热风炉送风温度控制系统的设计说明.doc

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1、学 号： 课 程 设 计题 目热风炉送风温度控制系统设计学 院自动化学院专 业自动化卓越工程师班 级自动化zy1201班姓 名指导教师傅 剑2015年12月8日课程设计任务书学生： 专业班级： 自动化zy1201 指导教师： 傅剑 工作单位： 理工大学 题 目: 热风炉送风温度控制系统的设计 初始条件：炼钢 高炉采用燃式热风炉,燃烧所采用的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, 要求向高炉送风温度达到1350 ，则炉顶温度必须达到1400 10。要求完成的主要任务: 1、了解燃式热风炉工艺设备2、绘制燃式热风炉温度控制系统方案图3、确定系统所需检测元件

2、、执行元件、调节仪表技术参数4、撰写系统调节原理及调节过程说明书时间安排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-11月8日 参数计算撰写说明书11月9日 答辩指导教师签名： 年 月 日系主任（或责任教师）签名： 年 月 日目 录前 言11.热风炉工艺2 1.1主要结构.21.2工作方式31.2.1 直接式高净化热风炉31.2.2 间接式热风炉31.3工作原理31.4高炉炼铁、转炉炼钢工艺流程42.热风炉温度控制方案设计72.1熟悉工艺过程，确定控制目标72.2选择被控变量72.3选择操纵变量72.4确定控制方案72.5温度传感器的选择82.6执行器的选择92.7

3、调节器的选择103. 小 结124. 参考文献13前 言热风炉是现代大型高炉主体的一个重要组成部分，其作用是把从鼓风机来的冷风加热到工艺要求的温度形成热风，然后从高炉风口鼓入，帮助焦炭燃烧。所以热风炉的热风温度大小或稳定与否都对于整个高炉炼铁有着很大的影响。所以我们要做一套设计，控制热风炉的温度，保证生产的正常进行。本次课程设计正是针对于转炉炼钢生产中热风炉的单炉送风系统，利用单闭环系统进行负反馈控制，使得热风炉的热风温度能够达到转炉炼钢生产的工艺要求。国大部分高炉均采用每座高炉带3至4台热风炉并联轮流送风方式，保证任何瞬时都有一座热风炉给高炉送风，而每座热风炉都按：燃烧-休止-送风-休止-燃

4、烧的顺序循环生产。当一座或多座热风炉送风时，另外的热风炉处于燃烧或休止状态。送风中的热风炉温度降低后，处于休止状态的热风炉投入送风，原送风热风炉即停止送风并开始燃烧、蓄热直至温度达到要求后，转入休止状态等待下一次送风。1.热风炉工艺1.1主要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燃式热风炉。传统燃式热风炉及主要组织部分（如图1-1所示4）

5、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11.2工作方式1.1.1 直接式高净化热风炉就是采用燃料直接燃烧，经高净化处理形成热风，而和物料直接接触加热干燥或烘烤。该种方法燃料的消耗量约比用蒸汽式或其他间接加热器减少一半左右。因此，在不影响烘干产品品质的情况下，完全可以使用直接式高净化热风。1.1.2 间接式热风炉主要适用于被干燥物料不允许被污染，或应用于温度较低的热敏性物料干燥。如：奶粉、制药、合成树脂、精细化工等。此种加热装置，即是将蒸气、导热油、烟道气等做载体，通过多种形

6、式的热交换器来加热空气。1.3工作原理高炉热风炉按工作原理可分为蓄热式和换热式两种。蓄热式热风炉，按热风炉部的蓄热体分球式热风炉（简称球炉）和采用格子砖的热风炉，按燃烧方式可以分为顶燃式，燃式，外燃式等几种，提高热风炉热风温度是高炉强化冶炼的关键技术。如何提高风温，是业人士长期研究的方向。常用的办法是混烧高热值煤气，或增加热风炉格子砖的换热面积，或改变格子砖的材质、密度，或改变蓄热体的形状（如蓄热球），以及通过种种方法将煤气和助燃空气预热。 热风炉主要有三种工作状态：即燃烧状态、送风状态和闷炉工作状态。(1) 热风炉燃烧状态热风炉处于燃烧状态时，通过热风炉煤气管道和助燃空气管道向热风炉送入高炉

7、煤气和助燃空气，高炉煤气和助燃空气燃烧产生热烟气使热风炉蓄热；热风炉处于燃烧状态时，其废气阀、烟道阀、助燃空气燃烧阀、高炉煤气燃烧阀、高炉煤气切断阀等阀均处于开启状态，其它各阀（切断阀）均处于关闭状态。(2) 热风炉送风状态热风炉处于送风状态时，向燃烧结束蓄有一定热量的热风炉送入冷风，冷风经热风炉加热后再送入高炉。热风炉处于送风状态时，其冷风阀、热风阀、冷风充压阀等处于开启状态，其它各阀（切断阀）均处于关闭状态。(3) 热风炉闷炉状态热风炉处于闷炉状态时，为保持温度，热风炉所有的阀门均处于关闭状态。热风炉处于上述三种状态之间的转换过程定义为换炉过程。在热风炉的操作过程中最基本的工作过程是换炉。

8、换炉时，应保证整个热风炉系统不间断的向高炉送风，并应尽量使进入高炉的风量、风压波动很小，还要注意煤气安全。1.4高炉炼铁、转炉炼钢工艺流程在现代工业生产过程中，高炉炼铁的实质在于用焦炭做燃料和还原剂，在高温下，将铁矿石或含铁原料中的铁，从氧化物或矿物状态还原为液态生铁。因此，高炉炼铁的本质是铁的还原过程。高炉生产的产品是生铁，副产品是炉渣 、高炉煤气和炉尘灰。高炉冶炼过程是一个连续的、大规模的、高温生产过程。炉料（矿石、熔剂、焦炭）按照确定的比例通过装料设备分批地从炉顶装入炉。从下部风口鼓入高温热风使焦炭燃烧。燃烧生成的高温还原性煤气，在上升过程中与下降的炉料相遇，使其加热、还原、熔化、造渣，

9、产生一系列的物理化学变化，最后生成液态渣、铁，聚集于炉缸，周期的从高炉排出。上升的煤气流由于将能量传给炉料，温度不断降低，成分逐渐变化，最后变成高炉煤气从炉顶排出。高炉实质是一个炉料下降、煤气上升两个逆向流运动的反应器。高炉一经开炉就必须连续地进行生产。但高炉炼铁环节中，热风炉的温度稳定控制成了高炉炼铁成功与否的关键因素。如图1-1，图1-2。图1-1 高炉工艺流程风机焦 炭石灰石硅 石铁矿石球团矿烧结矿炉 尘尘 泥污 水脱水器除尘器洗涤塔文氏管净煤气热风炉高炉鱼雷罐充渣 图1-2 高炉工艺流程热风炉是现代大型高炉炼铁主体的一个重要组成部分，其作用是把从鼓风机来的冷风加热到工艺要求的温度形成热

10、风，然后从高炉风口鼓入，帮助焦碳燃烧。热风炉是按“蓄热”原理工作的热交换器，在燃烧室里燃烧煤气，高温废气通过格子砖并使之蓄热，当格子砖充分加热后，热风炉就可以改为送风，此时有关燃烧各阀关闭，送风各阀打开，冷风经格子砖而被加热并送出。高炉一般装有3-4座热风炉，在单炉送风时，两座或三座在加热，一座在送风，轮流更换，在并联送风时，两座在加热，两座在送风。这里以一座热风炉设计组态为例，其它热风炉与其类似。后面的控制系统设计就是在热风炉单炉送风条件下做的。如图1-3。 图1-3 热风炉工艺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，然后倒入铁水，并加入适量的造渣材料（如生石灰等）。加料后

11、，把氧气喷枪从炉顶插入炉，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

12、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.热风炉温度控制方案设计2.1熟悉工艺过程，确定控制目标高炉炼铁对于热风炉送进高炉的热风温度有着严格的要求，从鼓风机来的风温约150-200，经过热风炉的风温可高于1300，而本次课设高炉所需的热风温度为1350，炉顶温度必须达到1400 1

13、0，且须温度稳定。所以在确保系统安全运行情况下，炉顶温度保持在1400，不能出现大的波动。2.2选择被控变量被控变量又称为被控参数或被控量。在过称控制系统中，被控变量的选择应体现控制目标。且必须根据工艺要求，深入分析工艺过程，找出对产品的质量和产量、安全运行、经济运行、环境环保等具有决定性作用并且可直接测量的工艺参数作为被控参数，构成过程控制系统。在热风机控制系统中温度的测量比较方便，信号的转换也比较简单，并且对于温度有着较为严格精确的要求。所以，选择炉顶温度为被控参数。2.3选择操纵变量操纵变量又称控制量。一般情况下，对于被控过程的某个被控变量，通常有多个可供选择的操纵变量，要从工艺要求入手

14、，具体选择操纵变量。影响送入高炉的热风温度的主要因素有冷风温度、热风炉热风温度和煤气的流量。选择其中任何一变量作为控制参数，都可以实现对送入高炉热风温度的控制。但是对工艺分析可知，从鼓风机冷风温度约150-200，并没有采取相应的方法来改变其温度。而在热风炉对高炉进行单炉送风时，热风炉处于送风状态，并不能对热风炉进行加热来改变热风炉的热风温度，并且通过改变冷风温度或者高炉的热风温度来控制送入高炉热风温度时，控制通道长，滞后时间长，对被控参数的校正作用不灵敏。而煤气流量对最终热风温度影响较大，并且较为容易控制，所以选择煤气流量作为控制参数，被控参数的信号送往控制器控制煤气切断阀的开度。2.4确定

15、控制方案控制方案主要取决于控制目标。由前面介绍，热风炉控制系统比较简单，被控过程纯延时和惯性小，负荷和扰动变化比较平缓，对于控制方案的要求不高，所以可以采用单闭环负反馈控制系统进行控制，易于设计和实施。如图2-1. 图2-1 热风炉控制系统方框图图2-2 热风炉温度控制流程图2.5温度传感器的选择由工艺可知，热风温度一般在0-1400之间。热电偶是在工业上最常用的温度检测元件之一。其优点是：测量精度高。因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。测量围广。常用的热电偶从-50+1600均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269（如金铁镍铬），最高可达+2800（如钨-铼）。构造简单，使

16、用方便。热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。满足热风炉工艺要求的热电偶型号有B型和S型，B型测温围是0-1700，S型测温围是0-1450，所以从经济适用方面选择S型铂铑10-铂热电偶。具体参数见表2-1。表2-1 标准化热电偶技术数据热电偶名称分度号热电极标示E（100,0）（mV）测温围（）对分度表允许误差极性识别长期短期等级使用温度（）允差铂铑10-铂S正亮白较硬0.646013001600III6001.5负亮白柔软6000.25t用铂电阻作为电桥的一个桥臂电阻，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相

17、邻的桥臂上，当桥路平衡时，导线电阻的变化对测量结果没有任何影响，这样就消除了导线线路电阻带来的测量误差。采用三线制会大大减小导线电阻带来的附加误差，工业上一般都采用三线制接法。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。2.6执行器的选择控制过程中常用的执行器有电动和气动两种，他们均由执行机构和调节阀组成。根据安全生产原则，当热风温度不够时，进入高炉燃烧不充分，高炉温度降低，铁水凝固，导致生产被迫停产，严重会出现生产事故，所以选择气关式调节阀，调节器输出的模拟信号为4-20mA，当电信号为4 mA时，调节阀处于全开状态；当电信号为20 mA时，调节阀处于全关状态。根据管路

18、特性、生产规模及工艺要求，宜选用百分比流量特性的调节阀，而具体的调节阀尺寸则要根据被控介质流量大小及调节阀流通能力来选择。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煤气调节阀的开度，达到调节温度的目的。2.7调节器的选择根据构成控制系统为负反馈原则，选择调节器作用方式。由于调节阀为气关式，故Kv为“-”， 当煤气调节阀开度增加时，热风炉温度上升，故被控对象的Ko为“+”；测温仪表的Km为

19、“+”，根据闭环只有奇数个副作用的原则调节器的Kp应为“+”，故调节器选用负作用方式。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

20、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。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。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

21、能力，可以做成大型复杂的工业控制系统。同时，目前在力、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

22、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。3. 小 结在热风炉温度控制系统中，单回路控制系统完全可以胜任。而且其系统结构简单，所需自动化技术工具少，投资比较低，操作维护也比较方便。用热电偶作为传感器测量热风管道温度，把反馈回来的信号送给PLC进行处理，转换成0-5V或者4-20mA标准电信号，再把标准电信号送给温度控制器进行比较、运算和输出，最后把处理后的信号送给调节阀对热风温度调节，

23、系统整体使用单回路闭环负反馈调节，使整个系统可以稳定、连续、精确的实现对炉顶温度的调节，使炉顶温度稳定的保持1400 10，保证生产稳定，安全的运行，使燃料充分燃烧，减少污染提高生产效益。热风炉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提高热利用率和热工作效果。但是现在的热风炉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，等待我们更深入的去研究和探索更加方便高效的生产工艺。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

24、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。在这次课设中，充分的运用了学过的课程，把理论与实践很好的结合，不仅回顾了相关课程而且提升了我们自己动手的能力，为解决以后会遇到的实际问题做了很好的基础，进一步验证了所学的理论知识。同时这次课程设计，我也充分锻炼了自己的查阅资料能力、设计能力、与同学相互合作的能力。 要想真正提高自己的能力，就不能只局限于课本，要学习各方面的知识，要多从实践中总结经验，从而达到理论与实践的相互融合。4. 参考文献【1】文涛 过程控制M：科学，2012.【2】忠虎 过程参数检测技术及仪表M：中国计量，2009【3】周国庆，涛 锅炉工安全技术M. ： 化学工业. 2005【4】浩，忠虎 热风炉燃烧智能控制系统研究 中国计量协会冶金分会2010年会【5】周国庆，涛 锅炉工安全技术M. ： 化学工业. 2005【6】丁崇功 工业锅炉设备M.： 机械工业 2005【7】立登，大宇 过程控制技术原理及运用M.： 中国电力 2007 【8】叶江祺 热工测量和控制仪表的安装M.中国电力 2006 【9】盛伟等 电厂热力设备及运行M.：中国电力 2010