过程控制论文.doc

加热炉温度控制系统

08级自动化2班李梦
学号：20081523209摘 要

　 加热炉在工业生产中是非常重要的换热设备，在炉膛内将燃料燃烧释放的热量通过热辐射方式传递给被加热的工艺介质。加热炉控制的主要任务就是保证工艺介质最终温度达到并维持在工艺要求范围内，由于其具有强耦合、大滞后等特性，控制起来非常复杂。同时，近年来能源的节约、回收和合理利用日益受到关注。加热炉是冶金、炼油等生产部门的典型热工设备，能耗很大。因此，在设计加热炉控制系统时，在满足工艺要求的前提下，节能也是一个重要质量指标，要保证加热炉的热效率最高，经济效益最大。另外，为了更好地保护环境，在设计加热炉控制系统时，还要保证燃料充分燃烧，使燃烧产生的有害气体最少，达到减排的目的。
加热炉简介
1、加热炉分类
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。
2、加热炉的结构
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。
3、加热炉工作方式
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。
4、加热炉节能方式
加热炉对钢锭进行加热时的温度高，烟气带走了大量的高温热量，造成白白浪费，热利用率较低，如果使用蜂窝陶瓷蓄热体可以达到余热回收的目的，但一次性投入大，切换机构多，维修成本高；另外在切换过程中也带走了相当多被烧嘴吹出但未燃烧的燃气，造成能源严重流失。而使用换热器则可弥补蜂窝陶瓷这方面的不足，且投资少、无切换机构、免维修。
控制系统的设计思想
串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。
控制系统的设计方案
一、 加热炉控制系统的基本组成
1、炉膛压力自动控制
炉膛压力直接影响钢坯的加热质量、炉温分布、燃料消耗及炉体寿命。一般加热炉控制炉膛为微正压状态，以使炉子既不吸入冷空气，炉气也不外溢。炉膛压力控制是靠控制器升降烟道闸板，即改变烟囱抽力来实现的，系统串入阻尼器以提高其稳定性，又由于炉膛压力数值小，故取压管用较粗的管子，且从取压装直至变送器之间的导压管设置了补偿导管。有些加热炉在烟道中设置两组调节翻版，其中一组有比值设定器，可根据数值来调节比值，保证烟道内气流均匀。
2、热风温度自动控制系统
采用控制放风量的方法以保持热风温度在以最大限制范围内。系统还设有废气温度控制系统，他用热电偶测量废气温度，通过控制器动作冷风阀向烟囱里加入冷风以保证废气温度不高于换热器允许温度，和防止烧坏炉子设备。
3、燃料、空气流量比例自动控制
在加热炉操作中，保证燃烧在最佳空燃比条件下进行是必不可少的，空燃比过高使钢坯表面氧化，损失增加，空燃比过低，燃料不完全燃烧，产生黑烟，浪费燃料和污染环境。燃烧控制有三种方式：一是并列方式。即温度变化时，同时改变燃料和空气流量，这种方式能防止温度变化时产生的黑烟；二是燃料先行方式，这种方式当燃料控制回路出现扰动时，空气能随动修正，防止黑烟的产生，但当温度低时，控制的瞬间燃料增加，空气尚代跟上时，这将产生黑烟；三是空气先行方式。这种方式则刚好相反。目前使用性能最佳的是交叉限制式串级燃烧控制系统。其特点是利用最大、最小值选择器，当炉温低于设定值时，使系统为空气先行方式，而炉温高于设定值则为燃料先行方式，他可有效防止黑烟的产生。
二、 设计方案
1、燃料控制系统流程
以炉内温度为主被控对象，燃料油流量为副被控对象的串级控制系统。该控制系统的副回路由燃料油流量控制回路组成，因此，当扰动来自燃料油上游侧的压力波动时，因扰动进入副回路，所以，能迅速克服该扰动的影响。
由于炉内温度的控制不是单一因素所能实现的，所以，还要对空气的流量进行控制。空气的控制直接影响炉内燃烧的状况，不仅影响炉温，还直接影响了能源的利用率和环境的污染。所以，对空气的控制很有必要，其原理和燃料控制相同

调节规律的确定
在串级控制系统中，主，副调节器起的作用不同。主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择调节器规律的基本出发点。
主被控参数是工艺操作的主要指标，允许波动范围很小，一般要求无静差。又由于温度的控制有明显的滞后性，因此，主调节器应选PID调节规律。
副被控参数的设置是为了克服主要干扰对主参数的影响，因而可以允许在一定范围的变化，并允许有静差。为此，副调节器选择P调节规律。
主、副调节器正、反作用方式的确定
在串级控制系统中，主、副调节器正、反作用方式的选择原则是使整个系统构成负反馈。串级控制系统中，主、副调节器的正反作用的选择方法是：首先根据工艺要求决定调节阀的气开、气关形式，并决定副调节器的正反作用;然后再依据主副过程的正、反形式最终确定主调节器的正、反作用方式
由前文得，从生产工艺安全出发，燃料油调节阀选用气开式，即一旦出现故障或气源断气，调节阀应完全关闭，切断燃料油进入加热炉，确保设备安全为了保证。
调节阀按其工作能源形式可分为气动、电动和液动三类。气动调节阀用压缩空气作为工作能源，主要特点是能在易燃易爆环境中工作，广泛地应用于化工、炼油等生产过程中；电动调节阀用电源工作，其特点是能源取用方便，信号传递迅速，但难以在易燃易爆环境中工作；液动调节阀用液压推动，推力很大，一般生产过程中很少使用。故本设计采用了气动调节阀，且为气开形式。

炼钢过程控制系统从最初的建立投入到目前,经过了近7年的发展,从原来的简单数据收集,到现在的模型大量应用于生产;通过各种系统功,能的不断完善促进了钢厂相关部门管理能力的提,升设备控制精度得到稳步提高,炼钢过程控制系统在迅猛的发展,技术创新,是炼钢过程控制系统发展的推动力。
通过这次设计，我对过程控制系统在工业中的运用有了深入的认识，对过程控制系统设计步骤、思路、有一定的了解与认识。我学到了控制系统的设计方法和步骤，拓展了知识面，了解了工业工程中控制系统起到的重要作用。

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