熱風爐燃燒溫度控制系統(tǒng)的設計

1、工 號:JG-0054889酒鋼煉鐵保障作業(yè)區(qū)論文設計題 目熱風爐燃燒溫度控制系統(tǒng)設計廠區(qū)煉鐵廠作業(yè)區(qū)保障作業(yè)區(qū)班組維護班姓名陳現(xiàn)偉2011年 05月 08 日論文設計任務書職工姓名：陳現(xiàn)偉工種： 維護電工題目：熱風爐燃燒溫度控制系統(tǒng)的設計初始條件：煉鐵咼爐米用內(nèi)燃式熱風爐，燃燒所米用的燃料為咼爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣。兩種燃料混合后進入熱風爐燃燒室，再與助燃空氣一起燃燒，要求向高爐 送風溫度達到1350r，則爐頂溫度必須達到1400C 土 10C。要求完成的主要任務1、了解內(nèi)燃式熱風爐工藝設備2、繪制內(nèi)燃式熱風爐溫度控制系統(tǒng)方案圖3、確定系統(tǒng)所需檢測元件、執(zhí)行元件、調(diào)節(jié)儀表技術參數(shù)4、撰寫系統(tǒng)調(diào)節(jié)原

2、理及調(diào)節(jié)過程說明書時間安排4月29- 30日 選題、理解設計任務，工藝要求。5月1 - 3日方案設計5月4 7日 參數(shù)計算撰寫說明書5月8日整理修改主管領導簽字:摘要 I1內(nèi)燃式熱風爐工藝概述 12熱風爐溫度串級控制總體方案 22.1內(nèi)燃式熱風爐送風溫度控制方案選擇 22.2內(nèi)燃式熱風爐溫度串級控制系統(tǒng)框圖 43系統(tǒng)元器件選擇 43.1溫度變送器 53.2溫度傳感器 53.3控制器及調(diào)節(jié)閥 63.3.1調(diào)節(jié)閥的選擇 63.3.2控制器即調(diào)節(jié)器的選擇 64參數(shù)整定及調(diào)節(jié)過程說明 74.1參數(shù)整定 74.2調(diào)節(jié)過程說明 8學習心得及體會 10參考文獻 11摘要過程控制通常是指連續(xù)生產(chǎn)過程的自動控制

3、，是自動化技術中最重要的組 成部分之一。過程控制的主要任務是對生產(chǎn)過程中的有關參數(shù)（溫度、壓力、 流量、物位、成分、濕度、pH值和物性等）進行控制，使其保持恒定或按一定 規(guī)律變化，在保證產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)安全的的前提下，使連續(xù)性生產(chǎn)過程自動地 進行下去。由于控制對象的特殊性，除了具有一般自動化所具有的共性之外過 程控制系統(tǒng)相對于其他控制系統(tǒng)還具有以下特點：控制對象復雜、控制要求多 樣；控制方案豐富；控制多屬慢過程參數(shù)控制；定值控制是過程控制的一種主 要控制形式；過程控制系統(tǒng)由規(guī)范化的過程檢測控制儀表組成。本次課程設計是煉鐵生產(chǎn)中負責給高爐送風的內(nèi)燃式熱風爐燃燒溫度控制 系統(tǒng)的設計。在課程設計的任務

4、中給出了向高爐送風的溫度要求，同時要滿足 送風溫度則需爐頂溫度達到某一要求，因此本溫度控制系統(tǒng)采用串級控制系統(tǒng), 因為隨著燃料流量的變化，首先影響的是爐壁溫度的變化，然后通過傳熱過程 逐漸影響向高爐的送風溫度，從燃料流量變化經(jīng)過三個變量后，才引起送風溫 度的變化，這個通道時間常數(shù)很大，反應緩慢，而采用串級控制恰好能克服這 一缺點，故而本溫度控制系統(tǒng)采用串級溫度控制系統(tǒng)。關鍵字：過程控制熱風爐串級控制熱風爐溫度串級控制系統(tǒng)的設計1內(nèi)燃式熱風爐工藝概述煤氣漬洗冷鳳畑道口除焦爐煤氣 _lrr高爐煤氣 f空氣©重油出渣出鐵圖i-i熱風爐、高爐煉鐵工藝圖如圖i-i所示為熱風爐、高爐冶鐵,近年來

5、我國煉鐵生產(chǎn)技術取得了長足進 步，但是熱風的溫度提高不大，生產(chǎn)的鋼鐵質(zhì)量與國際水平仍然有差距。因此 熱風的溫度控制便成為制約煉鐵質(zhì)量的主要因素。我國大多數(shù)鋼鐵企業(yè)風溫低 的主要原因有：熱風爐老化嚴重；高熱值煤氣缺乏；熱風爐潛力沒有充分發(fā)揮；高 爐接收風溫的能力低等。煤氣熱值低是提高風溫的主要困難，隨著高爐的大型化,原料的改善，操作的改進，高爐煤氣的物理和化學性能越來越被高爐充分 利用，致使高爐煤氣日益貧化，許多現(xiàn)代化高爐的煤氣熱值已經(jīng)降低很多 ，而 高熱值煤氣（焦爐煤氣、天燃氣等）的短缺情況會越來越嚴重，因此，如何利用 低熱值煤氣獲得較高的風溫，在我國具有特殊的意義。實現(xiàn)煤氣的合理燃燒，才能將

6、其能量充分利用熱風爐才有可能在消耗同樣煤氣量情況下，蓄到更多的熱量，為提高送風溫度創(chuàng)造條件。由于高爐的操作或爐況等種種原因，造成煤氣壓力不穩(wěn)定，煤氣熱值也往往存在波動，因而熱風爐燃燒控制是熱風爐最 難、最關鍵的控制環(huán)節(jié)之一，燃燒控制得好壞將直接影響到熱風爐的拱頂溫度及燃燒的熱效率，從而對高爐送風溫度產(chǎn)生影響，最終對高爐煉鋼的質(zhì)量產(chǎn)生 影響，故內(nèi)燃式熱風爐的溫度控制顯得至關重要， 熱風爐的種類很多，下圖1-2圖1-2無管式熱風爐結構示意圖所示為熱風爐的一種形式。在圖中數(shù)字 1到10所代表的分別是：爐排、爐門、 燃燒室、殼體、散熱片、冷風罩、冷風進口、爐蕊、熱風出口和排煙口。2熱風爐溫度串級控制總

7、體方案2.1內(nèi)燃式熱風爐送風溫度控制方案選擇熱風爐是高爐冶鐵工藝中的重要組成部分， 其向高爐的送風溫度對對高爐冶 鐵質(zhì)量有重要影響，因此其溫度控制也顯得非常重要。內(nèi)燃式熱風爐所用燃料為 高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣的混合氣體，另外還有助燃空氣，本設計要求向高爐送風溫 度達到1350 C,為滿足要求爐頂溫度必須達到1400 C± 10C。在該溫度控制系 統(tǒng)中要求按照相關的計算使助燃空氣無論在燃料流量為多少時皆使其充分燃燒， 故不再考慮其影響，從而混合煤氣的流量 C為控制變量，而影響送風溫度的干擾 則有冷風流量f, t、冷風入口溫度f2 t、燃料壓力f3 t和燃料熱值f4 t。如果以向高爐送風溫度

8、mt為被控參數(shù)，僅根據(jù)送風溫度變化來控制燃料閥門開度，通過改變?nèi)剂狭髁繉⑺惋L溫度控在規(guī)定的數(shù)值上， 那么這是一個簡單 的控制系統(tǒng)，當燃料壓力或燃料熱值變化時， 先影響爐頂?shù)臏囟?，然后通過傳熱逐漸影響送風溫度，從燃料流量變化經(jīng)過三個變量后，才引起送風溫度變化，這個通道時間常數(shù)很大，反應緩慢。而溫度調(diào)節(jié)器是根據(jù)送風溫度n1 t與設定值的偏差進行控制，當燃料部分出現(xiàn)干擾后，該控制系統(tǒng)并不能及時產(chǎn)生控制作用， 克服干擾對ni t的影響，控制質(zhì)量差，因為本設計對送風溫度要求較為嚴格， 故該方案不予采用。而當以爐頂溫度壓t為被控參數(shù)時，會使控制通道容量滯后減少，對來自 燃料的干擾f3 t、f4 t的控制作

9、用比較及時，但爐頂溫度畢竟不能真正代表熱 風爐的送風溫度，即使爐頂溫度穩(wěn)定，冷風本身的流量或入口溫度仍會影響送風 溫度，這是因為來自冷風的干擾fi t、f2 t并沒有包含在該控制系統(tǒng)的反饋回 路內(nèi)，控制效果仍無法達到生產(chǎn)工藝要求，故也不予采用。綜上所述，單獨以送風溫度或爐頂溫度為被控參數(shù)都不能滿足工藝要求，故只有將兩者結合起來才能彌補各自的缺陷， 這就是本設計所要采用的串級控制系 統(tǒng)，其簡單控制結構圖如下圖2-1所示：圖2-1熱風爐串級溫度控制系統(tǒng)在串級控制系統(tǒng)中，由于引入了副回路，不僅能迅速克服作用于副回路內(nèi)的干擾, 也能加速克服回路的干擾。畐曬路具有先調(diào)、粗調(diào)、快調(diào)的特點；主回路具有后 調(diào)

10、、細調(diào)、慢調(diào)的特點，對副回路沒有完全克服掉的干擾影響能徹底加以消除。由于主副回路相互配合、相互補充，使控制質(zhì)量顯著提高2.2內(nèi)燃式熱風爐溫度串級控制系統(tǒng)框圖根據(jù)系統(tǒng)框圖，內(nèi)燃式熱風爐溫度串級控制系統(tǒng)的控制原理簡單分析如下：(1) 燃料壓力f3 t、燃料熱值f4 t發(fā)生擾動一一干擾進入副回路。(2) 冷風流量fi t、冷風入口溫度f2 t發(fā)生擾動一一干擾進入主回路。干擾同時作用于副回路和主回路：1在干擾作用下，主、副參數(shù) 厲t、 n2 t的變化方向相同，即同時增加或同時減小； 2在干擾作用下，主副參數(shù) t、n2 t的變化方向相反，一個增加，一個減少。3系統(tǒng)元器件選擇在本設計中所選用的主被控參數(shù)為

11、熱風爐向高爐送風溫度m t，輔助被控參數(shù)為爐頂溫度n2 t，同時影響爐頂溫度的因素主要有高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤 氣流量Q、助燃空氣流量 Q兩個因素，且在本設計中我們通過相關計算滿 足在燃料任何流量下都使其充分燃燒，故不再考慮燃料的影響，所以高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣在生產(chǎn)中起主導地位，且也是兩種因素中最為昂貴的物料，因此選擇高爐煤氣和轉(zhuǎn)爐煤氣流量Q為系統(tǒng)的控制變量，而溫度控制系統(tǒng)的各控制元件選擇如下3.1溫度變送器過程控制系統(tǒng)中用于參數(shù)檢測的傳感器、變送器是系統(tǒng)中獲取信息的裝 置。傳感器、變送器完成對被控對象參數(shù)以及其他一些參數(shù)、變量的檢測，并 將測量信號傳送至控制器。測量信號是調(diào)節(jié)器進行控制的基本依據(jù)，被

12、控參數(shù) 迅速、準確的測量是實現(xiàn)高性能的重要條件。測量不準確或不及時、會產(chǎn)生失 調(diào)、誤差或調(diào)解不及時，影響之大不容忽視。傳感器與變送器設備的選擇和使 用主要依據(jù)檢測參數(shù)的性質(zhì)以及控制系統(tǒng)設計的總體功能要求。被檢測參數(shù)的 性質(zhì)、測量精度、響應速度要求以及對控制性能要求都影響傳感器、變送器的 選擇和使用。溫度變送器有DDN III型溫度變送器，一體化溫度變送器，智能式溫度 變送器等等，本設計選用 DDN III型熱電偶溫度變送器。3.2溫度傳感器熱電偶是工業(yè)上最常用的高溫溫度檢測元件之一，熱電偶工作原理是基于 賽貝克效應，即兩種不同成份的均質(zhì)導體為熱電極，溫度較高的一端為工作 端，溫度較低的一端為自

13、由端，自由端通常處于某個恒定的溫度下，如兩 連接端溫度不同，則在回路內(nèi)產(chǎn)生熱電流的物理現(xiàn)象。其優(yōu)點是：1 測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。2 測量范圍廣。常用的熱電偶從-50+1600C均可邊續(xù)測量，某些特殊熱電 偶最低可測到-269 C （如金鐵鎳鉻），最高可達+28000（如鎢-錸）。3 構造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不 受大小和開頭的限制，外有保護套管，用起來非常方便。熱電阻是中低溫區(qū)最常用的一種溫度檢測器。它的主要特點是測量精度高，性能穩(wěn)定。其中鉑電阻溫度傳感器精度高，穩(wěn)定性好，應用溫度范圍廣，是中 低溫區(qū)（-200 C400C

14、）最常用的一種溫度檢測器，它不僅廣泛應用于工業(yè) 測溫，而且被制成標準的基準儀。本系統(tǒng)的主被控溫度為13500，同時輔助被控溫度為1400C± 10C。，要 求溫度上下浮動不超過10 0，對精度有一定要求，因此本系統(tǒng)選擇 鉑銠30 -鉑銠6熱電偶測溫元件。3.3控制器及調(diào)節(jié)閥3.3.1調(diào)節(jié)閥的選擇執(zhí)行器是自動控制系統(tǒng)中的執(zhí)行環(huán)節(jié)，在本設計中所用的執(zhí)行器即為調(diào)節(jié) 閥。自動調(diào)節(jié)閥按其工作能源形式可分為氣動、電動和液動三大類。本設計中 用的是氣到調(diào)節(jié)閥，氣動調(diào)節(jié)閥由執(zhí)行機構和調(diào)節(jié)機構兩部分組裝而成，而根 據(jù)不同要求，閥門的結構形式又有很多種：有直通單座閥、直通雙座閥、角閥、 隔膜閥、蝶閥、球

15、閥等，最常用的是直通單座閥和直通雙座閥。調(diào)節(jié)閥的流量 特性是指流過閥門的流體的相對流量與閥門的相對開度（相對位移）間的關系,即：2二f丄，式中相對流量Q.Qmax是調(diào)節(jié)閥某一開度時流量Q與全開時QmaxL流量Qmax之比，相對開度L L是調(diào)節(jié)閥某一開度行程丨與全開行程L之比。在調(diào)節(jié)閥的選擇中，其氣開式與氣關式的選擇尤為重要，它們的選擇原則 為：從工藝生產(chǎn)安全考慮，一旦控制系統(tǒng)發(fā)生故障、信號中斷時，調(diào)節(jié)閥的開 關狀態(tài)應能保證工藝設備和操作人員的安全?；诖朔矫娴目紤]，在本設計中，由于空氣保證燃料充分燃燒，為了保證設備的安全，特別是熱風爐爐頂?shù)陌踩?防止燃料流量過大導致爐頂溫度過高，故采用氣開式

16、調(diào)節(jié)閥。332控制器即調(diào)節(jié)器的選擇控制器有模擬式控制器如 DDN III型儀表、數(shù)字式PID控制器和可編程 邏輯控制器，本設計采用DDN III型儀表。調(diào)節(jié)器是控制系統(tǒng)的判斷指揮中心， 作用是將被控變量的測量值與給定值相比較并做數(shù)學運算，然后將運算結果送 往執(zhí)行器，以實現(xiàn)對被控變量的自動控制，調(diào)節(jié)器的選型與調(diào)節(jié)規(guī)律的選擇對 過程控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)有至關重要的影響。調(diào)節(jié)器正、反作用方式的選擇是在調(diào)節(jié)閥氣開、氣關方式確定之后進行的， 其確定原則是使整個單回路構成負反饋系統(tǒng)。根據(jù)圖 2-1和2-2的系統(tǒng)結構圖 及系統(tǒng)框圖，又知調(diào)節(jié)閥為氣開式，故調(diào)節(jié)器的作用方式為正。在該設計中，有主副兩個調(diào)節(jié)器。在串

17、級控制系統(tǒng)中，主副調(diào)節(jié)器所起的 作用不同，主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，副調(diào)節(jié)器起隨動控制作用。主參數(shù)是生 產(chǎn)工藝的主要控制指標，它關系到產(chǎn)品的質(zhì)量，工藝上要求比較嚴格，一般不允許有殘差，故本設計中主調(diào)節(jié)器采用 PI調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)主變量無差控制。在該 系統(tǒng)中，穩(wěn)定副參數(shù)并不是目的，控制副參數(shù)是為了保證和提高主參數(shù)的控制 質(zhì)量，對副參數(shù)的要求一般不嚴格，可在一定范圍內(nèi)變化，允許有殘差，故本 設計副調(diào)節(jié)器選P調(diào)節(jié)就可以了。4參數(shù)整定及調(diào)節(jié)過程說明4.1參數(shù)整定串級控制系統(tǒng)從整體上看是定值控制系統(tǒng)，要求主參數(shù)有較高控制精度。 但副回路是隨動系統(tǒng)，要求副參數(shù)能準確、快速地跟誰主調(diào)節(jié)器輸出的變化， 串級控制系統(tǒng)

18、主、副調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方法有逐步逼近法、兩步整定法和一步 整定法。因為逐步逼近法較為費時，不再介紹，這里著重介紹后兩種方法。所謂兩步整定法，就是讓系統(tǒng)處于串級工作狀態(tài)，第一步按單回路控制系 統(tǒng)整定副調(diào)節(jié)器參數(shù)，第二步把已經(jīng)整定好的副回路視為串級控制系統(tǒng)的一個 環(huán)節(jié)，仍按單回路對主調(diào)節(jié)器經(jīng)行一次參數(shù)整定。此法整定的參數(shù)結果比較準 確，能滿足主、畐序數(shù)的要求，但要分兩步進行，比較繁瑣。而一步整定法就是根據(jù)經(jīng)驗，現(xiàn)將副調(diào)節(jié)器參數(shù)一次調(diào)好，不再變動，然 后按一般單回路控制系統(tǒng)的整定方法直接整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)。由于在該設計中,對主參數(shù)的控制質(zhì)量要求高，對副參數(shù)的要求較低，因此整定時不必把過多精 力發(fā)在副回

19、路上，只要把副調(diào)節(jié)器的參數(shù)置于一定值后， 集中精力整定主回路, 使主參數(shù)達到規(guī)定指標就行了。按照經(jīng)驗一次設置的副調(diào)節(jié)器參數(shù)可能不一定 合適，但可以通過調(diào)節(jié)主調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)經(jīng)行補償，使最終結果仍然能滿足 主參數(shù)呈現(xiàn)4: 1 (或10: 1)的衰減振蕩過程，故熱風爐溫度串級控制系統(tǒng)采 用一步整定法進行參數(shù)整定，其步驟如下：(1) 在生產(chǎn)正常，系統(tǒng)為純比例運行的條件下，按照總結出的一步整定法副 調(diào)節(jié)器參數(shù)選擇范圍，將調(diào)節(jié)器比例度調(diào)到某一適當?shù)臄?shù)值。(2) 利用簡單控制系統(tǒng)中任一種參數(shù)整定方法整定主調(diào)節(jié)器的參數(shù)(R、T、Td)。簡單控制系統(tǒng)參數(shù)整定方法有穩(wěn)定邊界法、衰減曲線法、反應曲線法、經(jīng) 驗湊試

20、法等。(3) 在已整定參數(shù)(R、Ti、Td、P2)條件下，觀察控制過程，適當調(diào)節(jié)主調(diào)節(jié)器的參數(shù)，使主參數(shù)滿足工藝要求。4.2調(diào)節(jié)過程說明在本溫度控制系統(tǒng)中，控制變量為燃料的流量，當送風溫度及爐頂溫度發(fā) 生變化時，通過調(diào)節(jié)燃料通道的調(diào)節(jié)閥來使熱風爐的送風溫度滿足工藝要求， 具體調(diào)節(jié)過程如下。（1）干擾進入副回路時，燃料壓力f3 t、燃料熱值f4 t引起爐頂溫度變化， 溫度變送器2 （圖2-1中T?T ）及時測量到n2 t變化，并通過調(diào)節(jié)器（圖2-1 中的T2C）及時控制燃料調(diào)節(jié)閥，使n2 t很快回到原先的穩(wěn)定值。當干擾幅度 較大時，其大部分影響為副回路所克服，但仍會對送風溫度產(chǎn)生一定影響，但引起

21、的偏差幅度要比單回路系統(tǒng)小的多，此時，再通過主調(diào)節(jié)器（圖2-1中的TQ ）改變副調(diào)節(jié)器T2C的設定值X2 t進一步調(diào)節(jié)，可完全消除干擾的影響， 使被控參數(shù)mt回復到設定值。（2）干擾進入主回路，冷風流量 £ t、冷風入口溫度f2 t首先引起送風溫 度n1 t變化，溫度變送器1 （圖2-1中的T1T ）及時測量到n1 t的變化，并通 過主調(diào)節(jié)器（圖2-1中的TQ）改變副調(diào)節(jié)器（圖2-1中的T2C）的設定值X2 t， T2C根據(jù)X2 t的變化調(diào)整輸出信號改變?nèi)剂祥y開度，從而改變爐頂溫度 n2 t， 以校正送風溫度m t的變化，使其回復到設定值。（3）干擾同時作用于主回路和副回路，這時有兩

22、種情況：1在干擾作用下，主、副參數(shù)gt、門2 t變化方向相同。如果在系統(tǒng)中一方面由于燃料壓力f3 t 升高使爐頂溫度n2 t上升，同時由于冷風流量f1 t減少，使送風溫度n, t上 升。這時主調(diào)節(jié)器的輸出x2 t由于n, t升高而減小使副調(diào)節(jié)器T?C設定值減 小，副調(diào)節(jié)器由于測量值n2 t上升、設定值減小，副調(diào)節(jié)器設定值 x2 t與爐 頂溫度n2 t之間差值更大，副調(diào)節(jié)器輸出大為減少，以使調(diào)節(jié)閥關的更小，大 幅較少燃料供給量，直至主參數(shù)mt回復到設定值為止。2在干擾作用下，主、 副參數(shù)m t、壓t變化方向相反。如果在控制系統(tǒng)中，一方面由于燃料壓力 f3 t升高使爐頂溫度上升，另一方面由于冷風流

23、量fi t增加，使送風溫度ni t 降低。這時主調(diào)節(jié)器的測量值ni t降低，其輸出增大，副調(diào)節(jié)器設定值X2 t也 隨之增大；同時，畐U調(diào)節(jié)器的測量值n2 t在增大，如果兩者增量恰好相等，貝U 副調(diào)節(jié)器輸入x2 t與n2 t之差不變，副調(diào)節(jié)器輸出不變，閥門不需動作；如 果兩者增量雖不相等，由于能互相抵消一部分，副調(diào)節(jié)器輸入 X2 t與n2 t之 差變化較小，副調(diào)節(jié)器輸出變化幅度也較小，調(diào)節(jié)閥開度只要作較小的改變， 即可校正ni t的偏差，使其重新回到設定值。學習心得及體會本次設計的內(nèi)燃式燃燒室爐頂溫度是高爐送風溫度的重要保證，它直 接關系到高爐送風溫度的高低，燃燒室爐頂溫度過高則高爐送風溫度過 高，影響生產(chǎn)，同