热风炉自动测控系统设计.doc

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）热风炉自动测控系统设计摘要热风炉是钢铁工业生产生铁的主要设备,热风炉的作用是把鼓风加热到要求的温度,它是按“蓄热”原理工作的热交换器,即先用煤气燃烧后加热格子砖,再使空气通过炽热的格子砖被加热并送出。为保证高炉连续不断地得到大量的高温空气,每座高炉配备了34座热风炉轮流交替地进行燃烧和送风。热风炉是燃烧- 焖炉- 送风- 焖炉- 燃烧的重复工作过程。本文根据热风炉的参数变化特性及控制要求，设计了相应的温度、压力自动测控系统和自动监控保护系统。在对热风炉的控制系统进行设计时借鉴了国内外同类型的热风炉在自动化仪表方面的先进技术和先进经验，对热风炉的过程检测和自动控制系统进行了全新的设计。监控程序采用MCGS组态软件设计，实时动态显示。关键词：热风炉；燃烧；动态显示；控制；MCGS内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）Stove automatic monitoring and control system designAbstractHot gas is the main equipment of producing pig iron of iron and steel industry. The role of hot gas is heat blast to the requirements temperature. It is based on regenerative principle of the work of the heat exchanger, that is, burning brick lattice after the first heating with gas, and then heating the air through the red-hot brick lattice and then sent it out. In order to ensure continuous large number of high-temperature air to the blast furnace, each is equipped with BF 3 to 4 alternating to burn and send air. Hot stove is the repeated process of burning, stuffy furnace, air, stuffy furnace and combustion duplication. In this paper, the corresponding temperature, pressure measurement and control system is designed in accordance with the characteristics of parameter changes and the requirements of control. In the process of designing the control system of the stove, the advanced technology and advanced experience in automation instrument of stoves of the same type home and abroad is adopted to make a completely new design to the detection of stove and automatic control system. The monitoring program takes use of MCGS configuration software and performs real-time dynamic display. Key words：Hot-blast stove ; Combustion ; dynamic display ; Control ; MCGS内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）目 录摘要IAbstractII第一章 前 言11.1 热风炉的发展11.2 热风炉在高炉生产中的作用11.3 热风炉的自动控制概述21.4 本文的主要工作2第二章 热风炉结构及原理32.1 热风炉的分类32.1.1 内燃式热风炉32.1.2 蓄热式热风炉42.2 热风炉的炉体结构52.3 热风炉的管道和阀门62.3.1 管道72.3.2 阀门72.4 热风炉用煤气的种类及成分92.4.1 燃料的种类92.4.2 热风炉用煤气的成分102.5 热风炉的检测与控制参数112.5.1 温度参数112.5.2 流量参数132.5.3 压力参数14第三章 热风炉换炉自动控制方式163.1 热风炉工作状态的转换163.2 热风炉自动换炉方式193.3 自动换炉工艺流程203.4 自动换炉安全要求及保护措施20第四章 热风炉燃烧自动控制系统设计224.1 我国高炉热风炉燃烧控制技术进展224.1.1 热风炉的燃烧控制工艺224.1.2 热风炉燃烧控制系统的发展224.2 几种控制方案234.3 热风炉燃烧自动控制系统设计234.3.1 燃烧过程控制234.3.2 送风过程控制244.3.3 控制系统组成及功能244.3.4 控制系统构成244.3.5 系统安全264.4 变频器在鼓风机控制中的应用26第五章 热风炉监控系统设计315.1 MCGS 软件介绍315.2 系统软件设计325.2.1 图形界面的形成335.2.2 数据库的建立335.2.3 动画设计345.2.4 报警图形的制作345.3 系统的功能355.4 监控系统框架组态355.4.1 实时数据库组态365.4.2 用户窗口组态365.4.3 监控系统自动运行策略组态36结束语40参考文献41附录A43附录B44致 谢45 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）第一章 前 言1.1 热风炉的发展自1828年第一座热风炉在美国使用至今，高炉采用热风炉操作已经历180多年的历史。最早采用的是管式交换器，空气从铁管中通过，用煤作为燃料，热风温度只有315，但在当时对高炉炉况有显著改善，产量提高，焦比降低35%，十几年后才开始使用高炉煤气作为热风炉的燃料。1857年，考贝提出用蓄热式热风炉问世以来，其工作原理至今没有改变，但热风炉的结构、设备及操作方法都有了重大改进。1972年，荷兰艾莫依登厂在新建的3667m3高炉上对内燃式热风炉做了较大的改进，较好地克服了传统考贝式热风炉的缺点，这种热风炉被称为霍戈文内燃式热风炉。由于内燃式热风炉存在着拱顶容易损坏、寿命短、挡火隔墙“ 短路”窜风和风温水平低等问题，因此，出现了燃烧室独立地砌筑于蓄热室之外的外燃式热风炉。外燃式热风炉的构思是1910年由佛朗兹.达尔提出并申请了专利。1928年美国在卡尔尼基钢铁公司首先建造了外燃式热风炉，但由于其表面积大，热损失大而没有发展起来。其后，1938年科泊公司又提出专利，但直到1950年，科泊外燃式热风炉才应用在高炉上。顶燃式热风炉存在着结构大、燃烧器不好解决等问题，为克服这些缺点，出现了球式热风炉。球式热风炉也是顶燃式热风炉的一种，具有加热面积大、风温高的优点，在中小高炉上得到很好的应用。1.2 热风炉在高炉生产中的作用热风炉是高炉生产的重要设施，其风温的高低趋势影响高炉的生产，高的风温是降低焦比、提高产量的有效措施，而风温的高低关键取决于热风炉的燃烧操作的好坏。在燃烧期，热风炉燃烧高炉煤气，产生的废气流经蓄热室，使蓄热室的格子砖蓄热。在送风期，冷风反向流经蓄热室被加热后送往高炉，为高炉提供连续的、适宜温度的热风，以提高冶炼强度，降低焦比，达到高炉节能降耗的目的。由于种种原因，相当多的热风炉控制落后，运行状况并不令人满意，有的甚至是手动控制。操作者通常依据个人经验手动调节煤气量和空气量以控制热风炉拱顶温度和废气温度，通入其中的空气和燃气很难恰到好处。由于控制不当，送风温度一直偏低，造成资源的严重浪费，影响高炉的冶炼。自热风炉运用PLC控制以来，解决了人工操作而无法解决的热风炉的燃烧空、煤的最佳配比，使热风炉的燃烧更具科学性,合理性，达到最佳的燃烧状态,从而节省了煤气，降低了劳动度，确保系统安全稳定运行，在一定的程度上起到了降低能耗，提高风温的作用。1.3 热风炉的自动控制概述现代钢铁生产中，传统的手动操作己远远不能获得好的控制品质。目前，在电气控制领域，国内外普遍采用PLC。特别是最近几年的冶金行业中，PLC以其在工业恶劣环境下仍能高可靠性工作，及抗干扰能力强的特点而获得更为广泛的使用。PLC将电气、仪表、控制这三电集于一体，可以方便、灵活地组合成各种不同规模和要求的控制系统，以适应各种工业控制的需要。由于PLC是专为工业控制而设计的，其结构紧密、坚固、体积小巧，是实现机电一体化的理想控制设备。随着微电子技术的快速发展，PLC的制造成本不断下降，而其功能却大大增强。在先进工业国家中PLC已成为工业控制的标准设备，应用几乎覆盖了所有工业企业，日益跃居现代工业自动化三大支柱(PLC, ROBOT,，CAD/CAM)的主导地位。可编程序控制器是一种专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器，用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令，并能通过数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关的外围设备都应该按照易于与控制系统形成一个整体，易于扩展其功能的原则而设计。1.4 本文的主要工作(1)熟悉热风炉工艺，完成热风炉自动测控系统的总体设计。(2)设计热风炉炉顶温度和废弃温度的自动控制系统。(3)利用MCGS设计监控画面，并对报警数据、实时数据进行显示和记录。第二章 热风炉结构及原理2.1 热风炉的分类 按燃烧室位置分：内燃式、外燃式和顶燃式。 按燃烧入口位置分：低架式(落地式)和高架式。 按燃烧室形状分：眼睛形、苹果形和圆形。 按蓄热体形状分：板状、块状和球状。2.1.1 内燃式热风炉热风炉的燃烧室(又叫火井)和蓄热室同置于一个圆形炉壳内，并各处一侧的热风炉称为内燃式热风炉。内燃式热风炉又分为传统内燃式和改造内燃式。内燃式热风炉是目前应用最广泛的一种热风炉。内燃室热风炉是最早使用的一种形式，由考贝发明，故又称为考贝蓄热式热风炉。传统内燃式热风炉有以下几大缺点： 隔墙两侧燃烧室与蓄热室的温差太大，又是使用套筒式金属燃烧器，容易产生严重的燃烧脉动现象，从而引起燃烧室裂缝、掉砖，甚至烧穿短路。 拱顶坐落在大墙上，结构不合理；拱顶受大墙不均匀涨落与自身热膨胀 的影响而导致裂缝、损坏。 当高温烟气由拱顶进入格子砖时，拱顶局部容易过热，致使蓄热室中心部位烧损严重，同时由于高温区耐火砖的高温蠕动，造成燃烧室向蓄热室侧倾斜，引起格砖紊乱。 随着高炉的大型化，风压越来越高，热风炉成为一个受压容器，热风炉的炉皮随着耐火砌体的膨胀而上涨，炉底板被拉成“ 碟子”状。焊缝拉开，炉底板拉裂，造成严重漏风。 由于热风炉存在着周期性的摆动和上下涨落移动，经常出现热风炉短管“ 烂脖子”现象。因此，当风温长期维持1000左右时，这种热风炉内部结构要遭到破坏，限制了风温的进一步提高。正是由于传统内燃式热风炉的风温低，寿命短，因此必须进行技术改造。在传统内燃式热风炉的基础上进行技术改造，主要有以下几点： 采用圆形燃烧室(火井)及新型隔墙； 采用陶瓷燃烧器和圆弧形炉底板； 应用锥形拱顶、蘑菇拱顶等新技术。2.1.2 蓄热式热风炉内燃蓄热式热风炉的外形是圆柱体，炉顶是半球形。炉壳由钢板焊成，炉壳里衬以耐火材料。炉内分成两个主要部分：一部分是燃烧室(又称火井)；另一部分是蓄热室，即由耐火砖垛成的砖垛。燃烧室形状有圆形、眼睛形和苹果形，它们是由耐火砖砌筑成的隔墙分开，各处一侧。燃烧室中间是空的。蓄热室是用格子砖砌成的砖格子垛。砖格子上有许多垂直的孔道，即格孔。砖格子由下边的铸铁炉箅子和支柱托住。目前炉子使用的格子砖主要是整体穿孔砖和板状砖。蓄热式热风炉是循环周期性工作的。在一个循环工作周期中，分燃烧期和送风期。燃烧期：将热风炉烧热，此时冷风入口和热风出口关闭，将煤气和空气按一定的比例从燃烧器送入，煤气燃烧将热风炉(主要是其中的格子砖)加热，燃烧产物即烟气由烟气出口经过烟道从烟囱排掉，这样一直将热风炉加热到需要的温度，然后转入送风期。送风期：将由鼓风机来的冷风加热后(一般在12001400)送入高炉。此时燃烧器和烟气出口关闭，冷风入口和热风出口打开，由鼓风机经冷风管道送来的冷风进入热风炉，冷风在通过格孔时被加热，热风经热风出口和一些管道送入高炉。送风一段时间，热风炉蓄存的热量减少，不能将冷风加热到所要求的温度，这时就有送风期再次转入燃烧期。一座热风炉经过燃烧期和送风期即完成了一个循环，热风炉就是这样燃烧和送风不断循环地工作着。由于蓄热式热风炉(即加热格子砖)和送风(即冷却格子砖)交替工作，为了能连续向高炉供给高温空气，每座高炉至少配置34座热风炉；由于设备维修、检修和提高风温的需要，一般每座高炉设有三座热风炉。对于2000m3以上的大型高炉，为了不使设备结构过于庞大，并考虑到工作的可靠性，以及交叉并联送风等技术的应用，每座高炉配置四座热风炉。三座(或四座)热风炉交替地燃烧和送风就保证了不间断地供给高炉热风。蓄热式热风炉的工作原理，简言之，就是在燃烧过程中热风炉的砖格子将热量储备起来，当转为送风后，砖格子又把热量传给冷风，把冷风加热后送至高炉炼铁。其实质是燃烧煤气的热量以格子砖为媒介传给高炉冷风的过程。热风炉的工艺过程如图2.1所示 a 燃烧期 b 送风期图2.1 热风炉燃烧期与送风期2.2 热风炉的炉体结构热风炉本体由炉基、炉壳、大墙、拱顶、燃烧室、蓄热室、隔墙、支柱和炉箅子组成。(1) 炉基热风炉是由钢结构和大量的耐火砌体及附属设备组成的，具有较大的荷重。这就要求必须有相应的基础，即炉基。热风炉的炉基不仅要承载热风炉本体的重量，还要承载其附属设备及相应构筑物的重量；这些荷重将随高炉炉容的扩大和风温的提高而增加，故要求地基耐热压力不小于0.20.25MPa。土壤承载力不足时，应打桩加固。总之，热风炉的炉基必须能承受全部荷重，并保持热风炉稳定。(2) 炉壳炉壳的作用： 承受砖衬的热膨胀力； 承受炉内气体的压力； 确保密封。炉壳下部是圆柱体，顶部为半球体；现代高温热风炉炉壳，是由820mm厚度不等的钢板，与炉底一起焊成一个不漏气的整体，内衬为耐火砖砌体，并用地脚螺丝将炉壳固定在炉基上。随着高炉大型化，风压愈来愈高，热风炉成为名副其实的“受压容器”。因此对炉壳材质的选择和焊接工艺的要求越来越高，有向厚炉壳发展的趋势。(3) 大墙大墙即热风炉炉体外围的炉墙，由耐热层、绝热层、隔热层组成。耐热层由345mm厚的耐火砖砌成，砖缝应小于2mm；大墙与炉壳之间是绝热层，65mm厚，用硅藻土砖砌筑；在绝热层和大墙之间是隔热层，60145mm厚，用于水渣料填充。在上部高温区耐火砖外增加一层厚度为113mm或230mm的轻质黏土砖，以加强绝热，减少热损失。现代大型热风炉炉墙为独立结构，可以自由膨胀，在稳定状态下，炉墙仅成为保护炉壳和减少热损失的保护性砌体。(4) 拱顶拱顶是连接蓄热室和燃烧室的空间，长期在高温状态下工作，除选用优质耐火材料砌筑外，还必须在高温气流作用下保持砌体结构的稳定性，满足燃烧时高温烟气流在蓄热室横断面上均匀分布，还要求砌体品质好，隔热性能好，施工方便。(5) 燃烧室煤气燃烧的空间称燃烧室，又称火井。内燃式热风炉的燃烧室位于炉内一侧，其断面形状有圆形、眼睛形和苹果形三种。(6) 蓄热室蓄热室是进行热交换的主要场所，是砌满格子砖的格子房，砖的表面就是蓄热室的加热面，格子砖块就是储藏热量的介质，所以蓄热室的工作既要求传热快又要求蓄热多，还要具有尽可能高的温度水平。2.3 热风炉的管道和阀门 热风炉是高压、高温设备，所用燃料为易燃、易爆、有毒气体。因此，热风炉的管道与阀门必须有良好的密封性，工作可靠性，能够承受高温及高压；设备结构应尽量简单，方便操作；阀门的启闭、传动装置均应设有手动操作机构，启闭速度应能满足工艺要求。2.3.1 管道 热风炉系统设有冷风管道、热风管道、混风管道、燃烧用高炉煤气管道、助燃空气管道(指集中鼓风的热风炉)、主烟道管道(指高架烟道的热风炉)、废气管道等。(1) 冷风管道：冷风管应保持密封，常用412mm钢板焊接而成；在冬季冷风温度为7080，夏季常超过100甚至高达150；为了消除热应力的影响，在冷风管道上要设置伸缩圈，风管的支柱要远离伸缩圈，而支柱上的管托与风管间制成活结，以便冷风管能伸缩自如。(2) 热风管道：热风管道由约10mm厚的普通钢板焊成；要求管道的密封性好，中间隔热层砌轻质黏土砖或硅藻土砖。近些年，大中型高炉还在热风管道内表面喷涂不定形耐火材料。(3) 混风管道：混风管道为稳定热风温度而设，根据热风炉的出口温度而掺入一定量的冷风，使热风温度稍有降低。如果采用一座炉为主送风，一座炉为副送风。这种双炉并联送风方式，高低风温互相配合使用，可取消混风管道。2.3.2 阀门热风炉用的阀门应该坚固结实，能承受一定的高温，保证高压下密封性好，漏气减少到最小程度，开关灵活使用方便，结构简单易于检修和操作。热风炉系统主要阀门有热风阀、冷风阀、煤气阀、燃烧阀、煤气调节阀、空气阀、空气调节阀、煤气放散阀、烟道阀、废气阀、混风调节阀等。(1) 阀门类型：根据热风炉周期性工作的特点，热风炉用的阀门可分为控制燃烧系统的阀门和控制送风系统的阀门。控制燃烧系统的阀门使将空气及煤气送入热风炉燃烧，并把燃烧产生的废气排出热风炉，起调节煤气和助燃空气的流量，调节燃烧温度作用。当热风炉送风时，燃烧系统的阀门又把煤气管道、空气风机及烟道与热风炉隔开，以保证设备的安全。主要有燃烧器煤气调节阀、煤气切断阀、烟道阀等。送风系统的阀门是将鼓风机的冷风送入热风炉，并把热风送到高炉；有的阀门还起着调节热风温度的作用。该系统的阀门主要有混风阀、冷风阀、热风阀、废气阀等。热风炉用的阀门按结构造形可分为三类： 蝶式阀：中间有轴，轴上有翻板也称蝶板，可以自由旋转翻动；通过转角的大小来调节流量。蝶式阀调节灵活、准确，但密封性差；由于翻板就在气流中，气流会产生漩涡，故阻力最大，不能用于切断。通常空气调节阀、煤气调节阀、混风调节阀等是蝶式阀类。 盘式阀：阀盘开闭的方向与气流运动方向平行，构造比较简单；多用于切断含尘废气，密封性差，气流经过阀门时方向转90，阻力较大。通常放散阀、烟道阀等为盘式阀。 闸式阀：闸板开闭方向与气流运动方向垂直，构造较复杂，但密封性好；由于气流经过闸式阀时气流方向不变，故阻力最小。适用于洁净气体的切断。通常燃烧阀、煤气阀、冷风阀、热风阀、废气阀等均为闸式阀。阀门的驱动有手动、液压传动、电动、气动等。为了提高热风炉设备的利用率，缩短换炉时间，确保安全生产，减轻劳动强度，大中型高炉热风炉阀门普遍采用自动联锁操作。(2) 煤气调节阀：它安装在与燃烧器连接的煤气管上，阀板为椭圆形，关闭时不必另为设密封阀；转轴伸出阀外的部分，在转角位置指示针，还与驱动拉杆相连。热风炉在燃烧期，燃烧阀(又称燃烧闸板)与煤气阀(又称煤气闸板)全开后，打开调节阀，通过调节阀开度来调节煤气量；自动燃烧的热风炉，该阀由电气控制，可根据热风炉所需煤气量，进行自动调节。(3) 空气调节阀：它安设在与燃烧器连接的助燃空气管道支管上，用于调节热风炉燃烧所需的助燃空气量。(4) 混风调节阀：它安设在冷风管道与热风管道的连接管上。一般与一台隔热阀(又叫冷风大闸)，用来调节风温。混风调节阀一般为蝶式阀。(5) 燃烧阀：烧器大闸。带水冷的闸式阀，仅在套筒式燃烧器的高炉上使用，将煤气送入燃烧器，送风时切断煤气管道和热风炉的联系。(6) 烟道阀：热风炉在燃烧期，打开阀门，将废气排入烟道；送风时，关闭烟道阀，以切断热风炉与烟道的通路。(7) 放风阀：放风阀是在鼓风机运转的情况下，减少或完全停止向高炉供风而设的。正常送风时，全风送入高炉。放风时，将风全部转放进入大气。为了减少放风时的噪声，可将风排至烟道，或安装消声器，放风阀安装在从鼓风机来的冷风管道上。(8) 混风阀：混风阀由调节阀和割断阀组成，装于混风管与热风管相接处。他的作用是向热风总管内送入一定量的冷风，以保持热风温度稳定不变；调节阀为调节掺入的冷风量；割断阀是防止冷风管道内风压降低时，热风或高炉煤气进入冷风管道；当休风时，在切断热风之前关闭割断阀，以防煤气倒流进入冷风管道，造成严重的爆炸事故，所以有叫混风保护阀。(9) 废气阀：当高炉需要紧急放风，但放风阀失灵或炉台上无法进行放风操作时，可通过废气阀进行放风。当热风炉从送风期转为燃烧期时，炉内充满高压风，而烟道阀阀盘的下面却是负压，此时烟道阀阀盘虽然很高，但由于作用时间短，故不需冷却。(10) 冷风阀：设在冷风管上的切断阀，是冷风进入热风炉的闸门。当热风炉送风时，打开冷风阀，鼓风机的冷风送入热风炉；当热风炉燃烧时，切断冷风，使热风炉与冷风隔开。(11) 热风阀：热风阀是一个闸式阀，它安装在热风出口与热风主管之间的短管上；当热风炉处于燃烧期时，它割断热风炉和热风管道；热风炉送风时打开热风阀阀门。2.4 热风炉用煤气的种类及成分2.4.1 燃料的种类凡是在燃烧时能够放出大量的热，且该热量能经济而有效地用于工业或其他方面的物质称为燃料。 冶金生产用燃料应具有如下基本条件；(1) 燃烧所放出的热量，必须满足生产工艺的要求；(2) 燃烧过程容易控制与调节；(3) 蕴藏量丰富，成本低，使用方便；(4) 燃烧产物是气体，对人、动植物、厂房、环境、设备无害。燃料可根据其物态或来源进行划分，燃料分类的具体情况见表2.1。表2.1 燃料的分类与其他燃料相比，气体燃料具有以下优点：(1) 煤气与空气能很好地混合，供给少量的过剩空气就可以完全燃烧，化学和物理热损失少；(2) 煤气可以预热，从而能够大大提高燃料的燃烧温度；(3) 燃烧装置简单，利于燃烧过程的自动调节和控制，满足工艺要求和热工制度；(4) 输送简单方便，节省人力或动力消耗，大大减轻工人的劳动强度，改善劳动条件；(5) 燃烧干净，有利于减轻对环境的污染；(6) 便于联网，利于统一管理。2.4.2 热风炉用煤气的成分高炉热风炉用燃料为气体燃料，主要是高炉煤气、焦炉煤气和转炉煤气。(1) 高炉煤气：是高炉冶炼过程中产生的，从高炉炉顶排出，经过净化系统净化后得到的煤气。其主要可燃成分是CO，还有少量的H2、CH4等，非可燃成分N2含量最多，超过50%。(2) 焦炉煤气：是炼焦过程中产生的煤气。其主要可燃成分是H2、CH4和CnHm，含量较高，还有少量的CO、O2、N2、CO2等。属高热值煤气，具有易燃性。(3) 转炉煤气：是转炉在吹炼过程中生成的，从炉口喷出经净化后使用。其主要可燃成分是CO，另外还含有一定的O2、CO2、H2和N2等。一般热风炉以高炉煤气为主要燃料，由于高炉煤气发热值较低，为了获得高风温，可与焦炉煤气或转炉煤气混合使用。各种煤气的理化性能指标见表2.2 2.2 各种煤气的理化性能指标2.5 热风炉的检测与控制参数热风炉自动化包括 自动换炉；自动燃烧；风温调节；煤气热值自动调节；交叉并联自动控制；热风炉系统所有温度、压力、流量的检测、处理、打印、报表及报警。生产过程中，计算机控制系统、电气传动控制系统和仪表检测系统通常被称为“三电”。“三电”系统是现代化大型冶金设备不可缺少的重要组成部分。热风炉热工参数自动检测，按其检测对象分为： 温度检测：炉顶温度、废气温度、热风温度、煤气温度、助燃空气温度的检测等； 压力检测：煤气压力、助燃空气压力、冷风压力的检测等； 流量检测：煤气流量、助燃空气流量、冷风流量的检测等。对于气体流量需要温压补正。2.5.1 温度参数(1) 温度检测系统介绍测温多采用热电偶。热电偶测温系统由三部分组成，即热电偶、连接导线、显示仪表等。热电偶的工作原理：两根不同的导体或半导体，称为热电极；将两热电极的一端连接在一起形成热端，另一端为冷端，通过导线与电子电位差计相接组成封闭的回路。热端加热，由于金属不同，其自由电子数目也不同；受热后，随温度的升高自由电子的运动速度上升，而冷端仍然为常温，在此线路中将产生热电势，仪表就显示出热电势的多少；温度越高，热电极两端的温差也越大，热电势也越高，通过仪表所显示的热电势的数值就可判定温度的高低。将冷端分开接入第三种材料的导线时，其电势不发生变化，所以当热电极的材料确定以后，热电势的大小只与冷、热端的温度差有关，与导线的长短、粗细无关。电位差计显示的为电势单位毫伏读数，根据不同材料的热电关系将电信号转换成温度示数。常用的热电偶主要有以下几种：(1) 铂铑10-铂，分度号S，主要用来测量-501768 的温度。(2) 镍铬-镍硅，分度号K，主要用来测量-2701372以下的温度。(3) 铂铑13-铂，分度号R，主要用来测量-501768 以下的温度。(4) 铂铑30-铂铑6，分度号B，是两种成分不同的铂铑合金做成的一种新型热电偶，可测高达1800 的温度，一般也称为双铂铑热电偶。本文主要是针对热风炉部分进行的温度检测并实时进行数据显示。其主要的检测点包括炉顶温度、废气温度和热风温度。本温度检测系统主要以热电偶为检测元件传感器，通过热电偶感受温度变化，热电偶将温度变化转换为热电势信号，然后送至温度变送器，将热电势转换为标准的4-20mA输出，温度变送器出来的信号直接由电子电位差计指示和记录。其监测系统框图如图2.2所示。图2.2热电偶温度检测系统框图(2) 检测仪表选型为了判断炉况，检测热风炉各部分温度必须采用温度传感器，温度感器一般分为接触式和非接触式两大类。所谓接触式就是传感器直接与被测物体接触进行温度测量，这是温度测量的基本形式。而非接触方式是遥测，主要是红外测温，这是接触方式做不到的。热风炉的温度测量传统上都采用热电偶。热电偶是一种热电型的温度传感器，它将温度信号转换成电势(mV)信号，配以测量mV信号的仪表或变换器，便可以实现温度的测量和温度信号的转换。热电偶温度计由于测温范围宽，它在工程实际中的应用非常广泛。热电偶温度计能用来测量点的温度和壁面温度，也能用来进行动态温度测量。从1K到3000K的温区，都可选择不同型号的热电偶温度计实现温度测量。除此以外，热电偶温度计还具有明显的优点：结构简单，制造方便，价格便宜；测温精度较高，高温区的复现性和稳定性好；由于测温显示电信号，便于讯号的远传和记录，也有利于集中检测和控制；热电偶体积小，热容量及热惯性均小。根据国际电工委员会(IEC)推荐的八种类型标准化热电偶，以及本设计要求，测控对象(热风炉的炉喉、炉身、炉底、炉基、热风炉)的温度变化范围为01400，选用S型铠装热电偶(铂铑10-铂热电偶)作为检测元件，其测温范围一般在-501768，具有高温下抗氧化，抗腐蚀，耐酸性、稳定性好等特点。并且所用的元器件少，性能优良，精度高，具有先进水平。2.5.2 流量参数(1) 流量检测系统介绍由于流量检测条件的多样性和复杂性，流量检测的方法非常多，是工业生产过程常见参数中检测方法最多的。据估计目前在全世界流量检测方法至少已有上百种，其中有是多种工业生产和科学研究中常用的。本文主要使用节流式检测方法，节流式流量计由节流装置（节流件和取压装置和符合要求的前后直管道）、引压导管、差压计和显示仪表组成。节流装置把流体流量转换成差压信号，通过引压管送到差压计，差压计进一步将差压信号转换为电流信号，显示仪表将接收到的电流信号通过标尺指示流量，由于节流装置是一个非线性的环节，它与流量成平方关系，所以显示仪表直接显示的值为非线性的，为了解决这个问题，通常在差压计的后面加个开方器，或者将开方器依附在差压计内。节流式流量检测系统框图如图2.3所示。图2.3节流式流量检测系统框图(2) 检测仪表选型节流式流量计是一种典型的差压式流量计。是目前工业生产中用来测量气体、液体和蒸气流量的最常用的一种流量仪表。据调查统计，在炼铁厂、炼油厂等工业生产系统中所使用的流量计有(70%80)左右是节流式流量计。在整个工业生产领域中，节流式流量计也占流量仪表总数的一半以上。节流式流量计所以得到如此广泛的应用，主要是因为它具有以下两个非常突出的优点： 结构简单、安装方便、工作可靠、成本低、又具有一定准确度，能满足工程测量的需要。有很长的使用历史，有丰富的、可靠的实验数据，设计加工已经标准化。只要按标准设计加工的节流式流量计，不需要进行实际标定，也能在已知的不确定度范围内进行流量测量。节流式流量计由节流装置、引压导管、差压计和显示仪表组成。节流装置又包括节流件、取压装置和符合要求的前后直管道，为了方便使用，通常节流装置选用标准节流装置。标准节流件包括标准孔板、标准喷嘴、和标准文丘里管。根据本设计要求及工艺要求，选取孔板，因为孔板节流件是标准节流件，可不需标定直接依照国家标准生产。对于标准孔板，我国国家规定，标准的取压方式有角接取压法、法兰取压法和取压法。2.5.3 压力参数(1) 压力检测系统介绍在生产过程中，根据生产工艺的要求，选择不同类型的压力表可组成不同的压力检测系统，最简单的测量就是在取压管上就地安装一块弹簧管压力表组成测量系统。在本系统中由于气体流量的检测受到温度和压力的影响，需要检测高炉煤气压力、助燃空气压力进行温压补正。(2) 检测仪表选型正确的选择压力计，是保证仪表在生产过程中发挥应有作用的重要环节。压力计的选择应根据生产过程对压力测量的要求，结合其他方面的有关情况具体分析和全面考虑后选用，一般要注意以下问题： 仪表类型的选用。仪表类型必须满足生产过程的要求，例如是否要求指示值的远传或变送、自动记录或报警等；被测介质的性质和状态（如腐蚀性强弱、温度高低、易燃易爆等）是否对仪表提出了专门的要求；统筹分析这些条件后，正确选用仪表类型，这是仪表正常工作及确保生产的重要前提。 仪表量程的选择。仪表的量程是仪表标尺刻度上下限之差。究竟选择多大量程的仪表，应由测量过程所需要测量的压力的大小来决定。为了避免压力计超出范围而损坏，仪表上限值应高于生产过程中可能出现的的最大压力值。对弹簧式压力计，在被测压力比较稳定的场合，压力计上限值应为被测最大压力的4/3倍在压力波动较大的场合，压力计上限值应为被测最大压力的3/2倍。为了保证测量准确度，被测压力数值不应太接近压力表下限值，一般被测压力的最小值应不低于仪表量程的1/3。 仪表精确度等级的选择。在仪表量程确定后，应根据生产过程对压力测量所能允许的最大误差来确定仪表应有的仪表精确度等级。一般说仪表等级越高，测量准确度越精确，但是不要盲目追求高准确度的仪表，因为仪表准确度越高，价格也高。应在满足条件下尽量选择价廉的仪表。根据本设计要求及被测对象，压力变送器选用气动压力变送器，因为被测压力为0-0.1Mpa，固仪表量程选用10-100Kpa的，测量精度为1级。第三章 热风炉换炉自动控制方式高炉热风炉系统通常由三座热风炉组成，采用二烧一送方式，热风炉主要阀门采用气动控制。在高炉生产工艺中，热风炉为其蓄能部分，可分为烧炉、焖炉、送风三道工序，其燃烧部分较复杂。为满足高炉生产要求、热风炉工作要求，进行烧炉、送风、焖炉这三种状态之间的转换过程称之为换炉过程。同时，热风炉燃烧控制又是整个高炉过程控制的重要组成部分，这是因为既要保证热风炉的送风温度达到一定的数值，即储蓄一定的能量以满足高炉冶炼强度的需要，又要考虑燃料的经济成本，因为燃料的成本在高炉整体成本中比重相当大。3.1 热风炉工作状态的转换换炉时，应保证整个热风炉系统长时间不间断的向高炉送风，并应尽量使进入高炉的风量、风温，风压处于最小波动范围。热风炉有燃烧、焖炉、送风三种状态，按燃烧、送风的周期循环工作。其过程为：热风阀、冷风阀关闭，烟道阀和助燃空气、煤气切断阀、调节阀打开时为燃烧状态，此时助燃空气和煤气按空燃比混合，在热风炉顶部燃烧，高温烟气从上向下经过球床体，将热量存储在热风炉内。当拱顶和烟道温度达到设定值，蓄热室储存足够热量，关闭煤气、助燃空气的调节阀、切断阀，关闭烟道阀，热风炉处于焖炉状态，等待送风。需要本热风炉送风时，先打开冷风均压阀使冷风阀两端的差压减小，再打开冷风阀和热风阀，关闭冷风均压阀，热风炉处于送风状态。此时，冷风从下向上经过热风炉球床体，被加热成温度略低于拱顶热风，将储存于热风炉内的热量送往高炉。随着送风时间的延长，风温逐渐下降，热风炉再转入燃烧状态，循环工作。新高炉配备三座热风炉，设置有“ 两烧一送” 、“ 一烧两送” 正常工作、“ 一烧一送” 非正常三种送风制度，由操作人员根据高炉送风需要选取。三座热风炉根据送风制度，遵循拱顶和烟道温度先达到设定值的热风炉先送风的优选原则，交替燃烧、送风向高炉连续供风。除高炉休风外，系统中应至少有座热风炉处于送风状态。两烧一送作业原理如图3.1所示。图3.1 两烧一送制度作业示意图由于无法定时全自动换炉，且需要包括PLC等相当大的投资，故许多高炉，特别是500m3 以下的高炉就干脆取消自动换炉系统，这样不仅增加劳动强度而且往往还需增加岗位人员。热风炉工作状态改变周期顺序如下：(1) 燃烧转送风操作燃烧转送风操作分两步，首先进行燃烧转焖炉操作，然后是焖炉转送风操作。按照热风炉的送风顺序，先确定送风的热风炉，然后检验该热风炉现时刻的工作状态，若在燃烧状态，方能发出换炉信号，进行燃烧转焖炉的换炉操作，此时热风炉处于换炉中，不允许做其它操作，同时需对操作段进行时间及信号检查，当操作时间在规定的时间内完成，且各种阀门动作信号等到位则正常，若超时或信号不到位则发出故障信号。另对各燃烧系统阀门需按燃烧转焖炉的操作顺序进行，要保证阀门间的控制联锁。燃烧转焖炉的操作程序为：启动由燃烧至焖炉的程序、关煤气调节阀、煤气切断阀、煤气燃烧阀、助燃空气切断阀、助燃空气调节阀、烟道阀。当热风炉完成燃烧转焖炉控制后，应给出焖炉中接点信号。热风炉进行焖炉转送风操作时，不允许做其它操作同时对操作段进行时间检查，当操作时间在规定的时间内完成，则正常，若超时则发出时间超越故障信号。各送风系统阀门需按焖炉转送风的操作顺序进行，要保证阀门间的控制联锁。当热风炉进入送风中，则发出送风开始脉冲对送风进行计时，与此同时解除该炉的换炉指令。焖炉转送风的操作程序为：启动定时器；全开冷风调节阀、冷风均压阀、冷风阀；定时器复位，检查时限。在热并联工作制时，打开冷风阀的同时，解除冷风调节阀的锁定状态，参与送风调节。在其它情况下，冷风调节阀处于锁定常开状态。(2) 送风转燃烧操作送风转燃烧操作分两步，首先进行送风转焖炉操作，然后是焖炉转燃烧操作。送风热风炉得到送风转焖炉指令后，应检查热风炉送风操作方式，若为单炉送风方式，则检查是否有另一座热风炉处于送风状态；若为交叉并联送风方式，则检查是否有其它两座热风炉处于送风状态。得到肯定答案后，方可发出由送风转焖炉指令。另外，各送风系统阀门需按送风转焖炉的操作顺序进行，要保证阀门间的控制联锁。送风转焖炉的操作程序为：启动由送风转焖炉的定时器，关冷风阀，在热并联工作制时，同时锁定冷风调节阀为关闭状态；关热风阀；定时器复位，并检查时限。当热风炉完成送风转焖炉控制后，检查燃烧条件是否完备，如果条件完备，开始焖炉转燃烧的正常操作。另外，各燃烧系统阀门需按焖炉转燃烧的操作顺序进行，要保证阀门间的控制联锁。焖炉转燃烧的操作程序为：得到焖炉转燃烧的指令后，检查该热风炉的状态，若是在焖炉状态，则启动焖炉转燃烧定时器；废气阀全开后，待烟道阀前后压差小于某设定值时，开烟道阀；关废气阀，开助燃空气燃烧阀、煤气燃烧阀；稍开助燃空气调节阀；开煤气切断阀，稍开煤气调节阀；定时器复位，并检查时限。 (3) 工艺曲线热风炉燃烧阶段时间约为90110分钟，拱顶温度不得超过1350。焖炉阶段根据高炉实际生产情况不等。送风温度随送风时间的延长而下降，送风温度在12001350，送风时间在95100分钟。具体工艺曲线见图3.2所示 图3.2 工艺曲线热风炉是用于供给高炉冶炼所需的具有稳定温度和压力热风的关键设备，每座高炉通常设有34座热风炉。由于热风炉是蓄热式结构，需要加热进行蓄热，然后送风，加热和送风交替进行，因此就需要换炉。由于每座热风炉有10多个阀门，且需严格按一定顺序进行调节，因此为了安全和省力，在20世纪50年代就已设计了电气连锁及定时自动换炉系统，且已成为标准形式并在大多数热风炉上安装使用，其系统原理一直沿用至今，只是装备发生了改变，用PLC代替了过去的硬线连锁。故乍看起来，似乎没有什么问题了。但调查表明，这些系统大都无法定时全自动换炉，换炉时会造成风压、风量波动，如果高炉不顺时，会造成事故。特别是大型化高炉，对炉况稳定的要求更高，因为大高炉炉况恶化后不好纠正，因此一般是到换炉时刻，发信号(或电话询问)至高炉，认可后由操作员手动实行半自动换炉，甚至为了减少风压、风量波动而不得不全手动换炉。如果高炉方面不允许换炉，则只能等候并调整烧炉，有的高炉虽然规定为1h换炉，但往往要到34h才能换炉，这不仅破坏了正常烧炉，而且也耗费燃料。3.2 热风炉自动换炉方式热风炉的操作方式以全自动换炉、半自动换炉和顺序手动控制为主。(1) 自动换炉自动换炉以设定的送风时间或送风温度作为换炉指令。换炉指令发出时，参与换炉的热风炉各设备按送风顺序和联锁条件自动完成换炉操作。自动程序实际是由几个单炉换炉程序组成。(2) 半自动换炉由操作者根据高炉生产或热风炉运行情况，在主控室给出换炉指令，参与换炉的热风炉各设备按送风顺序和联锁条件自动完成换炉操作，不必人工干预。对于每个热风炉来说，有以下7种状态转换：炉转主送风、送风转辅送风、送风转送风完成、送风完成转燃烧、燃烧转焖炉、燃烧转主送风、辅送风转燃烧。(3) 顺序手动控制“顺序手动控制”是根据工艺要求一步一步手动完成，其中每个阀门的开关都有连锁联系。3.3 自动换炉工艺流程热风炉自动换炉主要作用是将每座热风炉的各个切断阀按工艺流程要求依次开关。热风炉分为送风、燃烧、焖炉三种工作方式。由操作人员在计算机上选择每座热风炉的工作方式，热风炉各阀按照各自工作方式进行控制动作。燃烧送风焖炉工艺流程热风炉采用焦炉煤气与高炉煤气混烧方式。请求送风命令，关焦炉煤气切断阀关焦炉煤气燃烧阀开焦炉煤气放散阀关高炉煤气切断阀开高炉煤气放散阀关空气燃烧阀及高炉煤气燃烧阀关烟道阀开充风阀，冷风阀两端压差合适，开热风阀开冷风阀及关送风阀，完毕后，炉子处于送风状态。送风完毕后，发出闷炉命令，命令发出后先关冷风阀，再关热风阀即可。此时炉子处于闷炉状态。送风燃烧工艺流程首先要关冷风阀关热风阀开废气阀，开后且烟道阀两侧压力合适开烟道阀关废气阀开空气燃烧阀及高炉煤气燃烧阀关高炉煤气放散阀开高炉煤气切断阀。如果配用焦炉煤气，先开氮气阀关焦炉煤气放散阀和充氮阀开焦炉煤气燃烧阀开焦炉煤气切断阀。完毕后炉子处于燃烧状态。3.4 自动换炉安全要求及保护措施 在送风过程中，送风转燃烧时，若送风炉目前为一个，操作不起作用； 若燃烧转送风，目前若燃烧炉为一个，该炉转送风后，要开空气放散，当然此操作是错误的，但为保护风机，必须这样做； 若后烟道温度过高，要自动关闭该燃烧炉，防止损坏热风炉； 若燃烧的炉子转闷炉，动作要求同； 若送风的炉子转闷炉，动作要求同； 冷风管压力低于0.05MPa。要关混风切断阀，以确保送风正常； 若热风炉燃烧器温度低于某一值(300)时，不可燃烧，高于此值才能燃烧； 助燃风管道压力、高炉煤气压力低时，也不能烧炉； 两台助燃风机有故障时，要焖炉。在自动换炉程序设计中，除了按照工艺的安全要求进行设计外，在软件设计中，需要建立一种结构性的安全防护体系，避免由于各阀反馈信号错误、设备掉电、设备机械故障等引起的控制误动作而造成严重的安全事故。因此,在自动换炉的软件设计中，采用三层结构防护体系，使控制的误动作降到最低。具体方式如下： 各阀的显示信号采用开关反馈信号并联使用方式，即开信号由开反馈信号和非关反馈信号构成，关信号由关反馈信号和非开反馈信号构成。这种方式使得由于反馈信号错误造成控制误动作的概率降低一半。 采集每个切断阀主回路正常、开反馈、关反馈三个信号，并且预设它们与开命令信号、关命令信号的对应关系，只有发出命令信号后，在预设的等待反馈信号时间内，控制设备的实际反馈信号与预设方案一致时，系统显示控制正常,否则系统发出该设备报警信号。如果设备动作在控制命令发出后超过反馈信号等待时间，系统也会发出该设备的报警信号。 把每座热风炉的13个切断阀的设备报警信号组合在一起，每座热风炉只要有一个阀的控制设备发出报警信号，该座热风炉的所有设备将停止工作，按照预设的安全方案动作，从而避免安全事故。第四章 热风炉燃烧自动控制系统设计在高炉系统的生产工艺中，热风炉的燃烧控制是一个相当重要的部分，既要保证热风炉的出风温度达到一定数值，以满足高炉冶炼的需要，又要考虑燃料的经济成本。4.1 我国高炉热风炉燃烧控制技术进展4.1.1 热风炉的燃烧控制工艺系统对于燃烧预热的高炉煤气和预热空气的热风炉来说将包括煤气流量控制、空气流量控制、空燃比控制、拱顶温度控制和废气温度控制。热风炉的燃烧控制是一个非常复杂的过程，它具有以下特点： 随机性大