高炉热风炉温度控制系统设计【优秀设计文档】

内蒙古科技大学 过程控制工程课程设计 说明书 题 目： 高炉热风炉温度控制系统设计 学生姓名： 薛敏杰 学 号： 0967112205 专 业：测控技术与仪器 班 级： 2009-（ 2）班 指导教师：李 忠虎 前言 在现代工业生产过程中， 高炉炼铁的实质在于用焦炭做燃料和还原剂，在高温下，将铁矿石或含铁原料中的铁，从氧化物或矿物状态还原为液态生铁。因此，高炉炼铁的本质是铁的还原过程。高炉生产的产品是生铁，副产品是炉渣 、高炉煤气和炉尘灰。高炉冶炼过程是一个连续的、大规模的、高温生产过程。炉料（矿石、熔剂、焦炭）按照确定的比例通过装料设备分批地从炉顶装入炉内。从下部风口鼓入高温热风使焦炭燃烧。燃烧生成的高温还原性煤气，在上升过程中与下降的炉料相遇，使其加热、还原、熔化、造渣，产生一系列的物理化学变化，最后生成液态渣、铁，聚集于炉缸，周期的从高炉 排出。上升的煤气流由于将能量传给炉料，温度不断降低，成分逐渐变化，最后变成高炉煤气从炉顶排出。高炉实质是一个炉料下降、煤气上升两个逆向流运动的反应器。高炉一经开炉就必须连续地进行生产。 但高炉炼铁环节中，热风炉的温度稳定控制成了高炉炼铁成功与否的关键因素。 热风炉是现代大型高炉主体的一个重要组成部分，其作用是把从鼓风机来的冷风加热到工艺要求的温度形成热风，然后从高炉风口鼓入，帮助焦炭燃烧。所以热风炉的热风温度大小或稳定与否都对于整个高炉炼铁有着很大的影响。 所以我们要做一套设计，控制热风炉的温度，保证生产的正常 进行。 本次课程设计正是针对于高炉炼铁生产中热风炉的单炉送风系统，利用单闭环系统进行负反馈控制，使得热风炉的热风温度能够达到高炉炼铁生产的工艺要求。 目 录 前言 1 1 热风炉简介 2 风炉原理及应用方式 2 风炉工艺简介 3 2 热风炉温度控制系统设计 4 悉工艺过程，确定控制目标 5 择被控变量 6 择操纵变量 6 定控制方案 6 择控制算法 6 制仪表的选型 7 度传感器及变送器选择 7 行器的选择 8 节器的选择 8 制系统框图 9 3 总结 10 参考文献 11 1 热风炉工艺简介 风炉原理及应用方式 热风炉是锅炉的一种，根据热风炉原理，热风炉在不同行业的应用方式有两种：一种是直接 利用热风的来加热的方式。另一种是需要间接利用热风来加热的方式。热风炉作为热动力机械的热风炉于 20 世纪 70 年代末在我国开始广泛应用 ,它在许多行业已成为电热源和传统蒸汽动力热源的换代产品。通过长时间的生产实践，人们已经认识到，只有利用热风作为介质和载体才能更大地提高热利用率和热工作效果。传统电热源和蒸汽热动力在输送过程中往往配置多台循环 风机， 使之最终还是间接形成热风进行烘干或供暖操作。这种过程 显然存在大量浪费能源及造成附属设备过多 、工艺过程复杂等诸多缺点。 更大的问题是，这种热源对于那种需要较高温度干燥或烘烤作业的要求， 则束手无策。针对这 些实际问题经过多年潜心研究， 于研制出深受国内外用户欢迎的 列螺旋翅片管换热间接式热风炉和 列高净化直接式热风炉。热风炉的应用范围：化工和制药行业化学制品、化工产品和药品的制备和干燥；涂装行业汽 车、摩托车、集装箱、家电、印铁制罐等工业产品的烘烤漆，喷粉固化等；纺织印染和无纺布行业热定型、热熔染色、焙烘、热风拉幅；铸造行业型砂和砂芯烘干；磨具、磨料行业砂布和砂轮烘干；建材行业木材干燥、人造 板、层压板烘干、石膏板烘干、玻璃纤维制品烘干；农产品、饲料及食品加工烘烤咖啡、茶叶、烟叶及蔬菜、谷物、挂面、水产品、鱼粉、豆粕 等干燥；供暖工程工业厂房及民用建筑采暖；焊接材料行业焊条、焊剂烘干；保温材料、玻璃钢行业硅酸铝纤维制品、稀土保温、玻璃钢制品的烘干。 风炉工艺 热风炉工艺是高炉炼铁工艺的一部分，了解热风炉工艺前必须先了解一下高炉炼铁的工艺。 高炉炼铁的实质在于用焦炭做燃料和还原剂，在高温下，将铁矿石或含铁原料中的铁，从氧化物或矿物状态还原为液态生铁。因此，高炉炼铁的本质是铁的还原过程。高 炉生产的产品是生铁，副产品是炉渣 、高炉煤气和炉尘灰。 高炉冶炼过程是一个连续的、大规模的、高温生产过程。炉料（矿石、熔剂、焦炭）按照确定的比例通过装料设备分批地从炉顶装入炉内。从下部风口鼓入高温热风使焦炭燃烧。燃烧生成的高温还原性煤气，在上升过程中与下降的炉料相遇，使其加热、还原、熔化、造渣，产生一系列的物理化学变化，最后生成液态渣、铁，聚集于炉缸，周期的从高炉排出。上升的煤气流由于将能量传给炉料，温度不断降低，成分逐渐变化，最后变成高炉煤气从炉顶排出。高炉实质是一个炉料下降、煤气上 升两个逆向流运动的反应器。高炉一经开炉就必须连续地进行生产 ，生产工艺流程如图 1 图 产工艺流程 热风炉是现代大型高炉 炼铁 主体的一个重要组成部分，其作用是把从鼓风机来的冷风加热到工艺要求的温度形成热风，然后从高炉风口鼓入，帮助焦碳燃烧。热风炉是按“蓄热”原理工作的热交换器，在燃烧室里燃烧煤气，高温废气通过格子砖并使之蓄热，当格子砖充分加热后，热风炉就可以改为送风，此时有关燃烧各阀关闭，送风各阀打开，冷风经格子砖而被加热并送出。高炉一般装有 3单炉送风时，两座或三座在加热，一座在送风，轮流更换，在并联送风时，两座在加热 ，两座在送风。这里以一座热风炉设计组态为例，其它热风炉与其类似 。 后面的控制系统设计就是在热风炉单炉送风条件下做的，单炉送风生产流程如图 1 图 1炉送风生产流程 E - 1E - 2V - 1V - 6V - 7V - 8送 风 机空气高炉煤气焦炉煤气混 合 调 节 阀冷 风热 风炼 铁 高 炉热 风 炉废 烟 气2 热风温度控制系统设计 悉工艺过程，确定控制目标 高炉炼铁对于热风炉送进高炉的热风温度有着严格的要求，从鼓风机来的风温约 150经过热风炉的风温可高于 1300，而高炉所需的热风温度约为1000且须温度稳定。所以在确保系统安全运行情况下，只有稳定送入高炉热风的温度，才能确保高炉内生产连续正常。 择被控变量 在 一个生产过程 中 ，影响正常操作的因素 有很多 。但是，并非对所有的影响因素都要加以控制。所以，必须根据工艺要求，深入分析工艺过程，找出对产品的质量和产量、安全运行、经济运行、环境环保等具有决定性作用并且可直接测量的工艺参数作为被控参数，构成过程控制系统。第 1 章的最后一节针对了热风炉的生产工艺要求进行分析，也确定了稳定送入高炉的热风温度为控制目标，且温度的测量比较方便，信号的转换也比较简单。所以，选择送入高炉的热风温度为被控参数。 择操纵变量 由工艺可知，影响送入高炉的热风温度的主要因素有冷风温度、热风炉内热风温度和混合区冷风流量。选择其中任何一 变量作为控制参数，都可以实现 对 送入高炉热风温度的控制。但是对工艺分析可知，从鼓风机冷风温度 约 150并没有采取相应的方法来改变其温度。 而在热风炉对 高炉进行单炉送风时，热风炉处于送风状态，并不能对热风炉进行加热来 改变热风炉内的热风温度，并且通过改变冷风温度或者高炉内的热风温度来控制送入高炉热风温度时，控制通道长，滞后时间长，对被控参数的校正作用不灵敏。当选择混合区的冷风流量作为控制参数时，由混合调节阀控制混合区流入的冷风流量 ， 直接进入混合区改变送入高炉热风 的 温度，控制通道短、滞后时间短、对被控参数的 校正作用灵敏，而且干扰 进入系统的位置远离被控参数，所以将混合区冷风流量作为控制参数 是最佳选择。 定控制方案 控制方案主要取决于控制目标。由前面的工艺介绍可知，该控制系统的控制目标明确，控制要求比较简单， 被控过程纯延时和惯性小，负荷和扰动变化比较 平缓 ，且控制系统是基于反馈条件下的。所以选用单回路环控制系统足以满足控制要求，且其结构简单，易于设计和控制。 系统方框图如图 2示。 混 合 电 动 调 节 阀调 节 器温 度 变 送 器热 风 管 道e ( t ) u ( t ) q ( t )f ( t )y ( t )x ( t )r ( t )图 2单回路控制系统方框图 择控制算法 选择控制算法是过程控制系统设计中的一个核心内容，控制算法应与被控对象的特性匹配，这样才能使控制系统满足生产过程对控制质量的要求。由于选择比较简单的被控过程，所以选用常规的 制算法就可满足控制要求。 (2检测控制仪表选型 温度传感器及变送器选择 由前面工艺介绍可知，要求温度传感器能检测到的温度大约在 0精度等级的要求为 。 为了减小测量滞后，温度传感器应安装在 冷热风混合后管道 附近。为提高检测精度，应采用三线制接法，并配用温度变送器。 根据查找资料可得，铂铑 10技术数据 见表 2 表 2标准化热电偶技术数据 热电偶名称 分度号 热电极标示 E（ 100,0） （ 测温范围（） 对分度表允许误差 极性 识别 长期 短期 等级 使用温度（） 允差 铂铑 10S 正 亮白较硬 1300 1600 600 负 亮白 600 d 011柔软 t 由于 铂铑 10电信号，不能直接送入调节器，所以选用 温度变送器则可以将热电偶输出的 号转变为 4电信号供调节器使用，而且 温度变送器还能对热电偶进行有效的冷端补偿，使 温度测量变送过程变得更简单 。 执行器的选择 由于在整个控制系统中，执行器安装的位置在冷风管道上，所处的环境不用考虑防爆问题，所以可以选择电动式执行器，这样执行器就可以直接接收调节器发出的电信号。 调节器输出的模拟信号为 4电信号为 4 ，调节阀 处于全关状态；当电信号为 20 ，调节阀处于全开状态 。根据管路特性、生产规模及工艺要求，宜选用百分比流量特性的调节阀；而具体的调节阀尺寸则要根据被控介质流量大小及调节阀流通能力来选择。 调节器选择 根据工艺特点和控制精度要求，调节器应采用 制规律，才能满足整个控制系统的要求。理想 制器的运算规律可以用下式表示： 01() p d t (2也可以用传递函数表示为 (2调节器的作用方式要根据控制系统的负反馈原则来选定。由于执行器为电动式，故 “”；当混合调节阀开度增加时，混合区热风温度下降，故被控对象的 “”；测温仪表的 “”。为使组成系统的各环节的静态放大系 数相乘为“”，调节器的 为“”，故调节器选用正作用方式。 绘制控制系统图 根据上述方案设计，热风炉热风温度控制流程及系统方框图如图 2 s )s )s )s )F ( s )Y ( s )R ( s )X ( s )(a)温度控制系统框图 (b)温度流程图 图 2热风炉生产过程热风温度控制系统图 E - 1E - 2V - 2V - 4V - 3V - 1送 风 机空气高炉煤气焦炉煤气混 合 调 节 阀冷 风热 风炼 铁 高 炉热 风 炉废 烟 气T 3 总结 为期两周的过程控制系统课程设计结束了， 在上学期的生产实习中我们在李老师和闫老师的带领下参观了宝钢集团很多的生产工艺流程，其中最感兴趣的就属高炉炼铁这个工艺，高炉冶炼过程是一个连续的、大规模的、高温生产过程。因为是高温生产过程，所以对温度的控制要求就很严格，所以这就让我对它的温度控制产生了浓厚兴趣，之后就开始了解并学习其的生产工艺过程。 通过学习，才知道高炉炼铁的温度控制是很复杂的一个过程，以我们目前的水平很难完善的选择并控制整个工艺温度控制系统，但是在李老师的讲解下，我们知道了，高炉炼铁工艺过程中，热风炉的 温度我们足可以很好的控制它。恰好我们这学期开展了一个过程控制的课程设计，所以热风炉的温度控制就成了我的课设题目。 高炉炼铁对于热风炉送进高炉的热风温度有着严格的要求，从鼓风机来的风温约 150经过热风炉的风温可高于 1300，而高炉所需的热风温度约为1000且须温度稳定。所以在确保系统安全运行情况下，只有稳定送入高炉热风的温度，才能确保高炉内生产连续正常。所以对这个工艺过程，我们展开了为期俩周的课程设计，在李老师每周三次答疑解惑的帮助下，我们从不熟悉，到熟悉，到真正弄懂了这个生产工艺 ，并对其温度控制设计了一个合理的控制系统。其中的成就感别提多高了，通过这个课程设计，我们学会了考虑问题的全面性，分析问题的合理性。这让我们在以后的学习生活中都获益匪浅。 课程设计是培养高素质工程技术人才的一个重要实践性教学环节，是将教学与生产实际相结合，理论与实践相联系的重要途径。在这段短暂的课程设计时间里，我们的收获很多很多，如果用简单的词汇来 概括就显得言语的苍白无力，至少不能很准确和清晰的表达我们受益匪浅。我们通过课程设计，把专业知识和人才素质两方面得到锻炼和培养，从而为毕业后走向工作岗位尽快成为业务 骨干打下良好基础。为进一步学好专业课，从事这方面的研制、设计等打下良好的基础。最后感谢学校老师给我们这一次课程设计的机会，让我们收获颇多，我们将以更积极主动的学习态度，更扎实牢固的操作技能，更丰富深厚的理论知识回报社会。 最后 ， 在此衷心感谢李忠虎老师对我这次课程设计的悉心指导，谢谢老师！ 参考文献 1李文涛 过程控制 M北京：科学出版社， 2012. 2李忠虎 过程参数检测技术及仪表 M北京：中国计量出版社， 2009. 3吴勤勤 控制仪表及装置 M北京：化学工业出版社， 2006. 4周国庆，孙涛 锅炉工安全技术 M. 北京： 化学工业出版社 . 2005 5潘永湘 过程控制与自动化仪表 M 机械工业出版社 2007 6丁崇功 工业锅炉设备 M 机械工业出版社 2005 7张兆杰， 乌新平 锅炉安全管理人员培训教程 M河水利出版社 2007 8潘立登，李大宇 过程控制技术原理及运用 M 中国电力出版社 2007 9叶江祺 热工测量和控制仪表的安装 M 2006 10李遵基 热工自动控制系统 M中国电力出版社 2005 11盛伟等 电厂热力设备及运行 M国电力出版社 2010 12王毅，张早校 过程装备控制技术及应用 M. 北京：化学工业出版社 2007