加热炉温度控制系统设计与仿真研究_毕业设计论文(编辑修改稿)

加热炉温度控制系统设计与仿真研究_毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

完全燃烧现象，这样的热损失就比较大，而且从环境污染角度看，由于不完全燃烧，将会产生大量的黑烟，污染大气。 但是如果处于高过剩空气燃烧区，即当 μ ＞ 时，由于过多的过剩空气，不但使出钢时钢坯表面的氧化铁皮增多，影响钢加热质量，而且使烟气中带走了大量 的热量，使燃烧系统热效率过低，同时会使氮硫氧化物增加，对环保不利。 因此，在实际燃烧系统中，空气过剩率设定在过剩空气燃烧区 ≤ μ ≤。 炉膛负压 炉膛压力对出钢质量有很大影响，只有炉膛压力适当，才能保证燃烧的效果当均热段的炉膛压力过高时，炉膛内的热气从炉膛口往外喷， 会 造成很大一部分热内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 损失。 均热段的炉膛压力也不能过低，尤其是当出现负炉压时，冷空气通过炉门、炉衬裂缝以及其 它 开口进入炉内，这些漏入的冷空气不仅会降低炉膛温度，而且由于其必须被加热到炉温后才能排除，这样造成了燃烧系统的额外负担 并浪费大量燃料，且给炉膛温度控制系统带来很大的麻烦，是绝对不允许的。 可见，这两种情况对炉内热工过程均不利。 从工艺设计上，烟道口的排烟阀功能是用来调节炉膛压力的，因此，我们要求，在正常生产时，烟道阀门的开度大小适当。 而在炉内压力发生波动时，根据炉膛压力检测结果，改变炉压调节器的输出，即通过烟道阀门开度的大小，改变排烟量来获得稳定的炉膛压力，从而使炉膛压力稳定在设定值上，以维持炉内微正压。 对于炉膛压力，送风总管压力以及汽包水位 的控制 ，由于被控对象单一，所以采用单回路 PID 控制 就能达到较好的效果。 空燃比 燃烧过程是燃料的氧化过程，当燃料燃烧时，燃烧产物连同其他可能存在的蒸汽都被提高到火焰温度，火焰温度的高低取决于燃料是否完全燃烧，是否发出最大的热效率，故需要空气过量。 同时，从安全角度考虑，空气不足也会使燃料在炉子中聚集起来，而一点燃就可能发生爆炸，因此，燃烧过程一般都是在空气过量的情况下进行的。 为了使燃料充分燃烧 ， 必须供给足够的空气，即保证一定的剩余空气系数 μ 或空燃比 r[6]。 它们的定义分别为： faFAF0 理论空气量实际空气量 （ ） maxmaxffaaFFFFr  （ ） 可知空燃比 r 与剩余空气系数 μ 的关系为： m a xm a x00m a xm a xaffaffaaFFAFAFFFFFr （ ） 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 0A 为 单位体积或质量的燃料完全燃烧所需要的理论空气量 aF 和 maxaF 分 别为空气流量的测量值和最大值 fF 和 maxfF 分别为燃料流量的测量值和最大值  为理论空气修正系数 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 第三章 加热炉的温度控制系统 加热炉的温度控制一共分为五部分，每一 部分单独设置一 个 串级系统来实现炉膛温度的自动控制。 在 系统中，炉温控制器为主控制器，它的 输出作为副控制器即燃烧控制器的设定值，通过燃烧控制器去决定煤气阀门和空气阀门的开度。 而煤气压力波动等变化剧烈的扰动包含在副回路当中，利用副回路的优良动态性能来抑制这些扰动对炉膛温度的影响。 在稳定状态下，炉温控制器和燃烧控制器的输出都处于相对稳定值，煤气、空气阀门的开度也保持不变。 当稳定状态被破坏时，炉温控制和燃烧控制的串级控制开始作用。 对于加热炉温度的影响主要有以下两种干扰：。 当煤气压力发生波动时，流量会相应发生变化。 在初始阶段，由于煤气流量的变化不会马上影响到炉温，因此，炉温控制器的输出 暂时不变，即煤气流量的设定值不变。 由于误差的产生，煤气流量控制器发生作用，经过副回路的调节作用 ，会大大削弱它对炉温的影响，而此时炉温控制器开始工作，不断改变 副控制器的设定值，在主控制器和副控制器的共同作用下，炉温将很快恢复到设定值。 当炉温降低时，温度控制器开始动作，控制输出量增大，即煤气流量设定值增大，而此时煤气实际流量没有变化，煤气流量控制器输出增大，阀门增大开度，炉温逐渐升高，直到重新恢复设定值。 可见，串级控制系统对于加热炉这样具有大惯性、多扰动等特点的过程，是一种很好的解决方案。 对于 定空燃比 (燃料热值一定 )的燃烧控制系统，概括起来主要有以下几种炉温控制方式 : （ 1）单回路控制 单回路控制是最简单的控制方式，通过炉温的变化直接调节煤气流量。 （ 2）串级控制 串级控制中，空气和煤气并行，温度回路的输出值作为煤气、空气回路的设定值。 （ 3）单交叉限幅控制 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 单交叉限幅控制可以保证在动态过程中，空气量比燃料量富裕，不会产生冒黑烟现象，但由于对空气量的上限没有限制，因此排烟热损失较大。 （ 4）双交叉限幅控制 双交叉限幅控制的特点是当热负荷增加时，空气量设定值先增加，煤气量设定值后增加，防止冒黑烟。 当热负荷降低时，煤气量设定值先降低，空气量设定值后降低，减少烟气热损失。 当空气回路出 现 故障时，煤气自动切断，避免危险。 双交叉算法在动态调节时能够获得合理的空燃比，但响应速度慢。 双 叉限幅控制的特点是 在单交叉的基础上增加 一个最大选择器和一个最小选择器，其目的是保证当炉温低于设定值，需要增加燃料流量时空气先行。 而当炉温高于设定值，需要减少燃料流量时燃料先行，以防止冒黑烟。 该方法己经广泛应用于工业燃烧控制中，它能在动态过程中保证空燃比在规定范围内，从而使燃烧过程最佳，节约能量，减少环境污染。 单闭环控制系统 加 热炉单回路温度控制系统框图如下 [2]： 温 度 控 制 器 调 节 阀 煤 气 流 量温 度 变 送 器给 定 温 度图 单回路控制系统方框图 采用此系统，在平衡状态下如果炉温突然上升，那么此回路将控制煤气阀和空气阀关小，使温度降回给定值，同样如果炉温突然下降，回路又会控制煤气阀和空气阀开大，使温度回升至给定值。 这 个控制方案 只是针对煤气和空气的压力稳定的情况，当煤气压力变大时在阀门开度不变的情况下会导致煤气流量的增大，从而导致总热值的上升，影响炉温。 而由于炉温控制的大惯性，要过很长的时间，炉温检测装置才会有 反应。 PID 调节器将来自变送器的测量值与给定值相比较后产生的偏差进行比例、积分、微分（ PID）运算，并输出统一标准信号，去控制执行机构的动作，以实现对温度、压力、流量、液位及其他工艺变量的自动控制。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 所谓 PID 控制，就是利用比例、积分和微分三者配合对测量参数的偏差进行运算确定输出量，对被控对象进行控制的方法。 当 P、 I、 D 三个参数达到最佳系数组合， PID 的控制效果很好。 控制器参数整定的方法很多，归结起来可以分为两大类 [7]：一类是理论计算方法，另一类是工程整定方法。 本设计主要 利用 工程整定方法 进行控制器参数整 定 ，工程整定方法有临界比例度法、衰减曲线法和反应曲线法。 （ 1） 临界比例度法 在系统闭环情况下，将控制器的积分时间放到最大，微分时间放到最小，比例度放到 100%，然后使比例度由大往小逐步改变，直到过渡过程出现不衰减的等幅振荡为止。 此时的比例度叫临界比例度，临界振荡的周期则称临界周期。 （ 2） 衰减曲线法 此法与临界比例度法有些类似。 不同的是让过渡过程最终呈现 4： 1 衰减振荡为止。 此时的比例度（ δs）和振荡周期（ Ts）即是我们需要的。 因此，在纯比例情况下，系统不会出现等幅振荡，临界比例度法就无法应用，而衰减 曲线法在此种情况下也同样能用。 因此衰减曲线法应用较为广泛，本设计也将使用该方法对系统进行整定。 对系统进行整定，用衰减曲线法 4： 1 衰减振荡时，控制器参数经验公式如 图 ： 表 控制器参数经验公式 PP IP I Dδs1 . 2 δs0 . 8 δsδ %0 . 5 T s0 . 3 T sTi/ m i n控 制 器 类 型控 制 器 参 数TD/ m i n0 . 1 T s 炉膛负压控制系统 烟 道 阀压 力 检 测 变送P I D 控 制 器 炉 膛 压 力压 力 设 定 图 炉膛负压控制系统 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 在 炉膛负压 控制系统中， PID 控制器通过对烟道阀 开度大小 的控制，从而达到了控制炉膛压力的目的。 送风总管压力也采用 单回路 PID 控制系统 ，使 烧嘴喷出的煤气和 空气有一定的速度。 供风压力必须和当前煤气压力相匹配，以提高阀门调节的灵敏度。 若煤气压力过低，必须相应 降低 供风压力，使得空气阀门和煤气阀门调节行程大致相同，否则，空气压力过高，空气阀门的微小动作都会导致剩余空气过多。 反之，若煤气压力过高，也要相应提高供风压力，使得流量的调节更为准确，以免在调节过程中出现黑烟。 串级比值 燃烧 控制系统 为了保证燃料与空气有一定的配比关系，最常用的方案之一是串级 比值 燃烧 控制 系统，其原理是空气流量和煤气流量的设定值成简单的比值关系。 燃 料 阀燃 料 测 量变 送燃 料 控 制器燃 料 流 量空 气 阀空 气 测 量变 送空 气 控 制器空 气 流 量KF1F2温 度 控 制器温 度 测 量变 送 图 串级比值控制系统 加热炉燃烧过程中，正常情况下，煤气和空气应该有一定的比例。 焦炉煤气的空燃比大约在 4： 1 左右，高炉煤气的空燃比大约在 ： 1 左右，转炉煤气的空燃比大约在 ： 1 左右，如果煤气过量，会浪费能源，同时产生冒黑烟现象，产生环境污染；如果空气过量，不仅温度上不去，而且为了加热多余空气，加热炉内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 的热负荷会变大，同样也会浪费能源 ，剩余的热空气随烟气排入大气，会产生大量的 NO SO2等 气体污染环境。 在钢铁生产中用到煤气的地方 很多，煤气阀前压力难以稳定，为了克服阀前压力波动， 把 温度和煤气构成串级控制回路，煤气和空气构成比值控制系统，因此引入加热炉串级比值 燃烧 控制系统。 如图 所示。 在该图中，加热炉温度控制主调节器的输出直接作为燃料流量副调节器的给定值，同时经过空燃比运算器 r 运算后，作为空气流量副调节器的给定值。 通过调整 r，可以改变空气和燃料的配比关系。 加热炉的燃料燃烧过程中，不仅要保证稳态情况的剩余空气系数一定，更重要的是在加热炉负荷发生变化的动态情况下，保证剩余空气系数仍保持在合理的范围内。 在串级比值 燃烧 控制系统中 ，煤气流 量是主动量，空气流量是从动量。 在稳定状态下，煤气流量和空气流量以一定的比值定量地进入加热炉中。 当炉膛温度受干扰作用，燃烧负荷波动不大时，或工艺上需要升降 负荷 的时候，炉温控制器的输出一方面输出 信号给 煤气流量控制器 ，从而 进行煤气流量的控制；另一方面经比值器后作为空气控制器的设定值。 煤气和空气串级比值控制系统开始工作： 当炉温升高时，在炉温控制器反作用下，其输出减小，即煤气流量设定值减小，同时，炉温控制器 的 输出经比值器给空气流量的设定值也 减 小，控制煤气调节阀开度减小；同样空气流量的测量值暂时也没有变化，经空气流量 控制器 使其 输出也减小，相应地控制空气调节阀开度减小。 当炉温降低时，炉温控制器反作用下输出增大，即煤气流量设定值增大，同时 ，炉温控制器 的 输出经比值器给空气流量的设定值也增大。 此时，煤气流量的测量值暂时没有变化，经煤气流量控制 使 其输出增大，控制煤气调节阀开度增大；同样空气流量的测量值暂时也没有变化，经空气流量控制器输出也增大，相应地控制空气调节阀开度增大。 综上，不论炉温升高还是降低，通过煤气流量和空气流量的串级比值控制系统的控制，可以实现较好的炉温控制。 但是对于钢铁厂中的加热炉不仅煤气压力波动大，且燃料热值 也在发生波动，在动态过程中，实际空燃比会产生很大的波动，空气过剩系数很容易进入黑烟区，因此，无法进行抑制，效果很差 [12]。 内蒙古科技大学毕业设计 说明书（毕业 论文 ） 在燃烧负荷发生急剧变化的情况下，由于控制 空气 流动管道与煤气流动管道特性间的差异，各阀门的响应速度和系统的响应速度不同，会带来缺氧燃烧现象和过氧燃烧现象的发生，此时若仍采用串级比值 燃烧 控制系统将无法保证燃料与空气之间的最佳动态配比关系，因此，引入单交叉限幅燃烧控制系统。 单交叉限幅燃烧控制系统 单交叉限幅燃烧控制系统 工作原理 L SF f CT CF a C炉温S iS fF fM V tF fS aF a燃 料空 气* rH S+ a 1/ r a 2T iAB。