燃烧系统的设计计算

燃烧系统的设计计算（精选10篇）

燃烧系统的设计计算 篇1

引 言

蓄热式燃烧方式是近年来迅速在国内外成功推广使用的革命性燃烧方式, 相对传统的燃烧方式而言, 具有节能、环保、炉温均匀、炉体寿命长等众多优点。蓄热式燃烧系统及其专用设备由于设计合理、使用寿命长、性价比高, 目前在国内占有较大的市场份额。

脉冲燃烧控制技术发展至今已有20年以上的历史, 它是一种间断燃烧的方式, 使用脉宽调制技术, 通过调节燃烧时间的占空比 (通断比) 实现炉内的温度精确控制。与传统的比例燃烧控制相比, 脉冲燃烧控制系统中参与控制的仪表大大减少, 烧嘴一旦燃烧, 就处于其设计的最佳燃烧状态, 保证烧嘴燃烧时的燃气出口速度不变。脉冲燃烧控制的主要优点为:系统简单可靠, 造价低;可提高炉内温度场的均匀性;烧嘴的负荷调节比高。

1 加热炉的技术性能

加热炉的基本参数

炉型:端进端出推钢式连续加热炉;

炉内布料方式:4.0～5.5 m单排;

装料方式:液压推钢机;

出料方式:斜滑坡;

工作制度:三班连续生产;

产量额定:80 t/h;

典型坯料规格:320 mm×260 mm×4 000～5 500 mm;

加热钢种:普碳钢、优质碳素结构钢;

坯料入炉温度:室温;

坯料出炉温度:1 150～1 200 ℃;

煤气种类:热煤气;

低发热值:6 000 kJ/m3;

煤气接点温度:≮450 ℃。

2 蓄热式燃烧系统的特点

蓄热式燃烧系统除需要合理的系统设计外, 对所采用的关键设备必须满足长寿、可靠、操作简单、维护量少等要求, 包括蓄热箱、蓄热体、快速换向阀、快切阀等。

2.1 蓄热箱

蓄热箱体采用高强度刚玉莫来石整体浇注而成, 蓄热箱的前部 (炉内端) 设有一块高强度刚玉莫来石多孔挡砖, 箱体后部的连接罩设有便于快速检修的检修门, 在更换蜂窝体时只需打开检修门就可方便快捷地取出更换, 挡砖使用寿命达1年以上, 箱体使用寿命达3年以上, 而且整个箱体更换快捷方便。

2.2 蓄热体

组合蓄热式烧嘴的蓄热体采用陶瓷蜂窝体。蜂窝体的传热能力比小球大4至5倍, 气流阻力只有小球的1/3, 蜂窝体的传热特性和阻力特性都明显优于小球。按换向周期40～80 s设计蓄热体的蓄热能力和传热能力。这种换向周期比较适当, 如果换向周期过短 (例如20～30 s) , 换向过于频繁, 影响换向阀的使用寿命, 换向造成的煤气损失也多 (煤气预热时) , 如果换向周期过长 (例如120～180 s) , 则排烟温度和空气煤气预热温度波动范围大, 平均预热温度较低, 综合换热效率较低。

采用蜂窝体, 蓄热室体积小, 烧嘴结构紧凑, 在较小的炉侧钢柱间距内可布置一个烧嘴, 整个炉子可以布置足够数量的烧嘴, 以满足供热负荷的需要。

在多座加热炉使用蜂窝体和小球两种蓄热体的经验, 证明蜂窝体比小球更不容易堵塞, 原因是蜂窝体内的气流通道是直通道, 在高速气流正吹和反吹作用下, 灰尘不易在通道内积存。而小球蓄热室内的气流通道是迷宫式的, 所以气流中夹带的尘粒比较容易在小球表面附着导致通道堵塞。

2.3 快速换向阀

在每组 (2只) 蓄热箱上方装有一套气动盘式双阀板三通快速换向阀, 这种阀门结构简洁, 动作可靠, 带有截止功能, 动作时间小于2 s, 寿命可达100万次以上。

2.4 快切阀

在每组 (2只) 煤气喷嘴前设有一套气动快速切断阀, 通常由于热煤气带有焦油和灰尘, 如果阀门经常不动作, 会出现堵锈损坏, 但在蓄热式燃烧系统中由于快切阀每2～3 min需动作一次, 实践证明可长期可靠使用, 其寿命可达3年以上。

3 脉冲控制系统的特点

采用脉冲控制方式时, 蓄热室换向将不允许采用集中换向模式, 因为这将给系统带来很大的换向干扰, 但如果采用分散换向方式设备数量和投资会增加很多。因此采用集散换向控制方式, 综合了集中换向方式与分散换向方式的优点。

脉冲控制时序由MTP700控制。加热炉温度是通过PI调节器设定的。PI调节器对设定的温度与热电偶检测到的炉子实际温度进行采样, 并按照PI算法 (即比例、积分算法) 计算出偏差值, 由偏差值的大小输出一个4～20 mA的电流信号。这个电流信号经过A/D转换器转换成数字量以后, 送给脉冲控制器。脉冲控制器产生一系列时序脉冲信号, 并根据输入数字量的大小控制不同的燃烧控制器和烧嘴, 使它们按照一定的时序点燃或熄灭, 进而控制加热炉的温度。可以实现正偏差和负偏差两种调节方式, 即当PI算法计算出的偏差值为正时, 调节器工作在正偏差调节方式, 输出电流在12～20 mA之间变化。当PI算法计算出的偏差值为负时, 调节器工作在负偏差调节方式, 输出电流在4～12 mA之间变化。脉冲控制器可以根据A/D转换器输出的数字量的大小来识别调节器工作在哪一种调节方式。当调节器工作在负偏差调节方式, 并且炉子的温度高于工艺要求的温度范围时, 脉冲控制器熄灭所有的烧嘴, 并打开冷却装置对加热炉实施冷却。

温度检测设有超温报警、断偶报警和热电偶温差超限报警, 即对于炉侧两只热偶所测量的温差大于允许值, 则发出报警信号, 用以提醒操作人员检查故障点。温度控制对象为炉顶和炉侧的两支热电偶的平均值, 当其中一支热电偶发生故障时, 自动切换到另一支热电偶。

根据不同钢种的加热温度要求, 控制加热炉的不同温度区段, 根据加热炉数学模型系统自动设定加热炉该区域的温度, 由于加热炉供热情况受到节奏的影响, 供给加热炉的热负荷会发生很大变化, 按照工艺设计要求每个供热段的烧嘴大小和供给的燃气量和空气量是相对应的。

全数字化脉冲燃烧是将在换向周期内一段时间的累计燃料, 将单个调好的空/燃比烧嘴以高速度进行燃烧, 按照时序分配的结果进行燃烧。这种工况燃烧的好处是:

(1) 每个烧嘴在额定的燃气压力、热值下, 在脉冲燃烧状态, 喷出热气流的热焓、速度以及热气流的长度都是一个定值, 同时将多个烧嘴进行适当的组合, 合理地布置, 就会很容易的获得满意的加热炉内温度场的分布, 保证极高的工作加热质量。

(2) 按照加热要求, 加热炉沿炉长方向的温度控制可任意调整, 即每个烧嘴的的燃烧时间按照加热要求进行设定, 灵活控制炉膛温度。

4 加热炉的节能措施

加热炉的生产应符合高产、优质、低耗、节能、无公害以及生产操作自动化的工艺要求。设计采用的主要技术和节能措施如下:

(1) 为保证生产对加热质量的要求, 此设计采用高效蓄热式烧嘴, 高性能的切断阀和火焰监控, 以达到炉温均匀、能耗低的目的。

(2) 根据坯料在炉时间长, 而且要求升温速率快的特点, 确定了合理的炉子温度自动控制系统, 保证了加热温度的均匀性。

(3) 在加热炉结构、各种辅助设施的布局、生产操作及设备的维护等方面, 充分考虑了人身、设备与生产的安全, 在加热炉设备和燃烧系统控制的功能方面, 都设计有安全切断、自动放散及声光报警等完善的安全措施。

(4) 采用了实用、可靠、先进的电控仪控装备实现了操作自动化。

5 结束语

蓄热式燃烧技术是一项先进的节能技术, 应用于轧钢加热炉, 具有高效、优质、低耗等特点, 能很好解决加热炉烟气排放的环保问题, 完全符合工业炉发展方向, 该技术的应用将对企业、社会产生很大的经济效益, 是一项值得推广应用、实用性很强的技术。

燃烧系统的设计计算 篇2

关键词：正交试验设计；燃烧系统；CFD

中图分类号：U461.8 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2011）03-0026-04

The Application of Orthogonal Experiment Design in Simulation and

Optimization for Diesel Engine Combustion System Parameters

YU Hong-feng

（Dongfeng Commercial Vehicle Technical Center of DFL，Wuhan 430056，China）

Abstract：This paper attempted to use orthogonal experimental design in FIRE of CFD simulation.We chose bowl aperture ratio，re-entrant ratio，bowl rim radius，injector spray cone angle and swirl ratio to stand for key parameters of fuel，air and chamber of diesel engine combustion system，and made three level orthogonal experiment for simulation.The simulation result is analyzed by Analysis of Variance.The influencing regularity of the combustion system parameters has been achieved about engine power and emission，and the relative optimal combination of combustion system parameter combination was found out.

Key words：orthogonal experimental design；combustion system；CFD

柴油机功率大、性能优、经济性好，并越来越广泛地应用于道路车辆中。但随着世界范围内的能源短缺和环境污染，排放法规不断加严，各种解决排放问题的技术措施尤其是后处理技术不断应用于柴油机，如果能从排放物产生的源头即燃烧过程解决污染物的生成，将会减轻后处理系统的负担以及其他技术综合应用的复杂性。

柴油机燃烧系统的优化匹配过程是相当复杂且费时费力的过程。随着CFD技术越来越成熟地应用于发动机开发过程中，采用多维模型来模拟发动机燃烧过程得到广泛重视。通过模拟计算来减少发动机开发过程中试制、试验的费用和周期，是解决柴油机燃烧系统开发的一个途径。

柴油机燃烧过程的优劣由组成燃烧系统的油、气、室三个方面相互配合的好坏程度决定。因此，提取油、气、室三者的关键参数，分析其对柴油机性能的影响程度，为燃烧系统优化提供指导依据。

本文的研究目的是探索利用仿真软件工具，采用正交试验设计方法，在原机燃烧系统的基础上寻找影响发动机性能的关键参数，以期进一步优化燃烧系统，在保持原机动力性水平的基础上降低颗粒水平。

1 原机CFD仿真模型及校验

本文采用AVL Fire软件建立燃烧系统的仿真模型，通过实测示功图完成对模型标定后，固化喷雾、燃烧模型参数，仅对燃烧系统的几何和非几何参数进行调整，寻找影响发动机性能的关键参数。

AVL Fire软件的ESE－Diesel模块，可以方便快捷地建立不带气道的部分模型，仅用一个扇区对喷雾和燃烧进行模拟计算。燃烧室基本型线的网格如图1所示。网格在TDC和BDC时分别包含86 000和275 000个单元。扇区大小的选择是根据一个喷油孔定位于该区域确定的。

ESE模型计算区间为进气门关闭时刻（IVC）至排气门开启时刻（EVO）。模拟计算选择发动机额定功率点进行，发动机基本参数如表１所示。计算边界条件设置采用AVL推荐数值，初始条件采用发动机示功图数据，喷油参数采用喷油规律实测值。

燃烧模型选用涡破碎模型（EBU），喷雾模型选用WAVE模型，NOx排放模型采用理论较为成熟的Zeldovich原理计算NOx的浓度，Soot模型采用Kennedy_Hiroyasu_Magnussen模型。对于模型参数的调整，当前的主要手段是将计算缸压曲线与经过滤波处理后的实测示功图数据相比较，使其落入实测示功图±５％范围内。经过模型参数的联调，将相对较优的参数组合计算结果与试验数据对比，如图２所示。

2 试验设计

本文的研究背景是国III 发动机排放升级，在SCR技术路线过程中需要尽可能降低机内颗粒排放。因此，除了燃油喷射参数重新予以标定外，燃烧室若能相应得到改善，将进一步提高机内降颗粒的潜力。除燃烧室型线参数、喷油器流量/喷射夹角等一些参数能够改动外，发动机整机结构，如气道形状及爆压限值都保持现阶段水平。

2．１ 参数选择

根据对燃烧室型线参数以及相关参数对于燃烧室内气体流动和燃烧过程的理解，选择Aa（口径比D/B）、Bb（缩口比d/D）、Cc（缩口半径r）、Dd（喷射锥角θ）、Ee（涡流比Ω）等五个关键参数做为考查对象。如图3所示。

口径比（D/B）：燃烧室凹坑直径与缸径之比。因发动机压缩比保持不动，燃烧室深度h不可以任意变动，即径深比被限制在一定范围内，所以口径比决定了燃烧室的基本形状。

缩口比（d/D）：缩口直径与燃烧室凹坑直径之比。从欧II开始，为了加强燃烧室内的空气运动，燃烧室形状基本上都带有一定的缩口度，以保证上止点后燃烧室内也能保持一定的空气旋流，促进油气的充分混合。随着燃油喷射压力的提升，对燃烧室内旋流运动的要求有所弱化，但保持一定的旋流运动对于降低颗粒物排放还是有帮助的。

缩口半径（r）:缩口处的圆角半径不仅影响缩口处挤流和逆挤流的气流运动方向，半径太小会导致燃烧室边缘龟裂。

喷射锥角（θ）：除喷射夹角和喷孔直径，燃油喷射系统影响燃烧过程的大多数参数（如轨压、定时、预后喷控制策略等）可以通过标定加以优化。而喷孔直径直接决定着喷油器的流量范围，因而间接影响着喷油持续期以及喷油定时的控制。为了避免由此带来的一系列的影响因素，在燃烧系统关键参数初选的过程中，仅选择喷射夹角，它影响着燃烧室内的油气分布状况。

涡流比（Ω）：尽管当前发动机缸盖气道不做改动，但为了解气道涡流水平对性能的影响程度仍然将其列入考查对象，以期指导将来的气道改进设计工作。

2．2 正交方案选择

为了尽量减少试验设计进行仿真运算的次数，同时保证评价不同参数影响的精确度，选择正交试验设计方法。其试验范围内具有“均匀分散、整齐可比”的特性，适合水平数不太多（一般≤５）的多因素试验。

原机燃烧室在开发过程中已经做了大量细致的优化工作，将原机的上述五参数值定义为中间水平，根据经验在其基础上做上下浮动的微调，每个参数确定三个水平，因此选择L18（37）正交设计表设计本次试验方案（即计算方案）。

根据正交设计表完成的燃烧室型线设计如图4所示。

2．３ 试验方案计算

根据正交表设计的燃烧室型线，用ESE-Diesel分别建立18个燃烧室型线的计算网格，网格划分策略保持与原机计算网格划分策略相同，避免因网格划分上的差异影响计算结果的对比。

计算工况采用发动机额定功率点。求解器直接采用原机功率点的求解器文件，仅将初始条件中的涡流强度设置和喷雾模型参数设置中的喷射夹角按照每种燃烧室对应的计算方案修改即可。

３ 结果分析

３．1 数据整理

从仿真结果中提取代表发动机动力性水平的平均指示压力（IMEP）、代表NO排放水平的平均NO质量分数、代表Soot排放水平的平均Soot质量分数等三个指标进行分析。为了与原机仿真结果对比方便，将试验方案计算结果的相应指标与原机计算结果的比值做为无量纲量，数据整理结果见表2。

３．2 试验结果分析

根据正交表及数据结果，将各因素所在列中相同水平所对应的指标值求和，得到I 、II、III值，并计算该因素极差，以确定因素的主次顺序。仿真结果分析见表3。

根据对IMEP指标望大性，NO、Soot指标望小性的要求，从表3可以分别得到五个参数的重要度排列及水平配比的关系（参数排列按照对该指标影响大小的顺序排，下标是该参数应选择的水平值）：

IMEP：Aa3Bb2Dd2Ee2Cc2

NO:Aa1Bb1Ee1Dd1Cc1

Soot: Aa3Dd2Ee3Bb2Cc1

从上述组合中可以看出，口径比是影响性能的一个非常重要的参数，对于当前发动机高压喷射的特性，对于IMEP和Soot两个指标，都有加大燃烧室直径的要求，尽量避免燃油碰壁。缩口处的圆角半径的大小对发动机性能影响程度最小。因此，型线设计时仅需要考虑其对活塞边缘热应力的影响。

由于NOx－PM的trade-off关系，可以看出许多参数对二者影响的方向不同。对于机内降颗粒的要求，有增加缸内涡流比，促进油气混合的要求，而对于NO来说，涡流比的增加，势必造成燃烧温度的升高。因此，出现翘翘板关系的两个指标在考虑参数选择时，应该设置优先级或权重系数，综合考虑参数对二者的影响。

根据项目背景主要针对燃烧室型线做进一步优化设计，以期降低缸内颗粒物排放。从Aa、Bb、Cc影响程度和水平取值分析，当前燃烧室除口径比有增大的要求外，缩口比和缩口处的圆角半径均可以保持不变。因此，燃烧室会变的扁平一些。选配喷油器时，喷射夹角也需要相应增大。

３．３ 显著性检验

数据的直观分析不能找出哪些参数对指标有显著影响，利用方差分析可解决这一问题，计算结果见表4。

找最佳组合时，对于显著因子应该选择其最好的水平，因为其水平变化会造成对指标的显著影响。

方差分析表明，参数Aa（口径比）和Bb（缩口比）对三个指标都有显著的影响。因此，在不改变气道涡流比的情况下，对于燃烧室优化要求与3.2结论相同。

４ 结论

本文尝试采用正交试验设计方法在柴油机燃烧系统参数优化仿真计算中的应用。在CFD仿真计算中采用正交试验设计方法减少了计算次数，得到了燃烧室改进方向，为燃烧室的优化设计提供了指导依据。

分析结果表明，为降低研究对象发动机机内颗粒物排放，需要增大燃烧室凹坑直径。

参考文献：

［1］ 茆诗松，周纪芗，陈颖.试验设计［M］.北京：中国统计出版社，2004

燃烧系统的设计计算 篇3

关键词：糖厂,锅炉,燃烧自控系统,自动化

近年来, 全球强调节能降耗的要求越来越强烈, 制糖行业标准日益提高、各项食糖国标不断推陈出新, 人工操作已经难以达到稳定生产、保证产品质量、提高糖分收回、节能降耗、提高效益的要求。由于甘蔗发展的需要, 我们的生产规模不断扩大, 大量新的操作工正在成为我们甜蜜事业中的一员, 但是他们的知识水平不高、操作技术不纯熟、责任心不强、执行力不到位, 导致我们的生产受人为因素的制约、影响很大, 甚至生产不稳定、产品质量波动大、糖分收回低、能耗高、跑冒滴漏多, 生产效率难以提高。随着人们生活水平的不断提高, 我们员工要求的工资水平也越来越高, 工作环境越来越好。他们不再能适应我们传统制糖生产这种重复性强、劳动强度大的工作。这就为我们提出了新的难题:一家糖厂的工资总额就那么多, 如何能做到既能提高员工的工资收入, 又能降低他们的劳动强度、优化工作环境呢?只有实现生产过程的自动化控制可以解决我们的难题。

要想实现一家糖厂节能降耗的目标, 提高锅炉的燃烧效率是其中一个切实有效的方法。当一台锅炉经过一次又一次的本体、风道改造, 将燃烧效率提高到一个瓶颈之后, 如何最大限度地消除人为因素的影响, 将给料、配风的控制优化到最佳状态就是我们要解决的问题。实现锅炉燃烧过程的自动控制, 是我们优化锅炉的燃烧效率的最后、也是最关键的一步, 它必然为糖厂节能降耗、降低工人劳动强度的目标作出重大的贡献, 也是发展的趋势。

1 燃烧自控系统实施前某厂锅炉燃烧控制的现状

集团下属广西片区某糖厂1#锅炉, 为一台65t/h3.82MPa450℃蔗渣锅炉, 该炉进行燃烧自控技术改造前的燃烧控制主要是:

(1) 由一位司炉工根据锅炉当前的过热器出口集箱蒸汽压力, 通过调节安装在锅炉仪表盘的4个喂料器滑差电机调速器, 实现对4个蔗渣溜槽喂料器转速的控制, 从而控制锅炉的给渣量。

(2) 由于该炉的鼓引风机都已经配置了变频器, 同一位司炉工可以根据炉膛的负压、蒸汽压力、给料量及炉膛温度等参数, 通过调节安装在锅炉仪表盘的1个鼓风机和两个引风机的变频器操作面板, 实现对鼓引风机转速的控制, 从而控制锅炉的配风量。

(3) 由于锅炉没有安装氧化锆氧量分析仪, 司炉工对锅炉燃烧状况的判断没有一个量化的概念, 只能根据经验进行锅炉配风的调节。加之司炉工的水平本身就不高, 经验丰富、操作熟练的佼佼者更是少之又少, 同一位司炉工既要控制锅炉的给渣, 又要控制锅炉的配风, 还要调节4个蔗渣闸板保证4个蔗渣溜槽蔗渣量的充足不浪费, 工作量对我们现在的操作工而言可谓不小, 所以要控制好锅炉的燃烧状况难上加难。

(4) 鉴于控制燃烧的工作量之大, 只要锅炉不出现正压, 我们司炉工一般很少自觉进行锅炉的配风调节, 而只是进行蔗渣闸板和喂料器给料的调节, 可见锅炉的燃烧效率受人为因素的负面影响很大, 锅炉燃烧效率由此可见一般。

2 应用燃烧自控系统的目的

实现锅炉燃烧过程的自动控制, 即过热器出口集箱蒸汽压力自动控制、烟气含氧量自动控制、炉膛负压自动控制, 使炉膛内燃料的燃烧充分、燃料的供给和所提供的热量适应锅炉负荷的需要, 锅炉的燃烧指标 (见第四点) 维持在最理想的范围内, 锅炉稳定、安全、高效运行, 司炉工的劳动强度大大降低。

2.1 燃烧自控系统要求控制的指标

(1) 实现过热器出口集箱蒸汽压力自动控制, 蒸汽压力控制在3.5~3.8MPa的理想范围内;

(2) 实现烟气含氧量自动控制, 烟气含氧量控制在3%~6%的理想范围内;

(3) 实现炉膛负压自动控制, 炉膛负压控制在-150Pa~0Pa的理想范围内。

2.2 燃烧自控系统的系统设计架构

燃烧自控系统主要由电脑、可编程控制器、现场仪表组成, 其构架图如下:

设计采用此系统构架主要是考虑到比较经济实惠, 又刚好能满足自控的需求。

3 锅炉燃烧自控系统设计的实施方案、控制原理和控制逻辑

3.1 实施方案

针对该厂现有设备的状况, 具体的实施任务主要有以下几项内容:

(1) 更换4个喂料器滑差电机调速器为可接收4~20m A模拟量控制信号的DK-2E调速器, 为实现喂料器转速自控创造条件。

(2) 现有的炉膛负压变送器为使用多年的差压变送器, 已不能满足自控的要求, 更换为EJA智能微差压变送器, 测量更准确更灵敏更稳定, 显示、输出阻尼可有效调节。

(3) 加装一套ZSYO-111型氧化锆氧量分析仪, 对锅炉燃烧后剩下的氧量进行有效监测, 将锅炉燃烧状况量化为一个相对可控的指标。

(4) 增添PLC控制系统软硬件设备, 并进行软硬件设备的安装、燃烧自控系统的组态、调试, 直至最后我们要求控制指标能够稳定地保持在最理想的范围内。

3.2 控制原理

锅炉的燃烧过程自动控制主要是实现以下三大控制:

(1) 过热器出口集箱蒸汽压力自动控制 (汽压-热量-燃料自动调节系统)

控制原理:以过热器出口集箱蒸汽压力为主控量, 当过热器出口集箱蒸汽压力信号小时, 通过输出4~20ma信号给调速器, 调节喂料器电机的转速快些;反之, 调节转速慢些。以过热器出口集箱蒸汽压力作为输入信号, 经系统运算, 输出信号控制4个喂料器。

(2) 烟气含氧量自动控制 (氧量—送风自动调节系统)

一要保证有足够的氧供燃料充分燃烧, 不使烟气中有过量的CO, 避免浪费燃料和造成环境污染。

二是要满足经济燃烧的要求, 保证氧量不能过多, 以避免尾气带走过多热量形成浪费。

控制原理:以氧化锆氧量分析仪测量到的氧量信号为主控量, 当氧量信号小时, 通过输出4~20ma信号给变频器, 调节鼓风机的转速快些;反之, 调节转速慢些。

(3) 炉膛负压自动控制 (负压—引风自动调节系统)

控制炉膛负压在一定范围, 保证安全生产。例如:炉膛负压一般要求控制在-20~-50帕之间比较合适, 保证炉膛不往外喷火。

控制原理:以炉膛负压为主控量, 当炉膛负压小时, 通过输出4~20ma信号给变频器, 调节引风机的转速快些;反之, 调节转速慢些。以炉膛负压为输入信号, 经系统运算, 输出信号控制两台引风机。如果当两台引风机已经开到最大, 炉膛负压还达不到控制目标时, 适当减小鼓风及进料量, 保证锅炉的安全运行。鼓引风机及喂料器互相联锁保护, 当引风机出现故障跳停时, 鼓风机及喂料器也自动保护停止。

三个子系统控制目标是相辅相成的。蒸汽压力变化, 需要调节燃料, 这势必会引起烟气含氧量和炉膛负压的变化;氧气含氧量变化, 需要调节送风, 同样也会引起蒸汽压力和炉膛负压的变化;炉膛负压变化, 需要调节引风, 反过来也相应引起氧气含氧量和蒸汽压力的变化。因此这是一个强相关、强耦合的系统。

3.2 控制逻辑

4 锅炉燃烧自控系统实施后的控制画面及运行状态

由图1可以看出, 锅炉燃烧自控系统经过安装调试, 已经全部投入自动运行, 各项指标都已经控制在理想的范围内。

5 锅炉燃烧自控系统实施后的效果和经济效益分析

(1) 锅炉燃烧自控系统的实施, 实现了过热器出口集箱蒸汽压力、烟气含氧量和炉膛负压三大指标的自动控制, 达到了理想的控制目标, 最终提高了锅炉实际运行的热效率, 为该炉排烟温度降至140度以下作出了重要贡献, 极大地降低了司炉工的劳动强度。现在司炉工只需要调节4个蔗渣闸板保证4个蔗渣溜槽蔗渣量的充足不浪费, 工作变得轻松多了。

(2) 该项目在原有设备的基础上, 总投资实际结算为9.1565万元, 实际产生的经济效益保守估计为91.993万元, 当年就收回了投资并多盈利82.8365万元, 真是百利而无一害的节能降耗项目。经济效益理论计算见下表:

6 结语

项目从10/11榨季实施至今, 该厂1#炉燃烧自控系统已安全、稳定运行了两个榨季, 各项指标均达到了设计要求, 实现了锅炉燃烧效率的进一步提高, 不仅在当年收回了投资, 还创造了较大的经济效益, 为节能降耗的目标作出了较大的贡献, 同时司炉工的劳动强度也大大地降低了, 一举多得。

燃烧系统的设计计算 篇4

【关键词】集中供热锅炉；热工燃烧；自动控制

1.热工调节

锅炉热工系统由给水系统、蒸汽系统、烟气系统、风系统等部分组成。工业锅炉热工燃烧控制系统实质是针对这几个系统的运行过程进行自动控制，其主要控制回路：锅炉汽包水位自动控制和锅炉燃烧自动调节系统两部分。

1.1锅炉汽包水位自动调节

锅炉汽包水是正常运行主要指标之一，汽包水位是一个十分重要的调节参数。由于汽包水位在锅炉运行中占居首要地位，所以锅炉自动化都是从给水自动调节开始的。

集中供热锅炉，必须装设给水自动调节装置。给水自动调节的任务，是使给水量跟踪锅炉蒸发量并维持汽包中的水位在工艺允许的范围内。锅炉汽包水位的自动调节，是根据汽包水位的动态特性来设计的。引起水位变化的因素很多，但主要是给水量和蒸发量的阶跃变化，调节器就是依据水位信号、蒸汽流量和给水流量的偏差信号进行调节的。为保证锅炉运行安全，给水自动调节系统应选用可靠性较高的仪表和自动调节系统。

1.2锅炉燃烧的自动调节

容量较大的锅炉，根据节能和自动化水平的需要以及维护水平和投资允许时，可设置锅炉燃烧自动调节系统。

锅炉燃烧系统自动调节的基本任务，是使燃料燃烧所产生的热量，适应蒸汽负荷的需要，同时还要保证经济燃烧和锅炉的安全运行。调节的内容有三个，即维持蒸汽母管压力不变；保持锅炉燃烧的经济性；维持炉膛负压在一定范围内。这三项调节任务是相互关联的，它们可以通过调节燃料量、送风量和引风量来完成。在负荷变化的外扰作用时，则应使燃料量、送风量和引风量成比例的改变，既要适应负荷要求，又要使三个被调量：蒸汽压力、炉壁负压和燃烧经济性指标保持在允许的范围内。

2.微型计算机在锅炉热工燃烧自动控制上的应用

2.1锅炉微机自动调节

集中供热锅炉燃烧系统主要有汽包压力、蒸汽流量、鼓风量、给煤量、炉膛负压、烟气含氧量六个参量组成，调节的目的就是使燃烧所产生的热量适应蒸汽负荷的需要，需同时：（1）保证母管蒸汽压力维持不变；（2）保持锅炉燃烧的经济型；（3）维持炉膛负压在一定的范围内。

为完成上述任务，锅炉的微型计算机调节系统采用了综合自动调节方案，即：1）根据出口压力调节鼓风机变频控制器频率，从而改变鼓风量，并且汽包压力及蒸汽流量换算的热量信号进行精调，为保证出口蒸汽计算准确，引进了温度和压力补偿；2）根据最佳风煤比调节炉排转速，也就是调节燃烧煤的供应量和进风量的比值，改变锅炉燃烧的发热量进而改变了锅炉的蒸发量，并引进了残氧（剩余空气含氧量）信号加以修正，使锅炉母管压力保持在一定值内，还根据炉膛负压调节引风机变频控制器频率，从而改变引风量，用微分信号进行超前调节，也就是说在负荷稳定时（蒸汽流量不变情况下）应使燃料量、送风量、引风量各保持不变；在负荷变动时（外干扰时）使燃料量、送风量、引风量成比例改变。根据以上要求，就可以确定燃烧系统微机控制方案，画出系统框图，充分利用微机计算程序，尽可能的代替仪表单元（如函数发生器、加减器、微分器、限幅器、滤波器等等）快速对各参数进行计算。上面谈了微机水位、燃烧两个调节系统的原理，经过微机运算处理，其输出信号经过D/A转换装置分别送到给水阀，鼓、引风机变频控制器，炉排和煤机等执行机构，用计算机直接步进调节阀位、风量及转速，这样系统就能够选择最佳参数进行最佳调节。

2.2锅炉微机检测系统

（1）可对汽包水位、给水流量、给水压力、省煤器进口水温车器出口水温、省煤器进口烟温、两侧省煤器出口烟温、两侧空气预热器出口风温、、两侧空气预热器出口烟温、除尘器出口烟温、除尘器出口烟压、鼓引风风量、省煤器进口烟压、省煤器出口烟压、空气预热器出口风压、蒸汽流量、空气预热器出口烟压、蒸汽压力、蒸汽温度、炉膛温度、炉膛负压、给煤量、含氧量等现场信号巡检采样，汽包水位并具有彩色闭路监视装置；（2）给水阀位、各种风机频率、炉排转速等模拟量跟踪信号巡检采样；（3）各种阀位、鼓引风机、炉排电机、分煤器启/停状态及各个闭合调节回路的手动/自动等开关量信号巡检采样显示；（4）鼓、引风机变频信号采样。

2.3锅炉热工燃烧自动控制系统方案

锅炉自动控制系统采用plc为主要控制元件，对锅炉生产过程实现快速、准确的控制，从而达到节省人力、物力，提高锅炉热效率和节省能源的目的，而计算机作为监测显示部分不参与到控制中去锅炉自动控制系统在SPLC-9000系统硬件结构上采用多层网络结构，共分三层。

测控层；采用高性能的PLC可编程序控制器组成，PLC上安装有CPU模块、IO模块、通讯模块，并可以灵活扩展。PLC内可以通过梯形图语言进行程序编制，实现一台PLC对多台锅炉的自动控制。通过远程扩展方案，SPLC-9000系统还可以满足距离较远的多个控制室的集中控制。

操作层；采用IPC工控机作为现场工作站，现场工作主站和现场工作从站分别安装在不痛的控制室内，提供画面显示和数据管理功能。考虑到PLC可靠性高，造价也高，而普通接口板可靠性较低、造价也低，为了提高监控系统的性能价格比，SPLC-9000系统同时提供可编程序控制器信号接入方式和接口板卡信号接入方式。系统的输出控制工作有PLC独立完成，工作站只负责提供给用户修改参数的界面，并将用户设定的控制参数下传到PLC以调整控制效果。

管理层；采用普通计算机作为管理机，管理人员在远离控制室的调度室里可以通过管理机看到现场工作站上显示的画面，调用工作站存储的报表数据，完成数据统计的工作。可以实时准确的掌握锅炉的运行状态，做出合理的调度。

重要数据的采集、处理及控制全部由PLC完成，由于PLC是专为工业现场设计的，是真正的工业计算机，所以其可靠性大大高于普通接口板和模块。PLC的模块化结构和方便的扩展特性使系统配置灵活。上位机仅起到监视和管理的作用，如果接口板损坏或者工作站损坏，都不会影响到系统的自动控制。现场监控从站和现场监控主站运行的软件是相同的，只是在数据配置上有区别，不论那个站都可以查考到全部锅炉的数据。

综上所述，由于锅炉系统的热惯性大，负荷变化剧烈，操作人员只凭感观参数控制锅炉运行，随意性很大，难以保证锅炉运行的最佳状态，而锅炉热工燃烧自动控制系统投运后，提高了锅炉运行热效率，煤层燃烧充分，排放污染物达标，能源利用率提高，减少人工手动方法控制锅炉运行造成的能源浪费，节省人力、物力，降低运行成本，提高了锅炉运行的可靠性。 [科]

【参考文献】

[1]张明亮.工业锅炉热工检测与过程控制[M].天津：天津大学出版社，2008，6.

燃烧系统的设计计算 篇5

一、高温空气燃烧技术的开发

日本特别重视高温空气燃烧技术, 作为一种全新的蓄热燃烧技术, 是本世纪十分关键的技术, 它可以有效地节能, 降低NOx的排放。

这项技术的节能原理是这样的, 当烧嘴F1在工作时, 烧嘴F2会排出生产过程中所产生的大量高温烟气, 与蓄热体换热之后, 就可以迅速降低排烟温度, 降温的幅度受蓄热体的蓄热容量以及蓄热速率决定。下一个周期, 启动烧嘴F2, 排烟以及蓄热的功能就由烧嘴F1来承担。这样让两个烧嘴交替运行, 就可以回收极限余热, 并且还可以实现燃烧空气的高温预热, 如图1所示。

日本已经对这项技术做了非常多的试验和研究, 结果显示, 通过掺混和稀释高温燃烧烟气, 可以有效降低空气中氧的浓度, 在这个过程中, 起着非常关键作用的环节是高速射流引起的回流。要想对NOx的排放浓度进行改变, 只需要对空气和燃料供应通道的相对位置进行改变即可;因为在增大空气和燃料各自稀释比例的同时, 会降低它的浓度。如果刚刚将燃料喷入炉内, 就可以进入到空气主流中, 高温高氧燃烧就会形成, 导致生成NOx气体。通过试验, 我们可以得知, 对初期空气燃料的扩散混合进行适当抑制, 这样在下游流动的过程中可以混合烟气, 得到稀释, 之后燃烧, 就可以对NOx的排放进行降低。而在传统的燃烧中, 空气和燃料刚刚进入炉内, 就会集中在中心区域, 这样传统意义上的扩散燃烧就形成了, 因为化学当量比控制着燃烧, 那么燃烧温度越高, 就会增大NOx降低的难度。而高温空气燃烧系统则可以有效地避免这个问题, 利用分离空气和燃料供应通道来让燃烧烟气阻隔两股射流, 并且被掺混稀释, 这样两者之间的扩散混合就可以得到有效的延缓, 这样就在更广大的空间范围内进行原来的局部扩散燃烧, 对局部的燃烧热量进行削弱, 局部高温区也可以防止出现, 这样就可以对高温燃烧和局部炽热点的存在的生成的N0x起到抑制作用。

同时, 为了对初期氧的浓度进行稀释, 采用一次燃料和二次燃料分路在对燃料供应到炉内, F2大大多于F1, 在高温下可以快速完成F1的燃烧, 并且高速烟气射流和卷吸回流流动也会形成, 这是通过F2进入的大量燃料, 在高温烟气中只有15%以下的氧, 在高温低氧的条件下燃烧大量燃料, 对于NOx的生成可以起到极大的减小作用, 实现了降低NOx含量排放的目的。

高温空气燃烧系统在炉膛内喷入有着较高温度的空气, 将状态稳定设置为低氧, 同时在这个气流中输送燃料。燃烧空气的高速气流可以再循环炉内气体, 形成的火焰类型完全不同于一般的火焰, 燃烧的环境温度在800℃以上, 并且含氧量在15%以下, 那么就可以实现炉内温度均匀分布、降低NOx的生成, 噪音也比较低。通过实践研究表明, 采用这项技术, 可以节约30%以上的能源, 减少50%的NOx排放。

二、脉冲控制高速燃烧系统的开发

将脉冲控制高速燃烧系统应用到陶瓷烧成窑上, 在上个世纪90年代就已经实现;只有在两种状态下才会运行本系统的燃烧器, 分别是脉冲的峰值和脉冲的谷值, 前者指的是额定的供应能力, 后者是最小的供热能力。通过对两种状态工作时间比例进行控制, 就可以有效地控制窑炉的供热量。比如, 将1/4设置为烧嘴在峰值的工作时间和在谷值的工作时间比, 就可以实现20%的供热量。将1/1设置为峰值时间和谷值时间的比, 就可以实现50%的供热量;当峰值时间约等于1, 供热量就可以完全实现, 也就是达到连续燃烧的目的。

这种燃烧系统具有很多的优点, 具体来讲, 体现在这些方面。一是若供热负荷的烧嘴较低, 不需要将过剩空气掺入进去即可获得比较均匀的炉温, 这样获得的炉内传热系数也比较高, 并且过剩空气排出炉外带走的热量也会得到消除, 起到节省燃料的目的。二是可以独立精确的调节和控制燃烧空气系数, 不需要对喷出气流的温度、速度以及供热能力等进行设置。比如, 在对催化剂载体陶瓷进行烧制时, 利用间歇窑来完成, 有很多造孔用的有机物存在于坯体内, 利用过剩空气、调温高速烧嘴调节比例时, 在400℃下, 也就是有机物燃烧的温度, 不能将大量调温空气掺加进来时, 很难保证窑温的均匀性, 这是因为只需要非常少的热量, 并且要求很低的焰气喷速。而如果采用的是脉冲控制高速燃烧系统, 只需要调节空气系数到1.10, 就可以轻松的满足。

三、受控脉动燃烧技术的开发

近些年来, 受控脉动燃烧技术也受到了人们普遍的关注, 这项技术是由法国和美国两位专家所共同研制的。受控脉动燃烧技术在对燃烧器的燃气以及助燃气的供应量进行改变方面, 利用的是机械装置周期, 它需要维持两者供应量的平均比率保持在一个稳定状态, 并且每种气体不能够小于最小流量, 这样既可以防止出现熄火问题, 又不会产生过多的一氧化碳。并且利用这项燃烧技术, 还可以减少一般的NOx生成量, 甚至可以只留下10%。这项技术对于传热也可以起到有效的改善作用, 达到节能的要求。

四、结语

通过上文的叙述我们可以得知, 陶瓷窑炉的节能设计是未来行业发展的一个必然趋势, 对于缓解能源紧缺问题和环境破坏问题有着很大的帮助。在陶瓷窑炉的节能降耗中, 采取的措施必须要有较强的针对性, 在不影响陶瓷制品质量的前提下, 最大限度地降低单位能耗。上文所讲的三种节能系统, 经过实践研究得知, 有着不错的节能效果。但是, 我们需要特别注意的, 节能并不是一项简单的工作, 它是一个系统的工程, 涉及到诸多方面的内容, 不仅需要丰富的理论知识, 还需要大量的实践研究方可。因此, 在应用的时候, 需要紧密结合实际情况来确定节能方案。本文简要介绍了陶瓷窑炉设计中的燃烧节能系统及其优化控制技术, 希望可以提供一些有价值的参考意见。

参考文献

[1]倪平, 闫凤奎, 石振勤.燃烧控制优化与节能[J].中国高新技术企业, 2010 (16) .

[2]刘之宽.天然气锅炉燃烧系统节能控制方案[J].中国农业大学学报, 1997 (6) .

[3]周以琳, 隋树林.实现玻璃窑炉燃烧系统优化控制的研究[J].青岛大学学报, 2000 (2) .

[4]冯翠芝.民用采暖锅炉燃烧系统的优化[J].节能, 2010 (8) .

燃烧系统的设计计算 篇6

1 项目背景分析

SPV电站燃烧系统自动化控制设计项目 (锅炉岛) 主要是由无锡华光锅炉厂提供的130T循环流化床锅炉系统、飞灰添加系统、石灰石添加系统、纤维泥添加系统、稻壳添加系统、布袋除尘系统、柴油、天然气点火系统、DCS自动控制系统等系统组成。由于系统比较多, 控制比较复杂。

2 投燃烧自动化的条件分析

(1) 所有的压力变送器必须满足一定的精度——SPV采用的是ROSEMENT的3051系列压力变送器, 精度都在千分之5以下;

(2) 所有的温度采用温度变送器进行隔离, 提高系统的精确性、稳定性、可靠性;

(3) 所有的风量测量采用高精度的德国产DeltaBar流量计, 安装中确保流量计的安装距离满足要求, 从而使仪表的精度控制在1%左右 (国产的流量计误差在5-10%) ;

(4) 执行装置使用AUMA的执行机构, 性能稳定, 频繁动作而电机不会过热损坏;

(5) 三台给煤机采用国内第一品牌的赛摩密封式给料机, 转速控制采用ABB变频器, 现场对给煤机称重系统进行了标定, 误差在千分之五以内;

(6) 所有的引风机、一次风机、二次风机采用ABB变频器控制一方面提高了节能效果, 另一方面响应速度快, 便于自动控制;

(7) 将天然气、一次风流量、二次风流量、蒸汽流量进行压力温度补偿, 补偿公式为:F1=K* (ΔΡ*ρ1) 1/2, ρ1密度是由压力温度工况所决定的, 并将工况流量转换到标准状态下的标准流量F0=P1*F1*273/{P0* (T1+273) }。

3 燃烧系统控制的逻辑分析

3.1 锅炉燃料热量的计算

锅炉中能产生能量的物料有:天然气、柴油、纤维泥、飞灰、稻壳、煤等, 锅炉燃料热量的详细计算得到所有的锅炉燃料产生的热量, 单位为MW。

3.2 燃烧风量分析

图1是计算补偿后的一次风机、二次风机、返料风机的总风量G, REST风量K是指用于密封助吹用的播煤风量 (取压点在一次风流量计之前) 及返料风的总和。

通过根据预设的燃料和空气流量的计算控制, 可以使燃烧炉内的燃料完全燃烧, 避免造成污染和浪费, 同时还可避免因空气不足造成的燃烧不充分现象发生或因空气流量过大增加风机的耗电量或熄火现象。

3.3 PID调节

经计算可知当锅炉在额定状态下, 130T蒸汽对应的能量为114MW, DCS可以根据锅炉的负荷自动输出一个能量值, 同时操作员可以根据实际情况进行手动控制、可以很方便的输入锅炉需要的能量 (手动微调) 。

3.4 输出能量与现有能量 (Energy) 的比较分析

PID调节输出的负荷, 与目前Energy的负荷作为比较, 取最小值送至RAMP模块。RAMP模块是一个保证负荷不能突变的模块每分钟的变化为8MW/min。

Energy模块取值范围为锅炉所需要的总能量MW的85%-115%当锅炉增加负荷时, 取115%MW, 当锅炉降负荷时取85%, 这样做的优点时可以防止锅炉负荷突变, 引起负荷大起大落, 造成燃烧不稳定。锅炉所需要燃料的能量MW等于主蒸汽的能量加上尾部烟气所带走的能量并加上锅炉能量损耗, 减去给水流量所带的能量再减去一次风、二次风、返料风所带的热量。

3.5 氧量控制I

氧量控制输入由三部分组成, 1过氧量系数, 它可以根据锅炉负荷, 氧量控制器自动输出一个系数 (范围0.8-1.5) ;2锅炉每MW所需要的标准风量, 由工程师输入, 是个理论值, 取值范围在700-1300NM3, 可根据燃烧条件自由输入;3氧量平衡系数, 当操作员操作锅炉时, 通过观察锅炉的燃烧情况, 从而可以通过该系数对风量进行微调。氧量控制器输出值为F、I。

3.6 控制逻辑的相关计算

RAMP输出值与锅炉现有燃料能量做比较, 取最大值后与I (NM3/MW) 相乘便可以得到锅炉所需要的最大风量。

锅炉现有的风量G与理论值F相除, 便得到了锅炉所允许的最大能量值, 与现有的锅炉能量MW做比较后, 取最小值减去飞灰、纤维泥、柴油、天然气等热量后, 分配给给煤机系统。这正体现了锅炉先加风, 后加煤;先减煤, 后减风的燃烧原则。

图2的作用是将计算出来的锅炉所需要的风量J减去返料风与播煤风K后, 按不同的系数 (一般一次风60%, 二次风40%) , 分配给两台一次风机与二次风机, 通过控制风机左右侧执行机构来调节风量。当执行机构全开时, 通过调节变频器来提高电机的转速, 从而保证执行机构有一定的调节裕度。

再将计算出来的锅炉所需要的能量减去飞灰、纤维泥、燃油、天然气、稻壳等燃烧所产生的能量后, 分配给三给煤机。对于不同品质的煤, 操作员可以根据化验结果输入不同的煤的大卡值, 每台给煤机便可计算出所需要的煤量。从而实现了燃烧的自动控制。

4 结语

综上所述, 在热工人员的精心调试下, 在DCS厂家软件精心组态下, 在运行人员的全力配合下, 在BRUNO等专家的指导下, 我们实现了在SPV电厂的燃烧控制的自动运行, 我们在燃烧自动控制上取得了成功。通过这个项目, 我们打破了国内很多专家对燃烧自动化能否实现的怀疑, 为国内流化床锅炉电厂自动化控制提供了成功的范例。

参考文献

[1]山田晃, 熊泽雄一, 中田知也, 森川胜美.燃烧控制装置[P].中国专利:CN102207292A, 2011-10-05.

燃烧系统的设计计算 篇7

脉动燃烧是一种不同于常规燃烧的周期性燃烧方式。与传统的燃烧方式相比较, 具有燃烧效率高、燃烧强度大、热效率高、NOx及CO污染物排放量小等优点。脉动燃烧器是产生脉动燃烧的装置, 它结构简单、体积小、运动部件少, 具有自吸、自燃及正压排气等特点[1]。

脉动燃烧在农业及农产品加工方面的研究以及应用越来越广泛。国外已经成功地将脉动燃烧器应用于果树农药的喷洒上面;南非学者J.L.Muller曾经对玉米进行过脉动燃烧干燥的试验研究;20世纪80年代美国的Sonodyne工业公司用他们所研制的Pulse-dri脉动燃烧干燥系统成功地干燥了食品、农产品等;以色列的Tanburell等人曾经应用脉动燃烧干燥装置对蔬菜和水果进行干燥;美国Hosokawa Bepex公司生产的Unison脉动燃烧干燥机成功地应用于动物饲料添加剂的干燥[2,3,4]。

脉动燃烧器有3种基本类型:Schmidt型 (又称1/4波长型) 、Helmholtz型和Rijke型。其中, Helmholtz型脉动燃烧器在农产品加工领域应用最广泛。本文所设计的即为80kW 的Helmholtz型的脉动燃烧器以及其性能测试系统, 所设计燃烧器可用于干燥系统的供热装置。

1 Helmholtz型脉动燃烧器的结构设计

Helmholtz型脉动燃烧器由空气阀、燃烧室、燃气供气系统、尾管等组成。脉动燃烧装置的结构示意图, 如图1所示。

1.液化气罐 2.压力控制阀 3.燃气流量计 4.电磁阀5.燃气去耦室 6.燃气阀 7.控制系统 8.数据采集系统9.火花塞 10.空气阀 11.吹扫风机 12.压力变送器13.温度传感器 14.燃烧室 15.尾管 16.温度传感器

1.1 燃烧室及尾管的设计

燃烧室是脉动燃烧器的主要部件, 燃烧室的体积越小其容积热强度越大, 一般根据脉动燃烧所能达到的容积热强度, 再考虑燃烧稳定性范围的影响来确定燃烧室的体积。中小功率供热装置的燃烧容积热强度一般可取 (1～2) ×104kW/m3。参照笔者实验室以前所设计脉动燃烧器尺寸, 体积定为6 327cm3, 由此得出其容积热强度为1.26×104 kW/m3, 采用D159×6规格的无缝钢管制作。空气阀与燃气喷嘴之间成90°夹角, 电火花塞则与它们分别成135°夹角安装。为了使燃气与空气能在进入燃烧室前充分预混, 许多脉动燃烧器都设计有混合室, 但实验发现大部分带有预混结构的燃烧室内的燃烧都发生在混合室与燃烧室的连接处, 并没有如预想的发生在混合室, 燃烧室只起到了谐振腔的作用。这可能是因为燃气与空气的混合过程比预想要快得多, 混合与燃烧在瞬间完成, 混合室充当了部分燃烧室的作用。基于上述原因, 本设计取消了混合室。

尾管是脉动燃烧后的高温产物排出的通道, 是脉动燃烧器的主要换热构件。尾管的长度及截面积的大小对脉动燃烧的热效率、运行频率甚至是稳定性都有着重要的影响。尾管加长能够增加换热面积, 提高换热效率, 但同时也会使排气阻力增大, 增高燃烧室内平衡压力, 使脉动燃烧器的运行频率逐渐降低, 运行稳定性下降。通过实验发现, 当尾管的长度超过一临界值时燃烧器脉动频率会从基波型振荡频率跃迁到二次谐波振荡频率, 脉动频率再次升高。为了观察尾管长度对燃烧参数的影响, 本设计的尾管采用分段组合式, 各段尾管之间采用法兰连接。这样就可以通过调整尾管的长度来改变脉动燃烧器的一些操作性能。文献[5]推荐尾管直径Dt=0.36D。D为燃烧室直径为159mm, 尾管直径Dt确定为57mm。

在忽略加热对频率的影响时, 可以利用下面的公式来估计脉动燃烧的频率, 即

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式中 C—当地音速 (m/s) ;

A—尾管截面积 (m2) ;

L—尾管长度 (m) ;

V—燃烧室容积 (m3) 。

1.2 燃气系统的设计

燃气系统包括燃气进气阀、燃气进气管、燃气去耦室、燃气瓶等。80kW的脉动燃烧器, 其额定燃烧热负荷为288MJ/h。实验室采用30kg液化石油气瓶供气, 采用下式来计算燃气管内的额定燃气流速, 即

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式中 Vg—管内燃气流速 (m/s) ;

Q—脉动燃烧器热负荷 (kW) ;

Hl—燃气热值 (kJ/m3) ;

Dn—供气管径 (mm) 。

供气管设计选用ϕ14×2胶管, 液化石油气热值大概为1×105kJ/m3, 计算得Vg=7.08m/s, 满足燃气经济流速条件。

燃气去耦室具有稳定燃气气流, 降低噪音的作用。当声压透射系数最小时, 能有效阻隔噪音。声压透射系数按下式计算, 即

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其中, S21, S12是进出口面积与去耦室横截面积的比值。若要Tp最小, 则应使kL= (2n-1) π/2, 即L= (2n-1) λ/4 (n=1, 2, 3, …) , 得到最小透射系数为

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由上式可知当去耦室长度为1/4声波波长的奇数倍时声波的透射系数最小, 此时其降噪效果最好。一般燃气去耦室直径为供气管路直径的5倍左右, 此次燃气去耦室设计成为ϕ108×L170mm, 其体积为V=1 556.56cm3。

燃气阀是用来调节燃气流量, 阻止燃烧后的混合物回流至燃气管的部件。本次设计采用的是单向阀, 通过改变燃气阀片的移动距离来调节燃气的流量。

1.3 空气进气系统设计分析

空气进气系统包括:风机、空气去耦室、进气管及空气阀。风机有两个作用:一是提供脉动燃烧点火时所需要的空气;二是在点火前及熄火后对燃烧室进行吹扫, 以吹散余气保证安全。对风机的功率并无严格要求, 本设计选用功率为60W, 风量为90m3/h的离心式电动吹风机。

空气去耦室的两个作用:一是减少外界气流扰动对脉动燃烧的影响;二是降低脉动燃烧产生的噪音, 降噪是其主要作用。

进气管是连接空气阀与燃烧室或混合室之间的管道, 其长短对脉动燃烧器能否稳定燃烧有着重要的影响。文献[6]提到一个正常脉动工作的燃烧器, 当L增长到385mm时竟然不能起振。当进一步增长到600mm时又恢复脉动工作状态, 但此时空气阀的吸气流量不足, 燃烧显出不完全性。通过实验证实, 进气管长度在一定范围内时, 脉动燃烧是不能进行的, 当进气管长度小于或大于该长度时脉动燃烧又可进行。因此, 合理把握进气管的长度是很重要的, 本设计采用D80×4的管子。

Helmholtz型脉动燃烧器的空气阀一般采用单向膜片阀, 它是脉动燃烧器中非常重要的一个部件。空气阀设计的合理与否直接影响到脉动燃烧器的燃烧性能, 甚至是能否运行。好的脉动燃烧空气阀应具备以下条件:一是良好的单向性, 能够快速地开启闭合, 从而保证燃烧所需空气的进入以及减少回流气体量。二是具有高的运行频率。只有空气阀的运行频率与脉动燃烧的震荡频率相同, 才能保证脉动燃烧的正常进行。如果空气阀的运行频率偏低, 则会造成脉动燃烧熄火等不稳定的现象。三是阀体必须加工简单、便于维修、使用寿命长。空气膜片阀结构示意图, 如图2所示。

1.阀座盘 2.阀片 3.止动盘 4.阀体

空气阀由阀体、阀座盘、阀片以及止动盘组成。其工作原理为:进气时膜片被推向止动盘, 空气通过阀座盘上的圆形孔进入阀片与阀座盘之间的空间, 再经由膜片上的腰形孔及阀片与阀体之间的环形通道进入进气管;当燃烧室内的压力超过外界空气压力时, 膜片被推向阀盘座, 此时覆盖阀座盘上的圆形孔阻止气体回流。

空气阀各部分的尺寸确定后就不能再随意改变, 如果想改变空气进气量, 只能通过调节膜片与阀座盘之间的距离 (即改变膜片的移动距离) 来改变。下面将讨论空气阀设计过程中应注意的原则, 以使后期的调整到达理想的效果。

设A1为空气进气管横截面面积;A2为空气膜片阀阀座盘上所有圆孔的面积总和;A3为空气阀止动盘上腰形孔总周长与阀板周长之和乘以阀开启时阀座盘与阀片之间净间隙S;A4为止动盘上腰形孔总面积与止动盘和阀体内壁形成的环形通道面积之和。

空气阀的调节过程是通过改变阀片移动间隙S的大小即改变A3完成的。这样在设计过程中, 对于任何一个选定的空气阀间隙S, 都必须保证在4个流通面积A1, A2, A3, A4中A3为最小。这是因为由给定的S值得到的面积A3就是空气阀所能达到的最大允许流通面积。假设A3>A1 (或A2, A4中任一个) , 那么当调节空气阀间隙增大空气流通面积时, 可能会发生还没有达到所设计的A3时, 空气阀的流通面积就已经受到A1的限制而无法继续调大, 因此在设计过程中将A3设计为最小断面, 才能使空气阀具有尽可能大的调节范围, 并在调节过程中达到最大设计流通面积。

增大空气阀的最大允许流通面积A3时, A1, A2, A4都必须同步增大。A1的同步增大不难做到, 只要空气管径足够大即可满足;相反, A2的增大有许多限制。首先阀座盘上的圆孔和止动盘上的圆孔位置大小都相同, 由于止动盘的大小受到阀体内壁的限制不可能无限制地增大, 这样就必须在有限的止动盘上合理地配置圆孔的位置, 确定圆孔的个数与直径, 从而获得A2的最优值。因为这些参数不仅决定A2的大小, 而且直接影响A4的大小。当A2增大时, 因阀体内径保持不变, A4就会相应地减少。与此同时, 这些参数还影响到A3的大小。因这些参数的变化必定引起腰形孔的周长及阀板周长的变化, 这样它们又反过来限制着A3的变化。为了减少气流通过空气阀的整体阻力系数, 应使止动盘上腰形孔的总面积大于阀座盘内圈圆孔总面积。总之, 合理地配置止动盘上圆孔的位置, 确定孔的个数和直径, 以获得A3的最大值是空气阀的设计关键。由A3的定义可知, 要增大A3需要增大S或是增大止动盘上腰形孔的周长或止动盘的外围周长。若S不发生变化, 则需要增大制动盘的直径, 相应的阀片直径也要增大, 其质量也相应增加, 阀片对脉动燃烧频率的响应时间就会延长, 影响运行工况直至无法正常运行。如果采用增大间隙S的方法来增大A3, 则阀片的运行距离增大, 同样会影响脉动燃烧器的运行稳定性。因此, 需要综合考虑各方面的影响, 才能设计出工作可靠的空气阀。阀片材料应具备密度小、平整、抗挠性好、热变性小等特点, 才能保证其运行稳定性及使用寿命。本设计采用胶木板作为阀片材料, 运行情况良好。

2 脉动燃烧参数测试系统的设计

为了研究脉动燃烧器的工作性能以及传热特性, 需要对其运行过程中的一些参数进行测量。脉动燃烧过程中的温度、压力等物理量经过传感器采集再经由变送器转换后变成了模拟电量, 而计算机只能处理数字数据, 因此还需要A/D采集卡将模拟电量转换为数字数据, 最后利用计算机编制的数据采集程序对燃烧装置中返回的数据进行显示与处理。本设计总共有9个参数测量点, 分别为:燃烧室内压力、燃烧室温度、尾气温度、室温以及5个干燥物料 (利用脉动燃烧尾气进行物料干燥时使用) 的测量点。其参数采集、测试系统的设计过程主要包含两个方面:硬件配置选型与计算机测试系统软件的设计与实现。

2.1 硬件配置选型

2.1.1 压力变送器的选型

在脉动燃烧过程中, 压力范围不超过 20kPa, 压力的动态变化频率为30～300Hz之间, 为了能够达到绘出实时波形的要求, 压力变送器的动态频率最少需达到600Hz, 这是压力变送器选型的基本依据。

经综合比较考虑, 压力测量点处选择进口集成全桥硅片刻蚀而成的JYBK (D) 型扩散硅压力变送器进行测量, 其特点如下:

1) 精度高, 精度≤±0.5%FS, 允许过载300%。

2) 稳定性好, 采用进口扩散硅芯片, 能长期稳定工作。

3) 变送器带温度补偿, 在70℃时不影响精度。

4) 动态响应性好, 响应频率为1 000Hz。

5) 全不锈钢结构耐腐蚀, 可靠性及耐冲击性能都比较好。

6) 变送器的测压范围是±20kPa, 输出信号为4～20mA。

压力测量点位于脉动燃烧器的燃烧室内, 在燃烧过程中, 燃烧室温度高达1 000～1 200℃, 目前所有的压力传感 (变送) 器都无法在如此严苛的环境下工作, 因此需要设计一个特殊的结构来解决压力变送器的工作温度问题, 并兼顾变送器的测量高精度和快速性。本实验装置采用的是如图3所示的半无限管式安装结构, 这种结构完全解决了上述变送器工作温度的问题。

1.半无限管 2.压力感器 3.三通接头 4.测压管 5.散热板

在图3中, 与高温的燃烧室壁直接连接的是一段长400mm, ϕ6×2的金属导管, 在导管远离壁室的一段装一只特制的三通接头, 三通接头的一端接了一根长10m, ϕ4mm的软管称为半无限管。半无限管的另一端封死, 变送器装在三通接头的中间接口上, 取齐平安装办法。这样一方面变送器远离热源, 避免过热损坏和由于热引起的误差。另一方面, 在这种结构下, 这根管内只有行波存在, 不会产生驻波场, 没有谐振效应, 因此使测量感头具有平坦的频率响应特性。压力脉动波从燃烧室传到变送器, 途中会有压力损失, 所以在压力变送器标定时把整个半无限管感头进行实体标定, 以消除压力波衰减造成的误差。变送器的输出信号通常要经过放大器放大, 并经滤波器滤掉高频干扰, AD变换器, 由计算机进行处理。与此同时, 由电子示波器进行实时监控。

2.1.2 温度传感器的选型

系统布置了8个温度测量点, 对于温度测量只需每隔2s返回一次测量值, 最后绘出测量点温度随时间变化的折线图即可。在现有脉动燃烧的研究中, 有研究人员提出假说, 认为温度同压力一样也会进行周期性的变化, 但目前无法像压力测量对象那样绘出实时波形并进行频谱分析, 这主要是受温度传感器的硬件特性所限制。

8个温度测量点中有5个是用来测量被干燥物料的温度, 物料温度一般小于500℃;尾气温度一般位于500～700℃;燃烧室温度高达1 000～1 200℃;室温一般不超过40℃, 从上面分析可得, 所测量的温度值除燃烧室测量点以外都属于中低温范围。本设计中燃烧室的温度测量采用了S型热电偶铂铑10-铂热电偶, 其测温范围为0～1 600℃;其他7个温度测量点均采用K型热电偶。

2.1.3 AD采集卡的选型

本系统所选择的AD转换工具为北京双诺测控公司所生产的AC6111中速数据采集卡。AC6111采集卡的AD转换部分为12位400kHz的 A/D转换器, 多通道采集速度可以达到最大采样速度。也就是说1s内最多可采集400 000个数据, 平均分配到16个通道后每个通道每秒最多采集25 000个数据。对于一般脉动燃烧器的运行频率而言, 每个周期采入的数据量对于显示数据与波形绘图已经绰绰有余。

2.2 测试软件编写

测试系统的设计实际上就是一个基于LabVIEW8.2平台实现的集示波器、数据采集与存储功能于一体的虚拟仪器。LabVIEW (Laboratory Virtual instrument Engineering) 是一种图形化的编程语言, 它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受, 视为一个标准的数据采集和仪器控制软件[7]。一般的控制程序都包括了前面板部分与后面板程序框图部分。

所设计测试系统可以通过自动保存计时器来设定压力值自动保存的间隔时间, 每次将以Excel的形式保存500个数据, 每个数据之间的时间间隔为100μm, 当数值设定为0时, 将不会保存。由于温度数据的采集速度较慢, 而保存要求要高于压力数据, 因此本系统所检测到的温度数据保存均采用自动保存模式, 即一旦开始采样, 所有的温度数据及其采入时间都会自动在后台写入Excel表格中保存起来, 直至实验结束。

后面板程序的编写主要包括3部分:调用AD采集卡接口库函数的实现、实时采集部分代码编写及数据存储部分的代码编写。

3 脉动燃烧器性能测试系统检测结果

通过实验确定所设计脉动燃烧器点火后可在燃气流量为3～5.2m3/h之间正常运行, 其运行功率范围大概为75～130kW。在固定尾管长度及燃气流量情况下, 利用上述自行研制的脉动燃烧器性能测试系统对所设计脉动燃烧器的运行参数进行了测试。被测脉动燃烧器设计参数如表1所示, 运行测试参数如表2所示。

4 结论

脉动燃烧是一种燃烧与声振相耦合的燃烧过程。因此, 燃烧器结构必须满足声振条件, 并使燃烧压力波与放热之间满足一定的相位关系才能稳定运行。脉动燃烧器的每个部件都会对其运行情况有所影响。其中, 空气膜片阀与尾管对其影响最大。合理设计空气膜片阀的流通面积, 减小空气流通阻力, 并合理设计尾管直径及长度, 是保证脉动燃烧器稳定运行的关键。由于脉动燃烧机理的复杂性, 至今仍没有可靠的设计理论, 只能结合现有理论、设计经验和实验结果进行设计。随着燃烧学、流体力学、化学反应动力学等学科的发展, 脉动燃烧的燃烧机理的研究将进一步发展, 使脉动燃烧器的设计进入有可靠理论指导的阶段。脉动燃烧测试程序必须有足够高的响应频率才能对脉动燃烧过程进行实时的监控。各种测试仪器必须能够在较高温度的环境下工作, 或者是在不影响测试准确性的情况下降低仪器的工作温度, 其中燃烧室声学压力的测量是设计的关键。程序编写方面:一是需要实时显示压力波形的形状, 且不能失真;二是需要对压力和温度值进行实时记录储存。

参考文献

[1]李保国.脉动燃烧及脉动燃烧干燥的理论分析与实验研究[D].北京:中国农业大学, 1999.

[2]Swientek R J.Pulse Combustion Burner Dries Food in 0.01sec[J].Food Processing, 1989 (7) :9-10.

[3]Mullar J L.The Development of a Resonant Heater for DryingApplication[J].South African Mechanical Engineer, 1967 (7) :137-147.

[4]Kenfield John, Nonsteady A C.0ne-dimensiona1 internalcompressible fows theory and applications[M].Oxford:Ox-ford University, 1993.

[5]程显辰.脉动燃烧器的设计与研究[J].北京航空航天大学学报, 1998, 24 (2) :241-244.

脉冲燃烧热水炉控制系统设计 篇8

关键词：脉冲燃烧,温度控制,检测,水位控制

脉冲燃烧是一种非常规燃烧技术。与常规的燃烧方式相比, 脉冲燃烧是一种类似于内燃机燃烧过程的不连续的周期性燃烧方式[1]。其燃烧频率通常控制在几十Hz, 有时可高达150Hz左右。脉冲燃烧具有工作压力低, 适应性强;热强度高, 结构紧凑;热效率高, 节能;排放一氧化碳和氮氧化物低, 污染小;排烟温度低, 能充分利用气化潜热等优点。脉冲燃烧热水炉主要有降噪保温外壳、水箱、小风机、空气及燃气去耦室排烟去耦室、空气及排烟消音器、混合器、燃烧室、尾管、二次换热器、自动控制系统等组成 (见图1) 。

1—排气消声器, 2—进水管, 3—空气去耦室, 4—熄火检测器, 5—进水电磁阀, 6—燃烧室, 7—混合室, 8—点火器, 9—燃气去耦室, 10—燃气电磁阀, 11—燃气进管, 12—风机, 13—排烟去耦室, 14—出水管, 15—尾管, 16—传热气, 17—低水位检测开关, 18—温度传感器, 19—高水位检测开关, 20—水箱连接管

1 脉冲燃烧炉燃烧原理

脉冲燃烧热水炉燃烧原理如下:燃气和空气经混合室混合后, 进入燃烧室。电火花点火, 开始燃烧, 气体膨胀, 压力升高, 使单向进气阀关闭, 推动烟气经换热管道排出。由于惯性作用导致燃烧室内形成负压, 于是又打开单向进气阀门, 进入混合气体, 并再次被前次燃烧产生的热量点燃。如此反复燃烧、吸气、再燃烧, 周期性持续下去。

2 系统控制方案

控制思路:温度在最高限度以下时, 正常运行;温度在最高限度以上时, 关闭燃气阀, 等待水温回落至正常范围。当温度在最低限度以下时, 进水阀关闭;当温度在最低限度以上后, 允许进水阀开启。对于水位, 当水位在最低限度以下时, 开启进水阀;当水位高于最高限度以上时, 关闭进水阀, 待水位回落至正常范围, 可开启进水阀。当水位低于最高限度, 且在正常范围时, 正常运行。

控制系统以8051单片机为核心, 对水温进行定时采样。实现对热水炉的全自动管理, 包括自动供气、自动点火、自动进出水、水箱水位控制、温度控制、水温连续监测及显示;还有水温超高, 水位超限自动处理功能以及熄火时, 起动自保护功能, 使热水炉在无人监管的情况下可以安全、可靠地运行。

3 控制部分工作原理

脉冲燃烧炉控制电路结构框图如图2所示。控制部分主要完成控制系统初始化、按键识别、熄火检测保护、水温控制、水位控制、输出驱动和报警灯工作。

3.1 系统初始化

定义8051单片机的I/O接口输入输出功能, 预置程序中设定的计数单元、清零标志单元, 设定中断时间和断开所有继电器触点等[2]。

3.2 按键识别

用于识别操作者按下的键, 并执行相应功能。

3.3 熄火检测保护

读取相应引脚信号, 判断是否正常熄火。若属熄火故障, 则程序立即启动热水炉燃烧。

3.4 水位控制

设定高限和低限水位, 8051得到水位超限信号, 控制电磁阀打开或关闭以控制水位。

3.5 水温控制

设定温度区间 (60℃～65℃, 85℃～90℃) , 将其作为电磁阀开关切换段, 以避免在切换点开关来回动作, 影响控制效果、造成执行结构频繁动作, 使器件寿命下降, 影响热水炉燃烧。

3.6 输出驱动

输出包括继电器控制口和显示单元。

3.7 报警

非正常熄火或水温达到90℃时报警。

4 系统检测介绍

设计中使用了8051单片机, 存储全部程序, 并充分利用其I/O接口和定时器等内置功能。外围电路使用了0809A/D转换器, 热敏电阻型温度传感器, 温度显示LED数码管, 继电器状态显示发光二极管、报警发光二极管, 模拟水位开关按键, 振动检测和报警传声器等[3]。

4.1 水位检测

水位传感器可输出最高水位和最低水位两个开关信号, 开关闭合有效。电路中, 先通过上拉电阻使开关断开, 此时为高电平, 而水位到限时相应开关闭合。将8051的P3.2和P3.3设置为输入引脚, 开关闭合时得到低电平。

4.2 熄火检测

熄火简称其将工作时产生的振动作为系统是否停机的判断标准, 使用运放和单稳连接电路检测振动的存在。将传声器紧贴在热水炉壁上, 热水炉工作时炉壁振动引起传声器线圈振动, 产生感应电流, 将此信号放大得到脉冲电流, 直接触发单稳态电路。

4.3 温度检测

温控系统中, 采用较简单的分压电路。在0809A/D转换器电路中, 采用阻抗较大的半导体测温热敏电阻及分压电路, 通过对热敏电阻分压值的测量来完成测温任务。0809A/D转换器输入阻抗大, 且热敏电阻灵敏度较高, 是输入0809A/D转换器的分压值无需阻抗匹配, 其精度就基本满足控制要求。

5 结束语

本系统以8051单片机为核心, 采用零点迁移和固态继电器控温电路, 使得硬件成本降低, 性能价格比提高。此系统操作简便、抗干扰能力强、运行可靠, 适合中、低温电加热炉的温度控制。

参考文献

[1]于国锋.脉冲燃烧热水炉的设计与研究.城市公用事业, 1997;1 (2) :30—32

[2]王丽华, 郑树展.基于单片机的电加热炉温度控制系统设计.高等职业教育, 2006;4 (15) :51—53

计算机试题库系统的设计与实现 篇9

关键词：计算机试题库；设计；实现

中图分类号：TP302.1文献标识码：A

随着计算机网络技术和多媒体技术的发展，操作性较强的计算机类课程，因传统的手工出卷与阅卷考核方式，很难保证所出试卷的科学性、合理性，甚至可能会出现试卷偏难或偏易的现象，不利于考察学生的动手能力，也不利于学生应用知识能力的提高，因而达不到预期的考察目标。

通过建立标准化试题库系统，既能解决试题的科学性问题，提高试题质量，也能实现在局域网或远程网范围内进行无纸考核或考试。根据考试大纲要求和教育测量学理论来进行命题和建设标准化试题库，既可以用来进行随机抽题组卷、测验、考试、改卷以及成绩分析，也可用于学生的课后练习与自测。

1试题库的特征

试题库中的题目按学科领域分类，每一学科领域的题目又细分为若干个题目组合，这些题目组合可用于特定的教学目标，或测验特定的概念或能力。

试题库中的每一题目由两部分组成，即题目属性和题目本身。题目属性有多项，反映有关题目的多种信息，这些信息将某一题目与库中其它题目区别开，同时标记着题目使用历史和使用情况。

试题库具有构成等价形式测验的能力。等价形式测验是由不同题目组合构成，但每次测验的统计结果具有等效性，即这些不同题目组合却能测验相同的目标或概念，并用相同的统计方法来区分学生学习的好与差。

2试题库的设计

2.1试题库设计原则

试题库的设计以教育测量学原理为原则，教育测量理论不仅为题库中题目的项目参数提供计算方法，也为题库中题目属性项目的建设提供依据，同时为测试的有效性、可靠性分析与评价提供方法和标准。因此，建立一个科学的题库系统，在选取试题之前需对被测群体进行分析，测试完成后还需对测试结果进行分析，所有过程一定要符合教育测量学的基本原理。

教育测量的三个重点是测量单位、参照点和测量工具。教育测量最常使用的测量单位是百分单位和等级单位。参照点指的是计量的起点，用于比较两个测量结果的异同，分为绝对参照点和相对参照点两类。目前，没有方法能直接测量一个人的知识掌握程度，只能借助间接的考试方法来对考生的实际能力进行测量，主要通过学生对于测试题的反应和其他一些行为表现，用逻辑推理的方法来间接测量他们的知识和技能水平、能力发展情况。

2.2试题库结构设计

题库结构的设计是题库系统设计开发的关键一环，题库结构设计的好坏将直接影响题库中试题的存放数量、系统工作效率和效果。试题库结构设计时要考虑题库的三个基本特征，题库结构设计最基础的工作应包括确定题目类型、规定试题属性及题库总体数据结构的确立等几方面。

(1)试题类型。在设计计算机题库系统时，要考虑计算机对阅卷评分的限制，也要考虑对学生动手操作能力的考查，因此题库一般大都是选用是非型、填空题、选择题、操作题等四种类型试题。这四类题目除在表面形式和作答要求上有很大区别，在测试中也表现出很多不同的特点，每种题型的测试特点如表1所示。

“同一时间内可作题目数”反映了考试周期内一般学生所能完成题量的限制。“计算机处理”难易程度反映了题型在应用计算机方面受到的约束限制；“猜测而答对可能性”反映了题型对于学生真实能力测试的限制；“可测目标分类层次范围”可说明各类型题对测验的适应性。

(2)试题属性。试题属性是指除题文以外能反映试题某些情况的指标项，常见题目属性有题目的内容范围、目标分类层次、题目类型、难度、区分度、选中计数等，在试题库中题目属性常用代码来描述，各类题目属性设计的描述方法参见表2。对于每一个入库的题目，都要具有这些属性并且每一属性都具有值。有的值是确定不变的代码，如题目类型、目标层次等：有的是具体的数值，如选中计数；有的值则是在题目使用后的分析评价中不断修正的，如难度系数、区分度等。

2.3试题库存储设计

试题库存储结构的确立要从建库目标和功能要求出发，力求节省存储空间，方便计算机处理和用户使用，保证有较快的检索和处理速度。

对于计算机试题库系统，其试题库总体结构采用分层结构。总库下有子库，子库中有分库，试题信息按题文、题图、答文、答图、声音、视频等属性指标分类，分别存放于不同的子库当中。各个子库设定相同的关键字，利用关键字把同一道试题的各种信息联系在一起，为了提高检索和试题库管理速度，一般要根据需要建立各种索引文件。

由于图形、声音与视频在数据库中存储需占据较大的存储空间，对试题中带有的图形、声音与视频采用数据压缩技术来进行数据压缩，以节省它们的存储空间。

2.4题库试题设计

题库中的试题需根据课程的教学大纲和考试大纲来进行命题，分章编写知识点并根据知识点设计试题，知识点覆盖整门课程。试题的难度可设计为四个等级：较易、易、中、难、较难，所占比例分别为10％、20％、40％、20％、10％。要求题的切入点、考点应符合大纲的要求，语意清晰、考点明确，答案要求要点清晰、分值明确，便于流水作业。

命题完毕后还需由任课教师和学生对试题质量进行评价，质量评价包括4个方面：试题应体现教学目的和教学大纲要求；试题既能检测基本知识、基本理论，又能检测运用所学知识解决实际问题的能力；试题之间应彼此独立；试题表述应简明扼要。

2.5组卷策略设计

组卷策略是指系统进行组卷的方式方法，是根据出卷者的需求产生一份对于测验目标有价值的测验试卷，组卷策略设计主要涉及成卷要求、卷面分数分配、库中选题等问题的处理。

在计算机试题库系统中组卷主要有两种方法，一是随机抽题，主要用于在线练习与在线自测。二是由管理员或任课老师按照抽题规则从题库中抽出试题，组成若干套试卷库，然后由考生从试卷库中抽取试卷。由于计算机试题库中的有些课程是全校必修课，考试学生数量巨大，考虑到服务器的承受能力以及组卷效率，考试时采用此种方法。

3试题库的实现

实现计算机试题库前，先要确定其系统结构。目前。系统结构主要有C／S结构与B／S结构两种，在计算机试题库中主要采用C／S+B／S的混合结构。C／S主要面对题库管理员与任课教师，用于管理员对系统的管理与维护，任课老师对试题的录入、修改及阅卷评分；B／S主要面对学生，用于学生的自测与考试。具体系统结构图如图1所示。

从功能上，整个计算机试题库系统包括建库与维护子系统、查询与检索子系统、组卷子系统、打印与输出子系统、测试分析子系统，系统总体功能结构如图2所示。

建库与维护子系统：将已经选定的题目按属性指标、题文、附图、答文、答图、声音与视频等项目准确方便地送人各子库中，并对库中的有关信息进行增、删、改以及按题号排序和查询。

查询与检索子系统：查询题库中试题的分布情况；根据用户要求查询任意指定试题的指标、题文、附图、答文、答图、声音与视频；整理和扩充提供必要的指导信息。

组卷子系统：允许用户通过人机对话方式指定试题的属性指标来选择试题生成试卷，可使用不同的方式指定选题指标并允许进行调整。

打印与输出子系统：根据一定的试卷格式进行试卷和试卷解答的输出和打印；将符合给定指标的试题从试题库中显示或打印出来。

测试与分析子系统：进行网络考试、阅卷评分、考试成绩的输入；按照有关测量理论进行成绩和试卷分析，给出实测指标并修改题库中试题的有关属性指标。

4结束语

燃烧系统的设计计算 篇10

1 气体燃烧系统

气体燃烧系统包括气体燃料系统和气体燃烧器。气体燃料系统为气体燃烧器提供燃料,气体燃料在气体燃烧器中被点燃,产生火焰,放出辐射热。

1.1 气体燃料系统

气体燃料系统如图1所示,气体燃料系统包括储气瓶、气瓶阀、调压器、球阀和电磁阀。调压器输入压力为1.6 MPa,输出压力0.1 MPa,输出最大流量为2m3/h。电磁阀最大工作压力0.1 MPa,最大使用角度为60°。

1、储气瓶2、气瓶阀3、调压器4、球阀5、总电磁阀6、大火电磁阀7、小火电磁阀8、气体燃烧器

1.2气体燃烧器

通过调查研究发现,常见的气体燃烧器主要有三类,即扩散式燃烧器、大气式燃烧器和预混式燃烧器。不同类型的燃烧器燃烧效率不同,燃烧负荷不同,燃烧火焰的高度、直径均不同。三种燃烧器的原理及特点见表1。

由表1可知,扩散式燃烧器自身引射空气能力较弱。为了增强燃烧效率,通常与强制鼓风机配合使用,助燃空气较多,产生的火焰与实际燃烧情况差别较大。预混式燃烧器燃烧时无火焰不符合实际燃烧情况。经过对比分析,建议选用大气式燃烧器,其工作原理如图2所示。燃气在一定压力下,以一定流速从喷嘴喷出,进入吸气收缩管,燃气靠本身的能量吸入空气。在收缩管内燃气和空气混合,从头部喷出,经高压电火花点燃。

1、燃气进气口2、空气进气口3、收缩管4、燃烧区

2 液体燃烧系统

液体燃烧系统由液体燃料系统和液体燃烧器组成。液体燃料通过油泵输送至液体燃烧器中,经高压电火花点燃,模拟可燃物燃烧时的状况。

2.1 液体燃料系统

液体燃料系统如图3所示,通过油泵将储油罐内的柴油输送至减压阀,油泵将柴油流量控制在约9m3/h,经减压阀将压力降至10MPa后输送至液体燃烧器,液体燃烧器将燃油雾化后喷出,利用高压点火源点燃。

1、储油罐2、闸阀3、油泵4、减压阀5、液体燃烧器

2.2 液体燃烧器

如图4所示,柴油在一定压力差作用下切向进入液体燃烧器旋流室,在其中产生高速旋转运动,然后从液体燃烧器的嘴口喷出,从而雾化成许多小油滴。

在实地调研中发现,当供给压力不足时,液体燃烧器雾化效果较差,无法获得理想的火焰形状。通过对液体燃烧器进行改进,设计出带回油功能的液体燃烧器,从而保证了雾化效果,如图5所示。其主要零件是分油片、旋流片和雾化片。柴油从输油管道进入液体燃烧器后首先经过分油片的几个小孔汇合到一个环形槽中,然后经过旋流片的切向槽,切向流入旋流片中心的旋流室。柴油在旋流室中高速旋转,最后从雾化片中心喷口喷出。当柴油达到一定的油压时,离开燃烧器即雾化为细小的油滴。在压力不足时,部分柴油回流至柴油系统中,而不立刻从喷口喷出,使得液体燃烧器内始终保持较高的喷油压差和燃油流速,从而保证雾化质量。

3 模拟燃烧模型

3.1 双人床燃烧模型

具备床火燃烧的特征数据库,真实模拟床火的阴燃、蔓延及可燃液体在床上的燃烧。自动控制火焰启闭,自动调节火焰功率,具备动态反馈技术可以自动复燃。图6是双人床燃烧的模型实景图,技术指标见表2所示。

3.2 厨房灶台燃烧模型

具备灶台火特征数据库,可真实模拟灶台台面火灾和油脂溅溢火灾,自动控制火焰启闭,自动调节火焰功率,具备动态反馈技术可以自动复燃及产生爆燃效果。图7是厨房灶台燃烧模型实景图,厨房灶台燃烧模型技术指标见表3所示。

3.3 超市货架燃烧模型

具备超市货架火燃烧的特征数据库,可真实模拟超市货架火灾以及火势向顶棚蔓延形成倒卷。自动控制火焰启闭,自动调节火焰功率,具备动态反馈技术可以自动复燃及产生爆燃效果。图8是超市货架燃烧模型实景图,超市货架燃烧模型技术指标见表4所示。

3.4 轰燃火

轰燃火是一种效果火,与训练场景内其他燃烧模型配合使用,再现火势向顶棚卷跌,大量的辐射热由顶棚反射到室内可燃物的现象。使消防员真实体现火场的高温火焰状态。图9是轰燃火的实景图,表5是轰燃火技术指标。

4 结论

笔者提出了建筑真火模拟训练设施燃烧系统的构成,主要包括气体燃烧系统、液体燃烧系统和模拟燃烧道具。通过对比分析对气体燃烧系统进行选型设计,通过对喷头进行改进设计出液体燃烧系统,对模拟燃烧道具进行阐述,介绍其功能及运用方法。提出了一套安全、可靠、合理的设计方案,提高建筑真火模拟训练设施的仿真性、实用性和安全性,为消防员提供一个仿真程度高、功能齐全的训练环境。

参考文献

[1]公安部上海消防研究所.消防灭火训练用燃烧装置的研究[R].公安部上海消防研究所项目研究报告,2011.

[2]李立新.引进型300M机组锅炉点火技术探讨[J].福建电力与电工,1997,(6):30.

[3]公安部.消防燃烧学[M].北京:中国人民公安大学出版社,2006.

[4]阳晓剑,易星,彭政,等.真火模拟训练系统设计初探[J].消防科学与技术,2015,34(9):1233-1236.