推钢式加热炉燃烧控制系统过控课设

1、内蒙古科技大学课程设计论文目录前言2第一章 加热炉概述3第二章 现代推钢式加热炉工艺简介42.1概述42.2 炉子的热工制度和炉型42.3 工艺过程概述5第三章 加热炉自动控制系统73.1 燃烧控制系统73.2炉膛压力控制系统83.3被控参数选择93.4控制参数的选择10第四章 仪表的选型114.1 检测变送元件114.2 执行器的选择144.3 调节器的选择、16总结18参考文献19前言随着现代化生产过程越来越复杂,规模越来越庞大,以及原材料的短缺和能源危机的加剧,企业间的竞争日趋激烈，人们对提高生产效率,提高产品质量,降低生产成本,减少能源消耗,强化环境保护的要求也日益提高,因此对工业过程

2、控制提出了更高的目标。钢铁工业是能源消耗的大户,其中仅冶金加热炉的能耗就占钢铁工业总能耗的25%,提高加热炉的加热效率,降低能耗,对整个钢铁工业的节能具有重要的意义"特别是随着现代化轧机向连续、大型、高速、高精度和多品种方向发展,对钢坯的加热质量也提出了越来越高的要求。然而加热炉生产过程是及其复杂的,其间包括热力学、化学的和物理的各种过程,其本质上是一个具有典型的多变量、时变、非线性、大惯性和纯滞后等特点的复杂工业生产对象。传统的燃烧控制己不能满足现代化轧制的发展要求,必须从整体上分析和控制加热过程,进而实现炉温的优化设定,从真正意义上地降低能源消耗,实现产品绿色生产"而加

3、热炉炉温自动控制系统技术在实际生产、生活中更是发挥了极其重要的作用，因为它直接影响到了工业生产以及我们的生活。高产、优质、低耗、低成本、低污染反映了轧钢加热炉的综合技术经济指标，用少投入实现产能的最大化，是企业和热工工作者的追求目标，亦是轧钢加热炉的发展趋向。目前，国内的连续式加热炉正在经历从推钢式到步进式的转变过程，虽然步进式加热炉有其优点，但是推钢式加热炉也有很多可取之处，推钢式炉和步进式炉有同等的效果，并且推钢式加热炉一次性投资少，维护运行费用低。在本设计中将用到过控中所学的串级控制系统，前馈-反馈控制系统等多种自动控制系统，并且根据控制系统和工艺需求，本着安全可靠，节能经济的原则对传感

4、器、变送器、执行器等工艺元件进行选型第一章 加热炉概述在冶金工业中，加热炉习惯上是指把金属加热到轧制成锻造温度的工业炉，包括有连续加热炉和室式加热炉等。金属热处理用的加热炉另称为热处理炉。初轧前加热钢锭或使钢锭内部温度均匀的炉子称为均热炉。广义而言，加热炉也包括均热炉和热处理炉。连续加热炉包括推钢式炉、步进式炉、转底式炉、分室式炉等连续加热炉,但习惯上常指推钢式炉。连续加热炉多数用于轧制前加热金属料坯，少数用于锻造和热处理。主要特点是：料坯在炉内依轧制的节奏连续运动，炉气在炉内也连续流动；一般情况，在炉料的断面尺寸、品种和产量不变的情况下，炉子各部分的温度和炉中金属料的温度基本上不随时间变化而

5、仅沿炉子长度变化。按炉温分布，炉膛沿长度方向分为预热段、加热段和均热段；进料端炉温较低为预热段，其作用在于利用炉气热量，以提高炉子的热效率。加热段为主要供热段，炉气温度较高，以利于实现快速加热。均热段位于出料端，炉气温度与金属料温度差别很小，保证出炉料坯的断面温度均匀。用于加热小断面料坯的炉子只有预热段和加热段。习惯上还按炉内安装烧嘴的供热带划分炉段，依供热带的数目把炉子称为一段式、二段式，以至五段式、六段式等。5060年代，由于轧机能力加大，而推钢式炉的长度受到推钢长度的限制不能太长，所以开始在进料端增加供热带，取消不供热的预热段，以提高单位炉底面积的生产率。用这种炉子加热板坯，炉底的单位面

6、积产量达9001000公斤/（米2·时），热耗约为(0.50.65)×106千卡/吨。70年代以来，由于节能需要，又由于新兴的步进式炉允许增加炉子长度，所以又增设不供热的预热段,最佳的炉底单位面积产量在600650公斤/(米2·时),热耗约为(0.30.5)×106千卡/吨。连续加热炉通常使用气体燃料、重油或粉煤，有的烧块煤。为了有效地利用废气热量，在烟道内安装预热空气和煤气的换热器，或安装余热锅炉。第二章 现代推钢式加热炉工艺简介2.1概述现代连续加热炉型可以归为两大类：推钢式炉和步进式炉。两类炉型的根本区别，仅在于炉内的输料方式。推钢式炉是连续加热炉

7、中历史最长的一种炉型，自上世纪初沿用至今。在1967年以前，所有的现代轧机都是采用推钢式炉。步进式炉是在上世纪三十年代才出现的炉型，有一些优点超过了推钢式炉。这两类炉型经过七十年以上的时间的发展，其性能指标的相互比较也发生了很大的饿变化。推钢式选用合理的温度制度和供热制度，降低炉内的最高温度和废气排放温度，提高炉内燃烧产物的热量利用率，提高废热回收率，减少其他热损失，进行现代化管理，采用计算机控制，推钢式炉和步进式炉有同等的效果，并且推钢式加热炉一次性投资少，维护运行费用低。 2.2 炉子的热工制度和炉型推钢式连续加热炉的炉问制度分为两段式三段式及强化加热三种。我们选择的是三段式推钢式连续加热

8、炉。两段式连续加热炉按炉温制度分为加热期和预热期，炉膛也相应的分为加热段和预热段。加热薄料坯的小炉子也有单面加热的，一般多为两面加热。烧煤时设有端部的燃烧室，。称为炉头，下加热的燃烧室设在两侧，成为腰炉。具有两面加热的两段式连续加热炉，其燃料的分配比例上加热大约是30%到40%，下加热大约是60%到70%。以为下面的炉气要上浮，部分气体有两侧的空隙上来，使下部的热量供应不足；其次钢坯下面的冷却水要带走大量的热量，这部分热几乎都要有下面加热来供给；此外，钢坯与水管接触的地方要产生黑印，若下加热能力不足，则黑印回更加严重，而到了实体段时，只有上表面能够加热。因而需要给下加热燃料多供给些。三段式连续

9、加热炉三段式连续加热炉在加热制度上采用预热期.加热期.和均热期的三段温度制度。在炉子的结构上也相应的分为预热段.加热段和均热段。一般有三个供热点，及上加热.下加热和均热段供热。断面尺寸较大的钢料和合金钢料的加热，多采用三段式炉温制度的三段式连续加热炉。三段式加热炉炉型的变化很多，但在结构上仍有一些共同的基本点。炉顶轮廓曲线变化是很大的，它大致与炉温曲线相一致，及炉温高的区域炉顶也高，炉温低的区域，其炉顶也相应的压低。在加热段与预热段之间，有一个比较明显的过渡，炉顶向预热段压下。这是为了避免加热段高温区域有许多热量向预热段的低温区域辐射，加热段是主要燃烧区域，空间比较大，有利于辐射传热：预热段是

10、余热利用的区域，压低炉顶缩小空间，有利于强对流换热。但是也有的炉子着眼于强化加热，使加热段相对的延长，加热段与预热段的界限也不再十分的明显。2.3 工艺过程概述工艺过程推钢式连续加热炉，是将处在同一平面的预热段加热段设计成具有一定垂距的上下两个加热段，以坯料为界每个加热段又分成上下加热区，上下段分别由作支撑滑道用的冷却水管及炉墙围成的空间作烟道，并通往排烟口，上下段喷嘴分别朝炉头及炉尾方向倾斜，在上段横水管底部装有下推臂，顶钢机装有上推臂，上下推臂之间装有传动臂，来传动下推臂将坯料推出炉头。本炉热效率高，节能显著，加热速度及质量优于现有同类加热炉。按炉温分布，炉膛沿长度方向分为预热段、加热段和

11、均热段；钢坯通过推钢机一次从预热段推向均热段加热。进料端炉温较低为预热段，其作用在于利用炉气热量，以提高炉子的热效率。加热段为主要供热段，炉气温度较高，以利于实现快速加热。均热段位于出料端，炉气温度与金属料温度差别很小，保证出炉料坯的断面温度均匀。用于加热小断面料坯的炉子只有预热段和加热段控制要求 本控制系统通过对加热炉的燃料流量、空气流量、压力等参数的控制从而达到对加热炉炉温的控制，从而使加热炉炉温稳定到预想的要求。第三章 加热炉自动控制系统3.1 燃烧控制系统单交叉限幅燃烧控制系统图3.1图3.1 单交叉限幅燃烧控制系统仪表圆圈图其中K为空燃比 当升负荷时，温度设定值变大，由于温度控制器是

12、反作用，则温度控制器输出增大，则高选器选择是温度控制器的输出。此时空气控制器的给定值就是温度控制器的输出，其输出通过空气流量单回路控制系统是空气流量变大，。同时低选器选择空气流量除以空燃比再乘以偏置单元K2，其作为燃料控制器的给定值，再通过燃料流量单回路控制系统使燃料增加。最终通过空气和燃料流量的增加使温度增加最后达到设定值，进入稳态。 当降负荷时，温度设定值变小，由于温度控制器是反作用，则温度控制器输出减小，则高选器选择空气流量乘以空燃比和偏置单元K2，作为空气控制器的给定值，其输出通过空气流量单回路控制系统是空气流量减小，。同时低选器选择温度控制器的输出作为燃料流量控制器的给定值，再通过燃

13、料流量单回路控制系统使燃料减小。最终通过空气和燃料流量的减小使温度增加最后达到设定值，进入稳态。本系统有如下优点点（1）、当升负荷时，先升空气后升燃料；降负荷时，先降燃料后降空气。这样可以燃烧充分，防止黑烟。（2）、如果系统出故障，则空气流量变为另，燃料流量也随之变为零，从而保证了安全。燃烧控制框图如图3.2 图3.2燃烧控制系统框图3.2炉膛压力控制系统炉膛压力能反映炉膛内部气体的充满程度，炉膛压力大小将会直接影响到炉膛温度、钢坯温度、燃料消耗及加热炉寿命，因此必须对炉膛压力进行准确控制。炉膛压力与炉子的热负荷存在着密切的关系，当热负荷变化时，应对炉膛压力进行适当的调整。对于钢坯加热炉，通常

14、以控制均热段的炉顶压力等于微正为目标。如果炉膛压力过低，炉外冷空气就会进入炉内，造成炉温降低；如果炉膛压力过高，则会因为炉子向外面喷火而污染环境甚至损伤炉门，同时会因烟道抽力增加而降低加热炉的热效率。炉膛压力控制通常是通过调整烟道挡板的开度来实现的，我们设计一个单回路就能够对系统进行控制。系统框图如图3.3： 图3.3 炉膛压力控制系统框图仪表圆圈图如图3.4 图3.4 炉膛压力控制系统仪表圆圈图3.3被控参数选择单回路控制系统选择被控参数时要遵循以下原则：(1)在条件许可的情况下，首先应尽量选择能直接反应控制目的的参数为被控参数。(2)要选择与控制目的有某种单值对应关系的间接单数作为被控参数

15、。(3)所选的被控参数必须有足够的变化灵敏度。(4)被控参数的选取还必须考虑工艺过程的合理性和国内外仪表的现状。本设计主要是控制炉膛加热的温度在稳定的一个值上，所以主被控参数就是炉膛的温度，另外我们还要求对炉膛的压力进行控制从而达到控制炉温，所以炉膛的压力是我们的副被控参数。3.4控制参数的选择控制参数选择的基本原则为：1）选择对所选定的被控变量影响较大的输入变量作为控制参数；2）在以上前提下，选择变化范围较大的输入变量作为控制参数，以便易于控制；3）在1）的基础上选择对被控变量作用效应较快的输入变量作为控制参数，使控制系统响应较快。在本系统中炉膛压力，空气的流量，煤气的流量都能直接或间接影响

16、到炉膛温度的变化，所以我们选择烟道挡板开度，空气流量阀门和煤气流量阀门作为本系统的控制参数。第四章 仪表的选型4.1 检测变送元件温度变送器：温度变送器有很多种，本设计选用K型热电偶温度变送器图4.1 K型热电偶热电偶温度变送器由基准源、冷端补偿、放大单元、线性化处理、V/I转换、断偶处理、反接保护、限流保护等电路单元组成。它是将热电偶产生的热电势经冷端补偿放大后，再帽由线性电路消除热电势与温度的非线性误差，最后放大转换为420mA电流输出信号。为防止热电偶测量中由于电偶断丝而使控温失效造成事故，变送器中还设有断电保护电路。当热电偶断丝或接解不良时，变送器会输出最大值（28mA）以使仪表切断电

17、源。技术参数热电偶检测温度范围：0-1300输入阻抗：20K冷端温度补偿：-15+75输出输出电流：420mA输出回路供电：1230VDC最小工作电压：12VDC负载电阻与供电电源的关系：综合参数标准精度：±0.2%温度漂移：基本误差/10热电阻引线补偿：±0.1%（010）负载变化影响：±0.1%（允许负载范围内）电源变化影响：±0.1%（1230V）开机响应时间：<1S（090%）工作环境温度：-20+70防护等级：IP00/IP54（传感器防护等级决定）电磁兼容：符合IEC61000,EN61000压力变送器：压力变送器我们选用型微差压压力变

18、送器图4.2 ATE1851DR微差压变送器ATE1851DR微差压变送器利用差动电容检测原理将差压线性地转换为电信号。该变送器具有坚固耐振、量程、零点、阻尼现场连续可调。精确度高、稳定性好等特点。使用对象：液体、气体和蒸汽。微差压变送器的测量范围0-0.1251.5MPa流量变送器我们选用涡轮流量计采用涡轮进行测量的流量计。它先将流速转换为涡轮的转速，再将转速转换成与流量成正比的电信号。这种流量计用于检测瞬时流量和总的积算流量，其输出信号为频率，易于数字化。图中感应线 图4.3 涡轮流量计圈和永久磁铁一起固定在壳体上。当铁磁性涡轮叶片经过磁铁时，磁路的磁阻发生变化，从而产生感应信号。信号经放

19、大器放大和整形，送到计数器或频率计，显示总的积算流量。同时将脉冲频率经过频率电压转换以指示瞬时流量。叶轮的转速正比于流量，叶轮的转数正比于流过的总量。涡轮流量计的输出是频率调制式信号，不仅提高了检测电路的抗干扰性，而且简化了流量检测系统。它的量程比可达10:1，精度在±0.2%以内。惯性小而且尺寸小的涡轮流量计的时间常数可达0.01秒。技术参数公称口径：管道式：DN4DN200插入式：DN100DN2000精度等级：管道式：±0.5级，±1.0级插入式：±1.5级、±2.5级高精度的可达0.2级环境温度：-2050介质温度：测量液体：-2012

20、0测量气体：-2080大气压力：86KPa106KPa公称压力：1.6 Mpa 、2.5Mpa 、6.4Mpa 、25Mpa防爆等级：ExdIIBT4连接方式：螺纹连接、法兰夹装、法兰连接、插入式等直管段要求：气体：上游直管段应10DN，下游直管段应5DN液体：上游直管段应20DN，下游直管段应5DN插入式：上游直管段应20DS，下游直管段应7DS（DS为管道实测内径）显示方式：（1）远传显示： 脉冲输出、电流输出(配显示仪表)4.2 执行器的选择DR/SC新型齿轮齿条式执行器DR/SC新型齿轮齿条式气动执行器由上海SHST公司综合了最新技术，通过CAD三维模型创新优化设计，外形美观紧凑、现代

21、化的造型；并采用实用新型材料、新工艺，使产品的质量、性能更加可靠；多规格选型更经济实惠；产品全面符合最新国际标准技术规范。齿轮齿条双活塞对称结构设计，动作快速平稳，精度高，输出功率大，通过简单的改变活塞装配位置可得到反方向旋转。 图4.4 DR/SC新型齿轮齿条式气动执行器挤压的优质铝合金缸体，经精密加工的内孔和外部表面进行硬质阳极氧化处理（特殊情况下阳极氧化 特氟隆涂层），使用寿命更长，摩擦系数低。一体式设计，所有的双作用和单作用执行器型号，都具有相同的缸体和端盖，很方便通过加装弹簧或拆除弹簧来改变作用方式。组合式预符荷安全弹簧组，不论在装配过程或使用现场中，都能方便而安全的安装或增减弹簧数

22、量。外部侧面两个单独调节螺钉对于已安装在阀门上的执行器更是精确方便，调节阀开和阀关位置，如需全行程调节时则另外在两个端盖处配置较长调节螺钉。多功能位置指示器，现场可视化指示，符合VID/VIE3845、NAMUR标准槽，能安装并输出所有附件，如限位开关盒、电气定位器、位置传感器（倍加福、图尔克）。气源接口符合NRMAR标准，可直接安装NUMAR标准电磁阀。齿条背面的复合材料轴瓦和活塞导向环以及输出轴的轴承等为防止金属对金属的摩擦，并且增加润滑,使其低摩擦、长寿命。所有的紧固件均采用不锈钢材料，长期抗腐蚀。连接部分符合全新国际标准规范ISO5211，DIN3337（F03-F25）使产安装具有互

23、换性、通用性。4.3 调节器的选择、UP550程序调节器(1/4DIN型)是高级的程序控制仪表，如图3.5，具有30种程序模式、5种强大的调节功能。还同时具有便于查看的大屏数字显示，用于交互式程序模式与参数设定的LCD显示特性。标配有自动调谐功能、“SUPER”抑制过冲功能以及新增加的“SUPER2”hunting抑制功能。位置比例调节与加热/冷却调节模式适合于多种应用。图4.5 UP550控制器-30种程序模式，多达300段，400个事件；-速度快，精度高以±0.1%的精度，长达100ms的输入采样周期跟踪快速变化的信号；-清晰大屏5位LED显示，11 x 20 mm；-用户友好的

24、全点阵LCD显示程序模式；-程序监视灯显示照明/水位/浸水状态；-简易调解模式选择，5种标准调节模式，包括带双PV切换的回路调节；-可扩展至8个接点输入和8个接点输出；-支持Light Loader-LL100参数设定工具，可以在PC显示器上轻松完成参数设定，并依托光通信适配器通过调节器面板完成数据传输；-易于理解的硬拷贝格式与手持CD-ROM用户手册；-新型通信方式支持Modbus、PC-Link&Ladder协议与协调操作；调节规律的选择 主被控参数温度是工艺操作的主要操作指标，一般要求无静差，又因为被控参数为温度滞后比较大，为了克服滞后。因此主调节器应选择PID调节规律。副被控参数为燃料和空气流量，为了保持稳定，P较大，可引入积分，一般不引入微分，因为微分会使调节阀动作过大或过于频繁，会引起震荡，对控制不利，所以需要采用PI调节，以增强控制作用。正反作用的确定1、副调节器的正、反作用确定根据生产工艺安全的原则，调节阀采用气开式，故KV为正；当调节阀开度增大，流量增大，所以副对象KO2为正，流量变送器的KM2通常为正，为了使整个系统中各环节静态放大系数的乘积为正，故副调节器的KC为正，选用反作用控制器。2、主调节器的正、反作用确定副回路为正，变送器正，当调节阀开度增大，温度升高，故KO