PID控制在稻壳悬浮燃烧炉中的应用

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摘 要:悬浮燃烧炉最适合作为粮食干燥机的热源,其缺点是易结块、出现局部稻壳干馏现象。在不影响原有控制系统的基础上,采用一套独立的PID控制系统,以主风道内的温度为参考标准,调节稻壳进料量,效果较为理想。
关键词:稻壳；悬浮燃烧炉；PID控制；干燥
目前国内广泛使用的干燥机以燃油为主,燃油价格的持续高价位增加了谷物干燥的成本。稻壳燃烧热值为12.5～14.6kJ/kg,约为燃油热值的30%。我国稻壳年产量约为3000万t,用稻壳作为干燥机的燃料,则是一种降低干燥成本和生物质能源开发的有效途径。
1 稻壳燃烧炉的种类
根据稻壳燃烧方式不同,稻壳燃烧炉主要有以下4种:
(1)层燃炉。层燃炉应用广泛,种类繁多,一般又可分为平实炉底(多用于家用炉灶及开水锅炉)、倾斜式阶梯炉排(小型稻壳锅炉的传统炉型)和链条炉排(从燃煤链条炉移植而来,主要应用于1t/h以上的工业锅炉),国内现已有130t/h的链条锅炉[1]。
(2)流化床燃烧炉。流化床能较好地适应稻壳的挥发份析出迅速、固定碳难以燃尽的特点,克服了固定床燃烧效率低的弊病,还具有燃料适应性好、负荷调节范围大、操作简便等优点,但由于稻壳表面的毛刺极大地影响了稻壳的流化特性,在进行燃烧前要经过预处理,其主要用于大中型锅炉供热。且其供料装置复杂,如印度Puniab州BHEL Tiruchirapalli公司10MW的电厂燃用稻壳流化床,其给料技术为:稻壳在标准打包机械上打包成高360mm,宽460mm,长度(920±100)mm的包。捆包在输送带上运送,在给料吊车附近打开,自动送入流化床或存储在存储场内[2]。
(3)悬浮燃烧炉(旋风燃烧炉)。悬浮燃烧是在旋风作用下点火沸腾燃烧,使稻壳在不断运动中连续点燃和烧尽,作为其它稻壳燃烧炉的补充,其主要用于工作负荷较低的场合。如LXSD系列最小型号燃烧稻壳量为300～400kg/h[3]。
(4)气流燃烧炉。如果采用稻壳粉气流燃烧,炉内热平衡难以维持,故现有的气流燃烧一般都与层燃相结合,挥发份呈容积燃烧,而稻壳焦则以层燃形式在炉排上燃烧,这种燃烧方法存在的问题总的应归于层燃一类[4]。
同其它3种燃烧方式相比,作为粮食干燥机的热源,采用悬浮燃烧炉最合适。
2 LXSD稻壳悬浮燃烧炉的结构及工作特点
2.1 LXSD稻壳悬浮燃烧炉的结构
LXSD稻壳悬浮燃烧炉主要由送料机构、悬浮燃烧室、点火和辅助控温系统及风道系统4部分组成。
(1)送料机构。送料机构主要由送料绞龙和送料风机组成。送料绞龙作为温度控制的主要装置,由变频器控制其转速以决定送入的稻壳量。送料绞龙启动后,在送料风机的作用下,将稻壳送入燃烧室内。送料风机所吸入的风来源于对燃烧室进行冷却的循环热空气,同时也可对稻壳起预热作用。
(2)悬浮燃烧室。悬浮燃烧室的外壁用钢板焊接,内壁用耐温防腐作材料制作。在内壁与外壁之间留有隔热风道。当稻壳在炉内燃烧时,炉膛内壁温度也会升高。外界冷空气从隔热风道入口进入,并在流动过程中带走内壁辐射的热量,然后从隔热风道出风口流入风道系统。炉膛设计综合考虑了隔热和综合利用的问题,可以提高炉灶的热效率。
(3)点火和辅助控温系统。燃烧炉采用燃油辅助点火和控温。若需提高干燥介质温度,而稻壳输入量达到燃烧炉的设计最大输入量时,可通过间歇地喷入辅助燃油,使干燥介质温度提高。利用温度传感器,在线测量和显示干燥介质的温度,并通过自控开关,实现燃烧炉的在线控制。
(4)风道系统。稻壳悬浮燃烧炉的风道系统包括:输送稻壳的循环热空气风道、带走内层热量并使外壁保持较低温度的隔热风道和高温气流后段的混风风道。
2.2 LXSD稻壳悬浮燃烧的特点
稻壳最低着火温度为340℃,着火初期挥发份析出迅速,燃烧剧烈,但燃尽时间较长。稻壳一经接触火焰或未燃尽红热稻壳灰,在氧气得到连续补充情况下立即被点燃。当稻壳送料量过多时,稻壳在炉膛内无法充分地分散开,燃着的稻壳会堆积在一起结块。位于板结灰块内部的未完全燃烧稻壳因得不到氧气而无法继续燃烧,出现局部稻壳干馏现象。当干馏层挥发物排放出来后,其中沥青等有机物质变为液体,使稻壳结块,由于气化条件不良,很容易结坯成为1个整体不完全燃烧的稻壳灰块,成为大片状黑色稻壳灰[5]。而当稻壳送料量过少时,新送入的稻壳会无法被点燃,从而导致燃烧无法继续进行。
3 稻壳悬浮燃烧炉自动化控制
本研究以1台福建南平天和机械制造公司的稻壳悬浮燃烧炉为热源给4台三九公司的粮食干燥机供热。从炉膛出来的热空气在原干燥机内的混风室内进行2次混风调制,使进入干燥室内的热空气温度达到设定值(以干燥机内的温度传感器所测量显示的温度为准)。
3.1 控制的影响因素
稻壳燃烧炉中的轴流送热风机和送料风机组成局部串联系统,4台干燥机上的排风风机组成局域并联系统,局部串联系统再与局域并联系统串联组成完整的风路系统。由于风机串联时,主要对风压产生影响,而对风量影响较小,故当干燥机的工作台数确定时,流经稻壳燃烧炉的空气总量可看作定值(由稻壳燃烧引起的气体总量的变化相对很小,可以忽略)。因此当整个系统工作时,可认为稻壳燃烧炉是在单位时间内将定量的空气加热到一定的温度,故环境温度对稻壳燃烧炉的进料量有较大的影响,当环境温度升高时,所需的稻壳量变少,而当环境温度降低时,所需的稻壳量增加。
3.2 控制方案
为了不影响干燥机原有的控制系统,稻壳燃烧炉采用了1套独立的控制系统。经试验,在整个系统稳定工作后,给4台干燥机供热的主风道内的温度比较稳定,并以此处温度为参考标准进行人工调节稻壳进料量,尽管时间迟滞性达到10～20S,但调节效果还是比较理想。
本控制系统采用PID控制,主要由四限位输出的温度仪表、带积分控制的温度仪表、通用型变频器、温度传感器和西门子LOGO组成。
4 控制系统的试验结果及分析
为了保证稻壳燃烧炉在整个工作过程中处于稳定状态,设定变频器的输出范围为18～25Hz。环境温度为23℃,干燥对象是大豆。由于稻壳的着火点为340℃,为了充分燃烧稻壳,先开燃烧器加热,直到炉膛内温度达到400℃时再开始送入稻壳,此时主风管道内温度为150℃,从此时开始计时。稻壳的喂料量由变频器的输出来调节。
图3是主风管道内的温度变化曲线,由图可见,控制比较理想,误差在3℃以内。在大约15 min时主风管道内温度出现1次急剧下降,这是因为此时关闭了燃烧器。当炉膛内的温度达到800℃后,即使没有燃烧器的辅助,稻壳也能稳定燃烧,这样关闭燃烧器可以降低成本。
干燥时控制干燥介质温度在6O℃以内均可看作安全。由图可见,干燥介质温度的误差在2℃以内。
5 结论
(1)使用PID控制系统控制稻壳悬浮燃烧炉的进料量,实现稻壳燃烧炉控制自动化,可控制干燥介质的温度误差在2℃以内。其输出风量主要由干燥机的排风电机的风量决定,温度易于调节。
(2)为了防止稻壳结拱,进料系统采用送料绞龙和送料风机组成。当稻壳中混有秸秆或其它细长的杂质时,会使送料绞龙卡死,因此稻壳必须先进行预处理,清除杂质。
参考文献
[l] 殷庆勇,刘国波,樊元华.燃稻壳链条锅炉[J].能源技术,2004,(6):259～260.
[2] 许卫国,王学垒,吴履琛.燃烧稻壳流化床的技术特点[J].锅炉制造,2001,(4):22～24.
[3] 王继焕,刘启觉.LXSD型稻壳悬浮燃烧炉工作原理[J].粮食与饲料工业,2002,(1O):14～15.
[4] 鲁维加.稻壳锅炉的现状及其发展前景[J].能源研究与利用,1993,(5):l1～14.
[5] 钟科贤.新型燃稻壳供热炉及其应用[J].粮食与油脂,2003,(10):19～21.