熱風(fēng)爐溫度控制

內(nèi)蒙古科技大學(xué)

過程控制課程設(shè)計論文題目：高爐熱風(fēng)爐溫度控制系統(tǒng)學(xué)生姓名：業(yè)：測控技術(shù)與儀器級：2010-1指導(dǎo)教師：目錄TOC\o"1-5"\h\z前言 2\o"CurrentDocument"熱風(fēng)爐工藝 3\o"CurrentDocument"工作方式 31.1.1直接式高凈化熱風(fēng)爐 31.1.2間接式熱風(fēng)爐 3\o"CurrentDocument"工作原理 3\o"CurrentDocument"工藝流程 4\o"CurrentDocument"熱風(fēng)爐溫度控制方案設(shè)計 6\o"CurrentDocument"熟悉工藝過程，確定控制目標(biāo) 6\o"CurrentDocument"選擇被控變量 6\o"CurrentDocument"選擇操縱變量 6\o"CurrentDocument"確定控制方案 7\o"CurrentDocument"溫度傳感器的選擇 7\o"CurrentDocument"變送器的選擇 8\o"CurrentDocument"執(zhí)行器的選擇 8\o"CurrentDocument"調(diào)節(jié)器的選擇 9小結(jié) 9\o"CurrentDocument"附錄 10\o"CurrentDocument"溫度控制流程圖 10溫度控制框圖 10參考文獻 11前言熱風(fēng)爐是現(xiàn)代大型高爐主體的一個重要組成部分，其作用是把從鼓風(fēng)機來的冷風(fēng)加熱到工藝要求的溫度形成熱風(fēng)，然后從高爐風(fēng)口鼓入，幫助焦炭燃燒。所以熱風(fēng)爐的熱風(fēng)溫度大小或穩(wěn)定與否都對于整個高爐煉鐵有著很大的影響。所以我們要做一套設(shè)計，控制熱風(fēng)爐的溫度，保證生產(chǎn)的正常進行。本次課程設(shè)計正是針對于高爐煉鐵生產(chǎn)中熱風(fēng)爐的單爐送風(fēng)系統(tǒng)，利用單閉環(huán)系統(tǒng)進行負(fù)反饋控制，使得熱風(fēng)爐的熱風(fēng)溫度能夠達到高爐煉鐵生產(chǎn)的工藝要求。國內(nèi)大部分高爐均采用每座高爐帶3至4臺熱風(fēng)爐并聯(lián)輪流送風(fēng)方式，保證任何瞬時都有一座熱風(fēng)爐給高爐送風(fēng)，而每座熱風(fēng)爐都按：燃燒-休止-送風(fēng)-休止-燃燒的順序循環(huán)生產(chǎn)。當(dāng)一座或多座熱風(fēng)爐送風(fēng)時，另外的熱風(fēng)爐處于燃燒或休止?fàn)顟B(tài)。送風(fēng)中的熱風(fēng)爐溫度降低后，處于休止?fàn)顟B(tài)的熱風(fēng)爐投入送風(fēng)，原送風(fēng)熱風(fēng)爐即停止送風(fēng)并開始燃燒、蓄熱直至溫度達到要求后，轉(zhuǎn)入休止?fàn)顟B(tài)等待下一次送風(fēng)。1.熱風(fēng)爐工藝工作方式1.1.1直接式高凈化熱風(fēng)爐就是采用燃料直接燃燒，經(jīng)高凈化處理形成熱風(fēng)，而和物料直接接觸加熱干燥或烘烤。該種方法燃料的消耗量約比用蒸汽式或其他間接加熱器減少一半左右。因此，在不影響烘干產(chǎn)品品質(zhì)的情況下，完全可以使用直接式高凈化熱風(fēng)。1.1.2間接式熱風(fēng)爐主要適用于被干燥物料不允許被污染，或應(yīng)用于溫度較低的熱敏性物料干燥。如：奶粉、制藥、合成樹脂、精細化工等。此種加熱裝置，即是將蒸氣、導(dǎo)熱油、煙道氣等做載體，通過多種形式的熱交換器來加熱空氣。工作原理高爐熱風(fēng)爐按工作原理可分為蓄熱式和換熱式兩種。蓄熱式熱風(fēng)爐，按熱風(fēng)爐內(nèi)部的蓄熱體分球式熱風(fēng)爐（簡稱球爐）和采用格子磚的熱風(fēng)爐，按燃燒方式可以分為頂燃式，內(nèi)燃式，外燃式等幾種，提高熱風(fēng)爐熱風(fēng)溫度是高爐強化冶煉的關(guān)鍵技術(shù)。如何提高風(fēng)溫，是業(yè)內(nèi)人士長期研究的方向。常用的辦法是混燒高熱值煤氣，或增加熱風(fēng)爐格子磚的換熱面積，或改變格子磚的材質(zhì)、密度，或改變蓄熱體的形狀（如蓄熱球），以及通過種種方法將煤氣和助燃空氣預(yù)熱。熱風(fēng)爐主要有三種工作狀態(tài)：即燃燒狀態(tài)、送風(fēng)狀態(tài)和悶爐工作狀態(tài)。（1） 熱風(fēng)爐燃燒狀態(tài)熱風(fēng)爐處于燃燒狀態(tài)時，通過熱風(fēng)爐煤氣管道和助燃空氣管道向熱風(fēng)爐送入高爐煤氣和助燃空氣，高爐煤氣和助燃空氣燃燒產(chǎn)生熱煙氣使熱風(fēng)爐蓄熱；熱風(fēng)爐處于燃燒狀態(tài)時，其廢氣閥、煙道閥、助燃空氣燃燒閥、高爐煤氣燃燒閥、高爐煤氣切斷閥等閥均處于開啟狀態(tài)，其它各閥（切斷閥）均處于關(guān)閉狀態(tài)。（2） 熱風(fēng)爐送風(fēng)狀態(tài)熱風(fēng)爐處于送風(fēng)狀態(tài)時，向燃燒結(jié)束蓄有一定熱量的熱風(fēng)爐送入冷風(fēng)，冷風(fēng)經(jīng)熱風(fēng)爐加熱后再送入高爐。熱風(fēng)爐處于送風(fēng)狀態(tài)時，其冷風(fēng)閥、熱風(fēng)閥、冷風(fēng)充壓閥等處于開啟狀態(tài)，其它各閥（切斷閥）均處于關(guān)閉狀態(tài)。（3） 熱風(fēng)爐悶爐狀態(tài)熱風(fēng)爐處于悶爐狀態(tài)時，為保持溫度，熱風(fēng)爐所有的閥門均處于關(guān)閉狀態(tài)。熱風(fēng)爐處于上述三種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換過程定義為換爐過程。在熱風(fēng)爐的操作過程中最基本的工作過程是換爐。換爐時，應(yīng)保證整個熱風(fēng)爐系統(tǒng)不間斷的向高爐送風(fēng)，并應(yīng)盡量使進入高爐的風(fēng)量、風(fēng)壓波動很小，還要注意煤氣安全。1.3工藝流程在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中，高爐煉鐵的實質(zhì)在于用焦炭做燃料和還原劑，在高溫下，將鐵礦石或含鐵原料中的鐵，從氧化物或礦物狀態(tài)還原為液態(tài)生鐵。因此，高爐煉鐵的本質(zhì)是鐵的還原過程。高爐生產(chǎn)的產(chǎn)品是生鐵，副產(chǎn)品是爐渣、高爐煤氣和爐塵灰。高爐冶煉過程是一個連續(xù)的、大規(guī)模的、高溫生產(chǎn)過程。爐料（礦石、熔劑、焦炭）按照確定的比例通過裝料設(shè)備分批地從爐頂裝入爐內(nèi)。從下部風(fēng)口鼓入高溫?zé)犸L(fēng)使焦炭燃燒。燃燒生成的高溫還原性煤氣，在上升過程中與下降的爐料相遇，使其加熱、還原、熔化、造渣，產(chǎn)生一系列的物理化學(xué)變化，最后生成液態(tài)渣、鐵，聚集于爐缸，周期的從高爐排出。上升的煤氣流由于將能量傳給爐料，溫度不斷降低，成分逐漸變化，最后變成高爐煤氣從爐頂排出。高爐實質(zhì)是一個爐料下降、煤氣上升兩個逆向流運動的反應(yīng)器。高爐一經(jīng)開爐就必須連續(xù)地進行生產(chǎn)。但高爐煉鐵環(huán)節(jié)中，熱風(fēng)爐的溫度穩(wěn)定控制成了高爐煉鐵成功與否的關(guān)鍵因素。如圖1-1，圖1-2。菽爐煤氣氣禪淸潔器|]刑；￡姑*乜rcr菽爐煤氣氣禪淸潔器|]刑；￡姑*乜rcrnr斑“”痔；圖1-1高爐工藝流程

焦石硅鐵球礦燒

灰 礦 團石 石石礦 結(jié)炭gggggg除塵器文氏管洗滌塔脫凈水煤器氣圖炭gggggg除塵器文氏管洗滌塔脫凈水煤器氣熱風(fēng)爐是現(xiàn)代大型高爐煉鐵主體的一個重要組成部分，其作用是把從鼓風(fēng)機來的冷風(fēng)加熱到工藝要求的溫度形成熱風(fēng)，然后從高爐風(fēng)口鼓入，幫助焦碳燃燒。與其類似。后面的控制系統(tǒng)設(shè)計就是在熱風(fēng)爐單爐送風(fēng)條件下做的。如圖1-3。圖1-3熱風(fēng)爐是按“蓄熱”原理工作的熱交換器，在燃燒室里燃燒煤氣，高溫廢氣通過格子磚并使之蓄熱，當(dāng)格子磚充分加熱后，熱風(fēng)爐就可以改為送風(fēng)，此時有關(guān)燃燒各閥關(guān)閉，送風(fēng)各閥打開，冷風(fēng)經(jīng)格子磚而被加熱并送出。高爐一般裝有3-4座與其類似。后面的控制系統(tǒng)設(shè)計就是在熱風(fēng)爐單爐送風(fēng)條件下做的。如圖1-3。圖1-32?熱風(fēng)爐溫度控制方案設(shè)計2.1熟悉工藝過程，確定控制目標(biāo)高爐煉鐵對于熱風(fēng)爐送進高爐的熱風(fēng)溫度有著嚴(yán)格的要求，從鼓風(fēng)機來的風(fēng)溫約150-200°C，經(jīng)過熱風(fēng)爐的風(fēng)溫可高于1300°C，而高爐所需的熱風(fēng)溫度約為1000-1250°C，且須溫度穩(wěn)定。所以在確保系統(tǒng)安全運行情況下，送風(fēng)溫度保持在1000C，不能出現(xiàn)大的波動。如圖2-1。圖2-1溫度控制要求2.2選擇被控變量被控變量又稱為被控參數(shù)或被控量。在過稱控制系統(tǒng)中，被控變量的選擇應(yīng)體現(xiàn)控制目標(biāo)。且必須根據(jù)工藝要求，深入分析工藝過程，找出對產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量、安全運行、經(jīng)濟運行、環(huán)境環(huán)保等具有決定性作用并且可直接測量的工藝參數(shù)作為被控參數(shù)，構(gòu)成過程控制系統(tǒng)。在熱風(fēng)機控制系統(tǒng)中溫度的測量比較方便，信號的轉(zhuǎn)換也比較簡單。所以，選擇送入高爐的熱風(fēng)溫度為被控參數(shù)。2.3選擇操縱變量操縱變量又稱控制量。一般情況下，對于被控過程的某個被控變量，通常有多個可供選擇的操縱變量，要從工藝要求入手，具體選擇操縱變量。影響送入高爐的熱風(fēng)溫度的主要因素有冷風(fēng)溫度、熱風(fēng)爐內(nèi)熱風(fēng)溫度和混合區(qū)冷風(fēng)流量。選擇其中任何一變量作為控制參數(shù)，都可以實現(xiàn)對送入高爐熱風(fēng)溫度的控制。但是對工藝分析可知，從鼓風(fēng)機冷風(fēng)溫度約150-200C，并沒有采取相應(yīng)的方法來改變其溫度。而在熱風(fēng)爐對高爐進行單爐送風(fēng)時，熱風(fēng)爐處于送風(fēng)狀態(tài)，并不能對熱風(fēng)爐進行加熱來改變熱風(fēng)爐內(nèi)的熱風(fēng)溫度，并且通過改變冷風(fēng)溫度或者高爐內(nèi)的熱風(fēng)溫度來控制送入高爐熱風(fēng)溫度時，控制通道長，滯后時間長，對被控參數(shù)的校正作用不靈敏。當(dāng)選擇混合區(qū)的冷風(fēng)流量作為控制參數(shù)時，由混合調(diào)節(jié)閥控制混合區(qū)流入的冷風(fēng)流量，直接進入混合區(qū)改變送入高爐熱風(fēng)的溫度，控制通道短、滯后時間短、對被控參數(shù)的校正作用靈敏，而且干擾進入系統(tǒng)的位置遠離被控參數(shù)，所以將混合區(qū)冷風(fēng)流量作為控制參數(shù)是最佳選擇。確定控制方案控制方案主要取決于控制目標(biāo)。由前面介紹，熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)比較簡單，被控過程純延時和慣性小，負(fù)荷和擾動變化比較平緩，所以可以采用單閉環(huán)負(fù)反饋控制系統(tǒng)進行控制，易于設(shè)計和實施。如圖2-2.圖2-2熱風(fēng)爐控制系統(tǒng)方框圖溫度傳感器的選擇由工藝可知，熱風(fēng)溫度一般在0-1400°C之間。熱電偶是在工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。其優(yōu)點是：①測量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸,不受中間介質(zhì)的影響。②測量范圍廣。常用的熱電偶從-50~+1600C均可邊續(xù)測量，某些特殊熱電偶最低可測到-269C（如金鐵鎳鉻），最高可達+2800C（如鎢-錸）。③構(gòu)造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護套管，用起來非常方便。滿足熱風(fēng)爐工藝要求的熱電偶型號有B型和S型，B型測溫范圍是0C--1700C,S型測溫范圍是0C--1450C，所以從經(jīng)濟適用方面選擇S型鉑銠10-鉑熱電偶。具體參數(shù)見表2-1。表2-1標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶技術(shù)數(shù)據(jù)分度熱電極標(biāo)示E(100,0)測溫范圍（°C）對分度表允許誤差熱電偶名稱號極性識別(mV)長期短期等使用溫允差級度（C）正亮白<600土鉑銠10-鉑S較硬0.6460~13001600III1.5C負(fù)亮白>600土柔軟0.259t用鉑電阻作為電橋的一個橋臂電阻，將導(dǎo)線一根接到電橋的電源端，其余兩根分別接到鉑電阻所在的橋臂及與其相鄰的橋臂上，當(dāng)橋路平衡時，導(dǎo)線電阻的變化對測量結(jié)果沒有任何影響，這樣就消除了導(dǎo)線線路電阻帶來的測量誤差。采用三線制會大大減小導(dǎo)線電阻帶來的附加誤差，工業(yè)上一般都采用三線制接法。變送器的選擇熱電偶的輸出信號為mV級電信號，不能直接送入調(diào)節(jié)器，所以要經(jīng)過溫度變送器則可以將熱電偶輸出的mV信號轉(zhuǎn)變?yōu)?-20mA或者1-5V的電信號供調(diào)節(jié)器使用。而DDZ-III型溫度變送器有：（1）采用集成電路溫度變送器放大單元采用高增益、低漂移集成運算放大器進行直流放大，較II型儀表的調(diào)制放大器線路簡單、元件少、可靠性高。（2）采用了線性化線路熱電偶溫度變送器采用非線性負(fù)反饋回路，熱電阻溫度變送器采用線性化電路。使變送器的輸出信號和被測溫度間呈線性關(guān)系，提高了精度，有利于指示，記錄。（3）增加了安全措施現(xiàn)場的測溫元件（熱電偶或電阻體）與控制室溫度變送器相連的線路是安全火花線路。不必再經(jīng)任何安全設(shè)備可使測量元件工作在危險場所等優(yōu)點。還可以有效的對熱電偶進行有效的冷端補償，所以可以選擇DDZ-III型溫度變送器。執(zhí)行器的選擇控制過程中常用的執(zhí)行器有電動和氣動兩種，他們均由執(zhí)行機構(gòu)和調(diào)節(jié)閥組成。根據(jù)安全生產(chǎn)原則，當(dāng)熱風(fēng)溫度不夠時，進入高爐燃燒不充分，高爐溫度降低，鐵水凝固，導(dǎo)致生產(chǎn)被迫停產(chǎn)，嚴(yán)重會出現(xiàn)生產(chǎn)事故，所以選擇氣開式調(diào)節(jié)閥，調(diào)節(jié)器輸出的模擬信號為4-20mA，當(dāng)電信號為4mA時，調(diào)節(jié)閥處于全關(guān)狀態(tài)；當(dāng)電信號為20mA時，調(diào)節(jié)閥處于全開狀態(tài)。根據(jù)管路特性、生產(chǎn)規(guī)模及工藝要求，宜選用百分比流量特性的調(diào)節(jié)閥，而具體的調(diào)節(jié)閥尺寸則要根據(jù)被控介質(zhì)流量大小及調(diào)節(jié)閥流通能力來選擇。2.8調(diào)節(jié)器的選擇根據(jù)構(gòu)成控制系統(tǒng)為負(fù)反饋原則，選擇調(diào)節(jié)器作用方式。由于調(diào)節(jié)閥為氣開式，故Kv為“+”，當(dāng)混合調(diào)節(jié)閥開度增加時，混合區(qū)熱風(fēng)溫度下降，故被控對象的Ko為“一”；測溫儀表的Km為,汁”。為使組成系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)的靜態(tài)放大系數(shù)相乘為“+”，調(diào)節(jié)器的Kp應(yīng)為“一”，故調(diào)節(jié)器選用正作用方式。小結(jié)在熱風(fēng)爐溫度控制系統(tǒng)中，單回路控制系統(tǒng)完全可以勝任。而且其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，所需自動化技術(shù)工具少，投資比較低，操作維護也比較方便。用熱電偶作為傳感器測量熱風(fēng)管道溫度，把反饋回來的信號送給DDZ-III型溫度變送器，轉(zhuǎn)換成0-5V或者4-20mA標(biāo)準(zhǔn)電信號，再把標(biāo)準(zhǔn)電信號送給溫度調(diào)節(jié)器進行比較、運算和輸出，最后把處理后的信號送給調(diào)節(jié)閥對熱風(fēng)溫度調(diào)節(jié),系統(tǒng)整體使用單回路閉環(huán)負(fù)反饋調(diào)節(jié)，使整個系統(tǒng)可以穩(wěn)定、連續(xù)、精確的實現(xiàn)對熱風(fēng)管道溫度的調(diào)節(jié)，使管道溫度穩(wěn)定的保持在1000°C—1250°C之間，保證生產(chǎn)穩(wěn)定，安全的運行，使燃料充分燃燒，減少污染提高生產(chǎn)效益。熱風(fēng)爐通過長時間的生產(chǎn)實踐，人們已經(jīng)認(rèn)識到，只有利用熱風(fēng)作為介質(zhì)和載體才能更大地提高熱利用率和熱工作效果。但是現(xiàn)在的熱風(fēng)爐存在大量浪費能源及造成附屬設(shè)備過多、工藝過程復(fù)雜等諸多缺點，等待我們更深入的去研究和探索更加方便高效的生產(chǎn)工藝。在這次課設(shè)中，充分的運用了學(xué)過的課程，把理論與實踐很好的結(jié)合，不僅回顧了相關(guān)課程而且提升了我們自己動手的能力，為解決以后會遇到的實際問題做了很好的基礎(chǔ)。

附錄4.1溫度控制流程圖空氣煤氣混合閥門』 冷風(fēng)閥門高爐廢煙氣熱風(fēng)閥門4.1溫度控制流程圖空氣煤氣混合閥門』 冷風(fēng)閥門高爐廢煙氣熱風(fēng)閥門送風(fēng)機熱風(fēng)爐溫度控制框圖f(t)二V;単調(diào)節(jié)器u(t)混合電動調(diào)節(jié)閥I熱風(fēng)管道獸Jt x(t) 溫度變送器 參考文獻【1】李文濤過程控制[M].北京：科學(xué)出版社，2012.【2】李忠虎過程參數(shù)檢測技術(shù)及儀表[M].北京：中國計量出版社，2009【3】周國慶，孫濤鍋爐工安全技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社.20054】魏浩，李忠虎熱風(fēng)爐燃燒智能控制系統(tǒng)研究中國計量協(xié)會冶金分會2010年會【5】周國慶，孫濤鍋爐工安全技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2005【6】丁崇功工業(yè)鍋爐設(shè)備[M].北京：機械工業(yè)出版社2005【7】潘立登，李大宇過程控制技術(shù)原理及運用[M].北京：中國電力出版社2007【8】葉江祺熱工測量和控制儀表的安裝[M].中國電力出版社2006【9