环形加热炉的温度控制系统

1、环形加热炉的温度控制系统 摘要III AbstractIV第一章 引言11.1 冶金行业中常见的加热炉11.2 环形加热炉的现状11.3 加热炉的结构及工作方式2第二章 环形加热炉的工艺42.1 工艺特点及流程42.1.1 工艺特点42.1.2 工艺流程42.1.2.1炉子辅助设备42.1.2.2仪控系统组成52.2 加热炉总体设计要求52.2.1 工业控制系统设计的原则52.2.2 环形加热炉控制系统设计的总体要求6第三章 加热炉温度控制系统的控制策略83.1 炉温的控制系统83.1.1 炉温控制基本原理83.1.2 炉温控制系统93.1.3 引起炉温波动的因素93.1.4 炉温控制系统的改

2、进措施103.2 燃烧控制系统113.2.1 双交叉限幅控制113.2.2 空燃比控制163.2.3 燃料流量的控制163.3 检测元件的选择173.3.1 温度检测元件173.3.2 流量检测元件183.4 执行器的选择193.4.1 执行机构的选择193.4.2 调节机构的选择203.5 PLC的选择233.6 通信协议的选择24第四章 环形加热炉温度控制系统的软件设计264.1 编程软件step7简介264.1.1 梯形图编程语言简介264.1.2 梯形图控制语言编程的步骤及实现的功能274.2 系统流程274.2.1 主程序流程274.2.2 温度控制子程序程序流程284.2.3 燃烧

3、控制子程序程序流程294.3 软件设计304.3.1 I/O端口分配304.3.2 程序结构314.4 系统调试31第五章 系统监控组态软件的设计325.1 组态王简介325.1.1 组态王简介325.1.2 组态王的使用325.2 组态画面的介绍335.2.1 运行窗口335.2.2 实时曲线窗口335.2.3 历史曲线窗口355.2.4 报警窗口375.2.5 PID参数设置窗口38第六章 总结39参考文献40基于PLC的环形加热炉温度控制系统设计摘要 环形加热炉是无缝钢管生产的第一环节,其加热质量直接影响到钢管的质量,其能耗和氧化烧结直接影响钢管的成本。因此,保证环形加热炉的最佳生产状况

4、和炉温自动控制是关键。为了提高环形加热炉产品的质量,本文研究主要是从工业控制的角度出发,对环形加热炉加热的温度控制系统作了研究和探讨。 本文通过了解整个环形加热炉的生产工艺及影响因素,首先在介绍加热炉工艺流程以及加热炉自动控制系统的控制要求的基础上,着重介绍了环形加热炉的炉温控制和燃烧控制的实际应用设计,然后,对控制系统中所使用的硬件及编程软件的功能和特点做了详细描述,对控制系统软硬件平台上所进行的监控和编程工作进行了具体设计。本设计下位机采用PLC进行控制,上位机采用组态王软件进行监控画面显示,实现了加热炉温度和燃烧流量的自动控制功能。最终可以达到加热炉安全、经济、高效的运行。关键词:环形加

5、热炉;PLC;炉温控制;燃烧控制PLC-based annular furnace temperature control system designAbstract Annular heating furnace is the first link in the production of seamless steel tubes, the heat directly affects the quality of the steel, and its energy consumption and oxidation of sintered direct impact on steel cos

6、ts. Therefore, to ensure optimum production conditions of the annular furnace and the temperature automatic control are the keys. To improve the quality of the product ring furnace, this paper mainly from the perspective of industrial controls, heating the ring furnace temperature control system wer

7、e studied and discussed. By understanding the annular furnace production process and influencing factors, the first, based on the requirements of introduction the heating process and control of furnace automatic control system, focusing on the practical application of the ring furnace temperature co

8、ntrol and combustion control design,and then, The control system used in the hardware and programming software functions and features described in detail, as well as in the control system by hardware and software platform simulation and programming of the specific design work. Next-bit machine uses

9、the software of PLC to program the software, the host computer uses the software of Kingview to monitor and display screen, which realizes the automatic control function of the temperature and flow of the furnace. Finally it achieves the heating furnace operating safely, economically, and highly eff

10、ectiveKey words: The Annular Furnace ;PLC; Temperature Control; Burning Control 引言 钢铁行业作为关系国计民生的基础性行业,具有较高的产业关联度。钢铁工业是一个原材料的生产和加工部门,处于产业链的中间位置,它的发展与国家的基础建设以及工业发展的速度关联性很强。冶金行业中常见的加热炉 在冶金工业中,加热炉习惯上是指把金属加热到轧制成锻造温度的工业炉,包括有连续加热炉和室式加热炉等。金属热处理用的加热炉另称为热处理炉。初轧前加热钢锭或使钢锭内部温度均匀的炉子称为均热炉。广义而言,加热炉也包括均热炉和热处理炉。 连续加热

11、炉包括推钢式炉、步进式炉、转底式炉、分室式炉等连续加热炉,但习惯上常指推钢式炉。连续加热炉多数用于轧制前加热金属料坯,少数用于锻造和热处理。主要特点是:料坯在炉内依轧制的节奏连续运动,炉气在炉内也连续流动;一般情况,在炉料的断面尺寸、品种和产量不变的情况下,炉子各部分的温度和炉中金属料的温度基本上不随时间变化而仅沿炉子长度变化。环形加热炉的现状 目前,世界上所有现代化钢管厂的管坯加热炉几乎全部采用环形加热炉,这是由其自身一系列优点所决定。 环形炉最适合加热圆管坯,并且能适用多种料坯规格直径和长度的加热要求,灵活调整加热制度,满足加热工艺要求。管坯在炉底间隔放置,料坯三面受热,加热时间短,加热温

12、度均匀,加热质量好。炉内管坯可以出空也可以留出不装料的空炉底段,便于更换管坯规格,操作调度灵活。环形炉的机械运行可靠,操作自动化程度高,热工控制方便、灵活。但是,环形炉也有其自身的缺点:如占地面积较大、炉底面积利用率低、单位炉底面积的产量较低,但这并不影响环形炉的技术发展。现在环形炉的发展日趋大型化,如意大利DALMING厂的环形炉中径46m;阿根廷ALGOMA厂的环形炉中径36m;上海宝钢环形炉中径35m;天津钢管公司环形炉的中径达到48m,造价近一亿元人民币。由意大利PIANTI公司设计建造的环形炉采用了许多当今世界先进工艺、控制技术。通过几年的生产实践证明,该炉无论在炉温调节控制、管坯加

13、热质量、能源消耗、烟尘排放等各方面均处于世界先进水平。 环形加热炉是无缝钢管热轧生产线上的重要热工设备,其加热质量直接影响钢管的质量,其能耗和氧化烧结直接影响钢管的成本,其设备状况及操作水平直接影响钢管的产量。因此,保证环形加热炉的最佳生产状况是无缝钢管生产的关键,而加热炉炉温自动控制也就成为了重中之重。 2000年以前,国内冶金企业加热炉大多采用重油和直接燃煤加热炉,只有少部分的企业采用燃气加热炉。对于重油加热炉,在控制上,虽然可以采用先进的控制技术,但由于重油中杂质太多,其流量监测系统寿命短,测量精度很难保证,在实际运行中,大多采用手动为主的燃烧方式。随着石油炼制技术水平的不断提高,重油质

14、量不断下降,但价格却不断上升。冶金企业为了提高钢材质量,降低能源成本,于2000年前后,许多企业将燃油加热炉逐渐改成了然热脏发射炉煤气。煤气发生炉的原料为块煤,因重油与煤的单价相差很大,故通过油改气改造,企业可节约能源运行成本30%?40%。但因热脏发生炉煤气热值低、压力低,升降温度速度慢,较难满足高产的要求。对于热脏煤气发生炉煤气,由于其单台炉煤气产量低,一般采用在加热炉附近建几台共同供气,这种煤气发生路产气量很难精确控制且产气量低、污染大,中间又无储气罐,所以一般用人工方式进行操作。采用冷煤气作为燃料,一方面可以减少污染,另一方面可以将先进的控制技术应用到生产中去,并可降低燃料成本、减少原

15、材料的氧化烧损。加热炉的结构及工作方式 按炉温分布,炉膛沿长度方向分为预热段、加热段和均热段;进料端炉温较低为预热段,其作用在于利用炉气热量,以提高炉子的热效率。加热段为主要供热段,炉气温度较高,以利于实现快速加热。均热段位于出料端,炉气温度与金属料温度差别很小,保证出炉料坯的断面温度均匀。用于加热小断面料坯的炉子只有预热段和加热段。习惯上还按炉内安装烧嘴的供热带划分炉段,依供热带的数目把炉子称为一段式、二段式,以至五段式、六段式等。5060年代,由于轧机能力加大,而推钢式炉的长度受到推钢长度的限制不能太长,所以开始在进料端增加供热带,取消不供热的预热段,以提高单位炉底面积的生产率。用这种炉子

16、加热板坯,炉底的单位面积产量达9001000公斤/(米2?时),热耗约为0.50.65×106千卡/吨。70年代以来,由于节能需要,又由于新兴的步进式炉允许增加炉子长度,所以又增设不供热的预热段,最佳的炉底单位面积产量在600650公斤/米2?时,热耗约为0.30.5×106千卡/吨。 连续加热炉通常使用气体燃料、重油或粉煤,有的烧块煤。为了有效地利用废气热量,在烟道内安装预热空气和煤气的换热器,或安装余热锅炉。 在锻造和轧制生产中,钢坯一般在完全燃烧火焰的氧化气氛中加热。采用不完全燃烧的还原性火焰即“自身保护气氛”来直接加热金属,可以达到无氧化或少氧化的目的。这种加热方式

17、称为明火式或敞焰式无氧化加热,成功地应用于转底式加热炉和室式加热炉。环形加热炉的工艺 包钢180无缝钢管厂,现有一座环形加热炉,炉子有效直径长度35m。最大入炉根数256根、最大出钢能力120根/h,使用的燃料为高焦炉混合煤气,烟道内设有空气预热器等余热回收装置,环形加热炉内有液压炉底系统、炉外有装料系统、出料系统、扇形辊道、出炉辊道、120个控制烧嘴等设备。采用较先进PLC实现烧钢。工艺特点及流程工艺特点 无缝钢管由于其规格、品种、钢种较多,因而生产工艺与其它轧钢车间相比有较大的差别,因此,环形加热炉的加热工艺也随之具有不同的特点。主要表现在: 环形加热炉具有加热钢种多、批量小、更换规格频繁

18、和加热工艺制度变化大等特点,所以要求环形加热炉必须配备灵活、快速、准确的燃烧控制系统。 由于加热的钢种有很大一部分是合金钢和不锈钢。根据我们以往的经验可知,这部分钢种对加热温度要求十分严格,必须在低温时均匀缓慢的加热,严格禁止在加热过程中产生热应力而导致废品。 加热易脱碳钢种时,为防止高温脱碳,在低温段应采用缓慢加热(以提高心部温度,所小心表温差);在高温段采用快速加热的供热制度,从而防止钢种脱碳。工艺流程 环形加热炉分为:1隔热回收段、一个预热段、3个加热段和3个均热段。热回收段主要是利用逆时针流向烟道的高温烟气对进入炉内的管坯进行预热,然后随着炉底的顺时针转动,钢坯依次进入预热段、加热段、

19、加热段和加热段进行加热,在这4段采用空煤气双蓄热的蓄热式燃烧技术;经过加热段之后管坯依次进入均热段、均热段和均热段,均热段燃料为天然气,采用常规燃烧方式。2.1.2.1炉子辅助设备 排烟系统 环形路为外侧排烟方式,侧排烟道出炉后扎入地下,后接入烟囱。空气预热置于地下烟道内,结构形式为带插入件的金属管状预热器,换热面积131?2,设计入口烟温度720,出口烟气温度326,预热后空气温度400。预热器后设有自动烟道闸板,用于炉膛压力控制。 助燃空气系统 包括助燃风机、热风自动放散阀、三段空气流量孔板等。 燃烧系统 煤气发射炉三台、烧嘴前手动碟阀等。 水冷系统 环形炉有液压站需要水冷,炉底水封槽需要

20、少量补充水。2.1.2.2仪控系统组成 系统仪控检测系统 通过安装在管路孔板上的差压变送器采集并转换成标准信号送入PLC。 炉压控制 炉压控制包括助燃空气压力控制、煤气压力控制、炉内压力控制三部分,以保证助燃空气和煤气压力稳定,使燃烧顺利进行。 换热器保护 换热器起到节约能源、助燃的作用,换热器的温度不能过高或过低。过高损坏设备,过低会使煤气结露,腐蚀换热器。 燃烧控制 燃烧控制部分由温度控制、空气与煤气的空燃比控制和空气的换向控制几部分组成。 执行机构 执行机构采用PLC输出控制,具有手自动切换功能。加热炉总体设计要求工业控制系统设计的原则 工业控制系统的设计与其他类型控制系统的设计一样都以

21、计算机控制技术和通信技术为基础,但他又有自身的特点。这些特点主要表现在: 实用性:工业控制系统的设计强调控制设备如PLC与工业现场设备如电机、开关等之间在功能上要和谐搭配,在控制要求上符合工业控制的行业标准。在系统控制和功能实现上要求简单明确,显示信息直观清楚,操作上要方便易学,便于掌握。 安全性:工业控制系统的目的是通过采用先进的计算机技术,实现工业现场设备的自动化运行,减少人为参与工业控制的行为,其目的就是为了提高系统运行的可靠性和安全性。因此,在实现系统功能的同时,要最大限度的考虑到设备运行期间可能产生的各种故障,并且在系统实现时给出各种故障处理的方法,尽可能减少意外故障引发的灾难性后果

22、,带来生产甚至人身安全的重大损失。 可靠性:工业控制系统必须保证能够连续可靠的运行。为此,必须选用技术成熟可控制的器件,在安装工艺方面尽量提高系统的抗干扰能力,主要的控制设备必须能够防震、防电磁干扰、防尘、防潮,同时必须注意系统的散热或加热,以保证各电子设备工作在收益的温度下。在信号的采集、开关确认等方面都加强,确保系统可靠稳定的运行。在系统设计中必须采用种种措施,确保系统的高可靠性,它包括元器件的选择、冗余设计、环境设计、人机工程设计、故障模式影响及危害性分析、模块化设计、标准规范的组态软件设计等。在控制方面,对系统采取一些安全措施,如手动/自动切换、多级控制、报警和输出锁定等。 开放性:系

23、统在设计时应考虑以后的扩充和升级。在设备的选型时应考虑到其接口的通用性和互联性,不宜采用封闭的、自成体系的设备。环形加热炉控制系统设计的总体要求 为了实现加热炉这个复杂工业生产过程的自动控制,该控制系统的总体设计应具备以下要求: 安全性设置:从工厂安全要求的角度操作可分为操作员、系统工程师和管理人员三个等级。 控制系统实现工艺流程的自动监控。在生产工段上,各个控制的设备应严格按照工艺规定的顺序启动停止。在上一步未执行完成时,下一步的设备禁止工作。在生产的自动控制过程中还必须考虑对电网的影响,大量设备不能同时启动。 监控功能:具有设备运行状态和过程参数的实时显示,时序流程图程序运行显示,实现监控

24、功能;采用弹出菜单方式进行参数设定、调整及回路控制参数的在线整定,实现控制功能。整个自动化控制系统通过对生产流程的流量、液位、压力、温度、速率和功率等参数的控制,达到满足控制要求的目的。 报警功能:实时监控各电气参数、工艺参数,一旦故障及时报警,显示报警记录,可进行故障排除及确认,并可在线打印报警记录。 信息管理:计算机可以存储、查询和打印设备故障记录,各种生产报表,便于进行数据分析。加热炉温度控制系统的控制策略 环形加热炉控制的基本任务是:首先维持炉膛温度稳定在设定值,其次是保证燃烧过程的经济性、环保性和操作的安全性等。环形加热炉对加热炉的炉膛的温度控制是最重要的。对于不同材质的钢坯必须按照

25、不同的升温曲线进行钢坯的烘烤。因为如果温度过低,达不到轧制工艺的质量要求,温度过高则也会带来一些不良的后果,如钢过热时钢的品粒增大,使钢的机械性能下降,加工时容易产生裂纹等。 而温度的变化主要受燃料流量和空气流量的影响,为了充分燃烧,燃料流量和空气流量必须按一定的比例送入管道,所以将燃料和空气构成双闭环比值控制系统,这样不仅实现了比较精确的流量比值,而且使燃料流量和空气流量变得比较平稳,确保了两物料总量基本不变,为后续温度的控制提供了前提条件。对于温度的控制采用双交叉限幅方式的串级控制系统,这样可以在炉温偏低时,先增加空气量,后增加煤气量;炉温偏高时,先减煤气量,后减空气量,实现空气煤气交叉控

26、制,保证了燃料的完全燃烧,最终通过控制燃料和空气流量以达到控制炉温的目的。炉温的控制系统炉温控制基本原理 炉温控制系统的主要目的是将炉温控制在允许的范围内,并保证燃烧的合理性,力求达到最佳的燃烧状态。在燃烧过程中,如果空气过剩则会氧化所加热的钢坯;如果天然气过剩则会浪费燃料,污染环境。本环形路炉温控制基本原理为双交叉限幅燃烧控制系统,在升温或降温过程中,空气流量和煤气流量交替的跟踪对方流量值的大小,从而使空燃比始终保持在设定空燃比的允许范围内,是空气流量和煤气流量受到燃料过剩界限和空气过剩界限的限制。从而严格控制了空燃比,以保证在炉温调节过程中,燃料和空气都达到充分燃烧,这样既可节约能源,减少

27、烧损,又可防止环境污染。 在环形加热炉加热钢坯的过程中,空燃比过高,使钢坯表面氧化,热量损失增加;空燃比过低,使燃料不能完全燃烧,造成煤气外流,浪费了燃料并污染了环境。所以为了控制温度,工艺上不但要求燃料量与空气量成一定比例,而且要求在温度发生变化时,燃料与空气的提降量有一定的先后次序,以保证空燃比的合理性及供热区段温度的可控性。本设计采用双交叉限幅控制,即以炉内温度为主环,空、煤气为副环的串级炉温控制回路。 串级控制系统是由其结构上的特征而得名的。它是由主、副两个控制器串接工作的。主控制器的输出作为副控制器的给定值,副控制器的输出去操纵控制阀,以实现对变量的定值控制。在这个设计中,主控制器是

28、温度控制器,副控制器是燃料控制器或者是空气控制器,这要依据提降时的先后顺序而定。炉温控制系统 本环形加热炉炉温控制系统主要由炉温检测和炉温调节两个系统组成。 炉温检测系统:环形炉每段设2支热电偶检测炉膛温度,检测信号通过温度变送器转换进入PLC的AI模块,通过程序判断取其中一个参与炉膛温度调节。每加热段的空气和煤气的流量检测仪表为涡街流量计,差压变送器将4?20mA DC信号送到PLC的AI模块,通过程序计算得出流量瞬时值,并参与炉膛温度调节。 炉温调节系统:环形炉共有6段炉温自动控制,每段两个流量调节阀,分别为空气支管上的流量调节比例阀和煤气支管上的调节比例阀。当加热炉正常生产时,PLC系统

29、接收来自现场的路膛温度值,通过控制程序的PI运算及一系列边界条件的处理输出控制信号,在保证设定空燃比的条件下,控制空气支管及煤气支管上调节比例阀的开度,由此调节该段助燃空气及煤气流量相互限幅而又交替上升或下降,从而调节炉膛各个燃烧段的温度值达到设定温度值。 现场调试时反复调节PD参数,使燃烧过程达到最佳,炉温曲线达到最优,炉温平稳变化不超调,且响应时间最短,由此确定P、I参数值,作为PD调节的最终参数。但由于温度变化比较缓慢,即使空气流量和煤气流量已达合理值,所要控制的温度仍未增加或减小到设定值,这样阀门开度将继续增大或减小,等温度达到设定值时,流量已偏离合理值,这样温度将反复波动甚至震荡,而

30、且在环形炉正常生产过程中,存在其他影响炉温稳定的因素,所以,必须采取一系列措施避免或减弱因此而引起的炉温的大幅震荡。引起炉温波动的因素 通过在现场实际调试,发现引起炉温波动的主要因素有以下3个方面: 煤气压力突然大幅波动,引起炉温剧烈变化。由于煤气由外部管网提供,用户种类复杂且投运的用户数量不稳定,造成煤气压力波动,特别是能源量不足的情况下,因本环形路处于分配管网的低级别,会引起大幅波动,甚至低到煤气总管切断阀联锁值。煤气压力的大幅波动会直接导致煤气流量的大波动,虽然为保证空燃比,空气流量也会跟着调节,但调节速度与波动值往往会不成比例,因此引起炉温剧烈变化,远远偏离设定值。 开出料炉门引起均热

31、段炉温变化。环形炉出料炉门在均热段一侧,故一开炉门会有冷空气进入炉内,炉内热量也会向外散出,所以均热段炉温会受较大影响。尤其当开、闭炉门之间的间隔时间比较久,炉温震荡比较大。 炉膛压力一定要保证微正压范围,如果压力过高,会造成炉子向外喷火,增加热损失,且污染环境;如果压力过低,炉内吸进大量空气,致使炉内温度降低,要保持同样的炉温,煤气需求量增加,同时由于吸进大量空气,是氧化铁皮增加,加大了烧损。炉温控制系统的改进措施 针对上述影响环形炉炉温的各种因素,在控制程序中给出了相应的解决措施: 天然气压力突然下降到报警联锁值,程序会自动关闭天然气切断阀。操作人员接收到信号之后要将调节系统打到手动状态,

32、更要及时联系天然气管网处,若不能在短时间内恢复压力,需要去现场关闭烧嘴,避免事故发生,一定要确定压力恢复正常之后再手动打开切断阀。 PID快速调节:前两个因素都可能导致炉温大幅度下降,当实际温度与设定值偏差大于等于10 ,程序自动启动PID快速调节程序, P、I被赋给较大的参数值,加快了调节速度,因此避免了炉温大幅度变化。当然, P、I参数值是经过反复调试,并且研究炉温曲线使其达到最佳而确定的。 设定死区:为了避免炉温在要求的精度范围内温度设定值±5 PID控制器调节输出继续变化,从而引起炉温的较大波动,为PID调节输出设定±2 的死区,当炉膛温度与设定值之间的偏差在

33、77;2 之间时, PID的输出值不会发生变化,空气调节阀开度保持不变,避免了炉温的超调。 炉膛压力调节系统设置了自动与手动2种控制方式,通过控制烟道闸板的开度来调节炉膛压力。正常情况为自动控制, PLC系统接收现场检测到的炉膛压力信号,通过控制程序的PID运算得出输出信号,调节闸板开度,保证炉膛压力在工艺要求范围内。燃烧控制系统双交叉限幅控制 加热炉生产控制过程中使空气和煤气保持一定的比例,是加热炉达到最佳燃烧的关键所在。当空气流量过小时,空气过剩系数1.0,由于此时燃料不能得到充分燃烧,导致热效率降低,同时造成烟囱冒黑烟,污染环境。相反,如果燃烧空气过多,多余的空气被加热后随着废气一同带走

34、,造成热效率降低,而且造成钢坯表面过氧化。热效率与热损失及空气过剩系数之间的关系如图3.1所示。 图3.1 空气过剩系数与节能燃烧示意图 由此可见,在上述两种情况之间存在一个热损失小和污染小、热效率最高的低氧燃烧区,这种状态使排烟量减少,火焰温度升高,并使高温区热效率提高,这就是最佳燃烧区。一般以煤气为燃料的燃烧系统最佳燃烧区的空气过剩系数在1.02?1.10之间,理想的燃烧过程应该是无论负荷稳定还是急剧变化的情况下都能在最佳燃烧区内进行。 环形加热炉燃烧系统常用的控制方式为双交叉燃料流量控制、炉膛温度串级控制、上下部燃烧区域温度主副控制、燃料温度压力控制等,燃烧控制回路如图3.2所示。 图3

35、.2 燃烧控制回路 我们选择在加热段和均热段采用双交叉限幅燃烧控制。系统构成的基础是炉温与煤气流量和空气流量的并列串级控制系统。其中,温度控制回路是主回路,温度控制器是主控制器,实现系统的粗调,煤气和空气流量回路是平行的副回路,煤气控制器和空气控制器是平行的副控制器,完成精确控制,如图3.3所示。 图3.3 双交叉限幅系统控制图 图中为空燃比,煤气交叉限幅器的输出(G)是煤气流量控制器的设定值,空气交叉限幅器的输出(H)是预热空气控制器的设定值,煤气和空气交叉限幅器由一个高选择器和一个低选择器组成。 当负荷发生变化时,空气流量的变化和煤气流量的变化相互制约,并使空气流量和煤气流量在预先设定好的

36、空燃比范围内变化,以保证调温过程的最佳燃烧状态。它在串级平行控制的基础上,增加交叉限幅控制功能。煤气流量和空气流量与炉温调节构成串级平行控制系统,在空气流量调节回路和煤气流量调节回路各自设有一个高选择器和低选择器及一些运算单元。温度调节器的输出作为煤气流量调节器和空气流量调节器的外给定值。 其控制流程图如下图3.4所示。 图3.4 双交叉限幅控制系统流程图 在煤气流量控制回路中,空气流量测量值与空燃比系数经运算后得到输出值,经负向偏置后与温度调节气的输出一起进入高值选择器,选择高值再与输出值经正向偏置的值一起进入低值选择器,低值作为煤气流量调节器的设定值。而在空气流量控制回路中,煤气流量测量值

37、经正向偏置后与温度调节气的输出一起进入低值选择器,选择低值再与煤气流量测量值经负向偏置后的值一起进入高值选择器,高值作为空气调节器的设定值。 预热空气设定值得选择原则: AMVt×Ra3.1 BminA,Fg×1+K4 3.2 SPaB,Fg×1-K2× 3.3 煤气设定值的选择原则: CMVt×Rf3.4 DC,Fa×1-K3/ 3.5 SPgminD,Fa×1+K1/3.6 其中:MVt为温度控制器的输出值 Ra温度、空气量纲比 Rf温度、煤气量纲比 SPa空气流量设定值 SPg煤气流量设定值 Fg煤气流量修正值 Fa空

38、气流量修正值 K1煤气低选系数 K2空气高选系数 K3煤气高选系数 K4空气低选系数 K1,K2,K3,K4的范围是1.01?1.10 该系统在负荷变化或者煤气热值波动是不会因为空气不足而使燃烧不完全,也不会因为空气过量而出现过氧燃烧现象,此双交叉限幅控制的原理如下: 炉温处于稳定状态时(无任何扰动) 温度调节器的输出与实际检测的煤气流量相等,在空气侧,经低选、高选得到空气调节器的设定值SPa×MVt×Ra,煤气侧,经高选、低选得到煤气调节器设定值SPgMVt×Rf.此时调节系统处于平衡状态,双交叉制约不工作。 炉温低于设定值时(升温调节过程) 温度调节器的调节作

39、用使得其输出增大,而此时实际检测的煤气流量还没有改变,在空气侧,经低选、高选得到空气调节器的设定值: BminA,Fg×1+K4 Fg×1+K4(3.7) SPa Fg×1+K4,Fg×1-K2× Fg×1+K4× (3.8) 在煤气侧经高选、低选得到煤气调节器的设定值: DC,Fa×1-K3/ MVt×Rf(3.9) SPgminMVt×Rf,Fa×1+K1/Fa×1+K1/ (3.10) 从以上两式可看出,空气流量随煤气流量的增加而增加,反之煤气流量又随空气流量的增加而增

40、加,交叉制约开始,温度不断上升,而K4 K1这可以保证在升温时,煤气量随着空气量的增加而增加,即空气先行。空气比煤气多一点,避免在燃烧调整过程中由于煤气过剩而冒黑烟。随着空气煤气流量在相互制约中的不断增加,最终温度调节器的输出又与煤气、空气调节器的设定值相等,此时系统又处于平衡状态,交叉制约结束。 炉温高于设定值时(降温调节过程) 温度调节器的调节作用使得其输出值减小,而此时实际检测的煤气流量还没有改变,在空气侧,经低选、高选得到空气调节器的设定值: BminA,Fg×1+K4 MVt×Ra (3.11) SPaMVt×Ra,Fg×1-K2×F

41、g×1-K2× (3.12) 在煤气侧经高选、低选得到煤气调节器的设定值: DC,Fa×1-K3/ Fa×1-K3/ (3.13) SPgminFa×1-K3/,Fa×1+K1/Fa×1-K3/ (3.14) 从以上两式可以看出,随着煤气流量的减少,空气流量也减少,煤气流量的减少导致空气流量的减少,交叉制约开始,温度不断下降,直至新的平衡建立。而K3K2这可以保证在降温时,空气量随着煤气量的减少而减少,即煤气先行。煤气总比空气少一点,同样可以避免冒黑烟。 有以上分析可见,通过此系统进行燃烧控制,无论负荷怎样变化,实际空燃比都

42、在一个较小的范围内波动(波动范围由K1,K2,K3,K4确定),可防止温度或负荷变化时空气煤气流量的突变,保证温度均衡变化。在增量时先增空气,后增煤气,在减量时先减煤气,后减空气,达到减少能源消耗又不出现过氧燃烧的目的,从而确保了燃烧过程都能在最佳燃烧区内进行,达到节能、完全燃烧、防止污染的目的。 双交叉限幅燃烧控制系统的优点:双交叉限幅燃烧控制方式能有力地限制空气过剩率的实际值,从而保证了空气过剩不至于远远地偏离设定值,保证燃烧系统工作在最佳燃烧区域内,减少了缺氧燃烧和过氧燃烧带来的热损失,最大程度上降低了黑烟及NOx和SOx给环境带来的污染。 双交叉限幅燃烧控制方案采用PID控制原理设计的

43、温度控制器。双交叉限幅燃烧控制系统中燃料流量设定信号和空气流量设定信号总是用对方的实际流量来验证它是否合适,通过相互制约防止负荷变化时出现燃料过剩和空气过度过剩,从而将空气过剩系数的设定值减少至极限值上,实现了对剩余空气系数进行双向限幅功能。这种方案能保证煤气、空气充分燃烧,提高燃烧效率,降低氧化铁皮损耗,有效消除温度偏差、系统稳定的优点,该系统的最大缺点就是系统的响应速度要受燃烧流量控制系统和空气量控制系统响应速度的制约,取决于了两系统中响应较慢的一方的响应速度。空燃比控制 从节省能源和保护环境的要求出发,应以最佳的空气/燃料比控制燃烧。一般采用模糊控制的方法来寻找最优空/燃比值,FOC就是

44、自寻优模糊控制器,这是一个两输入单输出模糊控制器,其输入是炉膛温度的增量T(TTi-Ti-1)和上一周期的寻优步长Ui-1,输出是本次寻优步长Ui(即为本次空/燃比的增量)。实际应用时,停止炉膛温度的模糊控制,以煤气流量为基准,通过修正空/燃比值,改变空气的配入量,然后再采用一个定值PID调节,使空气流量达到所要求的值。这里空气压力稳定,只通过一个普通的PID调节就可以实现( 可由PLC完成)。当Ti-Ti-1NO,PO且寻优步长UiNS,PS时,停止自寻优搜索,转而启动炉膛温度模糊控制。此时的Ui即为最优空/燃比值。燃料流量的控制 燃烧控制系统通过调节燃料的流量达到控制炉膛温度的目的。在操作

45、站设定好燃烧区温度后,控制系统通过运算得出理论燃料流量,作为控制参数与实际流量比较进行燃料流量的回路调节。在燃烧控制中燃料介质一定,因此可通过理论计算出消耗单位燃料而需要的空气量,作为空气流量整定值修正空气流量;同时也可通过检测空气实际流量来修正燃料控制流量,以达到最佳燃烧,即现在燃烧控制中常用的双交叉燃烧控制。 根据环形加热炉中燃烧区域的特点,可采取上下燃烧区域温度主副控制。如设定好上部均热区温度后,其温度设定值不仅参与上部均热区燃料和空气流量的控制,而且作为温度调节系数参与下部均热区燃料和空气流量的控制。上下区域间采用温度主副控制主要是通过热辐射和交换原理降低燃料消耗量,达到节约成本的目的

46、。检测元件的选择温度检测元件 热电偶是温度测量仪表中常用的测温元件,是由两种不同成分的导体两端接合成回路时,当两接合点 热电偶温度不同时,就会在回路内产生热电流。如果热电偶的工作端与参比端存有温差时,显示仪表将会指示出热电偶产生的热电势所对应的温度值。热电偶的热电动热将随着测量端温度升高而增长,它的大小只与热电偶材料和两端的温度有关,与热电极的长度、直径无关。各种热电偶的外形常因需要而极不相同,但是它们的基本结构却大致相同,通常由热电极、绝缘套保护管和接线盒等主要部分组成,通常和显示仪表,记录仪表和电子调节器配套使用。 将两种材质不同的导体或半导体连接成闭合回路就构成了热电偶。热电偶的测温原理

47、是基于热电效应,即只要热电偶两端的温度不同,则在热电偶闭合回路中就产生热电动势,这种现象就称为热电效应。热电偶回路中的热电动势由接触电动势和温差电动势两部分组成。其主要优点是测温范围广,可以在1K至2800的范围内使用,精度高,性能稳定,结构简单,动态性能好,把温度转换为电势信号便于处理和远距离传输。 温度在300?600时可选用镍铬?康铜热电偶(E);但由于考铜合金丝易氧化变质,因此用在测量高于500的蒸汽温度时,宜选用镍铬一镍硅热电偶(K);温度在600至1000时选用镍铬一镍硅热电偶(K);温度在1000至1300时应该选用铂铑?铂热电偶(S)。S型热电偶长期最高使用温度为1300,短期

48、最高使用温度为1600。S型热电偶具有准确度高,稳定性好,测温温区宽,使用寿命长等优点。其物理化学性能良好,在高温下抗氧化性能好,适用于氧化和惰性气氛中,使用广泛。因为钢坯加热温度为1050?1250,加热炉预热段温度在750?1100;加热段温度在1250?1300;均热段温度在1150?1250。所以应该选用铂铑-铂(S型)热电偶。流量检测元件 在工程上,常把单位时间内流过工艺管道某截面的流体数量称为瞬时流量,而把某一段时间内流过工艺管道某截面的流体总量称为累积流量。由于流量检测的复杂性和多样性,流量监测的方法很多,其分类方法也多种多样。若按检测的最终结果分类,可分为体积流量检测法和质量流

49、量检测法。 体积流量检测法:体积流量检测法又可分为容积法(又称直接法)和速度法(又称间接法)两种。 容积法是以单位时间内排出流体的固定体积数来计算流量。基于容积法的流量检测仪表有椭圆齿轮式流量计、腰轮式流量计、螺杆式流量计、刮板式流量计、旋转活塞式流量计等。容积法测量流量受流体状态影响小,适用于测量高粘度流体,测量精度高。 速度法是先测出管道内的平均流速,再乘以管道截面积以求得流量。目前工业上常用的基于速度法的流量检测仪表有节流式(又称差压式)流量计、转子流量计、旋涡式流量计、涡轮式流量计、电磁式流量计、靶式流量计、超声式流量计等。 质量流量检测法:质量流量检测法也可分为间接法和直接法两种。

50、间接法是用测得的体积流量乘以密度求得质量流量。但当流体密度随温度、压力变化时,还需要随时测量流体的温度和压力,并通过计算对其进行补偿。当温度和压力波动频繁时测量参数多、计算工作繁琐、累积误差大、测量精度难以提高。 直接法是用测量仪表直接测量质量流量,具有精度不受流体的温度、压力、密度等变化影响的优点,但目前尚处于研究发展的阶段,现场应用不如测量体积流量那样普及。目前已有的质量流量检测仪表有科里奥利式流量计、量热式流量计、角动量式流量计等。 涡街流量计是典型的速度流量计。实验表明,当管道中的流体遇到横置的、满足一定条件的柱状障碍物时,会产生有规律的周期性漩涡序列,其漩涡系列平行排成两行,如同街道

51、两旁的路灯,俗称“涡街”。由于这一现象首先是由卡曼发现的,故又命名为“卡曼涡街”。 涡街流量计主要用于工业管道介质流体的流量测量,如气体、液体、蒸气等多种介质。其特点是压力损失小,量程范围大,精度高,在测量工况体积流量时几乎不受流体密度、压力、温度、粘度等参数的影响。无可动机械零件,因此可靠性高,维护量小。仪表参数能长期稳定。涡街流量计采用压电应力式传感器,可靠性高,可在-20?+250的工作温度范围内工作。有模拟标准信号,也有数字脉冲信号输出,容易与计算机等数字系统配套使用,是一种比较先进、理想的测量仪器。 综上所述,涡街流量计表现出简单而优良的特性,而且障碍柱体使流体产生的压力损失要远远小

52、于孔板等节流元件所产生的压力损失,所以,本设计选用涡街流量计测量煤气的流量和助燃空气的流量。执行器的选择 执行器是过程控制系统中一个重要的组成部分,一般由执行机构和调节机构(又成为调节阀)两部分组成。它的作用是接受来自调节器输出的的控制信号,并转换成直线位移或角位移来改变调节阀的流通面积,以改变被控参数的流量,控制流入或流出被控过程的物料或能量,从而实现对过程参数的自动控制,使生产过程满足预定要求。执行器安装在现场,直接与工艺介质接触,通常在高温、高压、高粘度、强腐蚀、易结晶、易燃易爆、剧毒等场合下工作,如果选用不当,将直接影响过程控制系统的控制质量,或者使整个控制系统不能可靠工作,甚至造成严重事故。执行机构的选择 对于执行机构最广泛的定义是:一种能提供直线或旋转运动的驱动装置,它利用某种驱动能源并在某种控制信号作用下工作。 因为越来越多的工