热风炉燃烧比值控制系统的设计

PAGE课程设计任务书学生姓名：专业班级：自动化0905班指导教师：工作单位：自动化学院题目:热风炉燃烧比值控制系统的设计初始条件：炼钢高炉采用内燃式热风炉,燃烧所采用的燃料为高炉煤气和转炉煤气。两种燃料混合后进入热风炉燃烧室,再与助燃空气一起燃烧,为了使燃烧达到最高效率，要求燃料和助燃空气按7％的比值送向热风炉燃烧，使热风温度达到1150要求完成的主要任务:1、了解内燃式热风炉工艺设备2、绘制内燃式热风炉比值控制系统方案图3、确定系统所需检测元件、执行元件、调节仪表技术参数4、撰写系统调节原理及调节过程说明书时间安排1月2日选题、理解课题任务、要求

1月3日方案设计

1月4日-10日参数计算、撰写说明书

1月11日答辩指导教师签名：年月日系主任（或责任教师）签名：年月日PAGEII摘要内燃式热风炉是一种传统的加热鼓风的设备，它在传统内燃式热风炉的基础上进行了一些技术改造。通过长时间的生产实践，人们已经认识到，只有利用热风作为介质和载体才能更大地提高热利用率和热工作效果。传统电热源和蒸汽热动力在输送过程中往往配置多台循环风机，使之最终还是间接形成热风进行烘干或供暖操作。这种过程显然存在大量浪费能源及造成附属设备过多、工艺过程复杂等诸多缺点。在配料过程中对生产产品的各种原料的比值进行控制显得尤为重要，常用比值控制来解决此类问题。比值控制的目的就是为了实现使几种物料混合符合一定比例关系，使生产能安全正常进行。本次课程设计系统采用了比值控制中的串级比值控制，通过微机控制热风炉拱顶温度和煤气流量，使系统能够很好的保持拱顶温度和高炉送风温度，并通过废气中的含氧量调节燃空比的大小达到设计要求的7％。本次课程设计利用了比值控制系统中串级比值控制原理，通过串级控制原理控制温度从而达到需要的温度，通过比值控制燃料与助燃空气的物料比例。在系统中本次设计还介绍了主系统结构，确定系统所需检测元件、执行元件、调节仪表技术参数，选择调节器的调节原理等内容。关键字：热风炉；比值控制；串级ABSTRACTInternalcombustionstoveisakindoftraditionalblastheater,whichiscarriedoutbasedonsometechnicalreformationinthetraditionalinternalcombustionstove.Throughlongtimepractice,ithasbeenrecognized,onlyusingairasmediumandcarriercangreatlyimprovetheheatutilizationrateandthermaleffect.Thetraditionalelectricheatsourceandsteamheatpowerintheprocessofconveyingareoftenmultiplecirculatingfan,Thefinalorindirectlyformedhotairdryingorheatingoperation.Thisprocessisobviouslywithmanydisadvantagesincludingalotofwasteofenergyandancillaryequipment,morecomplicatedprocess.Intheprocessofproductionofproductingredientsofvariousrawmaterialsratiocontrolisparticularlyimportant,commonratiocontroltosolvethiskindofproblem.Ratiocontrolinordertomakeseveralmaterialmixedwithcertainproportion,sothatproductioncanbesafeandnormal.Thecurriculumdesignsystemusesratiocontrolincascaderatiocontrol，throughthecomputercontrolofhotblaststovedometemperatureandgasflow,enablesthesystemtomaintainagoodarchtemperatureandblastfurnaceairtemperature.Andthroughtheexhaustgasoxygenintheregulationofairfuelratioofthesizetomeetthedesignrequirementsofthe7%.Thiscourseisdesignedtousethecascaderatiocontrolprincipleinratiocontrolsystem.Throughthecascadecontroloftheprincipleoftemperature,andthroughtheratiocontrolprincipletofuelandcombustionairmaterialratio.Thecurriculumdesignalsointroducedthemainstructureofthesystem,alsodeterminedthesystemrequiredforthedetectionelement,actuator,controlinstrumenttechnicalparameters,selectionofregulatorforregulatingprincipleetc.Keyword:Hotblaststove;Ratiocontrol;Cascade武汉理工大学《调节仪表与过程控制系统》课程设计说明书PAGEIII目录1内燃式热风炉的工艺设备 12比值控制系统概述 22.1比值控制系统定义 22.2比值控制原理 22.3比值控制系统特点 22.4比值控制系统的类型 22.4.1开环比值控制系统 32.4.2单闭环比值控制系统 32.4.3双闭环比值控制系统 32.4.4串级比值控制系统 33热风炉燃烧比值控制系统的设计 43.1热风炉燃烧比值控制系统原理图 43.2热风炉燃烧比值控制系统方框图 54控制器的选择 64.1执行机构的选择 64.2微型计算机的选择 65元件选择 85.1温度传感器及变送器 85.2流量测量仪表 86热风炉燃烧控制方案 96.1热风炉燃烧过程 96.2热风炉最优燃烧条件 96.3烟气含氧量串级比值控制 107系统的调节及抗干扰过程 117.1调节过程及调节器技术参数整定 117.2抗干扰过程 128小结心得 139参考文献 14本科生课程设计成绩评定表武汉理工大学《调节仪表与过程控制系统》课程设计说明书PAGE14热风炉燃烧比值控制系统的设计1内燃式热风炉的工艺设备内燃式热风炉是将鼓风机送出的冷风加热成热风的设备，它的原理是借助煤气燃烧将热风炉格子砖烧热，然后再将冷风通入格子砖。冷风被加热并通过热风管道送往高炉。本次课程设计中使用的是双球形内燃式热风炉。传统内燃式热风炉及主要组织部分包括燃烧室和蓄热室两大部分，并由炉基、炉底、炉衬、炉箅子、支柱等构成。热风炉主要尺寸决定于高炉有效容积、冶炼强度要求的风温。氧气顶吹转炉炼钢设备工艺，按照配料要求，先把废钢等装入炉内，然后倒入铁水，并加入适量的造渣材料（如生石灰等）。加料后，把氧气喷枪从炉顶插入炉内，吹入氧气（纯度大于99％的高压氧气流），使它直接跟高温的铁水发生氧化反应，除去杂质。用纯氧代替空气可以克服由于空气里的氮气的影响而使钢质变脆，以及氮气排出时带走热量的缺点。在除去大部分硫、磷后，当钢水的成分和温度都达到要求时，即停止吹炼，提升喷枪，准备出钢。出钢时使炉体倾斜，钢水从出钢口注入钢水包里，同时加入脱氧剂进行脱氧和调节成分。钢水合格后，可以浇成钢的铸件或钢锭，钢锭可以再轧制成各种钢材。氧气顶吹转炉在炼钢过程中会产生大量棕色烟气，它的主要成分是氧化铁尘粒和高浓度的一氧化碳气体等。因此，必须加以净化回收，综合利用，以防止污染环境。从回收设备得到的氧化铁尘粒可以用来炼钢；一氧化碳可以作化工原料或燃料；烟气带出的热量可以副产水蒸气。2比值控制系统概述在各种生产过程中，经常遇到生产工艺要求两个或两个以上参数成一定的比例关系，一旦比例失调，就会影响生产的正常运行。例如在锅炉的燃烧系统中，要保持送进炉膛的风量和燃料成一定的比例，以保证燃烧的经济性。为此，我们引入比值控制系统。2.1比值控制系统定义在过程控制中，实现两个或两个以上参数符合一定比例关系的控制系统，称为比值控制系统。通常以保持两种或几种物料的流量为一定比例关系的系统，称之流量比值控制系统，这种控制方式在化工、制药领域中大量存在。2.2比值控制原理最常见的比值控制过程是燃烧过程，燃料与空气要保持一定的比例关系，才能满足生产和环保的要求。通常，在两个需要保持一定比例关系的物料中，一个是主动量或关键量Q1，另一个是从动量或辅助量Q2。Q1与Q2之间的关系为Q2＝KQ1（2-1）式中，K为比值系数。因此，只要主副流量的给定值保持比值关系，或者副流量给定值随主流量按一定比例关系而变化即可实现比值控制。2.3比值控制系统特点比值控制系统的特征:是实现两个或两个以上物料保持一定比例关系。1.主物料，也称为主动量:在要保持一定比例关系的物料中，把起主导作用的物料，称为主物料（主动量），因为在过程控制中经常保持比例的参数是流量，故常用Q1表示。2.从物料，也称为从动量:另一种随主物料的变化而成比例地变化的物料称为从物料（从动量），常用Q2表示。2.4比值控制系统的类型根据生产过程中工艺容许的负荷、干扰、产品质量等要求不同，实际采用的比值控制方案也不同。比值控制系统按比值的特点可分为定比值和变比值控制系统。比值控制系统按结构特点可分为简单比值和复杂比值控制系统。凡构成一个闭环以下的比值控制系统称为简单比值控制系统；凡构成两个闭环以上的比值控制系统称为复杂比值控制系统。比值控制系统可笼统分为：开环比值控制系统、单闭环比值控制系统、双闭环比值控制系统、串级比值控制系统等。2.4.1开环比值控制系统开环比值控制系统是结构最简单的比值控制系统，其中FT为检测变送器，FC为比值控制器。当系统处于稳定工作状态时，两物料的流量满足比值关系。当从动量受到外界干扰（如温度、压力扰动）波动时，由于是开环控制，没有调节从动量自身波动的环节，也没有调整主动量的环节，故两种物料的比值关系很难保持不变，系统对此无能为力。2.4.2单闭环比值控制系统单闭环比值控制系统是在开环比值控制系统上增加对副物料的闭环控制回路，用以实现主、副物料的比值保持不变。该系统能确保主、副两个流量的比值不变，同时，系统的结构又较简单，方案实现起来方便,仅用一台比值器或比例调节器即可，但是无法控制主物料的流量不变，因此，对生产过程的生产能力没有进行控制。2.4.3双闭环比值控制系统为了克服单闭环比值控制系统中主动量不受控制而产生的系统生产能力“失控”状况，在单闭环比值控制的基础上，对主动量也设置了一个闭环回路，构成对主、副物料流量都进行控制的双闭环比值控制系统。双闭环控制中，主动量控制回路是一定值控制系统，而从动量控制回路是一个随动控制系统。和单闭环比值控制系统相比，双闭环比值控制系统的突出优点：控制系统更为稳定、系统更易于调节。2.4.4串级比值控制系统单闭环比值控制和双闭环比值控制是实现两种物料流量间的定比值控制，在系统运行过程中其比值系数是不变的。在有些生产过程中，要求两种物料流量的比值随第三个参数的需要而变化，为此可以设计成串级比值控制系统。在串级比值控制系统中流量比值是用第三个参数来自动校正的。流量比值只是一个控制手段，不是最终目的。主参数往往是衡量质量的最终指标，因此这种系统对比值的要求大为降低，具有按主参数反馈自动校正比值系数的优点。3热风炉燃烧比值控制系统的设计为了使燃烧达到最高效率，要求燃料和助燃空气按7％的比值送向热风炉燃烧，使热风温度达到1150℃。为了同时满足上述两个条件，需要在比值控制的基础上再通过串级控制使热风温度达到11503.1热风炉燃烧比值控制系统原理图本次课程设计中采用比值控制系统中的串级比值控制系统来设计所需系统，以拱顶温度作为主被控对象，煤气流量作为副被控对象，然后再通过比值调节器控制助燃风支管流量调节阀门的开度，从而实现煤气量与空气量的比值控制。热风炉燃烧比值控制系统的原理图如图3-1所示。图3-1热风炉燃烧比值控制系统原理图在图3-1中，F1T与F2T是流量变送器，用于检测物料流量的；F1C和F2C是流量控制器，用于对燃料的流量进行控制；TC是温度控制器，用于控制温度的；TT是温度变送器，用于检测内燃式热风炉的热风的温度。通过各个器件的相互配合来实现本次课程设计的要求。3.2热风炉燃烧比值控制系统方框图热风炉燃烧比值控制系统的方框图如图3-1所示。图3-2热风炉燃烧比值控制系统方框图在此拱顶温度控制系统中，以拱顶温度为主被控对象，煤气流量为副被控对象；主被控参数的信号送往主控制器控制煤气切断阀的开度，同时副被控参数的检测信号乘以一定的系数作比值调节器基准，其输出值作为助燃风流量流量给定，控制助燃风支管流量调节阀门的开度，实现煤气量和空气量的比值控制。可见，串级控制与比值控制的结合可以很好地同时满足温度的控制与物流流量间的比值的控制。在应用中常需要两种或两种以上的物料保持一定的比例关系，比例一旦失调，将影响生产或造成事故。例如，在煤气燃烧过程中，要求煤气与助燃空气按一定配比供入燃烧室。若助燃空气输入不足，煤气得不到充分燃烧，降低了燃烧效率，造成能源浪费，环境污染，还有可能导致环境中大量煤气积存而成为事故隐患；若助燃空气过量，过剩空气又将大量热量以废气形式排放，造成热能的大量浪费。4控制器的选择4.1执行机构的选择由于本次课程设计选用的是热风炉，选择流量控制器作为执行机构，从而通过对燃料与空气的物料比值的实时控制来控制内燃式热风炉的热风的温度，热风的温度才是最终的被控参数。PLC控制器输出的数字量经过D/A转换成刘控制器可识别的模拟电压信号后，根据不同的电流值，再通过相应的模块输出相应的电压值来控制电阻丝两端的电压值，从而达到调节温度的目的。4.2微型计算机的选择工业中常用的控制器有工业控制计算机、单片机和可编程控制器等。与其它几种控制器相比较，可编程控制器是综合了计算机技术、自动化技术与继电器逻辑控制概念而开发的一代新型工业控制器，是专为工业环境应用而设计的。它可以取代传统的继电器完成开关量的控制，比如，将行程开关、按钮开关、无触点开关或敏感元器件作为输入信号，输出信号可控制电动阀门、开关、电磁阀和步进电机等执行机构。它采用可编程的存储器，在其内部存储，执行逻辑运算，顺序控制、定时计数和算术运算等操作的指令，通过数字式、模拟式的输入和输出控制各种类型的机械和生产过程实现自动化。工业控制采用PLC，显示了突出的优越性，因它可对用户提出的生产控制要求和意见，能方便地在现场进行程序修改和调试，使系统的灵活性大大增强。内部的软继电器使系统在控制中能严格地起到互锁作用，增加了系统的可靠性，简化设备，维修方便。而且，随着PLC的发展，在硬件、软件方面都会有更先进的计数出现。针对系统的特点，分析各控制器的优缺点，采用PLC作为本次设计的控制器。具体比较如下：首先，PLC和PC控制相比,具有以下优点：(1)对低端应用,PLC具有极大的性能价格比优势.工控机的价格较高,将它用于小型开关量控制系统以取代继电器控制,无论是在体积和价格上都很难接受,可靠性也远不如PLC。(2)PLC的可靠性无可比拟,故障停机时间最少.基本WindowsNT/2000/XP操作系统的IPC控制系统,在实时任务处理,长期稳定运行,抗病毒和恶意攻击等方面还存在较大的问题.IPC控制系统在可靠性和安全性等方面还未获得广泛的认同。(3)PLC是专为工厂现场应用环境设计的,结构上采取整体密封或插件组合型,对印制板,电源,机架,插座的制造和安装,均采取了严密的措施。(4)PLC是使用专门为工业设计的编程语言,这些语言简单易学.工控机如果用VB,VC等语言来编程,需要花更多时间来学习,编程的效率也没有PLC高.如果使用Windows操作系统，其稳定性远远不如PLC,时间控制精度也较差。(5)与PC机发展太快相比,PLC产品可以长期供货,并提供长期的技术支持。(6)PLC有庞大的有经验的设计人员,维护人员和技术支持系统。其次，与单片机相比，具有以下优点：(1)由专业大公司精心设计的硬件和软件系统，功能强大、可靠性好。(2)编程方法简单易学，即使是不熟悉电脑的工程师也可以用它开发复杂的控制系统。(3)抗干扰能力强，适用于环境恶劣的工业控制场合。(4)有丰富的扩展模块和联网能力，可以做成大型复杂的工业控制系统。再次，目前在张力、速度、液位特别是温度等过程控制中，经常使用温控器等专用控制器或用户自制设备。这些控制器虽然使用和设置比较简单且控制针对性强，但是用途比较单一，控制范围有限，同时用户自身的经验技巧不易应用到其中。近年来，随着技术的发展，PLC的处理速度越来越快，功能也越来越丰富。因此，采用PLC进行PID控制可以逐渐取代一些传统的控制手段。就以温度为例，可以比较出采用PLC的优点。通常所使用的温度控制器适用于单纯的单回路温度控制，而PLC可以实现多回路的整体控制，相比主要有以下的特点：在多点加热时，可以错开加热导通时序，避免同时导通引起的大电流;在控制过程中可以自由简便地修改设定值及其它参数；可以定时自动执行所需的控制曲线；可以使用相位控制，降低冲击电流、峰值电流，减少加热器频繁冷热变化引起的热压力；可以同时控制系统或机械中的其它动作；可以实现多种报警功能等等。最初的PLC主要是用于取代继电器进行顺序控制，其后又逐步扩充了数值运算、模拟量、电机控制、网络通信。从发展趋势看，PID控制特别是温度控制将是今后PLC应有的功能。综上，针对系统的工艺机构及要求，最后选择了小型机CPM2A系列PLC，具体型号为CPM2A-40CDR-A，I/O点数为40，电源类型为AC，输出方式为继电器输出型。5元件选择5.1温度传感器及变送器热风炉控制系统对温度要求很高，过高或过低都会影响炼钢的效果，因此必须准确测出各点温度进行适当处理。热电偶能把温度信号转为电信号，以便于远传和实现多点切换，应用广泛。其测量范围一般为0～1800℃，它具有感温接触块、动作响应快等特点。热电阻是输出型感温元件，其测量范围在中低温度（-200～650℃），价格便宜，但不能用于点区域测量，可以用来测量一些低温且要求精度不高的温度检测点。本设计系统主要用来测量以下温度，参数如下拱顶温度范围0～1700℃；正常温度1610℃送风温度范围0～1700℃；正常温度1550℃热电偶是由两种不同成分的导体两端连接合成回路时，当两接合点温度不同时，就会在回路内产生热点流。如果热电偶的工作端与参比端存在温差时，显示仪表就会批示出热电偶产生的热电势所对应的温度差。本设计中测量拱顶温度选用的热电偶为WRR-120B，铂铑30-铂铑6，基本误差为±2.5℃，L=1500mm，I=1000mm。送风温度选用热电偶为WRR-120B，L=1500mm，I=750mm。温度测量选用的温度变送单元已包含在PLC功能模块中，不需另行选择。`5.2流量测量仪表目前常用的流量测量仪表主有孔板、喷嘴及文丘里管等流件及涡街流量计、涡轮流量计、电磁流量计等流量计。此次设计中只有煤气、助燃空气、冷风需测量，可采用涡街、涡轮、孔板等。由于孔板经济适用，因此采用孔板实现。冷风流量的测量采用差压变送器与标准孔板配套，测量范围为0～6.0KPa，输出信号4～20mADC,型号为PMD235—KB4D2EB1C[GT]。煤气流量及助燃空气流量的测量采用差压变送器与标准孔板配套，测量范围为0～4.0KPa，输出信号为4～20mADC，型号为PMD235—KB4D2EB1C[GT]。6热风炉燃烧控制方案到目前为止，我国的许多热风炉，尤其是中小型热风炉的燃烧控制仍然采用手工控制，有操作人员来调节空气、煤气的比例来烧炉。整个燃烧过程都要考操作人员根据温度监测仪表的显示结合自己的实际经验来判断这样燃烧很难达到最优化，而且煤气的压力和成分会经常产生波动，难以及时的调节，且导致操作频繁，加大劳动人员的劳动强度，所以手工控制燃烧的热风炉很难实现合理的燃烧。如何使热风炉最有燃烧，是热风炉获得高风温的同时，消耗能源最少的最重要的屏障。6.1热风炉燃烧过程燃烧过程对应着蓄热室的蓄热过程，它分为加热期和拱顶温度管理期。在加热期，蓄热室拱顶的温度很低，废气的热量大部分被拱顶吸收，拱项的温度上升迅速，蓄热室中下部温度则上升缓慢。当拱顶温度上升到一定值后，需要保持拱顶温度维持在这个定值，此时拱顶几乎不再吸收废气的热量，而废气的热量主要被蓄热室中下部所吸收。从废气管道排出的废气，它的温度比较低时，说明热风炉的热交换效率比较高，反之，热交换效率比较低。因此，在拱项温度达到一定值后，合理控制废气的温度上升速率对热风炉的燃烧显得尤其重要。6.2热风炉最优燃烧条件合理的空燃比是实现最优燃烧的关键，因而在应用中常需要两种或两种以上的物料保持一定的比例关系，比例一旦失调，将影响生产或造成事故。在煤气燃烧过程中，要求煤气与助燃空气按一定配比供入燃烧室。如果空燃比过大时，将会以大量废气的形式排出，带走更多的热量，增大热损失，同时污染环境；当空燃比过小时，空气量不足，煤气过剩，煤气不能完全燃烧，不仅浪费煤气，造成热量损失，环境污染，还有可能导致环境中大量煤气积存而成为事故隐患。只有当空燃比在一定的范围时，才能够达到最优燃烧，获得最高的燃烧温度和热效率。热风炉在燃烧期首要目的就是要向热风炉存储足够的热量，特别对提高风温起重要作用的高温热源，这就要尽量提高燃料燃烧时的火焰温度，另外还要尽量节约热风炉燃烧期中消耗的燃料，努力提高热风炉自身的热效率。在实际生产过程中，很难保证煤气的组成部分和各部分的含量都保持不变，这个时候即使能保持煤气流量的稳定，但是单位体积的煤气最优燃烧所需的空气量也会不同，即实现最优燃烧的空燃比发生。如果一直采用固定的空燃比进行燃烧，则无法适应这个变化，因此需要即使及时调整空燃比，才能实现最优燃烧，因此要找到一个两来反映出最优燃烧时空燃比的变化，可以通过在热风炉烟道中安装氧化浩残氧分析仪，测量烟气中氧含量变化来判断燃烧是否最优。当废气中氧含量在0.2～0.8%范围内，一般热风炉燃烧状态较好，当废气氧含量大时，则为空气过剩，可适当减少空燃比，当废气氧含量小时，则为空气量不走，可相应增大空燃比。6.3烟气含氧量串级比值控制烟气含氧量串级比值控制结构图如图6-1所示。图6-1烟气含氧量串级比值控制结构图具体来讲，烟气含氧量串级比例控制法是利用热风炉烟道中的残氧量来控制热风炉燃烧的一中方法，是以比例调节作为粗调，以烟气中含氧量反馈控制作为细调，对空气、煤气量进行控制，使烟气残氧量处于或接近于根据经验预先约定好的目标值，达到燃烧最充分利用。燃烧控制模块的输入是烟气氧含量设定值和烟气氧含量差值，输出是空燃比，具体的控制程序如下：当热风炉烟气中残氧的体积分数在0.2～0.8%范围内，一般热风炉燃烧较好，所以可以选取0.6%作为控制目标，并且把0.4～0.8%最为稳态控制区间，在此区间不进行控制调节。只有当烟气残氧的体积分数大于0.8%时才启动空燃比控制系统，如图6-1所示，将烟气氧含量设定值与烟气氧含量的差值作为给定值输入系统，进而通过后续程序使得燃料得到燃烧，从而可以充分利用烟气中的氧，最后再输出空燃比，反馈到输入端进行比较循环进入上述环节，直至烟气中残氧体积分数稳定在稳态控制区间。7系统的调节及抗干扰过程7.1调节过程及调节器技术参数整定本次课程设计的原理是比值控制系统中的串级比值控制系统，调节过程如下：在系统设计时，主控制器选用PI控制规律，副控制器选用P控制规律。在系统稳定允许的条件下，主、副控制器均置于纯比例作用，主控制器的比例度置于百分之百，用4:1衰减曲线法整定副控制器的参数，进而类似地再取得主控制器的相关参数。衰减曲线法是利用比例作用下产生的4:1衰减振荡（）过程时调节器比例带即过程上升时间，据经验公式计算出调节器的各个参数。衰减曲线法的具体步骤是：（1）置调节器的积分时间，微分时间，比例带为稍大的值；将系统投入闭环运行。（2）在系统处于稳定状态后作阶跃扰动试验，应观察控制过程。如果过渡过程衰减率大于0.75，应逐步减小比例带值，并再次试验，直到过渡过程曲线出现4:1的衰减过程，对于的调节过程也是一样的做上述试验，直到出现10:1的衰减过程。记录下4:1（或10:1）的衰减振荡过程曲线。在曲线上求取时的振荡周期或时的上升时间tr，按表7-1计算出调节器的各个参数。表7-1衰减曲线法计算公式规律0.75PPIPID — ——规律0.9PPIPID — —