热风炉出口温度控制系统

1、内蒙古科技大学过程控制工程课程设计说明书题目：热风炉出口温度控制系统设计学生姓名：谢作全学 号：0967112227专 业：测控技术与仪器班 级：2009-2 指导教师：李忠虎前言1996年中国生铁产量突破1亿吨，此后连续10年生铁产量居世界第一，高炉 部分经济技术指标接近或达到了世界先进水平我国高炉生产各方面取得了显著 进步，但在资源和能源利用率、高炉大型化、提高产业集中度以及环保等方面还 有很大差距，有待进一步提高，努力向钢铁强国迈进。影响高炉炼铁产量的主要 因素有送风系统的送风量，喷吹系统的煤粉、重油、天然气等，高炉煤气的含尘 量，上料系统的上料量。任何一个系统都对高炉炼铁及其重要，改变

2、任何一个系 统的量，都可以改变高炉炼铁的产量。高炉热风炉是给高炉燃烧提供热风以助燃的设备，是一种储热型热交换器. 国内大部分高炉均采用每座高炉带3至4台热风炉并联轮流送风方式，保证任何 瞬时都有一座热风炉给高炉送风，而每座热风炉都按：燃烧-休止-送风-休止-燃 烧的顺序循环生产.当一座或多座热风炉送风时，另外的热风炉处于燃烧或休止 状态.送风中的热风炉温度降低后，处于休止状态的热风炉投入送风，原送风热风 炉即停止送风并开始燃烧，蓄热直至温度达到要求后，转入休止状态等待下一次 送风.热风炉是一个非线性的，大滞后系统，影响热风炉的因素有很多，并且各种 因素相互牵制，因此导致它的控制过程非常复杂,很

3、难用精确的数学模型描述.用 传统的方法建模，使整个控制系统置于模型框架下，缺乏灵活性及应变性,很难胜 任对复杂系统的控制. TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 第1章高炉炼铁简介1 HYPERLINK l bookmark13 o Current Document 1.1高炉炼铁原理1 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 1.2高炉炼铁工艺过程2 HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 1.3高炉炼铁主要设备简介2 HYPERL

4、INK l bookmark23 o Current Document 1.4热风炉生过程概况及出口温度控制实际意义3 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 第2章 热风炉出口温度控制系统设计5 HYPERLINK l bookmark33 o Current Document 2.1被控参数选择5 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 控制参数选择5控制方案的确定52.3.1控制系统选择5 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 2.3.2控制规律选择6 H

5、YPERLINK l bookmark49 o Current Document 2.3.3调节参数整定62.4控制系统设备选型62.4.1温度传感器及变送器选择6 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 2.4.2执行器选择7 HYPERLINK l bookmark59 o Current Document 2.4.3调节器选择7 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 2.5绘制控制系统方框图8 HYPERLINK l bookmark65 o Current Document 第3章设计总结10 H

6、YPERLINK l bookmark68 o Current Document 参考文献12第1章高炉炼铁简介1.1高炉炼铁原理高炉炼铁的本质是铁的还原过程，即焦炭做燃料和还原剂，在高温下将铁矿 石或含铁原料的铁，从氧化物或矿物状态（如FeO3、Fe3O4、Fe2SiO4、Fe3O4TiO2 等）还原为液态生铁。1.2高炉炼铁工艺过程高炉生产是连续进行的。一代高炉（从开炉到大修停炉为一代）能连续生产 几年到十几年。冶炼过程中，炉料（矿石、熔剂、焦炭）按照确定的比例通过装 料设备分批地从炉顶（一般炉顶是由料种与料斗组成，现代化高炉是钟阀炉顶和 无料钟炉顶）装入炉内。从下部风口鼓入的高温热风（1

7、0001300摄氏度）与 焦炭发生反应，产生的高温还原性煤气上升，并使炉料加热、还原、熔化、造渣， 产生一系列的物理化学变化，最后生成铁水，铁水从铁口放出；液态渣、铁聚集 于炉缸，周期地从高炉出铁口和出渣口分别排出；上升过程中，煤气流温度不断 降低，成分逐渐变化，最后形成高炉煤气从炉顶排出。经除尘后，作为工业用煤 气。现代化高炉还可以利用炉顶的高压，用导出的部分煤气发电。主要工艺过程 如图1-1和图1-2及所示。煤气水渣渣 棉绝热材料 I建筑材料图1-1ikf *净煤气其它用途高炉炼铁生产工艺简介图铁熔焦矿石剂炭*上料机BFG储槽洗涤器鼓风机热风炉,烟囱配料间冷空气lumppr无钟罩炉顶出铁口

8、调湿系统炉顶回收电n鼓风嘴高炉主输.鱼雷车图1-2高炉作业流程图1.3高炉炼铁主要设备简介高炉炼铁的五大系统如图及所示。（1）送风系统：（2）铁渣处理系统（3）喷吹系统（4）煤气系统（5）上料 系统二.净煤气矿石焦炭炉渣铁水高炉及附属系统1.4热风炉生过程概况及出口温度控制实际意义1.4.1生产工艺热风炉炉内砌有许多格子砖，对热风炉的加热，也就是加热这些格子砖， 在加热期间也就称为“燃烧状态”进入炉内的煤气和助燃空气混合燃烧，燃烧 后热气到达拱顶，然后通过这些格子砖储存热能。加热后的废气从热风炉的烟道 排出。当热风炉被加热到一定温度，结束燃烧状态，准备向高炉送热风，也就是 切换到“送风状态”。

9、在送风过程中，冷风通过格子砖反向吹入。砖的热量传 给流过的空气，被加热后的空气称为热风，通过环管送入高炉。热风炉主要有三种工作状态:即燃烧状态，送风状态和闷炉工作状态.热风炉燃烧状态热风炉处于燃烧状态时,通过热风炉煤气管道和助燃空气管道向热风炉送 高炉煤气和助燃空气，高炉煤气和助燃空气燃烧产生热烟气使热风炉蓄热；热风 炉处于燃烧状态时，其废气阀,烟道阀，助燃空气燃烧阀，高炉煤气燃烧阀，高炉煤 气切断阀等阀均处于开启状态，其它各阀(切断阀)均处于关闭状态.热风炉送风状态热风炉处于送风状态时，向燃烧结束蓄有一定热量的热风炉送入冷风，冷风经热 风炉加热后再送入高炉.热风炉处于送风状态时，其冷风阀，热

10、风阀，冷风充压阀 等处于开启状态，其它各阀(切断阀)均处于关闭状态.热风炉闷炉状态热风炉处于闷炉状态时，为保持温度，热风炉所有的阀门均处于关闭状态.热风炉工作状态的转换热风炉处于上述三种状态之间的转换过程定义为换炉过 程.在热风炉的操作过程中最基本的工作过程是换炉.换炉时，应保证整个热风炉 系统不间断的向高炉送风，并应尽量使进入高炉的风量,风压波动很小，还要注意 煤气安全.热风炉工作状态改变周期顺序如下:燃烧休止送风休止热风炉出口温度控制实际意义热风炉是炼铁生产过程中的重要设备,其燃烧控制的好坏，将直接影响风温 的高低在高炉炼铁的生产过程中，需要向高炉鼓入大量的高温空气，促进和改 善冶炼过程。

11、热风炉的作用就是加热进入高炉的空气，创建和维持高炉内部良好 的冶炼环境，将铁矿石还原为铁水。在高炉炼铁的生产过程中，使用高风温又是 热量的一个重要来源。高炉生产的技术提高和鼓风温度的提高有着密切的关系， 高风温可以强化高炉冶炼，是冶炼过程中非常活跃的因素，根据燃烧室温度变化, 快速寻优空燃比例系数。有效控制调节阀动作，实现煤气与助燃风流量的精确快 速调节与控制第2章热风炉出口温度控制系统设计2.1被控参数选择根据工艺要求，深入分析工艺过程，找出对产品的质量和产量、安全运行、 经济运行、环境环保等具有决定性作用并且可直接测量的工艺参数作为被控参 数，构成过程控制系统。由于热风炉出口温度直接决定了

12、高炉炼铁生产出来的钢 铁质量和产量、高炉炼铁的稳定性、经济性、环保性；温度也比较好测量与控制， 所以，选择送入高炉的热风温度为被控参数。2.2控制参数选择根据工艺过程可知，影响热风炉出口温度的主要因素包括进入热风炉冷风温 度、热风炉内热风温度和混合区冷风流量。选择其中任何一个变量或多个变量作 为控制参数，都可以实现对热风炉出口温度的控制。下面从可控性、合理性、经 济性等方面具体分析：当选择进入热风炉冷风温度作为控制参数时，进入热风炉冷风温度约 150-200C，找不到合适的方法来改变其温度。当选择热风炉内热风温度作为控制参数时，而在热风炉对高炉进行单炉 送风时，热风炉处于送风状态，并不能对热风

13、炉进行加热，在送风过程中，热风 炉内温度逐渐降低，所以无法控制热风炉内的热风温度，并且通过改变冷风温度 或者高炉内的热风温度来控制热风炉出口温度时，控制通道长，滞后时间长，对 被控参数的校正作用不灵敏。当选择混合区的冷风流量作为控制参数时，由混合调节阀控制混合区流 入的冷风流量直接进入混合区改变热风炉热风出口温度，控制通道短、滞后时间 短、对被控参数的校正作用灵敏，而且干扰进入系统的位置远离被控参数，所以 将混合区冷风流量作为控制参数应该是最佳选择。2.3控制方案的确定2.3.1控制系统选择控制方案主要取决于控制要求。根据工艺流程可知，要求控制系统的控制目 标明确，控制要求比较简单，被控过程纯

14、延时和惯性小，负荷和扰动变化比较平 缓，且控制系统是基于反馈条件下的。所以选择单回路环控制系统足以满足控制要求，且其结构简单，投资少，易于设计和控制。2.3.2控制规律选择由控制要求可知，高炉炼铁炉内温度的稳定性要求热风炉热风出口温度保持 稳定，热风出口温度控制滞后时间长，克服干扰能力要强PID控制规律也有加 强控制系统克服干扰的能力，使系统稳定性提高；比例度减小，积分时间减小， 是系统不会产生过度震荡；容量滞后长、纯滞后不长，无静差的特点，所以选用 PID控制规律。2.3.3调节参数整定根据生产过程的工艺特点和现场条件，将控制系统搭建起来后才可以运用合 适的工程整定方法来对调节器的参数进行整

15、定。2.4控制系统设备选型2.4.1温度传感器及变送器选择根据实际钢铁企业热风炉出口温度可知，一般情况下：空、煤气双预 热达到160 C以上，热风外送最高温度可达1 225 C送风温度1250C，空、煤 气双预热达到260 C以上，此时热风外送温度最高可达1 275C ；热风炉以纯高 炉煤气为燃料，热风温度可达1 250 C以上；考虑到高炉风口设备承受能力等问 题，目前热风炉外送热风温度平均1 206 C。热风炉拱顶温度能达到1400C。由实际工艺要求可知，要求温度传感器能检测到的温度大约在0-1400C，精 度等级的要求为0.5级。根据查找资料可知，应该采用热电偶温度计，结构简单、 性能稳定

16、、测温范围宽、测量精度高、动态性能好、容易维护等优点，其中铂铑 热电偶满足条件，其技术参数图2-1及所示。表2-1标准化热电偶技术数据热电偶名称分度号热电偶识别E (100，0)(mV)测温范围(C)对分度表允许偏差极性识别长期短期等级使用温度允差铂铑10铂S正亮白较硬0.646013001600600+0.25%t铂铑30铂B正较硬0.033016001800600 8004C负稍软800+0.5%t综上对比，应该选用铂铑10一铂热电偶传感器，01300C就能满足条件， 且亮白较硬适合于长期处在管道通风环境，不宜变形。由于铂铑10-铂热电偶的 输出信号为mV级电信号，不能直接送入调节器，所以

17、选用DDZ-III型温度变送 器则可以将热电偶输出的mV信号转变为4-20mA或者1-5V的电信号供调节器 使用，而且DDZ-III型温度变送器还能对热电偶进行有效的冷端补偿，使测量变 送过程变得更容易控制。2.4.2执行器选择由于在整个控制系统中，执行器安装的位置在冷风管道上，所处的环境不用 考虑防爆问题，所以可以选择电动式执行器，这样执行器就可以直接接收调节器 发出的电信号。根据管路特性、生产规模及工艺要求，宜选用百分比流量特性的 调节阀；而具体的调节阀尺寸则要根据被控介质流量大小及调节阀流通能力来选 择。2.4.3调节器选择根据工艺特点和控制精度要求，调节器应采用PID控制规律，才能满足

18、整 个控制系统的要求。理想PID控制器的运算规律可以用公式2-1和2-2及所示：也可以用传递函数表示为 y = Kp (8+ j 8 dt + T 匕)(2-1)(2-2)八 d d.也可以用传递函数表示为W (s) 二 3)= Kp (1 + + T s) E (s)T s d调节器的作用方式要根据控制系统的负反馈原则来选定，故Kv为“+”；当 混合调节阀开度增加时，混合区热风温度下降，故被控对象的Ko为“一”；测 温仪表的Km为“ + ”。为使组成系统的各环节的静态放大系数相乘为“ + ”调 节器的Kp应为“一”，故调节器选用正作用方式。2.5绘制控制系统图根据设计方案，热风炉热风温度控制

19、流程及系统方框图如下图2-2和图2-3 及所示。鼓风机炼铁高炉十废烟气BM焦炉煤气 高炉煤气 空气图2-2温度流程图图2-3温度控制系统框图第3章设计总结为期两周的过程控制系统课程设计结束了，在这期间，通过老师不断指导、 自己上网和翻阅相关书籍来查找资料，最后终于完成了本次课程设计任务。课程 设计是本科学习段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整 且贴近实际生产的课程设计，锻炼了我们综合运用了我们所学的基础知识，解决 实际问题的能力，同时也提高了查阅文献资料、对过程控制系统方面的能力，而 且教会了我们在面对一个项目时，对整体的掌控、对局部的取舍，应该从一个大 的系统逐步缩小，最

20、后仔细到每个点上，都使我们的能力得到了锻炼，经验得到 了丰富。这些也都是我们学校安排课程设计的目的所在吧！上学期期末，虽然老师带领我们去上海宝钢实际的去实习了一周，听了很多 的讲座，具体的了解了特钢、不锈钢等生产工艺，也实地参观了生产线。但通过 这次课程设计，我发现我们看到听到的与实际动手做是完全不同的两件事，我们 已经学过了热工参数、传感器、控制仪器仪表、过程控制系统等专业课，但还是 对书本上的知识理解的不够深，掌握的不够全面。比如工业生产我们到底要控制 些什么、哪些量具有可控性、控制系统设计需要考虑哪些因素。通过这次实际的 设计，我学会了我们所学的知识与实际生产哪些有联系、我们在哪些方面还存在 不足、我们以后的一年中该怎样规划安排自己的时间去学习相关知识。此外，我 们还学会了怎样查阅文献资料，怎样去筛选其中对我们有用的资料，因为课程设 计中需要亲手画控制流程图，我们学会了 CAD制图、VISO、WORD等软件， 这对我们接下来的两个