钢铁工业中加热炉的控制系统

1、Y XSH 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 9.2 9.2 钢铁工业中加热炉的控制系统钢铁工业中加热炉的控制系统 第二次世界大战以后，炼铁技术取得了惊人的进展。 铁矿石处理技术的进步，纯氧转炼炉炼钢和连续铸造法的 应用，以及计算机技术深入到炼铁、炼钢、轧钢等工序， 推进了技术革新，使产量与质量有很大的提高。 9.2.1 9.2.1 钢铁生产过程概要钢铁生产过程概要 Y XSH 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 Y XSH 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 q在钢铁联合企业中，各生产工艺之间相互联在钢铁联合企业中，各生产工艺之间相互联 系，形成连续生产过程，所需原料和能

2、量按图系，形成连续生产过程，所需原料和能量按图 9-59-5所示那样传递，最后制成成品。所示那样传递，最后制成成品。 q钢铁生产虽然是这些复杂工艺的综合，但它钢铁生产虽然是这些复杂工艺的综合，但它 也具有共同特征，那就是大部分工艺过程都是也具有共同特征，那就是大部分工艺过程都是 在高温氧化与还原反应过程中进行的。在高温氧化与还原反应过程中进行的。 q即使钢坯原来是热的，在生产过程中也要冷即使钢坯原来是热的，在生产过程中也要冷 却，并反复进行多次加热与冷却。从这一点来却，并反复进行多次加热与冷却。从这一点来 看，钢铁生产是要消耗很多燃料看，钢铁生产是要消耗很多燃料( (能量能量) )的，有的，有

3、 人把钢铁业称为能量消费业。人把钢铁业称为能量消费业。 Y XSH 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 9.2.2 9.2.2 加热炉的燃烧控制加热炉的燃烧控制 1.燃烧机理与控制 发热量为发热量为 ，质量流量为，质量流量为 的燃料燃烧所产生的热流量为的燃料燃烧所产生的热流量为 这个热流量必须等于燃料流量这个热流量必须等于燃料流量 和空气流量和空气流量 升高到火馅升高到火馅 温度温度T T所需的热流量（所需的热流量（ 、 、 和和 分别表示燃料和空气分别表示燃料和空气 的平均比热和入口温度）的平均比热和入口温度） 为了保证完全燃烧，必须根据燃料的化学成分，选好空气和为了保证完全燃烧，必须

4、根据燃料的化学成分，选好空气和 燃料的比值燃料的比值 ，用，用 代替代替 ，就可以解出火焰温度，就可以解出火焰温度 C H F F Q= FC F H F C F T A C A T ()() FFFAAA QF CTTF CTT (9-6) (9-8) A K A K AF FF CFFAAA FAA HCTKCT T CKC (9-7) Y XSH 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2.燃料、空气配比与燃烧效率 燃料燃烧加热的炉子里，实际使用的空气量与理论空 气量之比，即空气过剩率: 实实际际空空气气量量 理理论论空空气气量量 为了使燃料得到为了使燃料得到 充分的燃烧，空气过充分的

5、燃烧，空气过 剩率剩率常大于常大于1 1，一，一 般般=1.02=1.021.501.50。 空气过剩率与燃烧效空气过剩率与燃烧效 率、节能、防止公害率、节能、防止公害 有很大的关系，其关有很大的关系，其关 系曲线如图系曲线如图9 96 6所示。所示。 Y XSH 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 在热效率最高的区域是低含量燃烧区。经常保持在这个区在热效率最高的区域是低含量燃烧区。经常保持在这个区 域内运转，可望得到如下经济效果：域内运转，可望得到如下经济效果： (1)(1)减少排烟所含过量空气带走的热损失，达到节能的目的；减少排烟所含过量空气带走的热损失，达到节能的目的； (2)(2

6、)减少燃烧空气量和排风量，可以节省通风机的动力费用；减少燃烧空气量和排风量，可以节省通风机的动力费用； (3)(3)降低的生成，减少空气污染；降低的生成，减少空气污染； (4)(4)降低生成，防止设备腐蚀；降低生成，防止设备腐蚀； (5)(5)减少灰分，使除尘器小型化并节省维护费用减少灰分，使除尘器小型化并节省维护费用。 Y XSH 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 9.2.3 9.2.3 燃烧控制得串级比值调节系统燃烧控制得串级比值调节系统 为了保证燃料与空气有一定的配比关系，一般在燃烧控为了保证燃料与空气有一定的配比关系，一般在燃烧控 制中，常用的控制方案之一是比值串级调节系统，其

7、一般形式制中，常用的控制方案之一是比值串级调节系统，其一般形式 如图如图9797所示。所示。 比值器比值器K K值可以预值可以预 先设定，在系统稳定先设定，在系统稳定 运行的情况下，比值运行的情况下，比值 系统空燃比等于。通系统空燃比等于。通 过分析烟气含氧量计过分析烟气含氧量计 算热效率，人工调整算热效率，人工调整 比值器的设定值可以比值器的设定值可以 使燃烧处于较佳状态。使燃烧处于较佳状态。 Y XSH 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 有干扰出现时，由于负荷增加，炉膛有干扰出现时，由于负荷增加，炉膛 温度下降，调节器使燃料流量增大。温度下降，调节器使燃料流量增大。 又由于空气是从

8、变量，其响应有一段又由于空气是从变量，其响应有一段 滞后，如图滞后，如图9 98 8中燃料流量中燃料流量1 1增加或增加或 减少的一段过渡过程中，减少的一段过渡过程中， 实际空气实际空气 流量曲线流量曲线3 3与理想空气流量和燃料流与理想空气流量和燃料流 量成比例变化曲线量成比例变化曲线2 2之间不相重合。之间不相重合。 实际空气流量变化滞后于曲线实际空气流量变化滞后于曲线2 2。在。在 燃料流量增加的动态过程中，会出现燃料流量增加的动态过程中，会出现 缺氧燃烧，产生黑烟，热效率急剧下缺氧燃烧，产生黑烟，热效率急剧下 降。当负荷减少时，燃料流量就减少降。当负荷减少时，燃料流量就减少 滞后，则会

9、出现过氧燃烧，热效率也滞后，则会出现过氧燃烧，热效率也 会降低。会降低。 在动态过程中，串级比值调节不能保持适当的空气燃在动态过程中，串级比值调节不能保持适当的空气燃 料比。它仅适用于稳态情况下燃烧控制方式。料比。它仅适用于稳态情况下燃烧控制方式。 Y XSH 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 9.2.4 9.2.4 交叉限幅并联回路的串级调节交叉限幅并联回路的串级调节 Y XSH 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 1.燃料流通调节回路 图图9999左半部分，高值选择器和低值选择器有两个重左半部分，高值选择器和低值选择器有两个重 要的选择比较参数要的选择比较参数B B、D D，

10、是根据实测空气流量信号，是根据实测空气流量信号 算出算出 来的。其中，来的。其中，D D是不出现缺氧燃烧，燃料流量的上限值，是不出现缺氧燃烧，燃料流量的上限值，B B 不是出现过氧燃烧，燃料流量的下限值（不是出现过氧燃烧，燃料流量的下限值（是空气过剩率。是空气过剩率。 它由手动设定，或者通过燃烧效率计算和测定进行修正，它由手动设定，或者通过燃烧效率计算和测定进行修正， 通过含氧分析来校正，由动态自动寻优控制系统来设定）。通过含氧分析来校正，由动态自动寻优控制系统来设定）。 A F 2 1 1 () A DFK 2 1 1 () A BFK 0max max F A FA F 理论空气量校正系数

11、理论空气量校正系数 （一般（一般=0.8=0.8- -1.01.0） ：单位燃料所必须的理论空气量；：单位燃料所必须的理论空气量； ：燃料流量测定范围的最大值；：燃料流量测定范围的最大值； ：空气流量测定的最大值；：空气流量测定的最大值； ：5%5%左右；左右； ：5 5左右。左右。 0 A maxF F maxA F 1 K 2 K (9-9) (9-10) (9-11) Y XSH 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 燃料流量控制回路的信号选择关系如图燃料流量控制回路的信号选择关系如图910910。 系统在正常系统在正常 工作时，就是一工作时，就是一 般的串级调节系般的串级调节系 统

12、；一旦发生扰统；一旦发生扰 动，由于高、低动，由于高、低 值选择器的限幅值选择器的限幅 作用，使得系统作用，使得系统 能在一定范围内能在一定范围内 维持空气维持空气燃料燃料 比，克服了一般比，克服了一般 比值调节方式的比值调节方式的 局限性。局限性。 Y XSH 自动化仪表与过程控制自动化仪表与过程控制 2.空气流量调节回路 空气流量调节回路见图空气流量调节回路见图9999右半部分。这里也有两个重右半部分。这里也有两个重 要的参数要的参数F F、H H是根据实测燃料流量信号是根据实测燃料流量信号 算出来的。其算出来的。其 中，中，F F是不出现过氧燃烧时空气流量的上限值：是不出现过氧燃烧时空气流量的上限值： H H是不出现缺氧燃烧时空气流量的下限值是不出现缺氧燃烧时空气流量的下限值： 式中，式中， 为为5 5左右，左右， 为为5 5左右