（机械电子工程专业论文）新型燃烧炉系统应用研究.pdf

嚣安建筑科技大学醭垂舞究生毕业论文 新型燃烧炉系统应用研究 专业：机械电子工程 研究生：陈平生 指导教师：李振霞副教授 摘要 燃烧炉是无水氟化氯装置的关键设备，它为转炉提供热源。从热量平衡角度来 番，燃烧炉楚整个纛水氮化氢装霉豹耗能大户，它消耗大量戆燃料灌一轻紫洼。嚣 而，充分利用燃料，烧炉热效率，对携个装饕的节能降耗有重要意义。 本文以燃烧炉的应月残究为课题，以提毫燃烧炉燃糍剥用效率为重点，从系统 流程稀结构上研究开发融节能的新炉鼙，从新型燃烧炉系统的自动控制上进一步研 究探讨了提蕊热效率的方法，熏点探讨了叛型燃烧炉的微机鱼动控剃。在投割上以 满足新炉型的设计要求为基础，避行了徽梳控制的硬彳牛与软件开发，掇出了采褥8 0 9 8 单片机进行模糊智能控制的设计方案，实现了燃料油与燃烧空气最佳比例控制、燃 烧炉如目溜气温度控箭、燃烧妒进臼爝气滚度控制稻安全联锁报警控制，提高了燃 烧炉出口温度的控制精度和燃料使用效率，为整个装攫提高产量和降低消耗提供可 靠蠡每保 歪。 由于燃烧炉是一个攫杂的受控对象，系统参数随燃烧炉的运行情况的变化而不 叛变化，因恧采用传统的控刳方案雉以取褥令人瀵意豹效果。撂此，本文对主控制 系统摊出了控制规则可调熬的自寻优智能控制算法和其它控制系统的模糊控制算 法，并对主控制算法进行了职究和仿真。传真实践表明这秘算法具蠢超调量，l 、稳 定性好、对模鳘参数适应性强等特点，能够取得良好的控制效果。 关键词：燃烧炉燃烧空气循环烟气单片机模糊控制自寻优智能控劁 两安建筑科技大学硕士研究生毕业论文 p r a c t i c i n g s t u d yo n t h en e w t y p eb u r n i n g f u r n a c es y s t e m s p e c i a l t y ： e l e c t r i c a l - m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g p o 耋镪r a d 珏建t e ： c h e n p i n g s h e n g a d v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f l i z h e n g u o a b s t r a c t b u r n i n gf u r n a c ei so n ek e ye q u i p m e n t o fa h f u n i t ，i ts u p p l y sh e a te n e r g yf o rt h e t u r n i n gf u r n a c e f r o mt h ev i e w p o i n go f t h eb a l a n c eo f e n e r g y ，b u r n i n gf u r n a c ei st h e b i g g e s to f t h ee n e r g yc o n s u m e r s ，i tc o n s u m e sal o to ff u e lo i l l i g h td i s e l s o ，i ti s i m p o r t a n tf o rs a v i n ge n e r g ya n dr e d u c i n gc o s t sf o rt h ew h o l ea h f u n i tt h a tm a k ef u l l u s eo ft h ef u e lt or a i s eb u r n i n gf u r n a c e sh e a te f f i c i e n c y t h i sp a p e rt a k e st h ep r a c t i c i n g s t u d yo nt h en e w t y p eb u r i n gf u r n a c es y s t e m a si t s t h e s i s ，a n di te m p h a s i z e st h er a i s i n ge f f i c i e n c yo fb u r n i n g i nt h ep a p e r ，o n en e wt y p e b u r n i n g f u r n a c eb a s e do nt h en e wp r o c e s sa n dc o n s t r u c t i o nh a sb e e n d e s i g n e d ， f u r t h m o r e ，an e ww a yw h a tr e l a t e da u t o * c o n t r o ls y s t e mt or a i s ef f i c i e n c yh a sb e e n s t u d i e d t h i sp a p e rf a c o u so nt h e m i c r o w c o m p u t e rc o n t r o l o ft h e b u r n i n gf u r n a c e s y s t e m t a k i n gt om e e tt h er e q u i r e m e n t so f t h eu s e r sa sb a s i s ，i ti sd e s i g n e da b o u t c o m p u t e ri n h a r d w a r ea n ds o f t w a r ei t b r i n g s f o r w a r das c h e m eo fi n t e l l i g e n t f u z z y - c o n t r o lb a s e do n8 0 9 8s i n g l e - - c h i pm i c r o - c o m p u t e rt og e tt h eb e s tp r o p o r t i o no f f u e lo i la n d b u r n i n ga i r ，t or e a l i z et h ea u t o c o n t r a lo f t h et e m p e r a t u r eo ff l u eg a si no r o u tt h eb u r n i n gf u r n a c e s ot h ea c c u r a t ee f f i c i e n c y sr e c e i v e d ，t h i sc a ne n s u r et h ea h f u n i th a v i n gah i g h p r o d u c t i o na n dl o w c o s t sa n d e n e r g y b u r n i n gf u r n a c ei sac o m p l i c a t e dc o n t r o l l e do b j e c t ，f o ri t sp a r a m e t e r sa r ea l a w a y s v a r y i n g w i t hf u r n a c ec o n d i t i o n s oi ti sd i f f i c u l tt og e ts a t i s f i e dc o n t r o l l i n ge f f e c tw h e n t r a d i t i o n a lc o n t r o l l i n ga l g o r i t h mi s u s e d 。a c c o r d i n gt ot h i sc a s e ，aa d a p t i v ea n df i n d t h eb e t t e rb yi t s e l ff u z z y i n t e l l i g e n ti n t e g r a t i o na l g o r i t h mi s p u tf o r w a r df o rt h e t e m p e r a t u r ec o n t r a ls y s t e mo fo u tr u l eg a s f o ro t h e ra u t o c o n t r o ls y s t e m s ，d i f f e r e n t f u z z ya l g o r i t h m a r e p u t f o r w a r di n d i v i d u e li n t h i s p a p e r a l s o t h e c o n t r o l l i n g a l g o r i t h mo ft h em a i nc o n t r o l l i n gs y s t e mi ss t u d y e da n ds i m u l a t e d 。t h es i m u l a t i o n e x p e r i m e n t sm a n i f e s tt h a tt h ec o n t r o l l i n gs y s t e mh a ss m a l le x c e e d i n gv a l u ea n dg o o d s t a b i l i t yw h e nu s i n gt h i sa l g o r i t h m m e a n w h i l e ，i tc a na d a p tt h ev a r y i n gp a r a m e t e r so f 2 西安建筑科技大学硕士研究生毕业论文 c o n t r o l l e do b j e c t s ot h i sp a p e rc a ng i v eac o n c l u s i o ns a f e l yt h a tu s i n gt h e s ea l g o r i t h m c a ng e tag o o dc o n t r o l l i n gr e s u l t s k e y w o r d ：b u r n i n gf u r n a c e ，b u r n i n ga i r ，t h ec i r c u l a t o r y f l u e g a s ，s i n p l e c h i p m i c r o c o m p u t e r ，f u z z y c o n t r o l ，f i n dt h eb e t t e rb yi t s e l f , i n t e l l i g e n ti n t e g r a t i o n 3 声明 本人郑重声明我所呈交的论文是我个人在导师指导下 进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特 别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的酽究成果，也不包含本人或其他人在其它单位已 申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志 对本研究所做的所有贡献均己在论文中作了明确的说明并 表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关 责任。 ；釜文作者签名：储，耳呸 关于论文使用授权的说明 本、完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学应论 文的规定，即：学校有权保目隧交论文的复印件，允许论文 被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的j 文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：僻矸l 导师签名参瓶j 圈日期：。一；手，膳 兰：请、卑北页附在论文首页。 西安建筑科技大学硕士研究生毕业论文 第一章概论 1 1 引言 燃烧炉是无水氟化氢( a h f ) 装置中的关键设备，为该装置核心设备一转炉提供 热源。转炉对燃烧炉来的烟气温度要求较高( 5 5 0 ) ，热负荷比较大。从转炉出来的 烟气( 利用后) 温度较高，大多数为3 5 0 、4 0 0 。c 。为了充分利用燃料和提高燃料利用效 率，在烟气排放前都对烟气中的余热进行回收利用。燃烧炉是a h f 装置的耗能大户， 它的燃料消耗对整个装置的能耗起决定性作用。因此，对燃烧炉及其系统进行研究， 提高燃料的利用效率，对装置的节能降耗有重要意义。 1 2 燃烧炉系统的现状 a h f 技术是我院开发的专有技术，其规模从1 0 0 0 吨年到3 0 0 0 吨年，目前， 国有近3 0 套装置在生产运行。与其配套，我们也开发设计了近3 0 台燃烧炉系统。这 些燃烧炉系统的设计基本上都是同一工艺流程，操作都采用人工调节控制。在燃烧空 气量、配风量等的调节上都采用挡板调节。燃烧炉进、出口温度都控制在一个很宽的 范围( 5 0 。c ) 内。燃烧炉燃料油的利用效率较低，理论计算值7 5 。 1 3 问题的提出 现有的燃烧炉设计，通常是在满足工艺要求的前提下，加上合适的热回收系统， 对排放烟气中的热能进行回收利用。出于装置规模小，其投资、燃料消耗( 1 0 0 0 吨 年为4 0 k g h 、3 0 0 0 吨，年为t 2 0 k g f h ) 和动力消耗还易于被接受。随着技术的发展，越 柬越多的，r 家要求节能降耗以降低生产成本。近年来，氟化工行业蒸蒸同上，各个氟 化工厂纷纷上规模、上效益，在设备能力上挖潜改造，在节能降耗上深研细究。随着 装置的大型化，6 0 0 0 吨年、1 0 0 0 0 吨年、15 0 0 0 吨年a h f 装置( 主要是采用多条生 产线并联的方式) 纷纷涌现，特别是随着国家能源政策的改变，对a h f 装置，特别是 大型化a h f 装置的燃料消耗指标提出了更高的要求，必须提高燃烧炉系统的燃料利用 效率。 装置的大型化，不能完全靠几条生产线并联来扩大规模，这样傲费时、费力，并 且很不经济，将大大增加设备投资费用和运行成本。因此，迫切需求开发大型化的a h f 装置。 出于第一台燃烧炉系统开发设计较早( 8 0 年代初) ，鉴于当时的控制水平、投资、 开发费用等条件限制，采用全人工控制操作。在以后的设计中，各厂又多遵从从简、 可靠和稳妥原则，纷纷效仿第一台燃烧炉系统的控制方案。雨人工控制劳动强度大， 控制精度差，设备很难处于良好的运行状态。因此，对燃烧炉进行自动控制显得尤为 西安建筑科技大学硕士研究生毕业论文 必要，不少厂家也提出了自动控制要求，以适应技术发展的需要。从整个a h f 装置 来看，目前的控制水平都比较高，唯独燃烧炉系统，因其控制参数多、参数分散，且 受控对象复杂而采用手动控制操作，与整个装置的控制水平很不匹配，迫切需要开发 先进的自动控制系统。 手动控制操作，是通过操作人员观察火焰颜色，根据经验判断燃烧空气量是不足 还是过剩，来调节燃烧空气供给量。因此燃烧空气供给量存在过多、过少的偶然性， 且调节滞后，将造成燃料油的瞬时不完全燃烧或增大瞬时烟气排放量，直接影响燃料 的利用效率。 从传热学的角度来看，转炉的烟气进、出口温度( 即燃烧炉的出、进口烟气温度) 应该恒定，以便于准确计算转炉的换热面积，稳定装置产量。转炉的烟气进、出口温 度差越大，转炉的换热面积越小。而转炉的烟气进口温度受转炉材料等因素影响不能 太赢，因此，转炉的烟气进、出口温度的最佳操作数值为5 5 0 和3 5 0 。为达此目 的，需要采用自动控制系统使燃烧炉的进、出口烟气温度恒定。 从转炉的工作条件来看，存在着生产能力的波动，对热量的需求是变化的，因而 燃烧炉严格上讲是变负荷的。而采用人工控制，需配合调节配入的预热空气量和燃料 量维持燃烧炉烟气出口温度。由于控制点分散，控制方法不能适应转炉生产负荷的变 化，造成了转炉进、出口烟气温度只能控制在5 0 。c 范围内，传热条件变化范围大，影 响了转炉的吸热过程，使转炉很难达到最佳的工作状态。 从提高热效率的角度出发，对燃烧炉出口烟气温度进行自动控制，自动调节燃烧 空气量，实现燃料油在最佳的空气量下的完全燃烧，是提高燃料利用效率的一个基本 途径。 随着自动化程度的提高，自动化技术在备个行业中的应用越来越。泛，它个胆可 以改善：【一人的劳动条件，而且提高了控制精度。近年来，随着人们对工业自动化技术 的f i 益重视，以及电力电子技术、微机控制理论及技术的飞速发展，自动化技术已 始渗透到我国工业的各个领域，取得显著的经济效盏和社会效益。单片机因其功能全、 价格低，深受欢迎。因此，用单片机实现燃烧炉出口烟气温度闭环控制、燃料油与燃 烧空气之最优比控制、燃烧炉系统排烟量控制、报警联锁控制等将有重要意义。 综上所述，无论从技术发展上，从产品规模上，还是从装置的节能降耗上、从燃 烧炉的控制水平上来看，都迫切需要开发研究大型化的、新型的燃烧炉及其系统。本 文的研究也证是应国内某氟化工厂1 0 0 0 0 吨年a h f 装置( 采用类比设计在3 0 0 0u , g 年基础上扩建) 的节能降耗改造要求所做的。本文的开发设计也是本院力吨级a h f 技术开发的一部分，部分内容( 包括系统工艺流程、燃烧炉结构、结果数据部分) 已 完成存档，将作为工艺包内容，作为以后工程化设计的基础和依据。 西安建筑科技大学硕士研究生毕业论文 1 4 本文研究的内容 ( 1 ) 燃烧炉系统流程； ( 2 ) 燃烧炉结构； ( 3 ) 燃烧炉及其系统的自动控制。 其中第( 1 ) 、( 2 ) 部分已完成，其研究开发结果已入本院资料库，内容要点及数据 结果也已公开发表，参见工业加热杂志2 0 0 3 年第二期。本文先简要介绍燃烧炉 结构和系统流程的开发及其计算结果，作为自动控制系统的基础；重点作燃烧炉系统 的微机自动控制开发研究，并对计算结果和研究开发的控制效果进行分析，得出总体 结论。 1 5 研究的目的和宗旨 本文研究的目的是开发适应大型a h f 装置的新炉型及其自动控制系统，最大限 度地提高燃料的利用效率；本文研究燃烧炉系统的宗旨是追求高的经济性，降低一次 性设备投资费用和装置运行中的燃料和动力消耗。 1 6 本文研究的任务 本文研究的任务是简要介绍新型燃烧炉系统流程和结构开发：即通过系统热量衡 算，和原有( 以下称为传统型) 燃烧炉系统进行比较，设计出新型结构的燃烧炉及其 系统工艺流崔。针对丌发出的新型燃烧炉及其系统，重点对燃烧炉进、出口烟气温度、 燃烧空气量与燃料油量之最优比、烟气排放量等的微机自动控制系统进行了探讨和研 究，希望有所收益。 本文是山江苏某氟化i ：一提出要求，作者与其进行合作研究丌发的。文中出现的 有关操作经验数据和要求皆由该厂提出。 西安建筑科技大学硕士研究生毕业论文 第二章燃烧炉工艺流程和炉型开发研究 2 1 提高燃烧炉系统热效率的方法 燃烧炉是一个提供热烟气的设备，内部无工艺介质，没有热量交换，需保证的是 出口烟气温度。燃料油燃烧温度比较高，须通过混合低温气体把烟气降至出口温度。 因此，对燃烧炉提高热效率的主要因素是配入的气体介质及其温度的选择。其次，对 所有的燃烧反应，燃烧时过剩空气系数越大，燃料利用热效率越低；对系统来讲，提 高热效率的另一主要方法是采用热回收措施，降低排烟温度，减少烟气排放量。 2 21 0 0 0 0 吨年无水氟化氢装置燃烧炉开发设计条件 工艺热负荷( 转炉需要) ：2 7 31 a w ； 燃料：02 柴油；雾化蒸汽温度：2 0 0 ； 烟气出口温度：5 2 0 5 5 0 ：烟气进口温度：3 5 0 4 0 0 。 2 3 传统型燃烧炉系统工艺流程 图2 一l 传统型燃烧炉系统示意图 传统型燃烧炉系统流程图见图2 一l 。从图中町以看出，传统型燃烧炉是存混合室 配入经空气预热器预热的空气，维持燃烧炉出口烟气温度恒定。所有的热烟气经转炉 使用后通过热管预热器后排放。对该燃烧炉系统进行热效率衡算，发现即使采取了余 热回收措施热效率仍然很低。下面计算系统热效率”“。计算基准：烟气进、出口 温度：3 5 0 、5 5 0 ，排烟温度：15 0 。 统热损失和机械不完全燃烧热损失。 1 0 4 柴油燃烧计算结果： 低热值q j = 4 3 0 1 6 k j k g 油： 过剩空气系数o = 1 3 ： 烟气5 5 0 热焓i ，。= 8 1 0 9 k j n m 空气5 5 0 热焓i 。= 7 5 9 7 k n m 4 不计雾化蒸汽和常温下空气显热，不计系 理论空气量v 。，= l1 3 n m 3 k g 油； 实际空气量v 。= 1 4 6 n m 。k g ： 烟气1 5 0 热焓i 。= 2 0 6 6 k j x m 空气l5 0 热焓i k la o = 1 9 5 4 k j n m 西安建筑科技大学硕士研究生毕业论文 烟气量m 、= 15 9 1n m k g 油 2 配风量计算： 设燃烧每公斤0 2 柴油需配空气y n m 由q 。= q _ 1 1 、“得 4 3 0 1 6 = i j 9 lx 8 10 9 + v 7 5 9 7 ( 21 ) y = 3 9 6 ( n m k g 油) 3 系统热效率计算： n = 1 一( 15 9 l x 2 0 6 6 十1 9 5 4 x 3 9 6 ) 4 3 0 1 6( 2 2 ) = 7 4 4 考虑燃烧炉和系统热损失，以及雾化空气入炉显热，实际燃料利用热效率将不会 大于6 5 。因此，燃料消耗量比较大，经计算为4 l7 8 7 h 。其它计算结果见表2 一l 。 2 4 新型燃烧炉系统工艺流程 传统型燃烧炉系统效率很低，分析其原因，主要是配入的空气增大了烟气的排放 量。转炉利用后的烟气全部经热回收装置后排放，虽然温度已很低，但仍然带走了大 量的热量。新丌发的燃烧炉系统在工艺流程上作出改进，参照最新研究的高温燃烧技 术，利用转炉利用后的烟气在燃烧炉炉底、混合室进行两次配入，维持出口烟气温度 不变，烟气大部分作为热载体在系统内循环，仅有一小部分烟气经热管预热器，热回 收后排放。新型燃烧炉系统的工艺流程图见图2 - - 2 。新型燃烧炉系统热效率计算如下， 计算基准同23 节。对新型烧炉系统，当系统处于平衡状态时，烟气的排放量即等于 燃料油燃烧产生的烟气量。 n = 1 15 9 1x 2 0 6 6 4 3 0 1 6( 2 - 3 ) = 9 2 1 考虑和传统型燃烧炉系统相同的热损失，其实际燃料利用效率将达到8 3 燃料消 牦量减少，经计算为3 2 4 0 7 h 。其它计算结果见表2 一l 。 2 5 新型燃烧炉结构开发研究 两种燃烧炉炉型结构见图2 - - 3 。从新型、传统型燃烧炉炉型结构来看，新型燃烧 炉结构上的最大改进是利用炉体烟道上的调节挡板，把转炉利用后的烟气分两部分 ( 开发设计中各取循环烟气量的半) 从炉底和混合室分别配入。采用炉底配入烟气， 降低了炉膛燃烧室温度，使低性能的耐火材料得以使用，并减少了耐火材料使用量。 具体计算数据对比见2 7 节投资比较。同时，在新型燃烧炉设计烟气一次配入口，采 用了沿炉墙内壁均匀配入的方法。优化炉衬向火面使用条件；二次配入口设计中仍沿 用窝壳风道。 2 6 新型、传统型燃烧炉系统主要参数比较 西安建筑科技大学硕士研究生毕业论文 在设计研究过程中，作者对新型、传统型燃烧炉系统的热平衡、燃料燃烧、热效 率、炉墙传热和风机功率等进行了计算3 】【4 】【”，结果见表2 一i 。从表2 一l 中可以看 出，新型燃烧炉系统燃料油耗量、用电量都明显f 降，且燃料利用效率有很大提高。 2 7 新型、传统型燃烧炉系统投资比较 新型、传统型燃烧炉系统设备、材料对比见表2 - - 2 。从表2 - - 2 中主要设备参数可 以看出，新型燃烧炉系统中热管空气预热器热负荷 鼓风机容量和功率大幅度下降， 而引风机功率相当，所以一次性投资的大幅下降是显然的。另外，新型燃烧炉炉衬材 料用量少，且耐火材料远比传统型燃烧炉档次低，加上烟囱材料用量大大减少，进一 步降低了一“次性设备投资费用 1 囝竺 图2 - - 2新型燃烧炉系统示意图 表2 l新型、传统型燃烧炉系统主要参数表 冷空气 一 1 艺热燃料油l 轻引风机鼓风系统排系统排系统 系统负荷柴油) 耗姑功率机功烟温度烟姑效率 m w k g h k w盔m 3 k w 传统裂燃烧炉系统 2 7 34 1 783 2 42 ll5 03 7 7 2 86 4 4 新删燃烧炉系统 2 7 33 2 43 2 + 3 81 51 5 04 4 0 08 3 注：表中数据咀1 0 0 0 0 吨年无水氟化氢装置为计算基准 2 8 新型燃烧炉系统的热效率的进一步提高 传统型燃烧炉采用手工操作，必须在混合室中配入大量的空气以保证出口温度 西安建筑科技大学硕士研究生毕业论文 ( 工艺要求) ，因而不可能用控制过剩空气系数来提高系统热效率，系统效率低j 下是 因为配入的大量空气在排烟时带走了大量的热量。新型燃烧炉采用密闭系统，能通过 控制过剩空气系数提高系统热效率。前面的计算，为了便于比较，过剩空气系数取1 3 ， 其热效率尚且高出约2 0 。新系统采用先进的模糊控制方式，对一、二次烟气配入量、 排放烟气量、炉膛温度、燃料油量、燃烧空气量按设计参数进行调节控制，实现燃料 油的比例燃烧，可以把过剩空气系数控制在1 0 5 ，系统热效率可再提高3 ”1 。这是后 续章节中深入讨论，也是本文研究探讨的重点内容。 。i 忖_ _ 硒 t 图2 - - 3新型、传统型燃烧炉结构示意图 2 9 新型燃烧炉系统的经济性 从表2 2 可以看出，仅从材料消耗量来看，新型燃烧炉系统可降低一次性设备 投资1 5 以上；从燃料油消耗上来看( 不计由于控制系统带来的节能效果) ，每年可 产生效益1 4 0 x s o o o x 3 0 = 3 3 6 x 1 0 4 圆年：另外，采用高温燃烧技术，可减少氧化氮排 放量，对环境保护会带来一定的好处。 2 1 0 新型燃烧炉系统实践检验结果 转炉利用后的烟气在燃烧炉炉底、混合室进行两次配入的新型燃烧炉系统，其热 效率可提高约2 0 ，且具有投资少、消耗少等特点。该新型燃烧炉系统已在国内某6 0 0 0 西安建筑科技大学硕士研究生毕业论文 吨年a h f 装置中使用2 年多，经实践检验效果良好，运行可靠，节能效果显著，实 测热效率提高2 5 以上。因此，新型燃烧炉系统在结构上和流程上是先进的，值得在 大型a h f 装置中推广使用。 表2 - - 2新型、传统型燃烧炉系统设备、材料对比表 主要设前参数、材料 热管 燃烧炉空气引风机0 风机鼓风 系烟囱预热器12机 m 燃烧炉炉膛衬单衬擎衬半制结 统 j t 寸温度厚度材料材料构 m mm i l l 用量 k g k g 传内择内径： 16 0 01 1 4 + 刚下砧+ 1 23 5 0 l2 叭) o 热敛简：泓j 韭温度2 0 统 t hl2m i8 0 01 1 4 + 矗妊心 + 4 6 0 02 8 t i m +i5 0 。c1 c 型 外f 1 j4 + 轩忻* o 】 十5 】0 0 州气j _ ! f i f 址，头脏头， 燃 _ _ “7 i t | j2 5 4 0i2 上姑一轻 + 2 5 0 悭j ( 1c】0 0 0 p 31 0 0 0 p a 晓 1 1 质钋l州弋l j mj n 求功率： 时 i 、x ：艟- 石槛：l5 t l c3 24 k w2 1 k w 6 0 0 0 扳州1 昔+烟气越= ；三、话 7 7 n m3 h5 8 4 6 0 n 3 i3 0 n m 1 h i f jf 咔 8 5 0i i4 + ：h 0 1 0 2 8 0l 0 f ) n 扎址曲：濉悭肌t 2 0 新 t h i ) 5c h i8 0 015 0 +，m 强i 6 10 0o35 m w： i 15 0cc 型 。 r 4【f ： i2 轩质耕 2 0 0 明【i i ij ，舳峨头m 失”、 燃 3 0t h238 4 上竹。石崆。3 5 0 7 ) f 】p a1 i ) 1 ) o p a1 0 1 ) o p a 烧k f 4树；板烟气i i 濉功；社：功；缸功半 炉 b o t h 0 啦l5 0 c3 2 k w_ 8 k wij k w 烟气最烟气蕾：烟气世燃烧空气 0 【) n 1 7 1 “h6 6 1 8 】m 。，11 0 0 n m 3 最。 hh 3 i2 7 s n m 3 h 注：表中数据以1 0 0 0 0 吨年无水氟化氢装置为计算基准，炉膛容积热负荷o 6 m w m 3 ，炉壳外擎 温度1 0 0 。 西安建筑科技大学硕士研究生毕业论文 第三章自动控制系统研究开发 第一节燃烧炉控制系统概论 3 1 1 燃烧炉概况 燃烧炉微机自动控制系统是针对成熟的新型燃烧炉系统开发的，以后章节不再 出现传统型燃烧炉系统，为便于叙述，新型燃烧炉系统简称为燃烧炉系统。 燃烧炉系统是一个多变量、非线性、分布参数和带时延的复杂对象，有多个被 调变量和调节变量，各被调变量和调节变量之间有着交叉影响，它是一种燃料燃烧 直接获取热能的特种的热源提供设备。 燃烧炉的主要任务是完成能量的转换。燃料油在炉膛内燃烧、放热，把燃料油 中贮存的化学能转化为热能，形成高温烟气。高温烟气在炉膛同低温烟气混合，降 到要求的温度，输出供转炉使用。简单的说，燃烧炉的主要工作就是燃料的燃烧、 能量的转换和维持烟气出口温度恒定。它的配套系统包括燃料油供给系统、燃烧空 气系统、排烟系统、烟气循环系统、雾化蒸汽系统等。 3 1 2 燃烧炉结构 如图3 1 所示，燃烧炉采用卧式炉结构，由左到右依次由炉底、炉膛、锥段组成。 炉膛包括位于前端的燃烧室和位于后端的混合室，炉膛、炉底和锥段都有耐火、隔 热衬罩。燃烧器安装于炉底。在燃烧炉顶部设有循环烟气风道和调节挡板，调节配 入炉底和混合室的循环烟气量。在炉膛中部设有压力、温度检测口，以检测炉膛温 度和炉膛压力：在燃烧炉出口和循环烟气进口处设有温度计口，检测燃烧炉出、进 口烟气温度；在炉膛出口靠近锥段处设有氧化锆氧分析仪。另外，燃烧炉的自动控 制系统涉及系统中的引风机和鼓风机，系统布置图见图3 2 ；系统原理见第二章图 2 2 。 3 1 3 燃烧炉迸、出口烟气温度控制和燃烧空气量控制的重要性 转炉是a h f 装置的核心设备，它是一台反应兼换热设备。对于该设备，需要有 稳定的反应条件和换热条件。作为转炉的辅助设备，燃烧炉的进、出口烟气温度决 定了转炉的工作条件。燃烧炉的进、出烟气温度是否稳定直接影响产品生成反应速 率，也就决定了产品收率，因此必须维持稳定。从传热学的角度出发，燃烧炉进、 出口烟气温度差越大，越有利于转炉的换热。另外，燃烧炉出口烟气温度( 转炉进 口烟气温度) 受转炉材料、反应条件等限制，不能太高。在自动控制系统开发设计 中，参考设计条件( 见2 2 节) ，取燃烧炉的进、出口烟气温度为3 5 0 2 5 和5 5 0 西安建筑科技大学硕士研究生毕业论文 2 5 。 由于燃烧炉出口烟气温度控制为恒定温度( 5 5 0 2 5 ) ，并且出口烟气全部通 过转炉利用，再经循环烟气引风机后部分进入燃烧炉，另一部分经余热回收后排放。 因此燃烧炉进口烟气温度将受转炉负荷变化影响。在烟气量一定的情况下，转炉吸 收的热量多，燃烧炉进口( 转炉出口) 烟气温度低；转炉吸收的热量少，燃烧炉进 口烟气温度高。因而，要控制燃烧炉进口烟气温度，就要通过调整烟气排放量( 即 调节循环烟气量) ，自动跟踪转炉负荷变化。 ei t i l - l l * 1 h ，l2 ：# 1 1 1 i2o j o _ l l l f - i l 炉雇 2 嚣烧鼻 1 环培气配 炉唐坦道 炉件 5 州 e 曩道骨口揖重 ，簟蠹 图3 1 燃烧炉结构示意图 燃料燃烧所需要的空气量( 实质上是氧气量) ，可根据燃料的燃烧计算精确计算出 西安建筑科技大学硕士研究生毕业论文 来，称为理论空气量。为了使燃料在炉膛内完全燃烧，减少不完全燃烧热损失，实 际送入炉膛内的燃烧空气量通常都大于理论空气量。实际空气量与理论空气量的比 值称为过剩空气系数a 。过剩空气系数反应了燃料油与燃烧空气的配合情况。a 过 大，表示燃烧空气较多，不仅增加排烟热损失，而且降低了炉膛温度，增加了供给 燃烧空气的动力消耗；n 过小，送入炉膛的燃烧空气过少，燃料油因氧气不足不能 完全燃烧，炉子将会冒黑烟，同样会降低热效率。传统的人工控制，n 一般在1 3 左右。采用微机模糊控制，a 可控制在1 0 5 。在1 5 0 。c 排烟温度下，可提高热效率 3 。考虑人工操作滞后和操作误差造成的热损失，在实践应用上，对燃烧空气量进 行自动控制对提高热效率的意义远远大于此( 有资料介绍，对退火炉燃烧空气量进 行模糊自动控制，过剩空气系数控制在1 0 5 1 1 0 ，实测提高热效率1 0 ) 。因此， 对燃烧炉进、出口烟气温度和燃料油与燃烧空气之比进行控制，对整个装罨安全、 稳定运行和节降耗有重要意义。 触 图3 2 燃烧炉系统布置图 西安建筑科技大学硕士研究生毕业论文 3 1 4 控制方法选择 控制系统广泛应用于社会生活的各个领域，近年来得到了快速发展。目前，常 用的控制方法有p i d 控制、模糊控制、神经网络控制以及综合它们优缺点形成的复 合控制，如模糊一p i d 控制、模糊一神经网络控制、仿人智能控制等等。 p i d 控制即比例、积分、微分控制。p i d 算法根据比例、积分、微分系数计算出 合适的输出控制参数，利用修改控制变量误差的方法实现闭环控制，使控制过程连 续，是很普通的调节方法。结构简单，但参数整定麻烦，被控对象参数难以确定， 外界干扰会使控制漂离最佳状态。对外界干扰及负载变化只能作近似估算，影响了 控制精度，难于解决非线性和多参数变化的问题。 模糊控制是基于模糊逻辑的描述一个过程的控制算法，主要嵌入操作人员的经 验和直觉知识。它适用于控制不易取得精确的数学模型和数学模型不确定或经常变 化的对象。模糊控制不需要装置的精确模型，仅依赖于操作人员的经验和判断，非 常容易应用。与p i d 控制比较，模糊控制响应快、超调量小、对参数变化不敏感， 即鲁棒性强、可靠性高、能发挥熟练专家操作的良好的自动化效果，特别是适用于 大时延、纯滞后系统。 仿人智能控制是在控制过程中利用计算机模拟人的控制行为功能，最大限度地识 别和利用控制系统动态过程所提供的特征信息，进行启发和直觉推理，从而实现对 缺乏精确数学模型的对象进行有效的控制。 燃烧炉是一个复杂的受控对象，出口烟气温度控制系统是一个非线性、大时延、 纯滞后系统，难以建立精确的数学模型。另外，通过很多厂家的人工控制操作，积 累了大量的实际操作经验。由此可见，燃烧炉系统非常适于作模糊控制和智能控制。 因此，对燃烧炉出口烟气温度( 主控制系统) 采用智能控制。同时，为了充分利用 单片机的功能，保持控制系统的先进性和一致性，对风油比控制、燃烧炉进口烟气 温度控制也采用模糊控制。 随着微型计算机技术的不断发展，微型计算机的成本大幅度下降，可靠性不断提 高。若在燃烧炉系统上采用微机控制，可以实现生产过程中快速、准确、平稳和可 靠的操作，达到提高装置产量、提高热效率、降低能耗的目的。 在本文的研究过程中，考虑到合作厂家控制系统的一致性，采纳其对控制系统提 出的具体要求，仍延续采用8 0 9 8 单片机。 本控制系统以8 0 9 8 单片机为主控设备，通过检测燃烧炉出1 2 1 烟气温度来调节燃 料油供给量，同时配以最优比例的燃烧空气，在保证燃料油完全燃烧的前提下，实 现燃烧炉出口烟气温度的精确控制；同时，通过燃料油与燃烧空气之最优比控制， 提高燃烧炉系统的燃烧热效率；在燃烧炉出口烟气温度控制系统的基础上，控制燃 西安建筑科技大学硕士研究生毕业论文 烧炉进口烟气温度，自动跟踪转炉的负荷变化和波动，为转炉提供最佳的反应条件； 从燃烧炉的最佳运行参数出发，设置炉膛负压调节系统；从安全、高效和环保等要 求出发，设置联锁报警系统。 3 1 5 燃烧炉自动控制系统原理及简介 燃烧炉系统控制原理框图见图3 3 。从图中可以看出，燃烧炉自动控制系统包括 联锁报警系统、燃烧炉出口烟气温度控制系统、燃烧炉进口烟气温度控制系统、风 油比控制系统和炉膛负压调节系统。图中，i t c 是燃烧炉转口烟气温度控制器，f t c 是燃烧炉进口烟气温度控制器，f a c 是风油比控制器，f p c 是炉膛负压控制器。 联锁报警系统是燃烧炉安全、可靠运行的重要措施。它以转炉给料为总控制信 号，把燃料油、燃烧空气、火焰检测信号、炉膛负压以及雾化蒸汽联锁，到一定阈 值报警，在另一较高阈值切断相关系统。在燃烧炉操作中，按系统原理，出转炉的 烟气直接进入燃烧炉，因此，当转炉无进料时，切断燃料油、雾化蒸汽和燃烧空气， 以避免转炉材料超温损坏；当检测到火焰熄灭时，切断燃料油、雾化蒸汽和燃烧空 气；当燃料油压力低于某一阈值时，报警，压力低于另一阈值时，停止进油并切断 燃烧空气和雾化蒸汽；当雾化蒸汽压力低于某一阈值时，报警，压力低于另一阈值 时，切断燃料油、燃烧空气：当炉膛负压超出设定的控制范围时，切断燃料油、雾 化蒸汽和燃烧空气。 燃烧炉出口烟气温度控制系统，是整个燃烧炉控制的核心。燃烧炉出口烟气温 度的调节是通过改变燃料油的供给量实现的。燃料油量的调节通过调节燃料油管线 上的电动阀实现。 与燃料油供给量的变化相辅相承，必须同时改变燃烧空气供给量，保证燃料油 完全地、充分地燃烧，才能实现燃烧炉出口烟气温度的调节。因此，风油比r 、控制 系统也是燃烧炉自动控制的关键。燃烧空气量的调节通过改变燃烧空气鼓风机的送 风量实现。 燃烧炉进1 ：3 烟气温度控制系统，是自动跟踪转炉负荷变化的控制系统。它通过 改变系统排烟量，改变进入燃烧炉的循环烟气量，进而改变下一循环进入转炉的烟 气量，实现对转炉负荷变化的自动跟踪。排烟量、入转炉烟气量的改变是通过调节 排放烟气引风机的引风量来改变的。炉膛负压控制系统，是利用炉膛负压的实际检 测值，与设定的炉膛负压值比较，改变循环引风机的转速，从而改变循环引风机的 抽力，调节炉膛负压。 3 1 6 研究内容 本文首先分析燃烧炉的运行特性，提出燃烧炉出1 ：3 烟气温度的智能控制方案、 燃烧炉进1 ：3 烟气温度模糊控制方案、最优风油比模糊控制方案，把燃烧炉出口烟气 西安建筑科技大学硕士研究生毕业论文 温度控制系统和最优风油比控制系统合并为主控制系统，以控制器设计为重点，探 讨研究燃烧炉出口烟气温度控制、燃烧炉进口烟气温度控制、最优风油比的自动控 制、软件联锁报警控制的规律，最后对主控制系统的算法进行了仿真研究，利用仿 真结果，验证方案的可行性，并待工程实践检验。 图3 3 燃烧炉系统控制原理图 西安建筑科技大学硕士研究生毕业论文 第二节控制对象性能分析 3 2 1 燃烧炉自动控制的假设前提条件 a ，燃烧炉设计有足够的操作弹性，以适应燃料燃烧热负荷的变化和工艺热负荷的变 化。在丌发设计中，我们取最大热负荷为额定热负荷的1 3 5 倍。所有材料选择、炉 膛尺寸都按最大热负荷考虑，在材料的使用条件上留有裕量。 b 炉墙保温效果足够好，以至于通过炉墙的散热损失为零。因而，在炉膛温度变化 时，炉墙蓄热量不变。 c 燃烧器性能非常好，不计由于雾化不好引起的不完全燃烧和机械不完全燃烧造成 的热损失。 d 忽略系统热损失。 3 2 2 燃烧炉出口烟气温度控制系统分析 燃料油经位于炉底的燃烧器雾化，在炉膛内燃烧，放出热量。该热量贮存在燃 烧后的高温烟气中。高温烟气和进入燃烧炉的循环烟气混合降温变成混合烟气( 5 5 0 ) 。火焰、高温烟气和混合烟气通过辐射传热，把一部分热量传给炉墙，另有一部 分热量贮存于混合烟气中，随烟气进入转炉。 燃烧炉遵循两个最基本方程：热量守恒和质量守恒。当燃烧炉稳定工作后，炉 膛不再吸收热量，达到热平衡状态q ，。= q o 。，”。遵循以下方程： q i = q 。 ( 3 1 ) q 。= q - + q 。3 t o + q q + q # ( 3 - 2 ) q = q v 5 5 0( 3 - 3 ) = t ! m s c d 、5 5 0 。1 qi _ _ ，= q i x = 4 3 0 1 6 x( 3 - 4 ) q v 3 5 0 = t 1 ms l c d 。3 5 0 。( 3 - j ) q q = 1 0 5 1 1 3 xc p q t - t 。1( 3 - 6 ) 。15 9 l x ( c p y 3 5 0 一c p y l 5 0 ) q # = o4 x i # 2 0 0 ( 3 7 ) q i n - o - 进燃烧炉总热量，k w ： q 。，出燃烧炉总热量，k w ： qi s - - 燃料油放热量，k w ； q y 3 5 0 - - 3 5 0 。c 下烟气热量，k w ； q y s 5 0 5 5 0 下烟气热量，k w q q 燃烧空气带入的显热，k w ： q ；一雾化蒸汽带入的显热，k w ；q 1 燃料油低热值，4 3 0 1 6 k j k g 油： b 一燃料油量，k g hm s 出燃烧炉烟气流量，n m 3 h ： t 2 燃烧炉出口烟气温度，：h - - - 燃烧炉进i ：1 烟气温度，： 西安建筑科技大学硕士研究生毕业论文 m s l 循环烟气量( 进燃烧炉烟气流量) ，n m 3 l h ； c 5 0 一烟气在5 5 0 。c 下的定压比热，温度小范围变化时为定值，k j ( n m 3 ) ： c d v 3 5 0 一烟气在3 5 0 。c 下的定压比热，温度小范围变化时为定值，k j ( n m 3 ) ； c 。l5 0 一烟气在1 5 0 4 c 下的定压比热，温度小范围变化时为定值，k j ( n m 3 ) ； x 需要的燃料油量，k g h ； 从以上7 个