一般只有在建有加热炉数据实时采集和控制系统的大型加热设备上才采用。

工业燃烧器的运行模式与设备成本有着极大的关联性,而与燃烧器本身关系不大,即燃烧器配合不 同的控制设备,就可组成不同的系统。例如,由于比例调节燃烧需要配备价格昂贵的负荷控制器,所以有时也会用燃气比例调节阀代替二段式燃气电磁阀来用于两段式燃烧系统中。


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