煤气窑炉温度控制系统的研究.docx

煤气窑炉温度控制系统的研究赵峥涛1 ,陈其扬2(1 . 南京依斯特制冷有限公司 ,南京 210004 ;2 . 上海梅山冶金公司 焦化厂 ,南京 210039)摘要 : 以煤气作能源的窑炉温度控制难度较大 ,在研究了单参数 、多参数炉温控制系统优缺点的基础上 ,提出单参数加自力式压力调节阀自动调节系统 ,有效解决了单参数 、多参数炉温控制系统所不能解决的安全性差 、 炉温不稳定及调节繁琐等问题 。关键词 : 单参数 ;多参数 ;串级 ;串级加前馈 ;自力式压力调节阀中图分类号 : tp273 + . 3 文献标识码 : b 文章编号 : 100023932 (2000) 01200212031一般的炉温单参数调节回路一般窑炉测温 ,近年来都用比色红外测温仪 , 其使用寿命长 、性能稳定 ,对烟灰影响也小 。可直 接对炉膛温度进行控制 ,其控制方式如图 1 所示 。 红外测温变送器将温度信号输入计算机 ,通过计 算机中的 pid 控制模块 (也可用常规 pid 仪表) 输 出 420 ma 控制信号到电动调节翻板 ( 包括电动 长行程执行机构及调节翻板) 调节入炉煤气流量 , 调节炉温 (其中孔板将差压变送器信号输入计算机进行煤气流量的积累计算) 。为主参数 ,而红外温度变送器作检测用 。但上述回路控制没有考虑影响炉温 (或油温)的干扰量 ,要达到炉温 (或油温) 的控制稳定 ,必须 考虑外界的干扰量 ,如环境温度的变化 、煤气压力 变化 、原料油入炉温度变化 、气候变化等等 。这样 就产生了串级及串级加前馈的控制系统 。在窑炉 炉温控制中的主干扰量是能源煤气及影响炉温稳 定的喷嘴 5 前的煤气压力 。2 串接炉温或加热油 (气) 温度控制系统如图 2 所示 ,入炉煤气喷嘴前的煤气压力是 影响炉温的主干扰因素 ,我们把窑炉炉温作为主参数 ,把入炉煤气压力作为副参数实现串接控制 ,可达到炉温和入炉煤气压力的相对稳定 。计算机 内设置二个 pid 控制模块 pid 、pid 。主参数信号进入计算机 pid 模块 , 副参数信号进入计算机 pid 模块 。pid 模块其输出 控制电动执行机构控制煤气流量 ,保证对象控制 温度和干扰量煤气压力的相对稳定 。当然入炉煤 气流量是控制窑炉温度的主要能源 ,也是主干扰量 。也可把煤气流量作为副参数进行串级控制 。这里一般把流量孔板测得的差压信号经差压变送 器送入计算机进行流量计算 。3 串级加前馈窑炉温度控制系统串级温度控制系统考虑了影响温度稳定的喷 嘴前煤气压力的干扰因素 ( 也可用煤气流量) ,但 在煤气燃烧时 ,煤气总管压力 p0 波动很大 , p0 波图 1 单参数炉温调节回路注 : 1 红外温度变送器 ; 2 差压变送器 ; 3 孔板 ;4 调节翻板 ;5 煤气喷嘴 ;6 热电阻温度变送器当然这里炉温是控制主要参数 ,但有的工艺要求是以控制经过炉膛管道中经过加热后出口油 或气温度为主要目的 。这样油或气出口温度为主要参数 ,控制过程则完全一样 。如图 1 中虚线所示 ,此时热电阻温度变送器收稿日期 :1999 - 08 - 19 ( 修改稿)22 化 工 自 动 化 及 仪 表第 27 卷动不仅影响入炉煤气压力 p1 也影响煤气流量 ,因为我们只能用压力作主干扰因素 ,要消除 p0 变化 对温度控制的影响 ,我们把煤气总压 p0 作为又一 个干扰因素引入调节 ,图 3 为串级加前馈调节系统。此用煤气作能源的调节系统炉子绝不能熄火 。图 3 串级加前馈窑炉温度控制示意图注 : 1 , 3 压 力 变 送 器 ; 2 差 压 变 送 器 ; 4 孔 板 ;5 热电阻温度变送器 ;6 电动执行翻板图 2 串接炉温控制示意图注 : 1 红外温度变送器 ; 2 差压变送器 ; 3 孔板 ;4 调节翻板 ;5 压力变送器 ; 6 煤气喷嘴 ; 7 热电阻 温度变送器因此安全可靠地用煤气作能源的加热温度控制系统必须满足三点要求 : 保证炉子不会熄火 ;达到多参数控制系统控制要求 ; 系统投运简 单 。而第三条系统投运简单也是安全生产的要素 之一 。4窑炉单参数加自力式压力安全调节阀温度控 制系统该系统包括两个分系统 ,即单参数温度调节系统和自力式压力调节系统 。如图 4 所示 。其原理为设置入炉油温为主参数而入炉煤气压力作为副参数 ,煤气总压作为前馈信号 。在计 算机中设置三个模块 pid 和 pid 及前置微分 加法 模 块 。当 温 度 变 送 器 5 信 号 输 入 计 算 机 pid 模块和计算机中设定入炉温度比较 , pid 模块输出到计算机 pid 模块作为给定值与入炉 煤气压力信号比较 ,pid 输出进入计算机加法模 块 ,煤气总压变送器 3 经过计算机内前置微分进 入加法器 , 加法器输出控制煤气电动调节翻板 。 这种三参数调节系统要求在煤气总压不断变化 、 入炉煤气压力变化情况下 ,经加热入炉油出口温 度能控制在设置范围内 。由于煤气总压变化较大 ,一般孔板流量计积 算数据只作参考 。所以在调节系统中用流量作干 扰参数不多 。前述窑炉炉温控制串级 ,串级加前 馈经实际使用达到较好的调节效果 。单参数调节 很难满足控制要求 ,但单参数系统投运简单而串 级和串级加前馈调节系统技术含量很高 ,参数整 定 、系统投运都比较困难 ,要实现无扰动切换调整 参数多 ,对技术人员要求也高 。如由于计算机故 障 、变送器损坏等原因引起窑炉熄火 、爆炸 ; 由于 系统计算机故障或仪表故障而关闭电动执行机构 翻板引起熄火 ; 在系统整定由于参数整定不定引 起串级或串级加前馈系统振荡关闭电动执行机构6 翻板引起炉子熄灭 , 再开启翻板即会爆炸 。因图 4 单参数加自力式压力安全调节阀温度控制示意图注 :1 入炉煤气压力变送器 ; 2 自力式压力调节阀 ;3 差压变送器 ;4 压力变送器 ; 5 电调调节翻板 ; 6 热电阻温度变送器4 . 1自力式压力调节系统该系统为有差调节系统 ,利用煤气自身压力 调节 p1 使入炉煤气压力稳定 。该系统关键器件23 第 1 期赵峥涛等. 煤气窑炉温度控制系统的研究为自力式调节阀 ,该阀有两种形式 : 配重式 ; 反馈式 。4 . 1 . 1配重式压力调节阀 (见图 5) 。过调节螺母 (调节弹簧的大小) 进行调节 。图 6 反馈式压力调节阀剖面图注 : 1 阀盖 ; 2 螺母 ; 3 硬芯 ; 4 硬芯 ; 5 弹 簧 ;6 螺母 ; 7 四氟膜片 ; 8 副阀座 ; 9 连杆 ; 10 硬芯 ;11 硬芯 ;12 连杆 ;13 四氟密封膜片 ;14 阀座图 5 配重式压力调节阀剖面图注 : 1 配重 ; 2 螺母 ; 3 硬芯 ; 4 夹环 ; 5 阀 体 ;6 弹簧 ;7 阀杆 ;8 顶针 ;9 四氟膜片四氟膜片外侧由夹环和阀体用螺母夹紧 ,内侧由硬芯和与螺母夹紧 ,通过顶针推动阀杆 ,设四氟 膜片面积为 f ,配重重量为 g ,则其平衡方程式为 :设弹簧刚度为 k , 压缩距离为 l, 膜片 7 有, 则该调节效面积为 f ,膜片 13 有效面积为器平衡方程式为 :f1g = p1 f(1)p1 ( f -p1f1)(3)(4)= klkl不同的配重 g 可得不同的 p1 ,可根据入炉煤气压力要求增加或减少配重 g 大小 。因此即使 仪表损坏 , 计算机损坏 , 图 4 分管路翻板关死 p1压力可自己保证不会熄火 , 亦可保证 p1 相对稳 定。这里还须考虑一个流量问题 ,即经过阀体与 阀孔的流量设计阀孔的大小 ,考虑阀孔与顶针的 距离 ,当自力式调节阀配重 g 增加 , g p1 f , 则四氟膜片通过顶针推动阀杆使总煤气压力通过阀孔使 p1 增加 ,使 g = p1 f 。这里一般弹簧有 一定位移而且阀孔有一定距离 ,因此自力式调节 阀正常工作情况下平衡方程式为 :=f - f1当 p1 设定值 ,则 p1 ( f - f1) 通过连杆 9 ,推动阀杆 12 关阀气门 ,使 p1 ;当 p1 设定值 , 则弹簧通过 9 、12 连杆把膜片 7 、13 推向上 , 打开 气门使 p1 。4 . 2 温度单参数调节系统 (图 4)自力式调节器接在主管路上 ,在自力式调节 器旁安装一旁通 ,调节蝶阀安装在旁通上 。由该 调节蝶阀作为执行机构 ,改变入炉煤气调节入炉 油输出温度 ,形成单参数温度调节系统 ,单参数系 统参数整定和投运都比较方便 。由于自力式压力调节器使入炉煤气压力基本保持稳定 ,使对象温 度调节在 70 %左右 ,通过单参数系统蝶阀入炉煤 气量使系统控制温度达到给定值 ,该系统安全可 靠 ,参数整定 、投运都比较方便 。5 结束语本文针对锅炉窑炉 ,用煤气作能源进行燃烧 时 ,往往由于计算机 、仪表故障或人为操作失误发 生操作事故而进行的探索研究 。当然对于系统来 说 ,在设计时要考虑到主 、副管路流量分配 ,管道 粗细等问题 。对自力式调节器必须满足其设计时的流量要求 ,且保证在任何情况下炉子不能熄火 。(2)l 弹 簧 位 移 ;g = p1 f + kl式