热风炉拱顶温度串级与比值控制系统设计.doc

学 号： 课 程 设 计题 目热风炉拱顶温度串级与比值控制系统设计学 院自动化专 业自动化卓越工程师班 级姓 名指导教师 2014年12月4日课程设计任务书学生姓名： 专业班级： 自动化ZY1101 指导教师： 工作单位： 自动化学院 题 目: 热风炉拱顶温度串级与比值控制系统设计初始条件：转炉炼钢通常采用的是内燃式热风炉,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，要求高炉送风温度达到1550，则炉顶温度要求必须达到1600，稳态误差10。此拱顶温度串级控制系统中，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最佳配比。 要求完成的主要任务: 1、了解内燃式热风炉工艺结构以及工作原理。2、绘制内燃式热风炉温度控制系统方案图，掌握温度串级与比值控制系统的工作原理。3、确定系统所需检测变送元件、执行元件、调节仪表技术参数，以及误差控制。4、撰写详细的系统设计说明书并描述调节过程5、系统建模及其数值仿真6、总结课程设计的经验和收获时间安排11月 3 日 选题、理解课题任务、要求 11月 4 日 方案设计 11月 5日- 8日 参数计算并撰写说明书11月 9 日 答辩指导教师签名： 2014 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 2014 年 月 日摘 要 作为热动力机械的热风炉于20世纪70年代末在我国开始广泛应用，它在许多行业已成为电热源和传统蒸汽动力热源的换代产品。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。在本设计系统中采用了串级与比例控制，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，而且通过废气中的含氧量调节空燃比的大小从而实现最佳燃料。系统设计中还介绍了主系统结构、并按系统要求选择检测元件、执行元件、调节仪表的技术参数，选择调节器结构，并进行参数近似计算。关键字 热风炉 串级比例控制 PID整定 Matlab仿真目录1热风炉的工艺结构11.1炉基的设计21.2炉壳的设计21.3炉墙的设计31.4拱顶的设计41.5蓄热室的设计51.6燃烧室的设计61.7炉箅子与支柱的设计61.8转炉炼钢工艺流程72热风炉拱顶温度串级与比值控制系统设计82.1热风炉温度串级与比值控制系统原理图82.2热风炉温度串级与比值控制系统方框图83控制器的选择93.1执行机构的选择93.2 微型计算机的选择94元件选择114.1温度传感器及变送器114.2 流量测量仪表115热风炉燃烧控制方案125.1 热风炉燃烧过程125.2 热风炉最有燃烧条件126 PID整定及仿真137 小结心得168参考文献17武汉理工大学仪表与过程控制系统课程设计说明书热风炉拱顶温度串级比值控制系统设计1热风炉的工艺结构热风炉是将鼓风机送出的冷风加热成热风的设备。通过提高高炉鼓风温度，可以增加喷煤量，降低燃料比。热风炉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。目前蓄热式热风炉有三种基本结构形式，即内燃式热风炉、外燃式热风炉、顶燃式热风炉。如下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（如图1-1所示4）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。 拱顶构造 主体结构 燃烧室构造图图11002506201036120015131800205025164063H21068288403350037000420004445044470540004966054050D上434654007300800085009000933099600900010100下5200678090009500H/D4.805.574.804.704.954.934.935.705.575.35表1我国设计的热风炉尺寸表1.1炉基的设计由于整个热风炉重量很大又经常震动，且荷重将随高炉炉容的扩大和风温的提高而增加，故对炉基要求严格。地基的耐压力不小于2.02.5kg/，为防止热风炉产生不均匀下沉而是管道变形或撕裂，将三座热风炉基础做成一个整体，高出地面200400mm，以防水浸基础由或16Mn钢筋和325号水泥浇灌成钢筋混泥土结构。土壤承载力不足时，需打桩加固。生产实践表明，不均匀下沉未超过允许值时，可将热风炉基础又做成单体分离形式，如武钢、鞍钢两座大型高炉，克节省大量钢材。1.2炉壳的设计热风炉的炉壳由820mm厚的钢板焊成。对一般部位可取：=1.4D（mm）。开孔多的部位可取：=1.7D（mm）, 为钢板厚度（mm），D为炉壳内径（m），钢板厚度主要根据炉壳直径、内压、外壳温度、外部负荷而定。炉壳下部是圆柱体，顶部为半球体。为确保密封炉壳连同封板焊成一个不漏气的整体。由于炉内风压较高，加上炉壳耐火砖的膨胀，使热风炉底部承受到很大的压力，为防止底板向上抬起，热风炉炉壳用地脚螺栓固定在基础上，同时炉底封板与基础之间进行压力灌浆，保证板下密实，也可以把地脚螺栓改成锚固板，并在底封板上灌上混泥土。将炉壳固定使其不变形，或把平底封板加工成蝶形底，使热风炉成为一个手内压的气罐，减弱操作应力的影响。在施工过程中对焊接必须进行X光探伤检验，要求炉壳椭圆度不大于直径的千分之二，整个中心线的倾斜（炉顶中心与炉底中心差）不大于30mm。为了保证炉壳和炉内砌砖的密封性，在砌砖前后要试漏、试压,砌砖后工作压力的1.5倍试压，每小时压力降=1.5%.蓄热室、燃烧室的拱顶和连接管处采用（韧性耐龟裂钢板）含锰、铝的镇静钢。高温区炉壳外侧用0.5mm铝板包覆，铝板与炉壳间填充后3mm保温毡，使炉壳温度控制在150250，防止内表面结露，也防止突然降温（暴雨）使炉壳急冷而产生应力。炉壳内表面涂硅氨基甲酸乙醋树脂保护层，防止与炉壳接触。1.3炉墙的设计炉墙一般由耐火层、绝热层和隔热层组成。作用是保护炉壳和减少热损失。各层厚度应根据炉壳温度和所用耐火材料的界面温度确定。因炉墙温度自上而下逐渐升高、所以不同高度耐火层和绝热层厚度不同。一般下部区域温度低、荷重大，宜选用较厚耐火砖，减薄的绝热层，所留膨胀缝可小。上部高温区，荷重小，但为了减少热损失，应增加绝热层的厚度，耐火层可较薄。炉墙通常由345mm耐火砖砌筑，一般风温水平的热风炉和炉壳接触的是65mm后的硅藻土砖绝热层，绝热层和耐火砖之间是60145mm后的干水渣填料层，用以缓冲膨胀。两层绝热砖之间填以5090mm后的干水渣或硅藻土或石粉。隔墙上部由于燃烧室位置在热风炉内的一侧，靠格子砖的隔墙为两面加热，而靠热风炉大墙一侧的隔墙为一面加热。因此，前者的温度比后者高，产生的高温蠕变大，而耐火材料不适应高温时，就使燃烧室向格子砖方向倾斜，并进而使上部格砖严重错孔。 a -多用与燃烧室侧 b -多用于蓄热室侧 图2 炉墙的组成1.4拱顶的设计 拱顶是连接燃烧室和蓄热室的砌筑结构,它长期处于高温状态工作，应选用优质的内火材料，并保证砌体结构的稳定性，燃烧时高温烟气流均匀地进入蓄热室。内燃式热风炉拱顶有半球形，锥型，抛物线形和悬链形，目前国内传统内燃式热风炉一般多采用半球形。它可使炉壳免受侧向推力，拱顶荷重通过拱脚正压在墙上，以保持结构稳定性。应加强热风炉上部与拱顶的绝热保护，鉴于拱顶支在大墙上，大墙受热膨胀，受压易于破坏，故将拱顶与大墙分开，支在环形梁上，使拱顶砌成独立的支撑结构。采用抛物线形拱顶和悬链形拱顶稳定性较好，悬链形拱顶的气流也较均匀，但结构较复杂。下为拱顶结构图图3。 图3拱顶结构 在拱顶内衬的内火砖材质，决定拱顶温度水平，为了减少结构质量和提高拱顶的稳定性，应尽量缩小拱顶的直径，并适当减薄砌体的厚度。拱顶砌体厚度减薄后，其内外温度差降低，热应力减少，可相当延长拱顶寿命。中型热风炉砖厚以300500mm为宜，大型高炉热风炉砖厚以350400mm为宜。但是砖型过多制造麻烦，过少则施工困难。国内部颁标准以有了3组9种拱顶定型砖适用于砌筑内部半径为21003900mm的半球形拱顶。拱顶的下部第一层砖为拱脚砖。常用钢圈加固，使炉壳少受水平力作用。在拱顶的正中为特制的炉顶盖砖，上有安装测拱顶温度的电热偶孔。为了提高热效率，减少热损失好保护炉壳，拱顶的隔热是十分重要的。高风温热风炉拱顶隔热砖的厚度为400500mm,一般由23层隔热砖组成。拱顶耐火衬材质与炉顶温度的关系由表2。材质粘土砖高铝砖硅砖标号RN-38RL-48L2-65DG-95炉顶温度1250135014501550表2 热风炉拱顶耐火衬材质与炉顶温度的关系 1.5蓄热室的设计 蓄热室是热风炉进行热交换的主体，它由格子砖砌筑而成。砖的表面就是蓄热室的加热面，格子砖块作为贮热介质，所以蓄热室的工作既要传热快又要贮热多，而且要有尽可能高的温度。格子砖的特性对热风炉的蓄热能力，换热能力以及热效率有直接影响。蓄热室断面积，一般是从选定的热风炉直径扣除燃烧室断面积而得到的，它应该用填满格子砖的通道面积中的气流速度来核算。为了保证传热速度，要求气流在紊流状态流动，即雷诺数大于2300。由于气体在高温下粘度增大，而且格孔小不易引起紊流，故现代高风温热风炉要求有较高的流速以满足传热的要求，在生产中常有这样的情况，蓄热面积不少，顶温很高，但风温上不去，烟道温度却上升很快，其原因主要是流速低造成的。蓄热室工作的好坏，风温和传热效率如何，与格孔大小、形状、砖量等也有很大的关系。但在燃烧室两侧蓄热室狭窄处存在死角，烟气在蓄热室断面上分布不均，相对的减少了蓄热室面积。眼镜形燃烧室结构稳定性差，热应力小，当量直径小，不利于煤气燃烧：但蓄热室死角小，烟气流分布均匀，有效面积利用较好。复合型兼备上述两种形状的优点，设计上采用多。1.6燃烧室的设计 燃烧室是煤气燃烧的空间，位于颅内的一侧，它的断面形状有三种，即圆形、眼睛形、复合型。本设计采用复合型，燃烧能力大，气流在燃烧室内分布均匀，燃烧效果好，废气分布均匀。下为燃烧室断面形状，图4。1-燃烧室 2-蓄热室 图4 燃烧室断面形状燃烧室隔墙一般由两层互不错缝的高铝砖砌筑，大型高炉用一层345mm和一层230mm高铝砖砌成，中小高炉用两层230mm高铝砖砌成。两层之间彼此无约束，在受热膨胀时互不受阻碍。燃烧室比蓄热室要高出300500mm，目的是使烟气流在蓄热室内分布均匀一些。1.7炉箅子与支柱的设计 蓄热室全部格子砖都通过炉箅子支持在支柱上，当废气温度不超过350，短期不超过400时，用普通铸铁就能稳定的工作，当废气温度较高时，可用耐热铸铁（Ni0.4%0.8%，Cr0.6%1.0%）或高硅耐热铸铁。为避免堵住格孔，支柱和炉箅子的结构应和格孔相适应。支柱高度要满足安装烟道哦冷风管道的净空需要，同时保证气流畅通。炉箅子的块数与支柱相同，而炉箅子的最大外形尺寸，要能从烟道口进出。1.8转炉炼钢工艺流程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。此外，炼钢时，生成的炉渣也可以用来做钢渣水泥，含磷量较高的炉渣，可加工成磷肥，等等。氧气顶吹转炉炼钢法具有冶炼速度快、炼出的钢种较多、质量较好，以及建厂速度快、投资少等许多优点。但在冶炼过程中都是氧化性气氛，去硫效率差，昂贵的合金元素也易被氧化而损耗，因而所炼钢种和质量就受到一定的限制。2热风炉拱顶温度串级与比值控制系统设计2.1热风炉温度串级与比值控制系统原理图图5 热风炉串级比值控制系统原理图 此拱顶温度串级控制系统中，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最佳配比。 2.2热风炉温度串级与比值控制系统方框图图6 热风炉温度串级比值控制系统方框图3控制器的选择3.1 执行机构的选择由于本次设计选用的是热风炉，选择温度控制器作为执行机构，选用对应的MJYD-JL-20型单相交流模块。PLC控制器输出的数字量经过D/A转换成温度控制器可识别的模拟电压信号后，根据不同的电流值，MJYD-JL-20型单相交流模块输出相应的电压值从而控制电阻丝两端的电压值，达到调节温度的目的。3.2 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.编程简单易学，即使不熟悉电脑的工程师也能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。同时，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。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，使用电源类型为AC，输出方式为继电器输出型。4元件选择 4.1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01800，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（-200650），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01700；正常温度1610；送风温度范围01700；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。4.2 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06.0KPa，输出信号420mADC,型号为PMD235KB4D2EB1CGT。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04.0KPa，输出信号为420mADC，型号为PMD235KB4D2EB1CGT。5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。 5.1 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。5.2 热风炉最有燃烧条件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。合理的空燃比是实现最优燃烧的关键。当空燃比过大时，将会降低燃烧温度，同时产生更多的废气，带走更多的热量，增大热损失；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，也会降低燃烧温度同时还造成还原性气氛，是耐火材料变质。只有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。实际操作中当燃气为高炉煤气是，合理的空气过剩系数在1.051.10之间。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0.20.8%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