加热炉出口温度控制Word格式.docx

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2.1被控参数与控制参数的选择4

2.2出口温度控制方案设计5

2.2.1单回路控制系统结构与原理5

2.2.2出口温度单回路控制方案6

2.3仪器仪表的选用7

2.3.1检测仪表的选型7

2.3.2执行器的选型8

2.3.3调节器的选用9

3课程设计总结与心得11

参考文献12

引言

近年来，随着我国经济的快速发展，在基础实施行业的带动下我国炼铁控制也处于高速发展阶段。

我国高炉现有1300多座，大于1000m3以上容积的高炉有150多座，高炉大型化的进程步伐加快，建设了四座4000m3级的高炉，五座3200m3级的高炉。

现在存在的炼铁方法有：

高炉炼铁、冲天炉炼铁、电化铁路炼铁、感应炉炼铁等，但现代大型工业中普遍采用高炉炼铁，因为高炉炼铁技术经济指标良好，工艺简单，生产量大,劳动生产率高,能耗低，高炉炼铁方法生产的铁占世界铁总产量的95％以上。

在炼铁产量不断增长的同时，我国高炉炼铁技术也取得了很大的进步，入炉焦比和炼铁工序能耗不断下降，喷煤比、热风温度和利用系数不断提高，高炉操作技术也日趋成熟，各项技术经济指标得到进一步改善。

高炉在钢铁厂生产中处于十分重要的位置，高炉冶炼过程是一个连续的、大规模的、高温生产过程，高炉炼铁主要有五大系统组成：

送风系统、渣铁处理系统、喷吹系统、煤气系统、上料系统。

送风系统是高炉最重要的部分之一，风是高炉冶炼过程的物质基础之一，同时又是高炉行程的运动因素。

高炉送风系统是由风机、冷风管道、热风炉、热风管道及相关的各种阀门和烟囱、烟道等所组成。

热风炉把加热的热风与冷风管道的风混合，把具有一定温度的热风送给高炉。

1高炉炼铁概述

1.1高炉炼铁的工艺过程

高炉炼铁是现代炼铁的主要方法，钢铁生产中的重要环节。

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，生铁除了少部分用于铸造外，绝大部分是作为炼钢原料，副产品是炉渣、高炉煤气和炉尘灰。

炼铁工艺是是将含铁原料（烧结矿、球团矿或铁矿）、燃料（焦炭、煤粉等）及其它辅助原料（石灰石、白云石、锰矿等）按一定比例自高炉炉顶装入高炉，并由热风炉在高炉下部沿炉周的风口向高炉内鼓入热风助焦炭燃烧（有的高炉也喷吹煤粉、重油、天然气等辅助燃料），在高温下焦炭中的碳同鼓入空气中的氧燃烧生成的一氧化碳和氢气。

其化学反应方程式为:

C+O2=CO2CO2+C=2CO原料、燃料随着炉内熔炼等过程的进行而下降，在炉料下降和上升的煤气相遇，先后发生传热、还原、熔化、脱炭作用而生成生铁，铁矿石原料中的杂质与加入炉内的熔剂相结合而成渣，炉底铁水间断地放出装入铁水罐，送往炼钢厂。

同时产生高炉煤气，炉渣两种副产品，高炉渣铁主要矿石中不还原的杂质和石灰石等熔剂结合生成，自渣口排出后，经水淬处理后全部作为水泥生产原料，产生的煤气从炉顶导出，经除尘后，作为热风炉、加热炉、焦炉、锅炉等的燃料。

高炉炼铁生产工艺如图1.1所示。

图1.1高炉炼铁生产工艺

1.2高炉炼铁的主要组成部分

高炉炼铁工艺主要可以分为五大控制系统，一、送风系统：

风是高炉冶炼过程的物质基础之一，同时又是高炉行程的运动因素，高炉送风系统是由风机、冷风管道、热风炉、热风管道及相关的各种阀门和烟囱、烟道等所组成。

二、渣铁处理系统：

渣铁处理系统的任务是将高炉中生成的液态渣铁及时排出炉外，其主要设备有开口机、泥炮、堵渣机、悬臂吊、行车、冲渣系统。

三、喷吹系统：

高炉喷吹燃料是强化冶炼和降低焦比的有效措施，喷吹的燃料主要有煤粉、重油、天然气等，喷煤工艺由制粉和喷吹二部分组成。

四、煤气系统：

高炉煤气系统在冶金联合企业中，高炉煤气在燃料平衡中占有重要地位，但高炉煤气含尘量高，必须经除尘处理后才可以使用。

高炉煤气系统的流程是：

炉顶荒煤气→重力除尘器→一级文氏管→二级文氏管→调压阀组→煤气总管。

五、上料系统：

上料系统是高炉原燃料的供给系统，包括槽上、槽下、上料皮带、炉顶装料设备等组成。

高炉一经开炉就必须连续地进行生产。

1.3热风炉的工作原理

传统热风炉的基本结构有：

炉衬、燃烧室、蓄热室、炉壳、炉篦子、支柱、管道及阀门等组成。

其中燃烧室和蓄热室砌在同一炉壳内，之间用隔墙隔开。

热风炉的工作原理是：

煤气和空气由管道经阀门送入燃烧器并在燃烧室内燃烧，燃烧的热烟气向上运动经过拱顶时改变方向，再向下穿过蓄热室，然后进入大烟道经烟囱排入大气。

在热烟气穿过蓄热室时，将蓄热室内的格子砖加热。

格子砖被加热并蓄存一定热量后，热风炉停止燃烧，转入送风。

送风时冷风从下部冷风管道经冷风阀进入蓄热室，空气通过格子砖时被加热，经拱顶进入燃烧室，再经热风出口、热风阀、热风总管送至高炉。

热风炉本体设备上的阀门可以分为两类，一类是控制燃烧系统的阀门，其作用是调节煤气和助燃空气的流量、调节燃烧温度、送风时隔离。

第二类是控制鼓风系统的阀门，其作用是将冷风送入热风炉，热风送到高炉、调节热风温度。

2热风炉出口温度过程控制设计

2.1被控参数与控制参数的选择

（一）被控参数的选择

根据工艺要求选择被控参数，是控制系统设计中的重要内容。

被控参数的选择对于稳定生产、提高产品的产量和质量、节约能源、改善劳动条件、保护环境等具有决定性意义。

归纳起来，所选被控参数应具有以下特征：

①选择对产品的产量和质量、安全生产、经济运行和换进保护具有决定性作用的、可直接测量的工艺参数为被控参数；

②当不能用直接参数作为被控参数时，应选择一个与直接参数有单值函数关系的间接参数作为被控参数；

③被控参数必须具有足够高的灵敏度；

④被控参数的选择，还必须考虑工艺过程的合理性和国内外仪表生产的现状。

热风炉为高炉送入一定温度的空气，是高炉炼铁正常运行的重要因素，热风的温度直接影响到高炉炼铁的质量和产量，热风炉出口温度控制系统中的直接参数是出口的温度，而且温度这一参数具有足够高的灵敏度，就现在国内外仪表的发展来看，各国测量温度的技术已经相当成熟。

综上所述，热风炉出口的温度可以作为这个控制系统的被控参数。

（二）控制参数的选择

一个具体的工业过程往往存在多个输入变量，当选择其中的一个作为控制变量后，其他的输入变量便是扰动变量，显然，控制变量是用来克服扰动变量对被控参数影响的，所以控制参数必须是可控的。

其实，正确选择控制参数，就是正确选择控制通道的问题，一般希望控制通道克服扰动的校正能力要强，动态响应速度要比扰动通道快。

其次，在选择控制参数时还需考虑到工艺的合理性、经济性。

热风炉系统中影响的出口温度的主要输入变量有热风的温度、冷风的流量、冷风的温度等，其中热风的温度有热风炉加热得到，不易控制。

冷风的温度一般是周围环境的温度，随季节变化较大，而且控制起来投入很大，增加炼铁的成本，一般企业不会采纳这种控制。

冷风的流量可以通过阀门开度的大小来调节，便于控制且动态响应速度快，经济性好。

2.2出口温度控制方案设计

2.2.1单回路控制系统结构与原理

单回路控制系统是只对一个被控参数进行控制的单闭环负反馈控制系统，又称简单控制系统。

单回路控制系统是最基本的控制系统，其有四个基本环节组成，即被控对象（被控过程）、测量变送装置、调节器和调节阀，有时便于分析问题，往往把调节器、对象和测量变送装置和在一起，称为广义对象。

其结构框图如图2.1所示。

2.2.2出口温度单回路控制方案

通过以上分析，热风炉出口温度单回路控制系统中，以出口温度为被调参数，以冷风管道的冷风流量为控制参数。

通过温度传感器将热风炉送出热风的温度检测出来，并通过变送器将测出的温度信号转换为电信号送给调节器，与给定的参数比较运算。

通过调节器的正反作用选择，使控制作用对出口温度的影响正好与干扰作用对出口温度的影响相反。

调节器将调节信号送给调节阀，这样，当干扰作用使出口温度偏离给定值发生变化时，控制作用就可以由调节器通过调节阀的开度变化来抑制干扰的作用，把已经变化的被控参数拉回到给定值。

整个热风炉出口温度单回路控制系统是一个反馈控制系统，将出口温度的测量值与给定值的偏差作为单一的反馈信号，反馈电信号送给调节器运算，从而达到减小甚至消除偏差的的目的。

其中，反馈控制系统在温度出现偏差后，可以及时发出相应的调节信号指导调节阀工作，无需考虑热风炉系统本身多种干扰作用的类型，而且单回路反馈控制系统中调节器并不需要专业的调节器，只要调节器的调节规律和正反作用选择得当即可，经济性好。

根据上面的单回路设计方案，热风炉出口温度控制系统的流程如图2.2所示。

2.3仪器仪表的选用

2.3.1检测仪表的选型

热风炉出口温度控制系统主要的检测元件是温度传感器，目前，温度测量方法有接触式测温和非接触式测温两大类，由热风炉的工艺过程可知，测量热风的温度可采用接触式测温。

现在普遍的测温传感器有热电阻式和热电偶式，热电阻式温度传感器是利用导体或半导体材料的电阻率随温度变化的特性制成的，它的测温范围主要在中、低温区域（﹣200℃～650℃）。

而热电偶式温度传感器是一种将温度变化转换为电势变化的传感器，其测量范围在1K至2800℃之间。

由生产工艺可知，热风炉出口热风温度在1300℃左右，显然测量这么高的温度只能用热电偶传感器。

其中热电偶传感器又有S、B、K、E等类型，此设计方案使用S型热电偶，又称铂铑-铂热电偶，它的长期最高使用温度为1300℃，短期最高使用温度为1600℃，S型热电偶具有准确性高，稳定性好，测温温区宽，使用寿命长等优点。

就整个测量变送环节而言，仅仅有一个温度传感器是不够的，还需要一个变送器，变送器的作用是将各种工艺参数（如温度、流量、液位）转换成相应的统一标准信号。

温度变送器与各种热电偶或热电阻配合使用，将温度信号转换成统一的标准信号，作为指示、记录仪和控制器等的输入信号，以实现对温度参数的显示、记录或自动控制。

根据上面选择的S型热电偶传感器，这里应该选择一个热电偶温度变送器。

2.3.2执行器的选型

执行器是由执行机构和调节机构组成，执行机构系指产生推力或位移的装置，调节机构系指改变能量或物料输送量的装置，通常称为控制阀。

执行器按其使用的能原可以分为气动、电动和液动三大类，使用最多的是气动和电动。

其中电动执行机构有角行程和直行程两种，它将输入的直流电流信号线性地转换成位移量。

气动执行机构有活塞式和薄膜式，它接受电/气转换器输出的气压信号，并将其转换成相应的输出力和推杆直线位移，以推动调节机构动作。

执行器是自动控制系统的终端控制元件之一，其选型的正确与否对系统的工作好坏关系很大。

执行器选择中一般应考虑以下几个方面：

①根据工艺条件，选择合适的执行器结构形式和材质；

②根据工艺对象的特点，选择合适的流量特性；

③根据工艺变量，计算出流量系数，选择合理的阀门口径；

④根据工艺过程要求，选择合适的辅助装置。

本热风炉出口温度控制系统选用的执行器是用来控制冷风管道中的空气流量，在实际生产过程中多选用气动执行器来控制，所以这个设计方案也选用气动执行器，气动执行器的作用方式有气开式和气闭式两种，有压力信号时阀关，无压力信号时阀开为气关式执行器，反之为气开式。

高炉炼铁是一个连续的生产过程，高炉一经开炉就必须连续地进行生产。

当冷风管道的执行器选用气闭式时，如果热风炉冷风管道出现故障，则这个阀门将完全打开，大量的冷风就会进入高炉，使进入高炉热风的温度急剧下降，影响生产过程的进行，甚至导致高炉无法正常工作，这是生产工艺不准许。

所以此处的执行器应选用气开式，当有信号输入时，调节阀打开一定的开度；

当控制系统出现故障时，阀门关闭冷风无法进入管道，系统自动换用另一台加热炉进行送风，确保生产过程顺利安全进行。

调节阀的口径大小决定着控制介质流过它的能力，它直接影响工艺生产的正常进行、控制质量以及生产的经济效益。

一般情况下，调节阀口径的选择应留有一定的余地，以适应增加生产的需要。

加热炉冷风管道的调节阀也是一样，应将它的开度设定在15%～85%之间。

因为调节器输出的是电信号，而上面选用的调节器是气动的，其不能直接接受电信号，所以在调节器和调节阀之间需设置一个电/气转换器.电/气转换器的作用是将电动仪表输出的4～20mA直流电信号转换成可被气动仪表接受的20～100kPa标准气压信号。

2.3.3调节器的选用

（一）控制规律的选择

调节器的控制规律也称调节规律，是指调节器的输出信号u与输入信号e之间随时间变化的规律。

其基本控制规律有位式、比例（P）、积分（I）、微分（D）及其组合。

单回路控制系统由广义对象和调节器两部分组成，广义对象特性不太可能太多地改变，因此系统中相对有较大调整和选择余地的环节就是调节器。

根据被控过程特性与生产工艺要求，了解控制规律对控制质量的影响，是过程控制方案设计的重要内容。

根据热风炉的生产工艺，位式调节规律不符合出口温度控制系统的要求。

而在工程实践中，应用最为广泛的调节器控制规律是比例、积分和微分控制规律，简称PID。

其中比例积分调节器既有比例调节器响应及时的优点，又能消除静差，所以为了使控制参数稳定，调节器必须具有积分作用。

又因为热风炉出口温度控制系统的控制对象是流量，其通道容量滞后不大，纯滞后也不太大，所以此调节器可以选用PI调节规律。

理想PI的动作规律如式（2.1）所示。

……………………………………（2.1）

理想PI的传递函数如式（2.2）所示。

…………………………………………（2.2）

（二）调节器正、反作用的确定

调节器有正、反两种作用方式。

任何一个控制系统在投运之前，必须正确选择调节器的正反作用，使控制作用的方向合适，否则，在闭合回路中进行的将不是负反馈而是正反馈，它将不断增大偏差，最终必将把被控参数引导到受其他条件约束的高端或低端极限值上。

调节器正反作用的选择同被控过程的特性及调节阀的气开、气闭形式有关。

单回路控制系统要能正常工作，则组成该系统的各个环节（包括变送器、调节器、调节阀及被控过程）的极性（可用其静态放大系数表示）相乘必须为正。

在热风炉出口温度控制系统中，被控对象是出口热风的温度，当冷风管道阀门开度增加时，即冷风输入量增加时，出口热风的温度降低；

反之，阀门开度减小，出口热风温度提高，所以此系统被控过程的静态放大系数Ko为“—”。

由于执行器选用的是气开式，故其静态放大系数Kv为“+”。

温度变送器的静态放大系数Km通常为“+”。

为了使组成系统的各个环节的静态放大系数相乘为“+”，调节器的静态放大系数Kp应该为“—”，故调节器应采用正作用方式。

其分析过程如图2.3所示。

3课程设计总结与心得

本次过程控制课程设计主要依据大三下学期进行的生产实习，以生产实习的单位及生产工艺过程为背景，选择自己感兴趣且比较熟悉的课题，在学习了《过程控制》这本书的基础上，设计一个合理的控制系统。

在上海宝钢实习的过程中，好几位工程师多次都提到了高炉炼铁工艺，并都进行了详细的讲解。

所以本次课程设计我选的题目是：

高炉热风炉出口温度控制。

在李忠虎老师的指导下，本次课程设计使我受益匪浅。

首先是在设计目录这方面，李老师对我们要求很严，多次指导我们要写好论文的目录。

之前，我写论文的时候，目录都随便写一下，所以中途写起来相当的费劲。

通过这次课程设计，我认识到目录是整个论文的提纲，不仅有利于论文内容的开展，而且有利于我们对整体文章的把握，理清文章的思路。

其次是论文的格式，我们参照李老师发给的论文格式来修改自己的论文，使论文规范通一，大体上掌握了大学论文格式的写作模式。

这次过程控制课程设计我用的是单回路控制系统来控制热风炉出口温度，在设计控制系统的过程中，我不断加强对单回路控制系统的学习，单回路控制系统是最基础的控制系统，它的分析设计方法是其他各类复杂控制系统分析设计的基础。

它是最简单的控制系统，其由变送器、调节器、控制阀和被控对象四个基本环节组成。

在设计这个系统的过程中，我逐渐学会并总结出了设计一个系统的方法，首先要确定系统的被控参数和控制参数，明白系统要检测哪些参数，调节阀要控制哪个参数，这两个参数之间的逻辑关系，根据这些参数选定控制方案。

其次是在确定控制方案之后，最重要的是仪器仪表选型，在这个环节中我们要熟悉仪器仪表的用途和特点，当然我们在选用的时候，更要了解生产工艺和控制方案的要求。

在这其中有几个重要的选型过程，一个是调节阀的气开气闭形式选择，一个是调节器的调节规律选择，还有一个是调节器的正反作用确定。

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