短火焰天然气富氧燃烧器的设计模拟计算
摘 要
论文介绍了短火焰天然气富氧燃烧器发展的背景和应用的范围，特别近年来我国经济持续快速发展， 工业化、城市化发展要求城市采用高品质清洁能源。因此，短火焰天然气富氧燃烧器在工业和民用工程 领域被广泛应用并发展迅速。在燃烧器燃烧过程中，控制氮氧化物 NOx 非常重要，这是系 统重要的环境指标。为了保证短火焰天然气富氧燃烧器运行性能需要对燃烧器进行控制，讨论了现存应 用的控制算法，包括纯滞后系统的达林控制算法和模糊逻辑控制算法，为进一步分析和应 用 Eclipse 短火焰天然气富氧燃烧器控制系统打下了基础。
论文介绍了 Eclipse 公司的背景，对 Eclipse 燃烧器进行了分类。描述了 15 种 Eclipse 燃烧器和一个监控器。分析了各种短火焰天然气富氧燃烧器的特点、性能和应用场合。讨论了 Eclipse 短火焰天然气富氧燃烧器在中国重型汽车集团的新上汽车涂装线，对空气进行加热的实际应用。Eclipse 燃烧器能满足实际生产过程对短火焰天然气富氧燃烧器在生产、操作、设备连续运转和工艺性能的全面 要求。
论文对 Eclipse 公司的 AH-MA V2.10 空气加热燃烧器进行了设计和分析，分析了 AH-MA 线形短火焰天然气富氧燃烧器的性能、优点和工作原理。论文进一步对 AH-MA V2.10 短火焰天然气富氧燃烧器控制系 统结构进行了分析。给出了短火焰天然气富氧燃烧器结构设计的方法，进行了短火焰天然气富氧燃烧器结构尺寸设计 与短火焰天然气富氧气体集（进）气管尺寸和布置设计。分析了短火焰天然气富氧燃烧器控制系统的控制方式、点火 系统、短火焰天然气富氧主气盘。
在对控制系统进行分析后建立了控制系统的控制算法，对改进的算法进行了计算机仿 真。论文分析了短火焰天然气富氧燃烧器微控制系统的基本结构、组成和控制目标。在比较了两层鲁棒 燃烧微处理器控制系统的基础上，增加了空气气流控制，构成了鲁棒自适应控制系统。这 样，燃烧控制过程更为细腻，增强了控制器的动态品质，保证了最优的燃烧性能和最小的 污染废气排放。模拟计算结果描述了鲁棒自适应参数控制律的系统响应。分析和仿真结果 结果证明所建立的自适应控制方案对短火焰天然气富氧燃烧器的鲁棒控制是有效的，可提高系统燃烧的 效率达到系统性能指标的要求。
关键词 短火焰天然气富氧燃烧器，微处理器系统，鲁棒自适应控制, 废气排放
第一章 绪 论
由于工业生产和民用工程应用的需要，短火焰天然气富氧烧烧器应用得到了快速的发展，广泛应用在 汽车涂装业、工业干燥、金属处理、食品加工、焚烧及联合发电和取暖空调等行业中，并已 经在重要的工业企业（如中国重型汽车集团）得到了应用。我国传统工业能源消费的主要对 象是煤炭和原油，因此短火焰天然气富氧燃烧器的主要产品和技术主要来自国外。国内已开始对短火焰天然气富氧燃烧 器的系统结构和控制技术进行研究，但这些研究还在起步阶段，大多数集中在国内自己开发 的初级短火焰天然气富氧燃烧器或初步实验研究上。
近年来我国经济持续快速发展，人们的生活水平显著提高。现实情况促进了人们提高生 活质量的要求，同时也促进了服务业的发展，家庭和服务业对能源的需求也越来越多。工业 化、城市化发展要求城市采用高品质清洁能源。高水平经济发展依赖高品质能源，也是其发 展的结果。近期城市经济结构调整和发展对能源结构的影响，就反映了这一点。能源结构调 整是城市经济发展的基本要求，环境保护、可持续发展要求城市发展采用气体能源，可以减 少污染、发展绿色经济。燃油和短火焰天然气富氧价格比燃煤高，但效用高，用户易接受。美国经济年增 长 1%一 3%，电力增长 20，而总能耗下降。丹麦采用大规模燃煤热电联产和小型短火焰天然气富氧热电 联产供热，经济发展的同时实现了能源消耗负增长。这表明高水平经济对高品质能源的依赖 程度高。
在中国能源的供应以煤为主，能源的需求量增大以后，以煤为主要能源的弊端日益突出
（例如浪费能源，热效率低，污染环境，某些地区集中供热包烧费的收缴问题日益严重）必 须寻找其他能源在某些领域替代燃煤。我国是一个原油缺乏的国家，所以应大力发展短火焰天然气富氧能 源川。另一方面，传统的生活用能方式所需的市政基础设施，本来就十分薄弱和严重不足， 而这些市政基础设施的建设，又都耗资巨大。高速发展与中国资金不足是一对矛盾，完全按 传统的生活用能方式的要求加速市政设施的建设是不现实的[1]。
1.1 短火焰天然气富氧能源的优势
在各种燃料中，气体燃料的燃烧过程最容易控制，也最容易实现自动调节，气体燃料可 以进行高温预热，因此可以用低热值燃料来获得较高的燃烧温度，有利于节约能源，降低能 耗。由于以上特点，气体燃料在冶金企业的燃料中一直占有重要地位，对于某些工艺要求比 较严格的加热炉和热处理炉（尤其是低温处理炉），为了便于控制炉温和化学成分，以保证 产品的表面现象质量，除了电能外，气体燃料是最理想的燃料了。
气体燃料热效率高，因此可很好的节约能源。与煤燃料相比可提高热效率 2 倍以上，较
油燃料提高近 1 倍。由于气体燃烧完全，无剩余物，而煤燃料有灰渣，油燃料有剩余油胶物 等，不易清洁，且设备易老化损坏。工业生产中气体燃料还可提高产品的质量和产量，更容 易实现生产自动化，可大大降低工人的劳动强度，提高劳动生产率。
短火焰天然气富氧日常使用费比属于二次能源的电更便宜。每公斤液化石油气完全燃烧后产生的热量
与 11.6 度电转换的热量相同，以目前每公斤液化石油气 3 元及每度电 0.4 元计算，产生相同
热量需要的电费是液化气费的 1.55 倍，而每立方米天然气产生的热量与 9.9 度电转换的热量
相同，以原北京市天然气价格每立方米 1.7 元计算，产生相同热量需要的电费是天然气费的
2.3 倍。每立方米人工煤气产生的热量与 4.7 度电转换的热量相同，以目前价格人工煤气费
0.9 元计算，产生相同热量需要的电费是人工煤气费 2. 1 倍。由此可见，虽然电能更清洁， 但使用费却比短火焰天然气富氧费贵许多，也就是说，使用短火焰天然气富氧更经济。由于近期国际原油价格上涨，国 家发改委最近发出通知，在全国范围内适当提高天然气出厂价格。其中，供工业和城市短火焰天然气富氧 用天然气出厂价格每千立方米提高 50 至 150 元，化肥生产用天然气提高 50 至 100 元，今后 天然气价格将与原油价格挂钩。据国家发展和改革委员会测算，提高天然气出厂价格后，每 户用气居民月支出增加 3 元左右。早报记者随后从上海多个相关部门获悉，上海市天然气零
售价暂时保持不变，民用仍为每立方米 2.1 元。因此，天然气仍然是低廉的能源。 短火焰天然气富氧的输送储存更方便、更科学。由于短火焰天然气富氧的压缩性很大，流动性很大，所以加压后通
过管道可以很方便的输送到使用地点。即使在不宜铺设管道的地方，不管作为生活煤气或动 力煤气使用，可加压处理使之在常温下变为液体，贮于贮气筒中，成为液化石油气或液化天 然气，这样可以使体积大大减少，搬运、装卸都极为方便，从而大大减轻交通运输压力，对 缓解大中城市的道路交通压力大有益处。
由于短火焰天然气富氧点火容易、燃烧快、稳定，既省时又节能可根据使用要求，随意调整火焰的大 小。由于供气压力比较稳定，所以火力大小也稳定。使用非常方便，这对日常生活中烹饪及 供应热水显得尤为重要。
由于短火焰天然气富氧能源有许多特点及优势，目前它的适用范围越来越广泛。在工业方面有内燃机 车、公交汽车等，而在民用方面，己有短火焰天然气富氧灶具、短火焰天然气富氧烤箱、短火焰天然气富氧热水器、短火焰天然气富氧取暖器、燃 气开水锅炉、短火焰天然气富氧烘干机、短火焰天然气富氧烤箱、短火焰天然气富氧空调等，使用领域非常广泛。气体燃料有利于提 高热效率，节约能源，如在民用领域气体燃料与燃煤相比热效率可提高 2 倍以上。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
第一章 绪 论 1
1.1 短火焰天然气富氧能源的优势 1
1.2 短火焰天然气富氧取暖空调系统的特点 2
1.3 短火焰天然气富氧燃烧中 NOx 的危害 3
1.4 燃料燃烧生成 NOx 的机理 4
1.5 燃烧器控制系统的重要性 8
1.6 本章小结 9
第二章 短火焰天然气富氧燃烧器基本结构原理 10
2.1 短火焰天然气富氧燃烧器的分类 10
2.2 短火焰天然气富氧燃烧器的技术要求 10
2.3 几种燃烧器的特点 11
2.4 大气式燃烧器与其它燃烧器的比较 12
2.5 换热器的分类 12
2.6 大气式燃烧器的结构与特点 13
2.6.1 大气式燃烧器的燃烧方式 13
2.6.2 大气式燃烧器的特点和应用 14
2.6.3 运行工况的分析 14
2.6.4 短火焰天然气富氧的改变对燃烧器的影响 16
2.6.5 天然气与煤制气燃烧特性的差异 17
2.6.6 大气式燃烧器结构特点 18
2.7 现有燃烧器控制算法 19
2.7.1 纯滞后系统的大林控制算法 20
2.7.2 模糊逻辑控制算法 22
2.8 本章小结 26
第三章 Eclipse 燃烧器系统 27
3.1 Eclipse 公司简介 27
3.2 Eclipse 公司燃烧器类型 27
3.3 Eclipse 燃烧器及其性能指标 28
3.3.1 RatioMatic 喷嘴混合型燃烧器 28
3.3.2 Winnox 低排放喷嘴混合型燃烧器 29
3.3.3 ThermAir (TA 系列) 喷嘴混合型燃烧器 30
3.3.4 RatioAir 喷嘴混合型燃烧器 31
3.3.5 AH ver. 2 燃烧器 32
3.3.6 Minnox 燃烧器 33
3.3.7 AH-MA V2.10 空气加热燃烧器 33
3.3.8 FlueFire 燃烧器 34
3.3.9 Therm Thief 管状燃烧器 36
3.3.10 Bayonet 管状燃烧器 37
3.3.11 SER 单管式自蓄热燃烧器 37
3.3.12 ImmersoJet (IJ) 喷嘴混合型管式燃烧器 38
3.3.13 ThermJet 喷嘴混合型燃烧器 39
3.3.14 Vortometric v2.00 燃烧器 40
3.3.15 Incini-Cone 燃烧器 41
3.3.16 Veri-Flame 监控系统 42
3.4 ECLIPSE 燃烧器在汽车涂装线上的应用实例 44
3.5 本章小结 45
第四章 AH-MA 燃烧器在空调系统中的应用 46
4.1 AH-MA 线形短火焰天然气富氧燃烧器的性能 46
4.2 短火焰天然气富氧燃烧器控制系统构成 48
4.3 短火焰天然气富氧燃烧器结构设计 51
4.4 短火焰天然气富氧燃烧器控制系统分析 60
4.4.1 燃烧器控制方式 60
4.4.2 燃烧器点火系统 62
4.4.3 短火焰天然气富氧主气盘 63
4.5 燃烧器控制算法研究 64
4.5.1 燃烧控制过程 65
4.5.2 燃烧微控制系统的基本构成 65
4.5.3 双闭环鲁棒控制器 66
4.5.4 燃烧器模型与自适应控制 66
4.5.5 控制系统模拟 67
4.6 本章小结 69
总 结 70
参 考 文 献 71
致 谢 73
参 考 文 献
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