热风炉燃烧温度控制系统的设计

工号：JG-0054889

酒钢炼铁保障作业区

论文设计

题目热风炉燃烧温度控制系统设计

厂区炼铁厂

作业区保障作业区

班组维护班

姓名陈现伟

2011 年05 月08 日

论文设计任务书

职工姓名：陈现伟工种：维护电工

题目: 热风炉燃烧温度控制系统的设计

初始条件：炼铁高炉采用内燃式热风炉,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、了解内燃式热风炉工艺设备

2、绘制内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、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

4月29－30日选题、理解设计任务，工艺要求。

5月1－3日方案设计

5月4－7日参数计算撰写说明书

5月8日整理修改

主管领导签字：年月日

目录

摘要.............................................................. I 1内燃式热风炉工艺概述. (1)

2热风炉温度串级控制总体方案 (2)

2.1内燃式热风炉送风温度控制方案选择... (2)

2.2内燃式热风炉温度串级控制系统框图 (4)

3系统元器件选择 (4)

3.1温度变送器 (5)

3.2温度传感器 (5)

3.3控制器及调节阀 (6)

3.3.1调节阀的选择 (6)

3.3.2控制器即调节器的选择 (6)

4参数整定及调节过程说明 (7)

4.1参数整定 (7)

4.2调节过程说明 (8)

学习心得及体会 (10)

参考文献 (11)

摘要

过程控制通常是指连续生产过程的自动控制，是自动化技术中最重要的组成部分之一。过程控制的主要任务是对生产过程中的有关参数（温度、压力、流量、物位、成分、湿度、pH值和物性等）进行控制，使其保持恒定或按一定规律变化，在保证产品质量和生产安全的的前提下，使连续性生产过程自动地进行下去。由于控制对象的特殊性，除了具有一般自动化所具有的共性之外过程控制系统相对于其他控制系统还具有以下特点：控制对象复杂、控制要求多样；控制方案丰富；控制多属慢过程参数控制；定值控制是过程控制的一种主要控制形式；过程控制系统由规范化的过程检测控制仪表组成。

本次课程设计是炼铁生产中负责给高炉送风的内燃式热风炉燃烧温度控制系统的设计。在课程设计的任务中给出了向高炉送风的温度要求，同时要满足送风温度则需炉顶温度达到某一要求，因此本温度控制系统采用串级控制系统，因为随着燃料流量的变化，首先影响的是炉壁温度的变化，然后通过传热过程逐渐影响向高炉的送风温度，从燃料流量变化经过三个变量后，才引起送风温度的变化，这个通道时间常数很大，反应缓慢，而采用串级控制恰好能克服这一缺点，故而本温度控制系统采用串级温度控制系统。

关键字：过程控制热风炉串级控制

热风炉温度串级控制系统的设计1内燃式热风炉工艺概述

图1-1热风炉、高炉炼铁工艺图

如图1-1所示为热风炉、高炉冶铁,近年来我国炼铁生产技术取得了长足进步 ,但是热风的温度提高不大 ,生产的钢铁质量与国际水平仍然有差距。因此热风的温度控制便成为制约炼铁质量的主要因素。我国大多数钢铁企业风温低的主要原因有:热风炉老化严重;高热值煤气缺乏;热风炉潜力没有充分发挥;高炉接收风温的能力低等。煤气热值低是提高风温的主要困难 ,随着高炉的大型化 ,原料的改善 ,操作的改进 ,高炉煤气的物理和化学性能越来越被高炉充分利用 ,致使高炉煤气日益贫化 ,许多现代化高炉的煤气热值已经降低很多,而高热值煤气(焦炉煤气、天燃气等)的短缺情况会越来越严重 ,因此 ,如何利用低热值煤气获得较高的风温,在我国具有特殊的意义。实现煤气的合理燃烧 ,才能将其能量充分利用热风炉才有可能在消耗同样煤气量情况下 ,蓄到更多的热量 ,为提高送风温度创造条件。由于高炉的操作或炉况等种种原因 ,造成煤气压力不稳定 ,煤气热值也往往存在波动 ,因而热风炉燃烧控制是热风炉最难、最关键的控制环节之一 ,燃烧控制得好坏将直接影响到热风炉的拱顶温度

及燃烧的热效率，从而对高炉送风温度产生影响，最终对高炉炼钢的质量产生影响，故内燃式热风炉的温度控制显得至关重要，热风炉的种类很多，下图1-2

图1-2无管式热风炉结构示意图 所示为热风炉的一种形式。在图中数字1到10所代表的分别是：炉排、炉门、燃烧室、壳体、散热片、冷风罩、冷风进口、炉蕊、热风出口和排烟口。 2热风炉温度串级控制总体方案

2.1内燃式热风炉送风温度控制方案选择

热风炉是高炉冶铁工艺中的重要组成部分，其向高炉的送风温度对对高炉冶铁质量有重要影响，因此其温度控制也显得非常重要。内燃式热风炉所用燃料为高炉煤气和转炉煤气的混合气体，另外还有助燃空气，本设计要求向高炉送风温度达到1350 ℃，为满足要求炉顶温度必须达到1400 ℃±10℃。在该温度控制系统中要求按照相关的计算使助燃空气无论在燃料流量为多少时皆使其充分燃烧，故不再考虑其影响，从而混合煤气的流量Q 为控制变量，而影响送风温度的干扰则有冷风流量()1f t 、冷风入口温度()2f t 、燃料压力()3f t 和燃料热值()4f t 。

如果以向高炉送风温度()1n t 为被控参数，仅根据送风温度变化来控制燃料阀门开度，通过改变燃料流量将送风温度控在规定的数值上，那么这是一个简单的控制系统，当燃料压力或燃料热值变化时，先影响炉顶的温度，然后通过传热

逐渐影响送风温度，从燃料流量变化经过三个变量后，才引起送风温度变化，这个通道时间常数很大，反应缓慢。而温度调节器是根据送风温度()1n t 与设定值的偏差进行控制，当燃料部分出现干扰后，该控制系统并不能及时产生控制作用，克服干扰对()1n t 的影响，控制质量差，因为本设计对送风温度要求较为严格，故该方案不予采用。

而当以炉顶温度()2n t 为被控参数时，会使控制通道容量滞后减少，对来自燃料的干扰()3f t 、()4f t 的控制作用比较及时，但炉顶温度毕竟不能真正代表热风炉的送风温度，即使炉顶温度稳定，冷风本身的流量或入口温度仍会影响送风温度，这是因为来自冷风的干扰()1f t 、()2f t 并没有包含在该控制系统的反馈回路内，控制效果仍无法达到生产工艺要求，故也不予采用。

综上所述，单独以送风温度或炉顶温度为被控参数都不能满足工艺要求，故只有将两者结合起来才能弥补各自的缺陷，这就是本设计所要采用的串级控制系统，其简单控制结构图如下图2-1所示：

图2-1热风炉串级温度控制系统

在串级控制系统中，由于引入了副回路，不仅能迅速克服作用于副回路内的干扰，也能加速克服回路的干扰。副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，对副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以消除。

由于主副回路相互配合、相互补充，使控制质量显著提高。

2.2内燃式热风炉温度串级控制系统框图

该设计的内燃式温度串级控制系统结构框图如下图2-2所示：

图2-2热风炉温度串级控制系统框图

根据系统框图，内燃式热风炉温度串级控制系统的控制原理简单分析如下：

(1)燃料压力()3f t 、燃料热值()4f t 发生扰动——干扰进入副回路。

(2)冷风流量()1f t 、冷风入口温度()2f t 发生扰动——干扰进入主回路。

(3)干扰同时作用于副回路和主回路：[1]在干扰作用下，主、副参数()1n t 、()2n t 的变化方向相同，即同时增加或同时减小；[2]在干扰作用下，主副参数()1n t 、()2n t 的变化方向相反，一个增加，一个减少。

3系统元器件选择

在本设计中所选用的主被控参数为热风炉向高炉送风温度()1n t ，辅助被控参数为炉顶温度()2n t ，同时影响炉顶温度的因素主要有高炉煤气和转炉煤气流量Q 、助燃空气流量1Q 两个因素，且在本设计中我们通过相关计算满足在燃料任何流量下都使其充分燃烧，故不再考虑燃料的影响，所以高炉煤气和转炉煤气在生产中起主导地位，且也是两种因素中最为昂贵的物料，因此选择高炉煤气和转炉煤气流量Q 为系统的控制变量，而温度控制

系统的各控制元件选择如下。

3.1温度变送器

过程控制系统中用于参数检测的传感器、变送器是系统中获取信息的装置。传感器、变送器完成对被控对象参数以及其他一些参数、变量的检测，并将测量信号传送至控制器。测量信号是调节器进行控制的基本依据，被控参数迅速、准确的测量是实现高性能的重要条件。测量不准确或不及时、会产生失调、误差或调解不及时，影响之大不容忽视。传感器与变送器设备的选择和使用主要依据检测参数的性质以及控制系统设计的总体功能要求。被检测参数的性质、测量精度、响应速度要求以及对控制性能要求都影响传感器、变送器的选择和使用。

温度变送器有DDZ －III 型温度变送器 ，一体化温度变送器 ，智能式温度变送器等等，本设计选用DDZ －III 型热电偶温度变送器。

3.2温度传感器

热电偶是工业上最常用的高温温度检测元件之一，热电偶工作原理是基于赛贝克效应,即两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下，如两连接端温度不同，则在回路内产生热电流的物理现象。其优点是：

[1]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。

[2]测量范围广。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）。

[3]构造简单，使用方便。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。

热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂电阻温度传感器精度高，稳定性好，应用温度范围广，是中低温区（-200℃～400℃）最常用的一种温度检测器，，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。

本系统的主被控温度为1350℃，同时辅助被控温度为1400℃±10℃。，要求温度上下浮动不超过10℃，对精度有一定要求，因此本系统选择630铂铑铂铑 热电偶测温元件。

3.3控制器及调节阀

3.3.1调节阀的选择

执行器是自动控制系统中的执行环节，在本设计中所用的执行器即为调节阀。自动调节阀按其工作能源形式可分为气动、电动和液动三大类。本设计中用的是气到调节阀，气动调节阀由执行机构和调节机构两部分组装而成，而根据不同要求，阀门的结构形式又有很多种：有直通单座阀、直通双座阀、角阀、隔膜阀、蝶阀、球阀等，最常用的是直通单座阀和直通双座阀。调节阀的流量特性是指流过阀门的流体的相对流量与阀门的相对开度（相对位移）间的关系，即：max Q l f Q L ??= ???

，式中相对流量max Q Q 是调节阀某一开度时流量Q 与全开时流量max Q 之比，相对开度l L 是调节阀某一开度行程l 与全开行程L 之比。

在调节阀的选择中，其气开式与气关式的选择尤为重要，它们的选择原则为：从工艺生产安全考虑，一旦控制系统发生故障、信号中断时，调节阀的开关状态应能保证工艺设备和操作人员的安全。基于此方面的考虑，在本设计中，由于空气保证燃料充分燃烧，为了保证设备的安全，特别是热风炉炉顶的安全，防止燃料流量过大导致炉顶温度过高，故采用气开式调节阀。

3.3.2控制器即调节器的选择

控制器有模拟式控制器如DDZ －III 型仪表、数字式PID 控制器和可编程逻辑控制器，本设计采用DDZ －III 型仪表。调节器是控制系统的判断指挥中心，作用是将被控变量的测量值与给定值相比较并做数学运算，然后将运算结果送往执行器，以实现对被控变量的自动控制，调节器的选型与调节规律的选择对过程控制系统的控制品质有至关重要的影响。

调节器正、反作用方式的选择是在调节阀气开、气关方式确定之后进行的，其确定原则是使整个单回路构成负反馈系统。根据图2-1和2-2的系统结构图及系统框图，又知调节阀为气开式，故调节器的作用方式为正。

在该设计中，有主副两个调节器。在串级控制系统中，主副调节器所起的作用不同，主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用。主参数是生产工艺的主要控制指标，它关系到产品的质量，工艺上要求比较严格，一般不

允许有残差，故本设计中主调节器采用PI 调节，以实现主变量无差控制。在该系统中，稳定副参数并不是目的，控制副参数是为了保证和提高主参数的控制质量，对副参数的要求一般不严格，可在一定范围内变化，允许有残差，故本设计副调节器选P 调节就可以了。

4参数整定及调节过程说明

4.1参数整定

串级控制系统从整体上看是定值控制系统，要求主参数有较高控制精度。但副回路是随动系统，要求副参数能准确、快速地跟谁主调节器输出的变化，串级控制系统主、副调节器的参数整定方法有逐步逼近法、两步整定法和一步整定法。因为逐步逼近法较为费时，不再介绍，这里着重介绍后两种方法。

所谓两步整定法，就是让系统处于串级工作状态，第一步按单回路控制系统整定副调节器参数，第二步把已经整定好的副回路视为串级控制系统的一个环节，仍按单回路对主调节器经行一次参数整定。此法整定的参数结果比较准确，能满足主、副参数的要求，但要分两步进行，比较繁琐。

而一步整定法就是根据经验，现将副调节器参数一次调好，不再变动，然后按一般单回路控制系统的整定方法直接整定主调节器参数。由于在该设计中，对主参数的控制质量要求高，对副参数的要求较低，因此整定时不必把过多精力发在副回路上，只要把副调节器的参数置于一定值后，集中精力整定主回路，使主参数达到规定指标就行了。按照经验一次设置的副调节器参数可能不一定合适，但可以通过调节主调节器的放大倍数经行补偿，使最终结果仍然能满足主参数呈现4：1（或10：1）的衰减振荡过程，故热风炉温度串级控制系统采用一步整定法进行参数整定，其步骤如下：

(1) 在生产正常，系统为纯比例运行的条件下，按照总结出的一步整定法副 调节器参数选择范围，将调节器比例度调到某一适当的数值。

(2)利用简单控制系统中任一种参数整定方法整定主调节器的参数(1P 、i T 、d T )。简单控制系统参数整定方法有稳定边界法、衰减曲线法、反应曲线法、经验凑试法等。

(3)在已整定参数(1P 、i T 、d T 、2P )条件下，观察控制过程，适当调节主调节

器的参数，使主参数满足工艺要求。

4.2调节过程说明

在本温度控制系统中，控制变量为燃料的流量，当送风温度及炉顶温度发生变化时，通过调节燃料通道的调节阀来使热风炉的送风温度满足工艺要求，具体调节过程如下。

(1)干扰进入副回路时，燃料压力()3f t 、燃料热值()4f t 引起炉顶温度变化，温度变送器2（图2-1中2T T ）及时测量到()2n t 变化，并通过调节器（图2-1中的2T C ）及时控制燃料调节阀，使()2n t 很快回到原先的稳定值。当干扰幅度较大时，其大部分影响为副回路所克服，但仍会对送风温度产生一定影响，但引起的偏差幅度要比单回路系统小的多，此时，再通过主调节器（图2-1中的1T C ）改变副调节器2T C 的设定值()2x t 进一步调节，可完全消除干扰的影响，使被控参数()1n t 回复到设定值。

(2)干扰进入主回路，冷风流量()1f t 、冷风入口温度()2f t 首先引起送风温度()1n t 变化，温度变送器1（图2-1中的1T T ）及时测量到()1n t 的变化，并通过主调节器（图2-1中的1T C ）改变副调节器（图2-1中的2T C ）的设定值()2x t ，2T C 根据()2x t 的变化调整输出信号改变燃料阀开度，从而改变炉顶温度()2n t ，以校正送风温度()1n t 的变化，使其回复到设定值。

(3)干扰同时作用于主回路和副回路，这时有两种情况：[1]在干扰作用下，主、副参数()1n t 、()2n t 变化方向相同。如果在系统中一方面由于燃料压力()3f t 升高使炉顶温度()2n t 上升，同时由于冷风流量()1f t 减少，使送风温度()1n t 上升。这时主调节器的输出()2x t 由于()1n t 升高而减小使副调节器2T C 设定值减小，副调节器由于测量值()2n t 上升、设定值减小，副调节器设定值()2x t 与炉顶温度()2n t 之间差值更大，副调节器输出大为减少，以使调节阀关的更小，大幅较少燃料供给量，直至主参数()1n t 回复到设定值为止。[2]在干扰作用下，主、

副参数()1n t 、()2n t 变化方向相反。如果在控制系统中，一方面由于燃料压力

()3f t 升高使炉顶温度上升，

另一方面由于冷风流量()1f t 增加，使送风温度()1n t 降低。这时主调节器的测量值()1n t 降低，其输出增大，副调节器设定值()2x t 也随之增大；同时，副调节器的测量值()2n t 在增大，如果两者增量恰好相等，则副调节器输入[()2x t 与()2n t 之差]不变，副调节器输出不变，阀门不需动作；如果两者增量虽不相等，由于能互相抵消一部分，副调节器输入[()2x t 与()2n t 之差]变化较小，副调节器输出变化幅度也较小，调节阀开度只要作较小的改变，即可校正()1n t 的偏差，使其重新回到设定值。

学习心得及体会

本次设计的内燃式燃烧室炉顶温度是高炉送风温度的重要保证，它直接关系到高炉送风温度的高低，燃烧室炉顶温度过高则高炉送风温度过高，影响生产，同时会对生产设备产生一定的损坏；炉顶温度过低，高炉送风温度又达不到生产要求，影响产品的质量。炉顶温度是高炉炼铁重要的质量指标，直接关系到设备的安全和系统的生产效率。热风炉燃烧温度控制系统的目的就是维持燃烧室炉顶出口温度在允许的范围内，保护设备的安全，并使生产过程经济、高效地持续运行。且炉顶温度可以直接测量，所需设备简单。而设计的温度串级控制系统由于引入了副回路，不仅能迅速克服作用于副回路的干扰，也能加速克服主回路的干扰，故能很好的实现生产工艺所要求的温度控制。

在设计过程中，我查阅了许多关于温度串级控制及热风炉生产工艺的书籍和资料，通过此次论文设计，我主要了解了温度串级控制系统的的特点、调节过程的实现，以及如何应用于实际热风炉的生产工艺控制中，这对以后的工作和学习都会有很大的帮助。此次论文设计培养了我查阅资料的好习惯，也扩大了我的知识面，使我收获了很多有用的知识，锻炼了我自己独立设计的能力，是一次难得的学习实践。

最后我想说的是在这次论文设计过程中，我深深感觉到自身知识的匮乏，而且更是体会到一个道理，学习是没有止境的，仅仅靠理论上的学习是远远不够的，我们应该树立处处是学习，时时是学习的观念，不断学习，不断进步，这样才能跟上信息时代各类知识快速发展更新的步伐。

参考文献

[1] 侯志林等主编.过程控制与自动化仪表.北京：机械工业出版社，1998

[2] 吴勤勤主编.控制仪表及装置.北京：化学工业出版社，2002

[3] 何离庆主编.过程控制系统与装置.重庆：重庆大学出版社，2003

[4] 邵裕森等主编.过程控制系统. 北京：机械工业出版社，2003

[5] 金以慧主编.过程控制.北京：清华大学出版社，1993

[6] 丁轲轲主编.自动测量技术.北京：中国电力出版社，2004

[7] 王再英等主编.过程控制系统与仪表.机械工业出版社，2006