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1、高炉自动测控系统设计摘 要钢铁工业是国民经济的支柱产业，高炉炼铁是钢铁工业的上游主体工序。高炉炼铁的技术进步对钢铁工业的发展和国家资源的合理利用都有极其重要的意义。高炉具有以下特点：设备体积大；生产工艺具有一定的连续性且前后关联，操作复杂；原料用量大，运输量大；设备要求有高效的运转率，同时要有较长的使用寿命。由于高炉是密闭的，必须借助于许多检测仪表才能判断其内部情况。本论文在查阅了大量国内外相关文献的基础上，探讨了高炉过程控制的基本思想、内容及方法，设计了高炉温度、流量、压力检测系统以及炉顶压力自动控制系统，阐述了高炉监控系统的总体设计以及MCGS在监控系统中的应用。高炉监控系统的主要功能是对
2、现场过程数据进行动态监视，完成历史数据归档及异常信号的报警，对现场操作进行指导，并在高炉值班室对高炉本体生产过程进行实时控制。关键词：高炉；检测；过程控制；监控系统；MCGSThe Design Of The Measuring And Controlling SystemOn Blast FurnaceAbstractMetallurgical industry is the basic industry of national economy and blast furnace(BF) iron-making is the upper main Procedure of metallurg
3、ical industry. To improve the production Procedure and lower the cost of iron-making is significant for the development of metallurgical industry and economical use of resources.Take on the reasons of the large size, complex production process, large amount of raw materials, high operating rate and
4、the request of longevity，the operation of blast furnace is complicated. And the blast furnace is closed，it is necessary to use many detection instrumentations to monitor the internal situation. This article introduces the basic ideas for blast furnace process control、contents、and methods based on ch
5、ecking the large amount of references, In this paper, the design of the blast furnace temperature, flow, pressure detection systems and automatic control system for furnace top pressure on the blast furnace, as well as monitoring and control system design MCGS in the monitoring system. This system m
6、ain function is carries on the dynamic surveillance to the scene Process data，saves the historical data and reports unusual signal，instructs the scene operation. The real- time control of the blast furnace main body can be finished in the hoist control room by the computer monitor control system.Key
7、 words: Blast Furnace; Detection; Process Control; Control system; MCGS目 录摘 要IAbstractII第一章 引言11.1 炼铁的研究背景11.1.1 高炉炼铁11.1.2 非高炉炼铁21.2 高炉自动测控系统的重要性21.3 本文主要研究工作3第二章 高炉炼铁生产工艺42.1 高炉炼铁的复杂性42.2 高炉设备42.2.1 高炉本体设备42.2.2 高炉辅助设备72.3 高炉生产工艺流程7第三章 高炉自动检测系统设计93.1 温度检测系统93.1.1 主要检测项目93.1.2 温度检测系统介绍93.1.3 检测仪表选型
8、103.1.4 热电偶、热电阻的安装113.2 流量检测系统133.2.1 主要检测的项目133.2.2 流量检测系统介绍133.2.3 检测仪表选型143.3 压力检测系统153.3.1 主要检测项目153.3.2 压力检测系统介绍153.3.3 检测仪表选型16第四章 高炉炉顶压力自动控制系统设计174.1 炉顶煤气压力控制系统简介174.2 控制系统方案选择174.2.1 单回路自动控制系统174.2.2 分程自动控制系统184.3 炉顶煤气压力自动控制系统设计204.3.1 炉顶煤气压力自动控制系统组成204.3.2 炉顶煤气压力自动控制系统设计21第五章 高炉监控系统设计265.1
9、MCGS组态软件概述265.1.1 MCGS组态软件简介275.1.2 MCGS组态软件功能和特点275.2 高炉本体监控程序315.2.1 高炉本体画面要求315.2.2 本监控程序实现的功能315.3 高炉本体监控系统软件设计325.3.1 高炉本体监控画面概貌325.3.2 高炉本体工艺流程图335.3.3 高炉本体综合趋势图345.3.4 高炉本体报警功能37总结39参考文献40附录A42附录B43附录C44致谢45 第一章 引言1.1 炼铁的研究背景钢铁是现代化社会最重要的原材料之一，钢铁工业是现代国家的支柱产业之一，钢铁的产量和质量是一个国家的发达程度和经济实力的重要标志。全世界对
10、钢铁的需求量和钢铁的产量随着经济的发展在不断的增加。据统计，1994年我国的生铁产量已达9640万吨，位居世界第一位，而钢产量己达9150万吨，位居世界第二位。到2006年上半年，我国粗钢平均日产超过110万吨，相当于全年产4.02亿吨的水平。1.1.1 高炉炼铁炼钢所用的含铁原料，除去废钢和少量的直接还原铁以外，绝大部分是高炉生产的铁水。例如，1987年世界钢产量的69.52%是用高炉铁水冶炼出来的。从能源角度看，高炉所消耗的能量约占炼钢流程总能耗的60%70%。显而易见，高炉炼铁对于我国的经济发展起着十分重要的作用。因此，研究高炉过程控制技术，降低燃料的消耗和生铁成本，必将产生巨大的经济效
11、益和社会效益。高炉作为一种成熟的炼铁工艺己有一百多年的历史了，高炉的冶炼过程十分复杂，它涉及到气、固、液三相的交互作用，是一个多变量、大滞后、非线性的系统，它是在炉料下降和煤气上升的逆流条件下进行的。高炉开炉后，生产连续不断进行着，炉料不断下降，焦炭在风口处燃烧，炉料在高炉内不断地进行化学反应，生成铁水和炉渣。高炉生产过程的控制过去一直主要依赖于人们在长期生产实践中所积累起来的种种经验，难以实现炉况的长期稳定。研究高炉控制技术，利用现代控制技术对高炉生产过程进行监视和控制，提高高炉生产自动化水平，最大限度地降低工序之间的衔接时间，合理安排布料顺序，优化燃料配比，减少高炉生产的波动，可以及时跟踪
12、并预测高炉的状态，预报扰动的发生，保证高炉长期稳定运行，从而能极大提高生产效率及产品质量。随着生产的发展，高炉操作人员所面临的压力越来越大，人员越来越少，而对高炉操作稳定性的要求则越来越高，这就迫切需要将高炉操作人员从一般性的事物中解放出来，一些常规的、重要的管理工作，如水温差的测定、热负荷的计算等让计算机控制系统去完成，而高炉操作人员则专注于根据各种信息对高炉过程进行分析与判断，从而发现问题的症结所在。1.1.2 非高炉炼铁由于高炉炼铁技术经济指标好、可靠、产量大、效率高、能耗低，这种方法生产的铁占世界生铁总产量的90%以上，但一些缺乏焦炭资源的国家和地区，也使用非高炉炼铁法。非高炉炼铁法，
13、即高炉以外的，不用焦炭，而以煤、燃油、天然气、电为能源的炼铁方法。主要有直接还原法和熔融还原法，此外还有电炉炼铁法。直接还原法有气体直接还原法（竖炉法）和固体还原剂直接还原法（回转窑法）。熔融还原法是指一切不用高炉冶炼液态生铁的方法，它是用高品质铁精矿，经预还原在高温熔融状态下直接还原成液态金属。电炉冶炼法只用于水电资源丰富而又缺乏焦炭资源的地区和国家。我国天然气紧张、碳源丰富，故主要采用固体还原剂（煤基）直接还原法，熔融还原则在试验或引进中，主要为COREX法。1.2 高炉自动测控系统的重要性高炉是钢铁生产线中最重要的基础设备。高炉在钢铁厂处于喉舌位置，它需及时持续地为钢厂提供稳定、高质的铁
14、水。然而自动化水平直接关系到高炉的运作，长期以来，炼铁厂工长操作高炉基本上依赖于自身的经验。正是这些特点使得高炉自动控制系统显得尤为重要。由于高炉是密闭组织，所以其可靠运行的前提必须是有可供处理的信息或数据，而这些信息或数据多是由传感器提供的，只有靠先进的自动检测仪表才能正确掌握炉况。高炉要及时、正确地按规定的顺序和一定配比装入大量的原料，并且要求炉料均匀下降，使之与煤气流良好接触，以保持一定的炉热状态，这些在很大程度上依赖于自动化技术来实现，故现代高炉都把自动化作为关键环节重点发展。1.3 本文主要研究工作（1）熟悉高炉结构、原理及测控要求；（2）完成高炉自动检测系统设计；（3）设计高炉炉顶
15、压力自动控制系统和保护系统；（4）利用MCGS设计监控画面，对实时数据进行显示，并实现历史数据回放及报警等功能。第二章 高炉炼铁生产工艺2.1 高炉炼铁的复杂性炼铁生产过程是在高炉内进行的一系列复杂的还原反应过程，炉料矿石、燃料和熔剂从炉顶装入，从鼓风机送来的冷风经热风炉加热后，形成高温热风从高炉风口鼓入，随着焦炭燃烧产生的热气流自下而上运动，而炉料则由上而下运动，互相接触进行热交换，逐步还原，最后在炉子的下部还原成生铁，同时形成炉渣。积聚在炉缸的铁水和炉渣，分别由出铁口和出渣口放出。在高炉炼铁过程中，炼铁工艺的连续化生产流程是由诸多子工序组成的复杂生产系统，从自动化控制角度考虑高炉冶炼过程，
16、高炉流程是以值班工长为指挥中心的多工序、多岗位、分工配合、协调进行的生产流程。在这样错综复杂的生产环节链中，某一个子工序的某一环节出现波动或故障，都要影响到整个高炉的冶炼进程，其结果将使高炉过程控制从正常进程转入故障进程，炉况状态也因此会发生变化，于是高炉冶炼过程的控制模型也就进入完全不同的模式。本文主要研究高炉本体的检测以及高炉炉顶压力的控制。2.2 高炉设备高炉生产是借助高炉本体和辅助设备来完成的。高炉本体是冶炼生铁的主体设备，它是由耐火材料砌筑的竖立式圆筒形炉体，最外层是由钢板制成的炉壳，在炉壳和耐火材料之间有冷却设备。2.2.1 高炉本体设备炼铁过程是在高的、圆形截面的、钢壳内衬有耐火
17、材料的高炉中进行的。高炉内型为一个符合炼铁需要的竖式圆筒型炉子，且中间粗两头细。按部位分为五段：炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸。炉缸设有风口、铁口和渣口。其内部结构如图2.1所示。图2.1高炉内部结构示意图高炉炉壳是现代化高炉广泛使用焊接的钢板炉壳，只有极少数最小的土高炉才用钢箍加固的砖壳。炉壳的作用是固定冷却设备、保证高炉砌体牢固、密封炉体，有的还承受炉顶载荷。炉壳除承受巨大的重力外，还要承受热应力和内部的煤气压力，有时要抵抗崩料、坐料甚至可能发生的煤气爆炸的突然冲击，因此要有足够的强度。炉壳外形尺寸应与高炉内型、炉体各部厚度、冷却设备结构形式相适应。炉喉是高炉本体的最上部分，呈圆筒形。炉喉既
18、是炉料的加入口，也是煤气的导出口，它对炉料和煤气的分布情况起控制和调节作用。炉喉直径应和炉缸直径、炉腰直径及大钟直径比例适当。炉喉高度要允许装一批以上的料，以能起到控制炉料和煤气流分布为限。炉身是高炉铁矿石间接还原的主要区域，呈圆锥台简称圆台形，由上向下逐渐扩大，用以使炉料在遇热发生体积膨胀后不致形成料拱，并减小炉料下降阻力。炉身角的大小对炉料下降和煤气流分布有很大影响。炉腰是高炉直径最大的部位。它使炉身和炉腹得以合理过渡。由于在炉腰部位有炉渣形成，并且粘稠的初成渣会使炉料透气性恶化，为减小煤气流的阻力，在渣量大时可适当扩大炉腰直径，但仍要使它和其他部位尺寸保持合适的比例关系，比值以取上限为宜
19、。炉腰高度对高炉冶炼过程影响不很显著，一般只在很小范围内变动。炉腹是高炉熔化和造渣的主要区段，呈倒锥台形。为适应炉料熔化后体积收缩的特点，其直径自上而下逐渐缩小，形成一定的炉腹角。炉腹的存在，使燃烧带处于合适位置，有利于气流均匀分布。炉腹高度随高炉容积大小而定，但不能过高或过低，一般为3.03.6m。炉腹角一般为7982 ；过大不利于煤气流分布；过小则不利于炉料顺行。炉缸是高炉燃料燃烧、渣铁反应和贮存及排放区域，呈圆筒形。出铁口、渣口和风口都设在炉缸部位，因此它也是承受高温煤气及渣铁物理和化学侵蚀最剧烈的部位，对高炉煤气的初始分布、热制度、生铁质量和品种都有极重要的影响。炉底是高炉炉底砌体，不
20、仅要承受炉料、渣液及铁水的静压力，而且受到14004600的高温、机械和化学侵蚀，其侵蚀程度决定着高炉的一代寿命。只有砌体表面温度降低到它所接触的渣铁凝固温度，并且表面生成渣皮（或铁壳），才能阻止其进一步受到侵蚀，所以必需对炉底进行冷却，通常采用风冷或水冷。目前我国大中型高炉大都采用全碳砖炉底或碳砖和高铝砖综合炉底，大大改善了炉底的散热能力。炉基的作用是将所集中承担的重量按照地层承载能力均匀地传给地层，因而其形状都是向下扩大的。高炉炉基的总重量常为高炉容积的1018倍。炉基不许有不均匀的下沉，一般炉基的倾斜值不大于0.105。高炉炉基应有足够的强度和耐热能力，使其在各种应力作用下不致产生裂缝。
21、炉基常做成圆形或多边形，以减少热应力的不均匀分布。炉衬是组成高炉的工作空间，并起到减少高炉热损失、保护炉壳和其免受热应力和化学侵蚀的作用。炉衬是用能够抵抗高温作用的耐火材料砌筑而成的。炉衬的损坏受多种因素的影响，各部位工作条件不同，受损坏的机理也不同，因此必须根据部位、冷却和高炉操作等因素，选用不同的耐火材料。炉喉护板是炉喉在炉料频繁撞击和高温的煤气流冲刷下，工作条件十分恶劣，维护其圆筒形状不被破坏是高炉上部调节的先决条件。为此，在炉喉设置保护板（钢砖）。小高炉的炉喉保护板可以用铸铁做成开口的匣子形状；大高炉的炉喉护板则用100150mm厚的铸钢做成。炉喉护板主要有块状、条状和变径几种形式。变
22、径炉喉护板还起着调节炉料和煤气流分布的作用。2.2.2 高炉辅助设备（1）供料系统。包括贮矿槽、称量与筛分等一系列设备，其任务是将高炉冶炼所需原燃料通过上料系统装入高炉。（2）送风系统。包括鼓风机、热风炉及一系列管道和阀门等，其任务是连续可靠的供给高炉冶炼所需的热风。（3）煤气除尘系统。包括煤气管道、重力除尘器、洗涤塔、文氏管、脱水器等，其任务是将高炉冶炼所产生的煤气，经过一系列的净化使其含尘量降至10/m3以下，以满足用户对煤气质量的要求。（4）渣铁处理系统。包括出铁厂、开铁口机、堵渣口机、炉前吊车、铁水罐车及水冲渣设备等，其任务是及时的处理高炉排放出的渣、铁，保证高炉正常进行。（5）喷吹燃
23、料系统。包括原煤的储存、运输、煤粉的制备、收集及煤粉喷粉等，其任务是均匀稳定的向高炉喷吹大量煤粉，以煤代焦，降低焦炭消耗。2.3 高炉生产工艺流程高炉炼铁生产是冶金(钢铁)工业最主要的环节。高炉冶炼是把铁矿石还原成生铁的连续生产过程。铁矿石、焦炭和熔剂等固体原料按规定配料比由炉顶装料装置分批送入高炉，并使炉喉料面保持一定的高度。焦炭和矿石在炉内形成交替分层结构。矿石料在下降过程中逐步被还原、熔化成铁和渣聚集在炉缸中，定期从铁口、渣口放出。其主要过程如图2.2所示。图2.2高炉炼铁生产工艺流程第三章 高炉自动检测系统设计自动检测系统是高炉自动化的重要组成部分，控制系统的可靠性及功能配置直接影响高
24、炉重要参数、数据的准确性、可靠性，直接影响高炉生产能力、安全运行、高炉长寿等重要经济指标的实现。因此，高炉检测系统具有重要意义。3.1 温度检测系统高炉冶炼过程的炉体温度隐含着冶炼过程的设备安全和炉况顺行的重要信息，温度数据的剧烈变动往往与各类故障的发生存在着密切的关系。因此我们必须实时的判断高炉内部的温度变化，利用检测仪表及时的检测出各点的温度，以便于操作工进行操作控制。3.1.1 主要检测项目本文主要是针对高炉本体部分进行的温度检测并实时进行数据显示。其主要的检测点包括炉顶温度、炉喉温度、炉身温度、炉基温度、炉底温度和热风温度。炉顶温度系煤气与料柱作用的最终温度：炉喉温度能准确的指出煤气流
25、沿炉子周围工作的均匀性；炉身温度可以监视炉衬腐蚀和变化的情况，炉衬结瘤或过薄时，通过炉身温度反映出来；炉基温度主要用于监视炉底侵蚀情况。热风温度是热风炉的一个重要参数，它将影响到高炉顺行、生产率、产品质量和高炉使用寿命。3.1.2 温度检测系统介绍为了判断高炉内部状况，很好的使整个设备运做起来，温度检测系统是非常重要的，它及时、准确地提供高炉信息，使高炉有序、高质量地生产。本温度检测系统主要以热电偶为检测元件，通过热电偶感受温度变化，热电偶将温度变化转换为热电势信号，然后送至温度变送器，将热电势转换为标准的4-20mA输出，温度变送器出来的信号直接由多点式记录仪指示和记录。其检测系统框图如图3
26、.1所示。图3.1温度检测系统框图3.1.3 检测仪表选型为了判断炉况，检测高炉各部分温度必须采用温度传感器，温度感器一般分为接触式和非接触式两大类。所谓接触式就是传感器直接与被测物体接触进行温度测量，这是温度测量的基本形式。而非接触方式是遥测，主要是红外测温，这是接触方式做不到的。高炉的温度测量传统上都采用热电偶、热电阻。热电偶和热电阻都是一种热电型的温度传感器，它将温度信号转换成电势(mV)信号，配以测量mV信号的仪表或变换器，便可以实现温度的测量和温度信号的转换。而红外测温是通过测量物体热辐射发出的红外线，从而测量物体的温度，红外辐射的物理本质是热辐射。热辐射是由于内外原因使物体内部带电
27、粒子不断运动，使物体具有一定温度(高于绝对零度)而产生一种热辐射现象。虽然红外测温传感器有诸多的优点，但由于其市场价格昂贵,很多测温使用热电偶和热电阻。热电偶温度计由于测温范围宽，在工程实际中的应用非常广泛。从01800的温区，都可选择不同型号的热电偶温度计实现温度测量。除此以外，热电偶温度计还具有明显的优点：结构简单，制造方便，价格便宜；测温精度较高，高温区的复现性和稳定性好；由于输出电信号，便于信号的远传和记录，也有利于集中检测和控制；热电偶体积小，热容量及热惯性均小。热电偶的结构有两种，普通型和铠装型。普通性热电偶一般由热电极、绝缘管、保护套管和接线盒等部分组成，而铠装型热电偶则是将热电
28、偶丝、绝缘材料和金属保护套管三者组合装配后，经过拉伸加工而成的一种坚实的组合体。铠装热电偶具有能弯曲、耐高压、热响应时间快和坚固耐用等许多优点，它和工业用装配式热电偶一样，作为测量温度的传感器，通常与显示仪表、记录仪表和电子调节器配套使用，同时亦可作为装配式热电偶的感温元件。热电阻在工业领域应用也极为广泛，其优点也很多，可以远传电信号、灵敏度高、稳定性强、互换性以及准确性都比较好，但是需要电源激励，不能够瞬时测量温度的变化。但是其价格要比贵金属热电偶便宜很多。热电阻与热电偶的选择最大的区别就是温度范围的选择，热电阻是测量低温的温度传感器，一般测量温度在-200600，而热电偶是测量中高温的温度
29、传感器，一般测量温度在4001600，在选择时如果测量温度在200左右就应该选择热电阻，如果测量温度在600就应该选择K型热电偶，如果测量温度在12001600就应该选择S型或者B型热电偶。根据国际电工委员会(IEC)推荐的八种类型标准化热电偶，以及本设计要求，测量对象(高炉的炉喉、炉身、炉底、炉基、热风炉)的温度变化范围为01000，选用S型铠装热电偶(铂铑10-铂热电偶)作为检测元件，其测温范围一般在01300，具有高温下抗氧化、抗腐蚀、耐酸性、稳定性好、性能优良、精度高等特点。根据国际电工委员会(IEC)推荐的四种类型标准化热电阻，以及本设计要求，测量对象（冷却水）的温度范围为0500，
30、选用分度号为Pt100（铂热电阻）作为检测元件，其测温范围一般为-200650。3.1.4 热电偶、热电阻的安装热电偶、热电阻属接触式温度计，它们要与被测介质相接触，因此热电偶、热电阻安装正确与否，严重影响测温精度。由于被测对象不同，环境条件不同，它们的安装方法和措施也不同，需要考虑多方面因素。为确保测量的准确性，首先，根据管道或设备工作压力大小、工作温度、介质腐蚀性要求等方面，合理确定热电偶和热电阻的结构型式和安装方式；其次，正确选择测温点，测温点要具有代表性，不应把热电偶、热电阻插在被测介质的死角区域；热电偶、热电阻工作端应处于管道流速较大处；最后，要合理确定热电偶的插入深度。在选择对热电
31、偶和热电阻的安装部位和插入深度时要注意以下几点：（1）为了使热电偶和热电阻的测量端与被测介质之间有充分的热交换，应合理选择测点位置，尽量避免在阀门,弯头及管道和设备的死角附近装设热电偶或热电阻。（2）带有保护套管的热电偶和热电阻有传热和散热损失，为了减少测量误差，热电偶和热电阻应该有足够的插入深度：对于测量管道中心流体温度的热电偶，一般都应将其测量端插入到管道中心处(垂直安装或倾斜安装)，如被测流体的管道直径是200毫米，那热电偶或热电阻插入深度应选择100毫米；对于高温高压和高速流体的温度测量(如主蒸汽温度)，为了减小保护套对流体的阻力和防止保护套在流体作用下发生断裂，可采取保护管浅插方式或
32、采用热套式热电偶，浅插式的热电偶保护套管，其插入主蒸汽管道的深度应不小于75mm;热套式热电偶的标准插入深度为100mm；假如需要测量是烟道内烟气的温度，尽管烟道直径为4m，热电偶或热电阻插入深度1 m即可。当测量原件插入深度超过1m时，应尽可能垂直安装，或加装支撑架和保护套管。根据本设计要求，测控对象为高炉，由于插入深度的选取应当使热电偶能充分感受介质的实际温度，一般为热电偶和热电阻总长度的4/5以上。对于管道安装通常使工作端处于管道中心线，管道直径区域内。安装中常采用直插、斜插等插入方式，如果管道较细，宜采用斜插。在斜插和管道肘管（弯头处）安装时，其端部应迎着被测介质的流向（逆流），不要与
33、被测介质形成顺流，在高温设备上测温时，为防止保护套管弯曲变形，应尽量垂直安装。若必须水平安装，则插入深度不宜过长，且应用耐火粘土或耐热合金制成的支架将热电偶或热电阻支撑住。本检测系统中，热风温度选用S热电偶，总长度为600，插入深度为500，外径为16的刚玉保护管；炉喉煤气温度选用S热电偶，插入深度L=1000，高炉铝保护管外径为6；炉身温度选用S铠装热电偶，插入深度为800，热电偶外径为6；炉底四点温度选用S铠装热电偶，插入深度分别为3130、2900、2000、1100，热电偶外径为6；炉基温度选用S铠装热电偶，插入深度为3800，热电偶外径为6。冷却水温度选用Pt100热电阻，总长度为3
34、50，插入深度为200。3.2 流量检测系统3.2.1 主要检测的项目鼓风温度、湿度是鼓风质量的一个重要参数之一，他直接影响到高炉顺行、生产率、产品质量和高炉寿命，因此通过调节冷风阀来控制冷风流量，从而实现热风温度、湿度控制。高炉主要流量检测项目有冷风流量和冷却水流量。3.2.2 流量检测系统介绍由于流量检测条件的多样性和复杂性，流量检测的方法非常多，是工业生产过程常见参数中检测方法最多的。据估计目前在全世界流量检测方法至少已有上百种，其中有多种是工业生产和科学研究中常用的。本设计主要使用节流式检测方法，节流式流量计由节流装置（节流件、取压装置和符合要求的前后直管道）、引压导管、差压计和显示仪
35、表组成。节流装置把流体流量转换成差压信号，通过引压管送到差压计，差压计进一步将差压信号转换为电流信号，显示仪表将接收到的电流信号进行显示。由于节流装置是一个非线性的环节，它与流量成平方关系，所以显示仪表直接显示的值为非线性的，为了解决这个问题，通常在差压计的后面加开方器，或者将开方器依附在差压计内。节流式流量检测系统框图如图3.2所示。图3.2节流式流量检测系统框图3.2.3 检测仪表选型节流式流量计是一种典型的差压式流量计。是目前工业生产中用来测量气体、液体和蒸气流量的最常用的一种流量仪表。据调查统计，在炼铁厂、炼油厂等工业生产系统中所使用的流量计有(7080)左右是节流式流量计。在整个工业
36、生产领域中，节流式流量计也占流量仪表总数的一半以上。节流式流量计所以得到如此广泛的应用，主要是因为它具有以下两个非常突出的优点：结构简单，安装方便，工作可靠，成本低，又具有一定准确度，能满足工程测量的需要。有很长的使用历史，有丰富的、可靠的实验数据，设计加工已经标准化。只要按标准设计加工的节流式流量计，不需要进行实际标定，也能在已知的不确定度范围内进行流量测量。节流式流量计由节流装置、引压导管、差压计和显示仪表组成。节流装置又包括节流件、取压装置和符合要求的前后直管道，为了方便使用，通常节流装置选用标准节流装置。标准节流件包括标准孔板、标准喷嘴和标准文丘里管。根据本设计要求，选取孔板，因为孔板
37、节流件是标准节流件，可不需标定直接依照国家标准生产。对于标准孔板，我国国家规定，标准的取压方式有角接取压法、法兰取压法和取压法。本设计选用角接取压法。3.3 压力检测系统3.3.1 主要检测项目 炉喉压力提高后，在料钟开启时，必须注意压力平衡，降大料钟之前，应开启大钟均压阀，使大小钟间的差压接近于炉喉压力；降小料钟之前，应开启小钟均压阀，使大小钟间的差压接近于大气压。倘若其差压过大，料钟及料车的运转应有立即停止的电气设备，否则传动系统负荷太大，易受损失，所以在大小料钟之间应测其差压。炉顶煤气压力是判断炉况的重要参数之一，但炉顶煤气压力是反映煤气溢出料面后的压力，不能具体指出煤气流上升过程中某些
38、方向或某一水平上的变化。国内采用最多的是测量热风环管和炉顶间差压。本设计主要检测炉顶煤气压力、大料斗压力、过滤器前冷却水压力、过滤器后冷却水压力、热风管道压力。3.3.2 压力检测系统介绍在生产过程中，根据生产工艺的要求，选择不同类型的压力表可组成不同的压力检测系统，最简单的测量就是在取压管上就地安装一块弹簧管压力表组成测量系统。比较复杂的测量系统就是带计算机的压力检测系统。图3.3就是高炉压力带计算机的检测系统。图3.3高炉压力带计算机检测系统图测量系统的工作过程：取压导管将取压点处的压力传输到压力变送器，变送器将被测压力信号转换为4-20mA DC标准信号输出，经导线传送给数据采集站，将模
39、拟信号加工处理后，转换成数字信号经通信电缆传送给计算机，计算机根据预定程序对信号进行存储、打印和屏幕显示。3.3.3 检测仪表选型正确选择压力计是保证仪表在生产过程中发挥应有作用的重要环节。压力计的选择应根据生产过程对压力测量的要求，结合其他方面的有关情况具体分析和全面考虑后选用，一般要注意以下问题：（1）仪表类型的选用。仪表类型必须满足生产过程的要求，例如是否要求指示值的远传或变送、自动记录或报警等；被测介质的性质和状态（如腐蚀性强弱、温度高低、易燃易爆等）是否对仪表提出了专门的要求；统筹分析这些条件后，正确选用仪表类型，这是仪表正常工作及确保生产的重要前提。（2）仪表量程的选择。仪表的量程
40、是仪表标尺刻度上下限之差。究竟选择多大量程的仪表，应由测量过程所需要测量的压力的大小来决定。为了避免压力计超出范围而损坏，仪表上限值应高于生产过程中可能出现的最大压力值。对弹簧式压力计，在被测压力比较稳定的场合，压力计上限值应为被测最大压力的4/3倍；在压力波动较大的场合，压力计上限值应为被测最大压力的3/2倍。为了保证测量准确度，被测压力数值不应太接近压力表下限值，一般被测压力的最小值应不低于仪表量程的1/3。（3）仪表精确度等级的选择。在仪表量程确定后，应根据生产过程对压力测量所能允许的最大误差来确定仪表应有的仪表精确度等级。一般说仪表等级越高，测量准确度越精确，但是不要盲目追求高准确度的
41、仪表，因为仪表准确度越高，价格也高。应在满足条件下尽量选择价廉的仪表。第四章 高炉炉顶压力自动控制系统设计4.1 炉顶煤气压力控制系统简介炉顶煤气压力控制是高炉控制系统中最重要的一部分，高炉是高压操作，它是强化高炉冶炼技术的有效技术措施。因为高压操作有利于降低炉内煤气流速和降低料柱煤气阻力损失，有利于抑制煤炭气化反映的进行，改善焦炭的强度和提高间接还原度。在保持相同煤气流速和相同料柱煤气阻力损失条件下，有利于增加入炉风量，加速高炉冶炼进程，从而获得增产节焦的效果。本控制系统主要完成高炉炉顶煤气压力的控制，它是通过把安装在煤气管道上的取压管和压力变送器上的4-20mA DC的电流信号，送至调节器
42、与炉喉煤气压力给定值相比较，根据偏差情况调节器给出控制信号，最终驱动执行器，改变煤气管阀门开度，直到煤气压力达到给定值为止。该控制系统的目的是为了保证炉喉处的煤气压力为给定值。它是一个负反馈系统，由于本系统是高压操作，煤气管道直径很大，故调节阀是成组式的（由三个阀组成）。因此本设计选用了分程控制系统。4.2 控制系统方案选择4.2.1 单回路自动控制系统单回路反馈控制系统简称为单回路控制系统。在所有反馈控制系统中，单回路控制系统是最基本、结构最简单的一种。因此又被称为简单控制系统。它是由一个被控过程、一个检测变送器、一个控制器和一个执行器所组成的、对一个被控变量进行控制的单回路反馈闭环控制系统
43、。其控制系统方框图如图4.1所示。图4.1单回路控制系统方框图单回路控制系统是实现生产过程自动化的基本单元，其结构简单、投资少、易于调整和投运，能满足一般工业生产过程的控制要求，在工业生产中应用十分广泛，尤其适用于被控过程的纯滞后和惯性小、负荷和扰动变化比较平缓，或者控制质量要求不太高的场合。但是对于有特殊生产工艺要求，或者对产品质量要求很高的场合，采用单回路控制方法就不再有效了，于是有串级、比值、前馈、分程等控制系统。由于本设计控制系统为高炉本体的煤气压力自动控制系统，它关系到整个高炉是否安全生产，特殊的工艺过程使得煤气阀在不停地动作，同时必须精确的开闭，所以用简单的单回路控制系统是很难实现
44、的，我们根据实际需要选用分程控制系统。4.2.2 分程自动控制系统在反馈控制系统中，一般来说，一台调节器的输出仅操纵一只调节阀，若一只调节器去控制两个以上的阀并且是按输出信号的不同区间去操作不同的阀门，这种控制方式习惯上称为分程控制。分程控制系统设置的目的有两种。其一是扩大控制阀的可调范围，以便改善控制系统的品质，使系统更为合理可靠；其二是为了满足某些工艺操作的特殊要求。分程控制控制系统就控制阀的开闭形式可以划分为两类。一类是两个控制阀同向动作，即随着控制器输出的增大或减小，分程控制阀都逐渐开大或逐渐关小。其动作过程如图4.2所示。图4.2两控制阀同向动作这种情况大都用于扩大控制阀的可调范围，
45、改善系统品质。另一类是两只控制阀异向动作，即控制器输出信号增大或减小，一只控制阀逐渐开大（或逐渐关小），而另一只控制阀则逐渐关小（或逐渐开大），如图4.3所示。图4.3两控制阀异向动作分程控制系统中控制器输出信号的分段是由附设在控制阀上的阀门定位器来实现的。阀门定位器相当于一只可变放大倍数且零点可以调整的放大器。如果在分程控制系统中采用了A、B两只分程阀，并且要求A阀在0.02-0.06Mpa的范围内做全行程动作，要求B阀在0.06-0.1Mpa范围内做全行程动作，那么就可以对附设在控制阀A、B上的阀门定位器分别进行调整：使控制阀A的阀门定位器在0.02-0.06Mpa的输入信号下，输出信号由
46、0.02变化到0.1Mpa，这样控制阀A即在0.02-0.06Mpa的范围内做全行程动作；调整控制阀B的阀门定位器在0.06-0.1Mpa的输入信号下，输出信号由0.02变化到0.1Mpa，这样控制阀B即在0.06-0.1Mpa范围内做全行程动作。这样一来，当控制器输出信号在小于0.06Mp范围内变化时，就只有控制阀A随着信号压力的变化而改变自己的开度，而控制阀B处于某个极限位置（全开或全闭）开度不变，当控制器的输出信号在大于0.06Mp范围内变化时，控制阀A因已移动到极限位置而开度不再变化，控制阀B却随着信号的变化改变阀门开度。分程阀同向或异向的选择问题，要根据生产工艺的实际需要来确定。根据
47、本设计控制系统的要求，由于高炉炉顶煤气压力很大，有时光靠一个阀门是实现不了控制的，这就当煤气压力超出一定的范围需要，同时打开多个阀门，一个控制阀无法满足生产需要，因此选用了分程控制系统。4.3 炉顶煤气压力自动控制系统设计4.3.1 炉顶煤气压力自动控制系统组成大多数高炉都采用高压操作，高压操作可以改善高炉工作状况、提高生产率、降低燃料消耗。高压操作，炉喉煤气压力通常约为55 Kpa165 Kpa。该高炉控制系统设计正常值为160Kpa。本控制系统为一个负反馈控制系统，由于炉顶压力很高，煤气管道直径很大，故调节阀是成组实现的，本文采用了三个控制阀，分别是自动阀、量程阀、快开阀。由于煤气含尘量大
48、，故除取压口采用连续吹扫以外，还在炉顶、上升管两处并用高值选择器选择较高的压力作为控制信号。控制系统原理如图4.4所示。图4.4高炉顶压控制系统原理图其控制方案是自动阀为正常生产时的调节阀，当自动阀超出调节能力时，由量程阀进行辅助调节，快开阀与炉顶压力高限联锁，故障时快速打开。正常生产后，由其他阀门调节过渡为TRT静叶调节，控制权仍为高炉。其中自动阀和量程阀是分程控制的。根据本设计的控制系统原理，得到分程控制系统的方框图如图4.5所示。图4.5炉顶煤气压力分程控制系统的方框图4.3.2 炉顶煤气压力自动控制系统设计4.3.2.1被控变量的选择生产过程中希望借助自动控制保持恒定值（或按一定规律变化）的变量称为被控变量。
