熱風(fēng)爐出口溫度控制系統(tǒng)

1、內(nèi)蒙古科技大學(xué)過程控制工程課程設(shè)計(jì)說明書題目：熱風(fēng)爐出口溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名：謝作全學(xué) 號：0967112227專 業(yè)：測控技術(shù)與儀器班 級：2009-2 指導(dǎo)教師：李忠虎前言1996年中國生鐵產(chǎn)量突破1億噸，此后連續(xù)10年生鐵產(chǎn)量居世界第一，高爐 部分經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)接近或達(dá)到了世界先進(jìn)水平我國高爐生產(chǎn)各方面取得了顯著 進(jìn)步，但在資源和能源利用率、高爐大型化、提高產(chǎn)業(yè)集中度以及環(huán)保等方面還 有很大差距，有待進(jìn)一步提高，努力向鋼鐵強(qiáng)國邁進(jìn)。影響高爐煉鐵產(chǎn)量的主要 因素有送風(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)量，噴吹系統(tǒng)的煤粉、重油、天然氣等，高爐煤氣的含塵 量，上料系統(tǒng)的上料量。任何一個(gè)系統(tǒng)都對高爐煉鐵及其重要，改變

2、任何一個(gè)系 統(tǒng)的量，都可以改變高爐煉鐵的產(chǎn)量。高爐熱風(fēng)爐是給高爐燃燒提供熱風(fēng)以助燃的設(shè)備，是一種儲熱型熱交換器. 國內(nèi)大部分高爐均采用每座高爐帶3至4臺熱風(fēng)爐并聯(lián)輪流送風(fēng)方式，保證任何 瞬時(shí)都有一座熱風(fēng)爐給高爐送風(fēng)，而每座熱風(fēng)爐都按：燃燒-休止-送風(fēng)-休止-燃 燒的順序循環(huán)生產(chǎn).當(dāng)一座或多座熱風(fēng)爐送風(fēng)時(shí)，另外的熱風(fēng)爐處于燃燒或休止 狀態(tài).送風(fēng)中的熱風(fēng)爐溫度降低后，處于休止?fàn)顟B(tài)的熱風(fēng)爐投入送風(fēng)，原送風(fēng)熱風(fēng) 爐即停止送風(fēng)并開始燃燒，蓄熱直至溫度達(dá)到要求后，轉(zhuǎn)入休止?fàn)顟B(tài)等待下一次 送風(fēng).熱風(fēng)爐是一個(gè)非線性的，大滯后系統(tǒng)，影響熱風(fēng)爐的因素有很多，并且各種 因素相互牽制，因此導(dǎo)致它的控制過程非常復(fù)雜,很

3、難用精確的數(shù)學(xué)模型描述.用 傳統(tǒng)的方法建模，使整個(gè)控制系統(tǒng)置于模型框架下，缺乏靈活性及應(yīng)變性,很難勝 任對復(fù)雜系統(tǒng)的控制. TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 第1章高爐煉鐵簡介1 HYPERLINK l bookmark13 o Current Document 1.1高爐煉鐵原理1 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 1.2高爐煉鐵工藝過程2 HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 1.3高爐煉鐵主要設(shè)備簡介2 HYPERL

4、INK l bookmark23 o Current Document 1.4熱風(fēng)爐生過程概況及出口溫度控制實(shí)際意義3 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 第2章 熱風(fēng)爐出口溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)5 HYPERLINK l bookmark33 o Current Document 2.1被控參數(shù)選擇5 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 控制參數(shù)選擇5控制方案的確定52.3.1控制系統(tǒng)選擇5 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 2.3.2控制規(guī)律選擇6 H

5、YPERLINK l bookmark49 o Current Document 2.3.3調(diào)節(jié)參數(shù)整定62.4控制系統(tǒng)設(shè)備選型62.4.1溫度傳感器及變送器選擇6 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 2.4.2執(zhí)行器選擇7 HYPERLINK l bookmark59 o Current Document 2.4.3調(diào)節(jié)器選擇7 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 2.5繪制控制系統(tǒng)方框圖8 HYPERLINK l bookmark65 o Current Document 第3章設(shè)計(jì)總結(jié)10 H

6、YPERLINK l bookmark68 o Current Document 參考文獻(xiàn)12第1章高爐煉鐵簡介1.1高爐煉鐵原理高爐煉鐵的本質(zhì)是鐵的還原過程，即焦炭做燃料和還原劑，在高溫下將鐵礦 石或含鐵原料的鐵，從氧化物或礦物狀態(tài)（如FeO3、Fe3O4、Fe2SiO4、Fe3O4TiO2 等）還原為液態(tài)生鐵。1.2高爐煉鐵工藝過程高爐生產(chǎn)是連續(xù)進(jìn)行的。一代高爐（從開爐到大修停爐為一代）能連續(xù)生產(chǎn) 幾年到十幾年。冶煉過程中，爐料（礦石、熔劑、焦炭）按照確定的比例通過裝 料設(shè)備分批地從爐頂（一般爐頂是由料種與料斗組成，現(xiàn)代化高爐是鐘閥爐頂和 無料鐘爐頂）裝入爐內(nèi)。從下部風(fēng)口鼓入的高溫?zé)犸L(fēng)（1

7、0001300攝氏度）與 焦炭發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生的高溫還原性煤氣上升，并使?fàn)t料加熱、還原、熔化、造渣， 產(chǎn)生一系列的物理化學(xué)變化，最后生成鐵水，鐵水從鐵口放出；液態(tài)渣、鐵聚集 于爐缸，周期地從高爐出鐵口和出渣口分別排出；上升過程中，煤氣流溫度不斷 降低，成分逐漸變化，最后形成高爐煤氣從爐頂排出。經(jīng)除塵后，作為工業(yè)用煤 氣?，F(xiàn)代化高爐還可以利用爐頂?shù)母邏海脤?dǎo)出的部分煤氣發(fā)電。主要工藝過程 如圖1-1和圖1-2及所示。煤氣水渣渣 棉絕熱材料 I建筑材料圖1-1ikf *凈煤氣其它用途高爐煉鐵生產(chǎn)工藝簡介圖鐵熔焦礦石劑炭*上料機(jī)BFG儲槽洗滌器鼓風(fēng)機(jī)熱風(fēng)爐,煙囪配料間冷空氣lumppr無鐘罩爐頂出鐵口

8、調(diào)濕系統(tǒng)爐頂回收電n鼓風(fēng)嘴高爐主輸.魚雷車圖1-2高爐作業(yè)流程圖1.3高爐煉鐵主要設(shè)備簡介高爐煉鐵的五大系統(tǒng)如圖及所示。（1）送風(fēng)系統(tǒng)：（2）鐵渣處理系統(tǒng)（3）噴吹系統(tǒng)（4）煤氣系統(tǒng)（5）上料 系統(tǒng)二.凈煤氣礦石焦炭爐渣鐵水高爐及附屬系統(tǒng)1.4熱風(fēng)爐生過程概況及出口溫度控制實(shí)際意義1.4.1生產(chǎn)工藝熱風(fēng)爐爐內(nèi)砌有許多格子磚，對熱風(fēng)爐的加熱，也就是加熱這些格子磚， 在加熱期間也就稱為“燃燒狀態(tài)”進(jìn)入爐內(nèi)的煤氣和助燃空氣混合燃燒，燃燒 后熱氣到達(dá)拱頂，然后通過這些格子磚儲存熱能。加熱后的廢氣從熱風(fēng)爐的煙道 排出。當(dāng)熱風(fēng)爐被加熱到一定溫度，結(jié)束燃燒狀態(tài)，準(zhǔn)備向高爐送熱風(fēng)，也就是 切換到“送風(fēng)狀態(tài)”。

9、在送風(fēng)過程中，冷風(fēng)通過格子磚反向吹入。磚的熱量傳 給流過的空氣，被加熱后的空氣稱為熱風(fēng)，通過環(huán)管送入高爐。熱風(fēng)爐主要有三種工作狀態(tài):即燃燒狀態(tài)，送風(fēng)狀態(tài)和悶爐工作狀態(tài).熱風(fēng)爐燃燒狀態(tài)熱風(fēng)爐處于燃燒狀態(tài)時(shí),通過熱風(fēng)爐煤氣管道和助燃空氣管道向熱風(fēng)爐送 高爐煤氣和助燃空氣，高爐煤氣和助燃空氣燃燒產(chǎn)生熱煙氣使熱風(fēng)爐蓄熱；熱風(fēng) 爐處于燃燒狀態(tài)時(shí)，其廢氣閥,煙道閥，助燃空氣燃燒閥，高爐煤氣燃燒閥，高爐煤 氣切斷閥等閥均處于開啟狀態(tài)，其它各閥(切斷閥)均處于關(guān)閉狀態(tài).熱風(fēng)爐送風(fēng)狀態(tài)熱風(fēng)爐處于送風(fēng)狀態(tài)時(shí)，向燃燒結(jié)束蓄有一定熱量的熱風(fēng)爐送入冷風(fēng)，冷風(fēng)經(jīng)熱 風(fēng)爐加熱后再送入高爐.熱風(fēng)爐處于送風(fēng)狀態(tài)時(shí)，其冷風(fēng)閥，熱

10、風(fēng)閥，冷風(fēng)充壓閥 等處于開啟狀態(tài)，其它各閥(切斷閥)均處于關(guān)閉狀態(tài).熱風(fēng)爐悶爐狀態(tài)熱風(fēng)爐處于悶爐狀態(tài)時(shí)，為保持溫度，熱風(fēng)爐所有的閥門均處于關(guān)閉狀態(tài).熱風(fēng)爐工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換熱風(fēng)爐處于上述三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程定義為換爐過 程.在熱風(fēng)爐的操作過程中最基本的工作過程是換爐.換爐時(shí)，應(yīng)保證整個(gè)熱風(fēng)爐 系統(tǒng)不間斷的向高爐送風(fēng)，并應(yīng)盡量使進(jìn)入高爐的風(fēng)量,風(fēng)壓波動(dòng)很小，還要注意 煤氣安全.熱風(fēng)爐工作狀態(tài)改變周期順序如下:燃燒休止送風(fēng)休止熱風(fēng)爐出口溫度控制實(shí)際意義熱風(fēng)爐是煉鐵生產(chǎn)過程中的重要設(shè)備,其燃燒控制的好壞，將直接影響風(fēng)溫 的高低在高爐煉鐵的生產(chǎn)過程中，需要向高爐鼓入大量的高溫空氣，促進(jìn)和改 善冶煉過程。

11、熱風(fēng)爐的作用就是加熱進(jìn)入高爐的空氣，創(chuàng)建和維持高爐內(nèi)部良好 的冶煉環(huán)境，將鐵礦石還原為鐵水。在高爐煉鐵的生產(chǎn)過程中，使用高風(fēng)溫又是 熱量的一個(gè)重要來源。高爐生產(chǎn)的技術(shù)提高和鼓風(fēng)溫度的提高有著密切的關(guān)系， 高風(fēng)溫可以強(qiáng)化高爐冶煉，是冶煉過程中非常活躍的因素，根據(jù)燃燒室溫度變化, 快速尋優(yōu)空燃比例系數(shù)。有效控制調(diào)節(jié)閥動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)煤氣與助燃風(fēng)流量的精確快 速調(diào)節(jié)與控制第2章熱風(fēng)爐出口溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1被控參數(shù)選擇根據(jù)工藝要求，深入分析工藝過程，找出對產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量、安全運(yùn)行、 經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、環(huán)境環(huán)保等具有決定性作用并且可直接測量的工藝參數(shù)作為被控參 數(shù)，構(gòu)成過程控制系統(tǒng)。由于熱風(fēng)爐出口溫度直接決定了

12、高爐煉鐵生產(chǎn)出來的鋼 鐵質(zhì)量和產(chǎn)量、高爐煉鐵的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性；溫度也比較好測量與控制， 所以，選擇送入高爐的熱風(fēng)溫度為被控參數(shù)。2.2控制參數(shù)選擇根據(jù)工藝過程可知，影響熱風(fēng)爐出口溫度的主要因素包括進(jìn)入熱風(fēng)爐冷風(fēng)溫 度、熱風(fēng)爐內(nèi)熱風(fēng)溫度和混合區(qū)冷風(fēng)流量。選擇其中任何一個(gè)變量或多個(gè)變量作 為控制參數(shù)，都可以實(shí)現(xiàn)對熱風(fēng)爐出口溫度的控制。下面從可控性、合理性、經(jīng) 濟(jì)性等方面具體分析：當(dāng)選擇進(jìn)入熱風(fēng)爐冷風(fēng)溫度作為控制參數(shù)時(shí)，進(jìn)入熱風(fēng)爐冷風(fēng)溫度約 150-200C，找不到合適的方法來改變其溫度。當(dāng)選擇熱風(fēng)爐內(nèi)熱風(fēng)溫度作為控制參數(shù)時(shí)，而在熱風(fēng)爐對高爐進(jìn)行單爐 送風(fēng)時(shí)，熱風(fēng)爐處于送風(fēng)狀態(tài)，并不能對熱風(fēng)

13、爐進(jìn)行加熱，在送風(fēng)過程中，熱風(fēng) 爐內(nèi)溫度逐漸降低，所以無法控制熱風(fēng)爐內(nèi)的熱風(fēng)溫度，并且通過改變冷風(fēng)溫度 或者高爐內(nèi)的熱風(fēng)溫度來控制熱風(fēng)爐出口溫度時(shí)，控制通道長，滯后時(shí)間長，對 被控參數(shù)的校正作用不靈敏。當(dāng)選擇混合區(qū)的冷風(fēng)流量作為控制參數(shù)時(shí)，由混合調(diào)節(jié)閥控制混合區(qū)流 入的冷風(fēng)流量直接進(jìn)入混合區(qū)改變熱風(fēng)爐熱風(fēng)出口溫度，控制通道短、滯后時(shí)間 短、對被控參數(shù)的校正作用靈敏，而且干擾進(jìn)入系統(tǒng)的位置遠(yuǎn)離被控參數(shù)，所以 將混合區(qū)冷風(fēng)流量作為控制參數(shù)應(yīng)該是最佳選擇。2.3控制方案的確定2.3.1控制系統(tǒng)選擇控制方案主要取決于控制要求。根據(jù)工藝流程可知，要求控制系統(tǒng)的控制目 標(biāo)明確，控制要求比較簡單，被控過程純

14、延時(shí)和慣性小，負(fù)荷和擾動(dòng)變化比較平 緩，且控制系統(tǒng)是基于反饋條件下的。所以選擇單回路環(huán)控制系統(tǒng)足以滿足控制要求，且其結(jié)構(gòu)簡單，投資少，易于設(shè)計(jì)和控制。2.3.2控制規(guī)律選擇由控制要求可知，高爐煉鐵爐內(nèi)溫度的穩(wěn)定性要求熱風(fēng)爐熱風(fēng)出口溫度保持 穩(wěn)定，熱風(fēng)出口溫度控制滯后時(shí)間長，克服干擾能力要強(qiáng)PID控制規(guī)律也有加 強(qiáng)控制系統(tǒng)克服干擾的能力，使系統(tǒng)穩(wěn)定性提高；比例度減小，積分時(shí)間減小， 是系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生過度震蕩；容量滯后長、純滯后不長，無靜差的特點(diǎn)，所以選用 PID控制規(guī)律。2.3.3調(diào)節(jié)參數(shù)整定根據(jù)生產(chǎn)過程的工藝特點(diǎn)和現(xiàn)場條件，將控制系統(tǒng)搭建起來后才可以運(yùn)用合 適的工程整定方法來對調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行整

15、定。2.4控制系統(tǒng)設(shè)備選型2.4.1溫度傳感器及變送器選擇根據(jù)實(shí)際鋼鐵企業(yè)熱風(fēng)爐出口溫度可知，一般情況下：空、煤氣雙預(yù) 熱達(dá)到160 C以上，熱風(fēng)外送最高溫度可達(dá)1 225 C送風(fēng)溫度1250C，空、煤 氣雙預(yù)熱達(dá)到260 C以上，此時(shí)熱風(fēng)外送溫度最高可達(dá)1 275C ；熱風(fēng)爐以純高 爐煤氣為燃料，熱風(fēng)溫度可達(dá)1 250 C以上；考慮到高爐風(fēng)口設(shè)備承受能力等問 題，目前熱風(fēng)爐外送熱風(fēng)溫度平均1 206 C。熱風(fēng)爐拱頂溫度能達(dá)到1400C。由實(shí)際工藝要求可知，要求溫度傳感器能檢測到的溫度大約在0-1400C，精 度等級的要求為0.5級。根據(jù)查找資料可知，應(yīng)該采用熱電偶溫度計(jì)，結(jié)構(gòu)簡單、 性能穩(wěn)定

16、、測溫范圍寬、測量精度高、動(dòng)態(tài)性能好、容易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，其中鉑銠 熱電偶滿足條件，其技術(shù)參數(shù)圖2-1及所示。表2-1標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶技術(shù)數(shù)據(jù)熱電偶名稱分度號熱電偶識別E (100，0)(mV)測溫范圍(C)對分度表允許偏差極性識別長期短期等級使用溫度允差鉑銠10鉑S正亮白較硬0.646013001600600+0.25%t鉑銠30鉑B正較硬0.033016001800600 8004C負(fù)稍軟800+0.5%t綜上對比，應(yīng)該選用鉑銠10一鉑熱電偶傳感器，01300C就能滿足條件， 且亮白較硬適合于長期處在管道通風(fēng)環(huán)境，不宜變形。由于鉑銠10-鉑熱電偶的 輸出信號為mV級電信號，不能直接送入調(diào)節(jié)器，所以

17、選用DDZ-III型溫度變送 器則可以將熱電偶輸出的mV信號轉(zhuǎn)變?yōu)?-20mA或者1-5V的電信號供調(diào)節(jié)器 使用，而且DDZ-III型溫度變送器還能對熱電偶進(jìn)行有效的冷端補(bǔ)償，使測量變 送過程變得更容易控制。2.4.2執(zhí)行器選擇由于在整個(gè)控制系統(tǒng)中，執(zhí)行器安裝的位置在冷風(fēng)管道上，所處的環(huán)境不用 考慮防爆問題，所以可以選擇電動(dòng)式執(zhí)行器，這樣執(zhí)行器就可以直接接收調(diào)節(jié)器 發(fā)出的電信號。根據(jù)管路特性、生產(chǎn)規(guī)模及工藝要求，宜選用百分比流量特性的 調(diào)節(jié)閥；而具體的調(diào)節(jié)閥尺寸則要根據(jù)被控介質(zhì)流量大小及調(diào)節(jié)閥流通能力來選 擇。2.4.3調(diào)節(jié)器選擇根據(jù)工藝特點(diǎn)和控制精度要求，調(diào)節(jié)器應(yīng)采用PID控制規(guī)律，才能滿足

18、整 個(gè)控制系統(tǒng)的要求。理想PID控制器的運(yùn)算規(guī)律可以用公式2-1和2-2及所示：也可以用傳遞函數(shù)表示為 y = Kp (8+ j 8 dt + T 匕)(2-1)(2-2)八 d d.也可以用傳遞函數(shù)表示為W (s) 二 3)= Kp (1 + + T s) E (s)T s d調(diào)節(jié)器的作用方式要根據(jù)控制系統(tǒng)的負(fù)反饋原則來選定，故Kv為“+”；當(dāng) 混合調(diào)節(jié)閥開度增加時(shí)，混合區(qū)熱風(fēng)溫度下降，故被控對象的Ko為“一”；測 溫儀表的Km為“ + ”。為使組成系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)的靜態(tài)放大系數(shù)相乘為“ + ”調(diào) 節(jié)器的Kp應(yīng)為“一”，故調(diào)節(jié)器選用正作用方式。2.5繪制控制系統(tǒng)圖根據(jù)設(shè)計(jì)方案，熱風(fēng)爐熱風(fēng)溫度控制

19、流程及系統(tǒng)方框圖如下圖2-2和圖2-3 及所示。鼓風(fēng)機(jī)煉鐵高爐十廢煙氣BM焦?fàn)t煤氣 高爐煤氣 空氣圖2-2溫度流程圖圖2-3溫度控制系統(tǒng)框圖第3章設(shè)計(jì)總結(jié)為期兩周的過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)結(jié)束了，在這期間，通過老師不斷指導(dǎo)、 自己上網(wǎng)和翻閱相關(guān)書籍來查找資料，最后終于完成了本次課程設(shè)計(jì)任務(wù)。課程 設(shè)計(jì)是本科學(xué)習(xí)段一次非常難得的理論與實(shí)際相結(jié)合的機(jī)會(huì)，通過這次比較完整 且貼近實(shí)際生產(chǎn)的課程設(shè)計(jì)，鍛煉了我們綜合運(yùn)用了我們所學(xué)的基礎(chǔ)知識，解決 實(shí)際問題的能力，同時(shí)也提高了查閱文獻(xiàn)資料、對過程控制系統(tǒng)方面的能力，而 且教會(huì)了我們在面對一個(gè)項(xiàng)目時(shí)，對整體的掌控、對局部的取舍，應(yīng)該從一個(gè)大 的系統(tǒng)逐步縮小，最

20、后仔細(xì)到每個(gè)點(diǎn)上，都使我們的能力得到了鍛煉，經(jīng)驗(yàn)得到 了豐富。這些也都是我們學(xué)校安排課程設(shè)計(jì)的目的所在吧！上學(xué)期期末，雖然老師帶領(lǐng)我們?nèi)ド虾氫搶?shí)際的去實(shí)習(xí)了一周，聽了很多 的講座，具體的了解了特鋼、不銹鋼等生產(chǎn)工藝，也實(shí)地參觀了生產(chǎn)線。但通過 這次課程設(shè)計(jì)，我發(fā)現(xiàn)我們看到聽到的與實(shí)際動(dòng)手做是完全不同的兩件事，我們 已經(jīng)學(xué)過了熱工參數(shù)、傳感器、控制儀器儀表、過程控制系統(tǒng)等專業(yè)課，但還是 對書本上的知識理解的不夠深，掌握的不夠全面。比如工業(yè)生產(chǎn)我們到底要控制 些什么、哪些量具有可控性、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮哪些因素。通過這次實(shí)際的 設(shè)計(jì)，我學(xué)會(huì)了我們所學(xué)的知識與實(shí)際生產(chǎn)哪些有聯(lián)系、我們在哪些方面還存在 不足、我們以后的一年中該怎樣規(guī)劃安排自己的時(shí)間去學(xué)習(xí)相關(guān)知識。此外，我 們還學(xué)會(huì)了怎樣查閱文獻(xiàn)資料，怎樣去篩選其中對我們有用的資料，因?yàn)檎n程設(shè) 計(jì)中需要親手畫控制流程圖，我們學(xué)會(huì)了 CAD制圖、VISO、WORD等軟件， 這對我們接下來的兩個(gè)