双交叉限幅控制在加热炉燃烧控制系统中的应用_毕业设计论文(编辑修改稿)

双交叉限幅控制在加热炉燃烧控制系统中的应用_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

是否能被烧透，炉口能否正常出钢。 均热段主要将钢坯均匀加热到规定的出钢温度。 若均热段温度过高，将出现钢体打滑现象，温度过低，则不能出钢。 三段的温度互相耦合，互相影响 [5]。 为了便于灵活调节各段炉温，在加热二段与均热段之间设有无水冷隔墙。 用无水冷隔墙隔开，可以精确控制两段炉温和炉压，减少两段之间的辐射干扰。 各段均为上下加热，采用分布在炉子侧墙上的蓄热式烧 嘴进行供热。 通过每对蓄热式烧嘴的切换燃烧，加强炉气在炉内的扰动，增强炉气对钢坯的传热。 空气预热温度 1000℃ 以上，排烟温度鞍山科技大学本科生毕业设计 (论文 ) 第 5 页 150℃ 以下。 炉内钢坯通过步进梁的步进动作，自装料端一步一步经过加热一段、加热二段和均热段传送到炉子的出料端。 在接到轧机要钢信号后，步进梁就将固定梁上最终料位处的钢坯托放在出料悬臂辊上面，然后送出进入轧线轧制。 加热炉的 热工制度 主要包括：温度制度，燃料燃烧制度和炉压制度等，为了保证燃烧的正常进行，一般采用双交叉限幅燃烧控制 方法 和动态补偿的炉膛压力控制 方法 ，同时 对煤气的 流量、 压力与助燃 空气 的 流量、 压力以及 炉膛 温度 、压力 分别进行 检测 控制。 加热炉检测系统控制流程图 如图 所 示。 主要 的检测项目 有 ： （ 1）温度检测：加热炉第一加热段内温度检测，加热炉第二 加热 段内温度检测，加热炉均热段炉内温度检测，煤气、热风温度检测，换热前后烟道温度检测 ； （ 2）流量检测：加热炉一段煤气、空气流量检测，加热炉二段煤气、空气流量检测，加热炉 均热 段煤气、空气流量检测，热风流量检测 ； （ 3）压力检测：煤气热风压力检测，加热炉炉膛压力检测，煤气总管压力检测，热风管压力检测。 图 加热炉检测系统控制流程图 鞍山科技大学本科生毕业设计 (论文 ) 第 6 页 其中 ， PV： 表示阀、挡板 PIC：表示压力指示、调节 FIC：表示流量指示、调节 PE：表示压力测量元件 FT：表示流量变送器 TIC：表示温度指示、调节 FE：表示流量测量元件 为保证炉温燃烧控制系统的稳定，稳定燃料压力是十分必要的。 因此在步进 式 加热炉上，应设燃料压力自动调节系统。 煤气压力自动调节系统的构成，如图 所示。 图 煤气压力 自动调节 系统流程图 从煤气管取出的压力 ， 经压力变送器，配电器输出 DC420mA 的电流信号进入 PLC，与设定值 SP 进行比较，如果输出的信号小于设定值 SP，则开大调节阀；如果输出信号大于设定 值 SP，则关小调节阀，以保证主管 压力的稳定，此时 PLC 调节块应选择 PI型反作用调节模块。 当煤气压力降低到一定限值时，必须自动切断煤气，以保证生产的安全。 即当煤气压力降低到低于允许值时，应自动关闭煤气切断阀。 当事故处理后，煤气压力恢复时，应采用手动恢复的方式，以保证生产的安全 [6]。 空气压力的检测与煤气的压力检测 原理 相同。 鞍山科技大学本科生毕业设计 (论文 ) 第 7 页 煤气流量的 检测 直接影响 加热炉 燃烧控制 ， 所以对煤气流量的检测是十分必要 的。 煤气流量自动检测控制系统如图 所示。 图 煤气流量 自动 检测 控制 系统流程图 煤气总管道安有一孔板，当煤气流量经过孔板时，经压差变送器和配电器转换DC420mA 的电流，它与 SP 设定值的 DC420mA 进行比较，当大于 SP 的设定值时，调节 阀 根据计算机系统的指示自动调小；反之调节阀开大。 此回路中调节器采用 PID 调节，能很快 地 ，稳定 地 对信号进行调节。 加热炉内分均热段、加热段和预热段，其每段炉温测量设 2 支热电偶，热电偶可选择两种方式：工作模式（选择两支热电偶中的高选值进 行燃烧控制）、维护模式（当任何一支热电偶出 现 故障时，输入信号自动切换到另一支热电偶），在一般情况下，温度控制器只 使 用其中一支热电偶信号，而另一支热电偶信号仅作监视用。 调节 项目 加热炉的自动调节项目主要有： （ 1）煤气 、空气 主管道压力调节 ； （ 2）煤气 、空气 支管道压力调节 ； （ 3）炉膛压力调节 ； （ 4） 炉膛各加热段温度调节。 鞍山科技大学本科生毕业设计 (论文 ) 第 8 页 3 加热炉燃烧控制系统 设计 加热炉控制 应该 采用合理的控制策略 ， 使炉内 燃料 燃烧尽可能完全 ，并 使加热对象加热到目标温度。 国际上从 20 世纪 70 年 代就开始加热炉计算机控制的研究，国 内 在这方面起步较晚，从 80 年代才开始这方面的研究工作。 但近十多年来，由于计算机技术以及智能控制技术的迅速发展，加热炉计算机控制的应用日趋广泛，控制水平有明显提高。 在仪表控制系统中，处理燃料与空气的关系通常采用配比调节，由于燃料与空气调节回路响应速度不一致，燃料的热值又不稳定以及烧嘴特性的变化，这种配比关系难于保证，特别是在燃烧负荷发生变化的情况下，更无法保持最佳配比。 目前 加热炉炉温控制 广泛采用交叉限幅控制方式来解决这个问题，即根据给定的空燃比，合理调节空气流量和燃料量，以 保证在炉温调节过程中， 煤气 和空气都达到充分燃烧，这样既可节约能源，又可防止环境污染。 空燃比对于在加热炉各段内取得最佳的燃烧效率是重要的，正确 地 调整空燃比对于炉子安全及产品质量也是重要的。 目前， 通常 采用 3 种 方法 处理空燃关系：（ 1）单交叉限幅法；（ 2）双交叉限幅法；（ 3）改进型双交叉限幅法。 单交叉限幅是一种基础的交叉限幅控制方法。 图 为 单交叉限幅系统原理图。 当温度调节器输出增加时，开通高值选择器 HS， 当 使空气流量调节设定值输出减少时，开通低值选择器 LS，使燃料流量调节设定值先行降低 ，达到变化过程始终维持足够的空气量的目的。 反之，则燃料先行。 这种方式使瞬态响应能保证足够的空气量。 但是，两个流量系统的控制响应不同，虽然加有限幅器，振荡仍较剧烈。 为减轻振荡和跟踪设定值带来的超调，在 FIC 前加有两个设定值滤波器 SVF。 当负荷增加空气先行时，因空气系统惯性，致使流量实际值来不及变化，低值选择器 LS 选择   /1 1KFA  作为燃料侧设定值。 式中 AF 为实际空气量， 1K 为燃料侧设定限幅值 ，取 3%～ 5%，  为理论空燃比，  为空气过剩系数。 此时空燃比处于低限幅，将冒黑烟。 这种现象一直持续到过渡过程结束，即燃料侧选择器重新选择温度调节器鞍山科技大学本科生毕业设计 (论文 ) 第 9 页 TIC 的输出。 图 单交叉限幅系统原理图 当负荷减少燃料先行时，高值选择器 HS 选择  21 KFF  ,式中 F 为燃料量， 2K 为空气侧设定限幅值，取 3%～ 5%，空气过剩偏多。 这种现象一直持续到过渡过程结束，即空气侧的选择器重新选择温度调节 TIC 的输出。 单交叉限幅控制系统的主要特点是：在需要增加炉温时，先增加空气量，再增加燃料量；在减少炉温时，则先减燃料量，再减空气量。 这样保证了合适的空气过剩系数，使燃料更为合理。 单 交叉限幅的限幅值 1K 和 2K 只限定发烟界限，在负荷突减时空气过剩不受控制，使过渡过程排烟损失和公害变大。 和双 交叉 限幅相比，单 交叉 限幅的优点是系统响应快。 但这种系统，对燃料阀动作快于空气阀的系统来说，会发生比例失调，使燃料增加过快，以致早冒黑烟 [7]。 双交叉限幅控制方式 能够 克服单交叉限幅控制燃烧不充分等问题 ，以减少了污染气体的对外排放 ， 保证煤气 充分 燃烧 ， 有效地提高系统空燃比的稳定性，增强炉温的控制效果。 双交叉 系统 采用流量内环和炉温外环的 PID 调节系统来完成炉内温度的自动调节，具体的实现方式为： DCS 控制系统先对各有效炉温控制点进行多点采样比较，将采样点鞍山科技大学本科生毕业设计 (论文 ) 第 10 页 的温度值送入 PID 调节器（温度外环）进行温度趋势调节；同时 将温度外环 PID 调节器的输出值送入流量内环的 PI 调节器，再对系统中空气和煤气的输出进行偏差调节，以最终实现加热炉的温度自动控制。 双交叉限幅系统原理如图 所示，图中所示的双交叉限幅系统由 1 个温度调节器，1 个煤气流量调节器， 1 个空气流量调节器， 4 个高低选择器和一些运算单元构成，系统中温度调节器采用 PID 型反作用式，空气和煤气流量调节器采用 PI 型反作用式。 燃烧控制系统的主要目的是将炉温控制在允许的范围内，并保证燃烧过程的合理性。 在加热炉的加热段和均热段，每个温度控制调节器的输出值 e ，通过 HS， LS 选择器作为煤气和空气流量内环调节器的设定值 SP ，各段热电偶为温度调节器提供测量值PV ，系统中的限幅值 1K ， 2K 取值为 4.、 5， 3K ， 4K 取值为 7（调试值）， a ， b ， c ，d 为空气，燃料的测量修正值； F ， AF 分别为煤气、空气的相对值；  为理论空然比； 为空气过剩系数。 图 双交叉限幅系统原理图 双交叉限幅系统的调节过程简述如下： （ 1） 正常工作情况时，温度调节器的 PVSP ，煤气和空气侧的流量调节器设定值均由 e 决定。 （ 2） 当检测点的实际温度 PV 小于温度调节器的给定值 SP （升温）时，由于温鞍山科技大学本科生毕业设计 (论文 ) 第 11 页 度调节器为 PID 反作用式，故其输出值 e 大幅度增加。 ① 对煤气回路来讲，在 HS 中， e与 c 进行比较，因 为 ce ，为输出，故选 e ，在 LS 中， e 与 a 进行比较，因 ae ，为出，故选 a ,此时 a 成为煤气调节器的设定值，即      /。 ② 对空气回路来讲，由于 e 增加， de ,LS 输出为 d ,又因为 bd ，所以 HS 输出为 d ，由 d 作为空气调节器的给定值，   FF FFKd 。 上述情况表明：升温时，煤气和空气同时取上限限幅值；随着温度的上升， e 值逐渐变小，当温度上升到温度调节器的 SPPV 时，双交叉限幅过程结束。 （ 3） 当检测点的实际温度值 PV 高于温度调节器的给定 SP （降温）时，其输出值 e 大幅度减小。 ① 对煤气回路来讲，在 HS 中 ,e 与 c 进行比较，因 ce ，为输出，故选 c ；在 LS 中， c 与 a 进行比较，因 ac ,故选 c 为输出，此时 c 成为煤气调节器的设定值，即   AA FFKc 9 5 0 0/1 0 0 2 。 ② 对空气回路来讲，因 e 减少， de ， LS 输出为 e ， 又因 为 be , 所以 HS 输 出为 b ，由 b 作 为 空气 调节 器的 给 定值 ，  FF FFKb 9 5 0 0/1 0 0 2 。 上述情况表明：降温时，煤气和空气同时取下限限幅值；随着温度下降， e 值逐渐增大，当温度降低到温度调节器的 SPPV 时，双交 叉限幅调节过程结束。 改进型双交叉限幅控制， 是 基于双交叉限幅的控制， 在 系统 中 增 加了  1Xf ， 使动态响应时间提高， 如 下 图 所示，让  1Xf 按 TIC 输出与燃料流量的比值或按 TIC 输出的变化率计算限幅值的偏置 △ K，比值或变化率越大， △ K 越大。 加入偏置 △ K 等于放宽限制条件，使双限幅的优越性变得不明显，当 △ K 足够大时，系统将蜕变成空气和燃料两个流量回路同时跟踪 TIC 输出的并行系统。 并行的两个回路因回路特性不同产 生的相位差使动态流量比变坏，是超调大和有明显振荡的系统，动态流量比将难以控制。 本文采用 双 交叉 限幅的控制方法来实。