曹炳雷

(武汉钢铁有限公司热轧厂，湖北 武汉 430080)

随着冶金加热炉对产品质量和节能减排要求的不断提高，尤其是对于高端产品，要求加热炉在不同工况下具有很高的温度均匀性、气氛稳定性和可控性，因此，近年来脉冲燃烧控制技术在宝钢、太钢等加热炉上得到了大规模的应用，取得了较好效果[1-3]。脉冲燃烧技术是通过控制烧嘴的通断比来实现对炉温的精确控制，烧嘴具有大火、小火和关闭三种状态,或大火和关闭两种状态，烧嘴始终处于最佳的工作状态[2]。赵钰等[1]研究了脉冲加热炉热负荷变化过程与烧嘴打开/关闭的关系和炉温控制信号的离散化。陈智华[4]介绍了脉冲加热炉工程中常用的空燃比控制方案，分别是直接控制各烧嘴、控制各加热段、控制空燃气总管空燃比，对比其使用效果和优缺点。唐龙伟等[5]总结了某不锈钢生产线无段流量调节阀脉冲控制加热炉的调试步骤和要点，胡玲艳等[6]研究了在分段式脉冲燃烧控制上，根据PLC控制输出的不同区间值设定不同的大小火燃烧状态，能够提高系统稳定性和温控精度。

1 研究内容

分段控制的脉冲加热炉管路系统如图1所示。

本文主要研究分段控制脉冲管路系统配置的性能特点，通过Flowmaster仿真加热炉在各种工况下的流量分配特性。

2 计算模型及边界条件

文章用Flowmaster对脉冲加热炉的管路系统的流动进行一维仿真。

1.总管调节阀；2.段孔板；3.段调节阀；4.支管孔板；5.支管调节阀；6.支管切断阀；7.烧嘴图1 分段脉冲控制加热炉管道系统

管道的压降计算如下：

式中：ζt为管道总阻力系数；ρ为气体密度，kg/m-3；v为气体流速，m/s。

管道的总阻力系数计算如下：

式中：λi为管道摩擦因素；Di为管道直径，m；Li为管道长度，m；∑ζi为管道总局部阻力系数。

并联管路的总阻力系数计算如下：

式中：ζt1为并联管路总阻力系数，ζi为某个并联支路阻力系数，n为支路数量。

仿真计算时，全炉共有24个烧嘴，分为4个脉冲控制段，每个段设置6个烧嘴，所有烧嘴功率相同，计算时假设空煤气总管为压力入口，所有烧嘴完全打开时各烧嘴处于额定功率状态。烧嘴有打开和关闭两个状态或大火、小火和关闭三个状态。

某个工况下某个加热段烧嘴打开的数量计算如下：

式中：n为某个加热段烧嘴总数，p1为段计算所需热负荷，p为段设计热负荷。

3 仿真结果及分析

3.1 不同负荷下的流量分配特性

假设额定功率下，段孔板和烧嘴孔板压力损失为2000 Pa，段调节阀和段管道阻力损失为1000 Pa，支管调节阀和支管道阻力为1000 Pa，烧嘴有打开和关闭两个状态。烧嘴在额定功率下的设计压力损失为1000 Pa、2000 Pa、3000 Pa时，各段在不同负荷下的烧嘴功率分配如图2所示。可以看出，当热负荷为100%时，烧嘴功率调至设计功率100%，随着段热负荷的降低，即打开的烧嘴数量减少时，单个烧嘴的功率逐渐增加，且超过了设计功率，并且随着烧嘴设计压力损失的减小，段热负荷降低时烧嘴功率增加的幅度越大。烧嘴功率随着热负荷降低而增加的原因是，当烧嘴打开的数量减少时，煤气段管流量减少，段调节阀和段孔板的压力损失降低，导致支管入口处的压力增加，从而实现运行烧嘴的功率增加。

图2 不同烧嘴压损下烧嘴功率随热负荷的变化

3.2 不同支管阻损比下的流量分配特性

分段脉冲控制加热炉管道系统的阻力损失主要包括段管道和烧嘴前支管道，段管道阻力损失件包括段孔板、段调节阀和管道，烧嘴前支管阻力损失件包括支管孔板、调节阀和管道。不同支管阻力损失比、不同负荷下的烧嘴功率比如图3所示。可以看出，支管阻力损失占比越小，负荷减小时烧嘴功率增加幅度越大，表明支管阻力损失占比越低，负荷变化时单个烧嘴功率波动幅度越大。

图3 不同负荷下烧嘴功率随支管阻损比的变化

3.3 大小火脉冲下的流量分配特性

针对具有大小火模式的脉冲控制进行仿真，烧嘴工作时具有大火、小火两个状态，选取支管阻力损失占比63%的系统，小火额定功率为大火额定功率的30%、50%，分别计算烧嘴在不同大火打开比率下的流量分配，如图4所示。可以看出：随着小火功率的增加，当大火烧嘴打开比率降低时，烧嘴大火功率增加的幅度降低，表明大小火控制可以减小烧嘴功率变化的幅度；烧嘴的小火功率随着小火打开比例的增加而增加，小火功率变化的幅度小于大火功率变化的幅度。

图4 不同小火设计功率下的烧嘴功率变化

4 结论

本文通过仿真分段控制的脉冲加热炉管路系统，可得出以下结论：

(1)当段热负荷降低时，单个烧嘴的功率逐渐增加，且烧嘴设计阻力损失越小，增加幅度越大。

(2)当段热负荷降低时，支管阻力损失占比越小时，单个烧嘴的功率增加幅度越大。

(3)对于大小火控制的脉冲加热炉，随着小火设计功率的增加，烧嘴大火功率随负荷波动的幅度降低，且小火功率的波动幅度小于大火功率的波动幅度。