過程控制工程課程設(shè)計(jì)---室式加熱爐燃燒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　過程控制工程課程設(shè)計(jì)說明書</p><p>　　題 目：室式加熱爐燃燒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　前 言</b></p><p>　　加熱爐是軋鋼生產(chǎn)的主要耗能設(shè)備, 節(jié)能降耗是加熱爐的一個重要課題。軋鋼加熱爐的主要任務(wù)是保證出爐鋼坯的溫度, 在滿足工藝要求的前提下,實(shí)現(xiàn)加熱爐生產(chǎn)的優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、

2、低耗。在一定的爐溫制度下, 空氣燃料比的優(yōu)化設(shè)定, 對提高加熱爐的加熱品質(zhì), 降低煤氣消耗起著至關(guān)重要的作用 [1]。合理的空燃比不但可以提高燃燒效率, 減少排煙熱損,而且還可以控制爐內(nèi)氣氛的含氧量, 減少鋼坯氧化燒損, 提高鋼坯成材率[2]。</p><p>　　室式加熱爐是生產(chǎn)中常見的加熱爐，用于單件、小批量工件的金屬鍛造和釬焊。對物料加熱時(shí)，物料不移動[3]。爐內(nèi)不分段，要求各處爐溫均勻。對于大鋼錠加熱采用

3、周期性的溫度制度（即爐溫按時(shí)間分為預(yù)熱期、加熱期、均熱期等）[4]。為建設(shè)節(jié)約型社會，現(xiàn)在熱加工也越來越自動化、節(jié)能化。</p><p>　　燃燒過程的被控量主要是燃?xì)饬亢涂諝饬浚諝庀禂?shù)過大，將會引起火焰溫度的降低，熱損失的增減，不但增加燃料消耗，而且會造成對坯料的氧化燒損；空氣系數(shù)過小，則會導(dǎo)致燃料不完全燃燒，很可能達(dá)不到燃燒工藝要求，同時(shí)造成了能源的浪費(fèi)，還會污染環(huán)境，并且腐蝕設(shè)備?？杖急瓤刂剖钦麄€燃燒過程

4、控制的核心。燃燒爐加熱時(shí)要能根據(jù)需要調(diào)節(jié)加熱爐內(nèi)溫度，這時(shí)就要求空氣與燃料的提、降量有一定的先后次序。當(dāng)需要升溫時(shí)，先增加空氣量，再增加燃料量；降溫時(shí)則先減少燃料量，再減少空氣量，以保證燃料的完全燃燒。</p><p><b>　　1 工藝過程概述</b></p><p>　　因?yàn)闊彳埿枰谠俳Y(jié)晶溫度以上進(jìn)行軋制，因此需要使用加熱爐對坯料進(jìn)行加熱。因鋼種復(fù)雜、坯型規(guī)格

5、變化大、種類多，加熱要求差別大，需設(shè)置不同爐型完成加熱和軋制中補(bǔ)溫的要求。成品板的熱處理種類多，工藝復(fù)雜，因此設(shè)置有固溶、淬火、正火、退火、回火等熱處理爐，以滿足不同的熱處理工藝要求。室式加熱爐就是其中一種爐型。加熱爐工藝流程如圖1.1所示。</p><p>　　加熱時(shí)將待軋鋼坯放入加熱爐內(nèi)，用燃料和空氣混合燃燒產(chǎn)生熱量進(jìn)行加熱, 鋼坯被加熱到合適的溫度后送給軋機(jī)進(jìn)行軋制。燃料的燃燒需要適當(dāng)配比的空氣, 空氣量不

6、足是燃料不充分而造成能源浪費(fèi)和大氣污染, 而空氣過量時(shí)多余的空氣會帶走爐內(nèi)熱量, 同時(shí)過量的空氣會造成鋼坯的氧化燒損, 高效燃燒控制的重點(diǎn)就是空燃比的控制?？紤]燃料和空氣混合的實(shí)際情況, 通常空氣量與理論空氣量要多于燃燒所需的理論值, 實(shí)際配比的空氣量與理論空氣量的比值稱為空氣過剩系數(shù), 其值一般控制在1.05~1.1 之間。為了充分利用燃燒產(chǎn)生的熱量, 保證鋼坯按適當(dāng)?shù)乃俣壬郎? 加熱爐爐溫按時(shí)間分為預(yù)熱期、加熱期、均熱期三個溫度段。

7、爐膛溫度在正常生產(chǎn)情況下與投入到爐內(nèi)的燃料量是相對應(yīng)的, 在滿足軋機(jī)生產(chǎn)要求的前提下適當(dāng)降低加熱強(qiáng)度, 可以降低燃料的消耗量。爐膛壓力影響爐內(nèi)溫度場的分布, 需要控制在適當(dāng)范圍內(nèi), 一般為微正壓即在+10~20 Pa左右。爐壓低時(shí)爐體將吸人冷空氣造成爐溫下降, 加重鋼坯氧化燒損[6]。</p><p>　　圖1.1 室式加熱爐燃燒控制系統(tǒng)</p><p>　　2室式加熱爐燃燒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)&

8、lt;/p><p>　　2.1 加熱爐空燃比控制方法</p><p>　　總結(jié)國內(nèi)外工業(yè)爐空燃比控制方法，主要有以下三種：機(jī)械連桿調(diào)節(jié)、比例閥調(diào)節(jié)、伺服電機(jī)分別控制燃?xì)夂涂諝忾y開度調(diào)節(jié)。方法一為機(jī)械裝置，控制精度低。目前方法二應(yīng)用最為廣泛， 加熱爐功率完全取決于空氣壓力的變化。此兩種方法簡單，均需憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)定固定空燃比，調(diào)試過程精度低。方法三則根據(jù)實(shí)時(shí)煙氣含氧量判斷燃燒過程是否充分， 再據(jù)此通過

9、調(diào)節(jié)器分別控制燃?xì)?、空氣閥開度方法迅速匹配空燃比控制，提高了系統(tǒng)的自動化程度以及控制精度， 可降低能耗和故障率，提高熱效率，實(shí)現(xiàn)多種工藝要求[3]。</p><p>　　本控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)煙氣含氧量判斷燃燒過程是否充分，并據(jù)此設(shè)定比值器比值。再用這個比值控制空氣與燃料量的流量從而控制空燃比。而需要改變溫度時(shí)，就改變溫度控制器的設(shè)定值，在通過高/低選器控制燃料或空氣的流量升降，然后系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)另一流量以達(dá)到空燃比。

10、</p><p>　　2.2 室式加熱爐燃燒控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　如圖2.2.1中可以看出使用的控制系統(tǒng)是具有邏輯關(guān)系的比值控制系統(tǒng)。</p><p>　　控制系統(tǒng)主回路控制溫度的變化，對溫度進(jìn)行細(xì)調(diào)，以保證溫度符合工藝要求。副回路主要控制燃料流量的變化，用于對溫度進(jìn)行粗調(diào)。另外還有空氣流量控制回路，用于提供燃料所需空氣，保證燃料的完全燃燒。煙氣含氧量控

11、制回路實(shí)時(shí)測量煙氣含氧量，并對比值器進(jìn)行控制，對空燃比進(jìn)行細(xì)調(diào)。</p><p>　　圖2.1 室式加熱爐燃燒控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.3 控制系統(tǒng)工藝流程</p><p>　　當(dāng)溫度穩(wěn)定不變時(shí)，及系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，溫度調(diào)節(jié)器的輸出等于燃料流量變送器的輸出，也等于空氣流量變送器的輸出乘上空氣過剩系數(shù)K后的值。此時(shí)高、低選擇器的兩個輸入信號時(shí)相等的，整個

12、系統(tǒng)猶如不加選擇器是的串級和比值控制組合的系統(tǒng)。當(dāng)需要提高溫度時(shí)，溫度調(diào)節(jié)器設(shè)定值增加，溫度調(diào)節(jié)器的輸出增加（跟據(jù)串級控制系統(tǒng)的要求，溫度調(diào)節(jié)器的應(yīng)選用反作用調(diào)節(jié)器），這個增加的信號不被低選器選中，而被高選器選中，它直接改變空氣流量調(diào)節(jié)器的給定值，命令空氣量增加。然后由于空氣增加，使其變送器輸出增加，從而改變?nèi)剂狭髁空{(diào)節(jié)器的給定值，命令提量。這一過程保證在增加燃料量前，先加大空氣量，是燃燒完全。整個過程直至系統(tǒng)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)需要降溫

13、時(shí)，減小溫度調(diào)節(jié)器設(shè)定值，溫度調(diào)節(jié)器的輸出減小，因而他被低選器選中，作為燃料流量調(diào)節(jié)器的給定值，命令燃料降量，燃料量降低，經(jīng)變送器的測量信號被高選器選中，作為空氣流量調(diào)節(jié)器的給定值，命令空氣降量[5]。直到系統(tǒng)又恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。這樣就實(shí)現(xiàn)了提量時(shí)先提空氣量，然后提燃料量；降量時(shí)先降燃料量，然后降空氣量。這樣就保證燃料始終有充分的氧氣來燃燒。也能保持空氣流量與燃料流量成一定比例；在</p><p>　　2.4 控制

14、系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　2.4.1 被控參數(shù)與控制參數(shù)的選擇</p><p>　　對于加熱爐來說，溫度是整個工藝中最重要的參數(shù)，決定了產(chǎn)品的質(zhì)量。因此被控參數(shù)選擇溫度。另外，為了控制空燃比，所以把煙氣含氧量作為一個輔助的被控參數(shù)。由于燃燒爐的溫度與燃料的輸入量存在關(guān)系而起容易控制，所以在控制溫度時(shí)，控制參數(shù)選擇了燃料流量。而當(dāng)燃料流量確定時(shí)，空氣輸入量就決定了煙氣含氧量。只要保證實(shí)

15、際輸入的空氣量與理論空氣量的比值在1.05~1.10之間就能使煙氣含氧量大致穩(wěn)定在最優(yōu)值，因此以空氣流量為控制參數(shù)。</p><p>　　2.4.2 主、副流量的確定</p><p>　　系統(tǒng)中比值控制部分，需要先確定主、副流量。確定主副流量有以下原則：在生產(chǎn)中起主導(dǎo)作用的物料流量，一般選為主流量，其余的物料流量以它為準(zhǔn)，跟隨其變化而變化，則為副流量；在生產(chǎn)過程中不可控的物料流量，一般選為

16、主流量，而可控物料流量作為副流量；在可能的情況下，選擇流量較小的物料作為副流量，這樣，調(diào)節(jié)閥可以選得小一些，控制較靈活；在生產(chǎn)中較昂貴的物料流量可選為主流量，或者工藝上不允許控制的物料流量作為主流量，這樣可以不造成浪費(fèi)或者可以提高產(chǎn)量；當(dāng)生產(chǎn)工藝有特殊要求時(shí)，主、副物料流量的確定應(yīng)服從工藝要求。因此，選擇燃料作為主流量，空氣作為副流量。</p><p>　　2.4.3 調(diào)節(jié)器控制規(guī)律及其正反作用方式的確定<

17、/p><p>　　由于加熱爐溫度控制，其控制通道時(shí)間常數(shù)較大，因此應(yīng)引入微分作用。所以溫度調(diào)節(jié)器選用PID調(diào)節(jié)規(guī)律。煙氣含氧量回路時(shí)間常數(shù)也較大，選用PID調(diào)節(jié)規(guī)律。流量控制通道時(shí)間常數(shù)小，干擾變化速度快，不適合使用微分控制，因此選用PI調(diào)節(jié)。</p><p>　　確定調(diào)節(jié)器正反作用方式。對于溫度調(diào)節(jié)器，很明顯燃料流量的增加會使加熱爐溫度上升。因此 ，加熱爐對象符號為“+”。所以溫度調(diào)節(jié)器符號

18、也應(yīng)為“+”，即溫度調(diào)節(jié)器應(yīng)該選用反作用調(diào)節(jié)器。對于流量調(diào)節(jié)器，首先應(yīng)該根據(jù)安全性原則選擇調(diào)節(jié)閥的氣開氣閉形式。當(dāng)系統(tǒng)停運(yùn)或出現(xiàn)故障導(dǎo)致執(zhí)行器控制輸入為零時(shí)，為了安全，調(diào)節(jié)閥應(yīng)該關(guān)閉，所以調(diào)節(jié)閥選擇氣開式調(diào)節(jié)閥，靜態(tài)放大系數(shù)為“+”。當(dāng)調(diào)節(jié)閥開度增加時(shí)流量變大，流量對象符號液位“+”。所以流量調(diào)節(jié)器的符號也都為“+”。即流量調(diào)節(jié)器應(yīng)該選用反作用調(diào)節(jié)器。</p><p>　　2.5控制儀表的選型</p>

19、<p>　　2.5.1 溫度傳感器選型</p><p>　　由于熱軋有時(shí)需要把鋼坯加熱到1000℃以上，這樣才有能力將鋼坯加熱到再結(jié)晶溫度以上。由此熱電偶所能測的溫度范圍也需大于1000℃。所以選用泰州浩華電熱儀表有限公司的型號為WRP-130的S型熱電偶。S型熱電偶在正常長期使用溫度為800~1300℃左右時(shí)測量的精度最高，而在800℃以內(nèi)的測溫準(zhǔn)確度不高，而長期使用溫度在1300℃以上就很容易損

20、壞熱電偶。</p><p>　　2.5.2 溫度變送器</p><p>　　因?yàn)闊犭娕驾敵鲂盘柺欠菢?biāo)準(zhǔn)電信號，需要將其轉(zhuǎn)換成控制器能接受的標(biāo)準(zhǔn)電信號。本設(shè)計(jì)采用阿爾泰熱S1101電阻熱電偶信號調(diào)理模塊。其輸入信號可以是：J、K、T、E、R、S、B、N型熱電偶信號。輸出信號：0～5V、±5V、1～5V、0～10V、±10V、4～20mA、0～20 mA，能滿足設(shè)計(jì)要求。&

21、lt;/p><p>　　2.5.3 流量變送器</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用AXLUB一體化孔板流量計(jì)，具體型號AXLGB´—40 4 ，這是一種將節(jié)流裝置和差壓變送器配套組成一體的寬量程比流量計(jì)，輸出為標(biāo)準(zhǔn)電流信號（4~20mA）。由于將傳感器與變送器相結(jié)合，因此可以減少儀表數(shù)量。</p><p>　　2.5.4 閥門的選型</p><

22、p>　　如前所述需要選用兩個通徑為40mm的氣開閥，因此選用浙江上高閥門有限公司生產(chǎn)的ZJH-DN40氣動薄膜單座調(diào)節(jié)閥。采用法蘭連接，閥作用為氣開式，并配備手輪機(jī)構(gòu)，可以在緊急情況時(shí)，手動關(guān)閉調(diào)節(jié)閥。</p><p>　　2.5.5 電氣轉(zhuǎn)換器</p><p>　　由于閥門是氣動調(diào)節(jié)閥，而控制器輸出為標(biāo)準(zhǔn)電信號。因此需要電器轉(zhuǎn)換器將4～20mA的直流信號轉(zhuǎn)換成20～100kPa氣動

23、信號。本設(shè)計(jì)選用常熟市常儀儀表有限公司生產(chǎn)的EPC1110-AS-OG/I電氣轉(zhuǎn)換器，其輸入信號4-20mADC,輸出氣壓20-100kPa，帶組合式空氣過濾減壓閥及輸出壓力表，本安型。</p><p>　　2.5.6 氧傳感器</p><p>　　燃燒控制水平依賴于氧傳感器的性能優(yōu)劣，且氧傳感器需要監(jiān)測控制整個燃燒過程。設(shè)計(jì)中，選用西門子公司QGO20.000D27 型號氧傳感器，其優(yōu)點(diǎn)

24、：氧含量調(diào)節(jié)回路時(shí)間常數(shù)小，帶有溫度補(bǔ)償功能，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)特性好且壽命長。如出現(xiàn)電壓不穩(wěn)，執(zhí)行器在保證過量空氣的原則上動作。</p><p>　　2.5.7 調(diào)節(jié)器選型</p><p>　　本設(shè)計(jì)中所有調(diào)節(jié)器都選用AI-808AXLSV24型人工智能調(diào)節(jié)器，此系列儀表采用了國際先進(jìn)技術(shù)，輸入采用數(shù)字校正系統(tǒng)，內(nèi)置常用的熱電偶和熱電阻非線性校正表格。測量精度高。采用先進(jìn)的專家PID智能

25、調(diào)節(jié)算法，控制精度穩(wěn)定，無超調(diào)，具備自整定(AT)功能。輸入功能全通用，輸出功能模塊化，可通過更換不同功能的模塊來實(shí)現(xiàn)各種控制方式和豐富的輸出功能，以適用于各種使用場合。具有通訊功能，通過計(jì)算機(jī)可實(shí)現(xiàn)對儀表的各項(xiàng)操作及控制。設(shè)計(jì)中所有控制都是使用PID算法或是相應(yīng)的算法，因而都可以使用此調(diào)節(jié)器。</p><p><b>　　3總結(jié)</b></p><p>　　該控制系

26、統(tǒng)，利用煙氣含氧量修正空燃比的方法，以及爐溫串級控制，實(shí)現(xiàn)燃燒過程控制的優(yōu)化：①更精確地實(shí)現(xiàn)了空燃比的控制；②實(shí)現(xiàn)了燃燒器加熱制度的最佳管理，使得加熱工藝得到明顯的改善；③實(shí)現(xiàn)了爐內(nèi)氣氛控制的工藝要求，適用于不同的加熱工藝。這種控制方法維持了合理的空燃比， 并且實(shí)現(xiàn)了符合指定加熱工藝要求的目標(biāo)，降低了能耗與污染排放，在很大程度上提高了室式加熱爐的先進(jìn)性與適用性。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)&l

27、t;/b></p><p>　　[1] 朱宏祥, 溫冶, 徐海.空氣燃料比尋優(yōu)技術(shù)在加熱爐中的應(yīng)用[J] .北京科技大學(xué)報(bào), 2003, 25 ( 2) : 139-142</p><p>　　[2] 楊慶榮. 基于加熱爐熱平衡的空燃比優(yōu)化控制研究與應(yīng)用[J].江西冶金，2009，（5）：25-27. </p><p>　　[3] 馮良，楊琳，張六豐. 室式加

28、熱爐燃燒控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].燃燒爐，2009，（6）：25-28. </p><p>　　[4] 百度百科.燃燒爐.http://baike.baidu.com/view/2680626.htm?ssid=0&from=</p><p>　　2001a&uid=36B3D277DE2FFCD74A50303C4AF23BAB&pu=usm%400%2Csz%4013

29、30_640&bd_page_type=1&tj=www_normal_1_0_10,2012.1. </p><p>　　[5] 劉紅軍，寧賽鳳，趙彥來，王軍. 加熱爐高效燃燒搜制技木應(yīng)用[J]. 萊鋼科技，2005，（6）：137-138.</p><p>　　[6] 李文濤.過程控制[M].北京：科學(xué)出版社，2012.</p><p>　　[7

30、] 李忠虎，李希勝.過程參數(shù)檢測技術(shù)及儀表[M].北京：中國計(jì)量出版社，2009.</p><p>　　[8] 吳樹濤, 劉峰. 加熱爐雙交叉燃燒控制原理分析及實(shí)現(xiàn)[J].儀器儀表用戶，2004，（5）：63-64.</p><p>　　[9] 李逸. 軋鋼加熱爐自動控制[J]. 浙江冶金，2005，（2）：49-52.</p><p>　　[10] 謝志英. PL