有机热载体加热炉热媒温度的精确控制
简介：本文介绍了燃煤、燃油（气）、电加热有机热载体加热炉不同的温度控制方式及各自的特点，详细分析了为达到精确控制温度所能采取的各种系统控制调节方案。有机热载体加热炉在我国的使用已经有许多年了，由于其高温低压的特点，正为越来越多的行业和领域所采用，无论是矿物型导热油还是合成型导热油用户，也无论是使用的燃料是煤，燃料油（气）或是电加热，工艺温度的控制始终是用户较为关心的问题，如何达到工艺温度并保持稳定精确是加热炉控制的一大重点。
一．使用不同燃料的加热炉的温度控制方式
1. 燃煤加热炉
煤的燃烧方式有层式燃烧、悬浮燃烧、沸腾燃烧、气化燃烧等，而层式燃烧则是现有热载体加热炉中的主要燃烧方式，其设备有火上添煤的手烧炉排炉，火前添煤的链条炉排炉，往复炉排炉等。
煤从进入炉膛到燃烧完毕，一般经历四个阶段：
水分蒸发阶段：当温度达到105℃左右时，水分全部被蒸发。
挥发物着火阶段：煤不断吸收热量后，温度继续上升，挥发物随之析出，当温度达到着火点时，挥发物开始燃烧。
焦碳燃烧阶段：煤中的挥发物着火燃烧后，余下的碳和灰组成的固体物便是焦碳。此时焦碳温度上升很快，固定碳剧烈燃烧，放出大量的热量。
燃烬阶段：这个阶段使灰渣中的焦碳尽量烧完，以降低不完全燃烧热损失，提高效率。
从以上煤的燃烧特性可以看出，煤的燃烧不是即时的，从煤的进入到煤的发热有一段时间，而且在整个发热过程中，煤的燃烧强度也是弱-强-弱的变化着，这些都为稳定的燃烧控制带来了难度。
（1）手烧固定炉排
手烧炉是古老简单的一种层燃炉，它具有结构简单，又基本上能适应各煤种的特点。小型的加热炉，特别是负荷在40万大卡/时以下的加热炉有些还采用手烧固定炉排。这种炉排的温度调节全凭操作人员根据用热设备工艺需要及长期的使用经验，通过加煤的频率、加煤量和鼓引风机风门开度来适应用热负荷的变化，由于煤的加入的间断性和发热强度的变化，供热热媒的温度波动很大，一般波动范围为±8℃左右，而且燃烧稳定状况也很不好，只能在一些对用热温度稳定性要求不高的场合下使用。
（2） 链条炉排
链条炉排的煤自煤斗滑落在冷炉排上后，接受炉膛的高温辐射，自上而下地着火、燃烧。显而易见，着火条件不及手烧炉有利，是一种“单面引火”的炉子。但因整个燃烧过程的几个阶段是沿炉排长度由前至后，连续顺序地完成，故不存在手烧炉的那种工作周期性，使燃烧工况大为改善。
对于使用链条炉排的燃煤加热炉，炉排上的燃烧出力与送风量、炉排速度和燃料层厚度有关。煤层的厚薄根据用煤的特性经燃烧调整完成后，除非更换煤种就不再变动。送风量的变动对出力的变化影响较为敏锐，提高风速会立即加快燃烧反应速度，使锅炉出力增加。炉排速度的调节，实际是给煤量的调节。链速过慢，会使炉排上积储燃料不足，降低出力，链速太快，固然会使出力增加，但在尾部会出现燃料不能完全燃尽而使固体未完全燃烧损失加大的情况，给煤量的调节必须与送风量很好配合。
具体操作时，当用热负荷增加时，开大鼓引风机的调节风门，并同时加大炉排调速器的转速，使炉排的出力增加；当用热负荷减少时，关小鼓引风机的调节风门，并同时降低炉排调速器的转速，使炉排的出力减少；这样保证了加热炉的出口热媒温度保持在一定的温度范围内。由于燃煤调节的滞后性，其温度波动范围为±5℃左右。
如果进一步采用变频器调节风机和无级调速炉排调速器后，调节温度的精度可以更高，温度的波动也大为降低了。当出现波动时，首先根据热媒出口温度来变频调节鼓风机和炉排调速器，然后根据炉膛负压（－3~4mm水柱）来变频调节引风机达到新的平衡。通过这样的变频调节，热媒出口温度波动范围可以调节到±3℃左右或更低。
（3）往复炉排
往复炉排燃烧室具有结构合理、性能可靠、适应燃料广泛、燃烧充分等特点。大倾角往复机构，使燃料呈波浪式翻滚前进，燃料之间出现挤压—移动—翻滚—塌落—疏松等过程，特别适应燃用人造板行业的废木料和工艺砂光粉。
当热负荷变动时, 由燃料输入锅炉的热量也需要随之变动, 才能使输出和输入的能量达到动态平衡,使热媒出口温度在新的工况中稳定。每小时通过推进器进入加热炉内的废木料量为：推料器宽度(m)×推料器高度(m)×炉排速度(m/h)×200(Kg/m³)，炉型定后，推料器宽度和推料器高度是定值，所以决定废木料量多少的是炉排速度，可以通过调节液压传动机构使炉排速度变动来调节燃料量。特别是负荷变化量不很大，变化的周期较短时，通常只需调节炉排推进速度，这种方法在改变燃料量的时候，可较快地改变火床的长度。
砂光粉由料仓下螺旋输送机输送到砂光粉输送风机进风口，与新风混合后由输送管道经过防回火装置（单向阀）进入炉膛上砂光粉喷嘴燃烧。砂光粉进料的调节通过螺旋输送机的变频控制来进行。当加热炉出口温度升高超过设定值时，降低螺旋输送机的电机运行频率，减少砂光粉的进料量；当加热炉出口温度降低超过设定值时，提高螺旋输送机的电机运行频率，增加砂光粉的进料量。
以废木料、砂光粉为主要燃料的加热炉，由于砂光粉燃烧特性决定，燃料在炉膛内必须负压燃烧，才能保证加热炉的运行正常和安全可靠，因此，风量调节过程中，鼓风机、引风机、砂光粉输送风机间的风量匹配至关重要。调风时，应按先开引风机，后开鼓风机，先停鼓风机，后停引风机顺序操作。
风量的调节必须与供热量匹配，通过调节风门或停、开鼓风机、引风机或通过鼓风机、引风机变频控制来实现风量的调节。通过变频调节，热媒出口温度波动范围可以调节到±3℃左右或更低。
2.燃油加热炉
燃料油在燃油炉炉膛空间呈悬浮状态燃烧，它需借助油喷嘴将油雾化成很细的雾状粒子，一般粒径小于200μm，以增加油的燃烧反应表面积。燃油喷入炉中后，首先被炉内的高温烟气加热，而后蒸发成油气。油气遇氧即刻着火燃烧，燃烧产生的热量，其中一部分由火焰传给油滴，使其不断蒸发，油气继续向外扩散，燃烧就连续下去。
以油作燃料，发热量大，容易着火燃烧，燃烧效率也高，几乎没有灰分，运输、贮存和运行调节都很方便，易于实现操作、运行的机械化和自动化。
燃油加热炉的供热负荷有变动时，控制系统通过控制燃油量的变化及同步调节燃烧所需空气量来控制进入加热炉的热量，从而控制热媒出口温度的波动。
（1）单段火燃烧器
燃烧器只有一个喷嘴，在正常情况下，空气量在挡板处一次调好并不再改变。燃烧器开始运行后，启动吹扫和预点火，一段时间后燃油电磁阀打开，燃油流向喷嘴，火焰出现。燃烧器在温度设定点附近通过反复的开-关来调节功率，温度的波动范围约为±5℃左右。
（2）双段火燃烧器
燃烧器有两个喷嘴，燃烧器开始运行后，启动吹扫和预点火，一段时间后1号燃油电磁阀打开，火焰出现；然后打开2号电磁阀后达到满负荷。在温度设定点附近通过反复的打开和关闭2号电磁阀来调节功率，温度的波动范围约为±3℃左右。
（3）三段火燃烧器
燃烧器有三个喷嘴，燃烧器开始运行后，启动吹扫和预点火，一段时间后1号燃油电磁阀打开，火焰出现；然后打开2号电磁阀加部分负荷；打开3号电磁阀后达到满负荷。在温度设定点附近通过反复的打开和关闭2号和3号电磁阀来调节功率，温度的波动范围约为±2℃左右。
此种燃烧器的喷嘴预先设定了滑动的双级控制。开动第一级后，第二级在恒定的时间内持续的增至满负荷，当达到额定温度后，第二级即连续降至第一级。若用第一级已达到额定温度，则这个基准级也关闭。通过在电控箱中装入合适的比例调节器，燃烧器就可按比例调节方式运行，即实现了连续控制，在所有负载阶段下都保证燃烧合格。滑动二级式和比例调节式燃烧器通过其功率的缓慢变化能与热能装置极佳的配合，温度的波动范围约为±1℃左右。
3. 燃气加热炉
常用的气体燃料有天然气、液化石油气和城市煤气。气体燃料的着火和燃烧十分容易，燃烧速度与燃烧的完全程度取决于气体燃料与空气的混合，混合越完善，则燃烧越迅速而完全。
燃气加热炉的供热负荷有变动时，控制系统通过控制燃气量的变化及同步调节燃烧所需空气量来控制进入加热炉的热量，从而控制热媒出口温度的波动。
燃气加热炉的温度控制方式有滑动两级式和比例调节式。
（1）滑动两级式Z
点火时，打开电磁阀开始释放燃气，点火燃气自蝶阀输出，通过伺服马达控制蝶阀的位置释放部分及满负荷所需的燃气量，滑动两级式Z式燃烧器的部分及满负荷变换所需的时间为8秒，温度的波动范围约为±2℃左右。
点火时，打开电磁阀开始释放燃气，点火燃气自蝶阀输出，通过慢速运行伺服马达控制蝶阀的位置释放部分及满负荷所需的燃气量，滑动两级式ZM和比例调节式M之间的差别在于电子调节装置及伺服马达的运行时间（ZM-20秒 M-42秒），温度的波动范围约为±1℃左右。
4. 电加热器
电加热器根据出口油温控制电加热单元的投入数量,从而得到稳定可靠的热源。
常规的电加热器采用电加热的全开-全关式控制，这样控制比较简单，但温度的波动较大，一般在±3℃左右。在需要稳定供热的工况下，电加热单元频繁的开-停也容易造成电加热管的损坏，为此，可以将总功率分成两组或多组进行分别控制，道理与燃油燃烧器中的双段三段火是一样的，这样温度的波动就大为缩小了。如果想进一步提高温度控制的精度，可以采用固态继电器来无级调节电功率的投入量，这样供热温度的波动范围可控制在±1℃左右。
5. 燃水煤浆加热炉
在环境保护越来越受重视的现代社会，越来越多的新燃料和新的燃烧方式被采用，燃水煤浆的加热炉正逐渐被开发出来并成熟应用。煤粉加水和添加剂制成的水煤浆用螺杆泵输送，采用空气或蒸汽雾化，送入水煤浆喷嘴燃烧，运行管理与重油一样。负荷变化时，操作人员一方面需要调节进入喷嘴的水煤浆料，另一方面需要调节燃烧所需的助燃风量，这些调节虽然也可做成多级可调，但是这些调节都与操作人员的使用经验相关，而不是水煤浆喷嘴自身的控制系统自行完成的，因此供热温度的波动范围还是较大，一般可控制在±3℃左右。
以上采用的都是从加热炉本体燃烧设备上控制温度精度的方法，可以看出，燃油（气）加热炉和电加热器的热媒温度控制可以通过比例调节来达到±1℃的精度，而燃煤锅炉的温度控制则很难达到这样的水平，这样，我们只能从工艺系统上想办法来提高控温精度。
二．为提高温度精度所能采取的系统方案
1．两通阀流量控制
如加热炉出口热媒温度无法直接控制在需要的精度以内，也可通过两通阀调节流量以满足各用热设备的负荷调节。用各用热设备内被加热介质的温度来控制各支路的两通调节阀，根据负荷的变化调节两通阀的开度，使进入本支路的热媒流量增大或减小，满足稳定供热的需要。此种控制方式适用于有多支路的调节，每个独立支路阀的开度只与本支路内用热设备内介质的温度相关，与其他支路都不相关。为保证加热炉内热媒的循环流量，在旁路设置了流量调节阀，用出炉热媒压力（热媒进出口压差或者热媒流量）来控制该阀的开度，在后面用热设备在小负荷状态工作时，旁通阀开大保证加热炉不因流量降低而产生粘度增加和结焦的问题。
2.三通阀流量控制
如系统中只有一个用热设备，则利用一个三通调节阀就可进行负荷的调节。用热设备内的温度信号用来控制进入设备的热媒流量，满足负荷需要，多余的热媒则通过三通阀旁路回流返回加热炉。用三通阀控制恒定体积流量已被广泛应用在工业生产中，并被证明为一种简单易行而又可靠的方案。
3.采用蓄热罐工艺
在系统中设置蓄热罐，罐内存油量约为系统总油量的1/4，经加热炉加热后的导热油进入蓄热罐，然后再通过二次循环泵将油打入后面各个用热点（如用热设备A），如需要有某个不同的工艺温度点（如用热设备B），还可以用冷热油混合调节的方法实现。经用热设备使用后的回油再进入蓄热罐，由主循环泵抽回加热炉再次加热。由于主循环只流经加热炉、油管线和蓄能罐，流动阻力很小，因此主循环泵的扬程可选的较小，一般有40~50米扬程即可。通过蓄热罐的设置，增加了系统内的容油量，钝化了负荷变化对油温的影响，对小负荷的加热炉及系统管线比较短的加热炉效果尤其明显。
4.采用二次循环工艺
对于系统管线比较长和容油量大的系统，特别是有多个用热温度点的用户可以采用多个二次循环模块来实现稳定供热。来自主循环的热油由分流式三通调节阀控制进入二次循环与冷油混合，分流式三通调节阀的开度由混合油温控制，通过这样的方式，可以得到恒定流量和恒定温度的热油进入用热设备。特别是对于压机这样需要大流量的用热设备，通过二次循环模块的设置解决了其与主循环流量的匹配问题。
5.采用少量回流介质旁路工艺
在某些热用户的工艺中，为保证主循环中加热炉出口温度的稳定，还可采用回流介质炉前旁路法。如果出口温度超过设定的某点温度，则自动开启旁路阀，用冷流体来混合热流体，使混合流体的温度恢复到控制温度内，旁路阀的开度由混合热媒的温度来控制。但这种方法必须严格计算旁通管路口径，保证在旁路较大开路时，进入加热炉的热媒流量仍在安全流量之上，一般旁路流量控制在总流量的10%~15%，否则会由于流量过低而对加热炉造成损坏。
