加热炉温度控制系统设计与仿真研究.docx

内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书毕业论文题目：加热炉温度掌握系统设计与仿真争论学生姓名：潘学号：专业：测控技术与仪器班级：测控 04-2 班指导教师：闫内蒙古科技大学毕业设计说明书毕业论文加热炉温度掌握系统设计与仿真争论摘 要在钢铁企业中，为了将钢坯加热到轧制所规定的工艺要求，必定地要求对加热炉内的温度进展有效的掌握，使之保持在某一特定的范围内。而温度的维持又要求燃料在炉内稳定地燃烧。加热炉燃烧过程是受随机因素干扰的，具有大惯性、纯滞后的非线性过程。本设计针对加热炉燃烧掌握系统，主要介绍的掌握方案有单回路掌握系统、串级比值掌握系统、单穿插限幅掌握系统、双穿插限幅掌握系统，并对每一种掌握方案进展了理论分析。运用 MATLAB 软件对温度掌握系统进展了较为全面的仿真和性能分析。通过分析比较可以得出结论，双穿插限幅对加热炉温度的掌握优于其它的掌握方案。双穿插限幅的炉温掌握系统使煤气流量和空气流量相互限制，既防止了燃烧中冒黑烟，也防止了空气过剩，到达掌握加热炉温度，提高煤气燃烧率，避开环境污染等目的。关键词：加热炉；单穿插限幅掌握；双穿插限幅掌握； MATLAB仿真IITemperature Control of Heating Furnace System Design and Simulink StudyAbstractIn the enterprises where producing iron and steel, in order to heat up billet to the technological requirements of rolling, the temperature inside the furnace must be controlled effectively so that it remains in a specific range. Maintaining the temperature needs the stable burning of fuel inside the furnace. Furnace combustion process is a non-linear process which is subject to the random interference, great inertia and the pure time delay.The design for the furnace combustion control system is mainly on the control of a single-loop control programme, the ratio of cascade control system, control system limiting unilateral, bilateral limiting control system, and analyses each of the control programme on theory. Using MATLAB software makes a more comprehensive simulation and performance analysis on the temperature control system. Through analysis and comparison we can conclude that bilateral limiting control system is superior to others in the furnace temperature control.The temperature control system of bilateral limiting control system makes gas flow and air flow restrict on each other, which not only prevent the burning of black smoke, but also prevent the excess air, to reach the purposes of controlling the furnace temperature, enhancing the rate of combustion gas and avoiding pollution and others.Key words: furnace; single-limiting control; bilateral-limiting control; MATLAB Simulation内蒙古科技大学毕业设计说明书毕业论文目 录IV摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 概述11.2 国内现状21.3 本设计的争论内容2其次章 加热炉工艺简介32.1 加热炉的组成32.2 加热炉的温度加热方式32.3 加热炉工艺流程32.4 加热炉温度掌握要求52.4.1 燃烧系统62.4.2 炉膛负压72.5 空燃比8第三章 加热炉的温度掌握系统103.1 单闭环掌握系统113.2 炉膛负压掌握系统123.3 串级比值燃烧掌握系统133.4 单穿插限幅燃烧掌握系统153.4.1 单穿插限幅燃烧掌握系统工作原理153.4.2 单穿插限幅燃烧掌握系统特点173.5 双穿插限幅燃烧掌握系统173.5.1 双穿插限幅燃烧掌握原理图173.5.2 双穿插限幅燃烧掌握系统的工作原理183.5.3 双穿插限幅燃烧掌握特点20第四章 加热炉温度掌握系统仿真234.1 对象模型的建立234.2 系统各装置数学模型的建立244.3 仿真软件简介264.4 加热炉炉温掌握系统仿真结果分析274.4.1 炉温单回路掌握仿真274.4.2 燃料空气串级比值掌握仿真314.4.3 单穿插限幅掌握仿真344.4.4 双穿插限幅掌握仿真364.5 总结38第五章 系统的检测变送装置及正反作用395.1 检测变送395.1.1 差压式流量计395.1.2 热电偶395.2 系统仪表正反作用确实定40参考文献41致 谢42内蒙古科技大学毕业设计说明书毕业论文第一章 绪论1.1 概述加热炉是热轧生产过程的重要热工设备，其能耗占到钢铁工业总能耗的 25%。它的主要作用是提高钢坯的塑性，降低变形抗力，以满足轧制工艺的要求。其温度掌握性能直接影响到加热炉的能耗和最终钢材产品质量、钢坯成材率、轧制设备寿命以及整个轧线的有效作业率。钢坯在轧前进展加热，是钢坯在热加工过程中一个必需的环节。对轧钢加热炉而言，加热的主要目的就是提高钢坯的塑性，降低变形抗力。钢坯加热应满足以下要求：（1） 加热温度应严格掌握在规定的温度范围，防止产生加热缺陷。钢坯加热应当保证在轧制全部过程都具有足够的可塑性，满足生产要求，但并非说钢坯加热温度越高越好，而应有肯定的限度，过高的加热温度可能产生废品和铺张能源。（2） 加热制度必需满足不同钢种、不同断面、不同外形的钢坯在具体条件下合理加热。（3） 钢坯加热温度应在长度、宽度和断面上均匀全都。钢坯加热温度是指钢坯在加热炉内加热完毕出炉时的外表温度。确定钢坯加热温度不仅要依据钢种的性质而且还要考虑到加工的要求，以获得最正确的塑性， 最小的变形抗力，从而有利于提高轧制的产量、质量、降低能耗和设备磨损。锻造加热炉必需保证 1250以上的炉温。这种炉在以发热量低于 1300 千焦米 3 的煤气或发热量低于 5000 千焦千克的煤为燃料时，将难于甚至不能到达需要炉温，这时可对煤气和空气进展预热。例如：煤气发热量为1200 千焦米 3， 仅能到达约 1200的炉温,而将空气预热到 400时，则可到达约 1320的炉温。加热炉的离炉烟气带走的热量约占供入炉内热量的 5060。利用这局部热量预热空气和煤气是节约燃料的有效方法。燃料节约百分数与离炉烟气温度成正 比，离炉烟气温度越高，则燃料节约百分数越大。例如：燃烧发生炉煤气的炉子， 同样将空气预热到 500，连续式加热炉的离炉烟气温度为 1200，燃料节约达30；连续式加热炉的离炉烟气温度为 900，燃料节约则为 23。11.2 国内现状我国从 80 年月初开头进入加热炉计算机掌握系统争论阶段。就国内来说，我国钢铁企业现有轧钢炉窖近千座，其中加热炉 700 多座。目前，国内大多数加热炉的计算机掌握水平很低，虽然引进了一些先进的掌握系统和设备，但绝大局部加热炉计算机掌握系统仍旧处在计算机过程掌握的水平上，甚至还有少数加热炉由人工操作，其加热质量和能耗与国外同行相比相距甚远。在理论争论方面，近年来，国内对加热炉数学模型的争论越来越活泼起来，我国的科学工作者进展了大量的卓有成效的争论工作，取得了一些争论成果。有很多学者，对钢坯升温的数学模型进展了争论，还有学者将燃料消耗与钢温联系起来，构成燃料消耗最低的真实目标函数，从而可以运用最优升温曲线。1.3 本设计的争论内容本设计源于三段式推钢侧出加热炉，燃料承受高炉焦炉混合煤气。在参照相关理论的根底之上，设计了该加热炉掌握系统，包括加热炉内的加热炉串级比值掌握、单穿插限幅、双穿插限幅燃烧掌握，很好地抑制了处于副环煤气热值和压力的波动、生产率的转变及炉内参数的变化等的干扰因素对加热炉运行的影响；提高了炉温掌握的快速性，实现了加热炉燃烧过程的掌握。本人在阅读了大量的文献资料的根底上，对加热炉相关工艺进展了深入的了解，分析了加热炉掌握系统的难点。在现有几种燃烧掌握方法的根底上，提出了双边限幅掌握，使系统性能得到了极大的改善。运用 MATLAB 软件对温度掌握系统进展了较为全面的仿真和性能分析。其次章 加热炉工艺简介2.1 加热炉的组成加热炉由以下几个根本局部构成：炉膛与炉衬、装出料设备、燃料系统、供风系统、排烟系统、冷却系统、电子计算机掌握系统、余热利用装置、检测及调整装置等。2.2 加热炉的温度加热方式加热炉的温度加热方式大体分为：一段式加热方式、两段式加热方式、三段式及多段式加热方式。三段式加热方式是比较完善的加热制度，它是把钢坯放在三个温度条件不同的区域内加热，依次是：预热段、加热段、均热段。钢坯首先在低温区域进展预热，这时加热速度比较慢，温度应力小，不会造成危急。当钢坯温度超过 500 600以后，进入塑性范围，这时就可以快速加热，直到外表温度快速上升到出炉所要求的温度。加热期完毕时，钢坯断面上还有较大的温差，需要进入均热期进展均热，此时钢坯外表温度不再上升，而使中心温度渐渐上升，缩小断面上的温度差。2.3 加热炉工艺流程加热炉的作用是将钢坯加热到轧制工艺要求的温度1，在此温度下进展轧制既能保证燃料的合理利用又能使轧制力在正常范围内。以下图为加热炉构造简图：内蒙古科技大学毕业设计说明书毕业论文图 2.1 加热炉构造简图加热炉为三段式加热炉，沿炉长方向分为预热段、II 加热段、I 加热段和均热段，如上图所示。预热段主要是依靠炉内尾气余热来预热装炉钢坯，从而提高燃料的利用率。为了把钢坯加热到目标温度，加热炉以高炉焦炉混合煤气为燃料， 分成五个掌握区域对加热炉的燃烧过程和炉温进展掌握，即 II 加热段上区，并将 I 加热段和均热段各分成上、下两个区域，每个区域单独掌握，分别设置有热电偶温度传感器，空气流量掌握器、煤气流量掌握器，对每段的炉温以及燃烧状况进展实时监控，各掌握器的设定值可用手动方式，亦可依据不同规格、材质的钢坯自动设定，预热段内由于没有设置烧嘴而不参与掌握。三段式加热炉的供热点一般设在均热段端部和侧部，加热段上方和下方的端部和侧部。两面加热可消退坯料沿厚度方向的温度差，这对提高产品质量是有利的。为了使加热均匀，每一个段上的燃烧嘴越密集越好。加热炉难以用严格的数学表达式描述它的特性，是具有大惯性、大滞后和严峻非线性等特性的对象。其构造简单，受很多干扰因素的影响，燃料的发热值及残氧又很难在线准确测量，因此一般线性调整器不能满足对象及工艺掌握的要求。在加热炉工作时，钢坯被整齐排列在加热炉内，并在推钢机的推动下不断地从炉尾推入炉膛，首先进入预热段，预热段主要是依靠加热段和均热段排出的高温烟气来缓慢加热装炉钢坯，从而提高燃料的利用率。这样钢坯开头升温不大， 温度应力小，不会造成裂纹和断裂；钢坯运行到加热二段时，钢坯的中心温度已4内蒙古科技大学毕业设计说明书毕业论文超过 500，进入塑性范围，此时快速加热钢坯使钢坯外表温度快速上升到出炉温度；在均热段钢坯外表温度不再上升，断面温差逐步减小。这样，钢坯经过预热、加热、均热三个过程，就被加热成温度适宜、温差较小、可供轧制的热坯。此时钢坯被出钢机构推上滚道，由滚道传送给轧机进展轧制，如图2.1所示。依据加热工艺要求，一般每块钢坯在炉内大约停留 2 小时，但具体钢种以及生产要求不同，该时间有差异。加热炉排烟方式为向上排烟，在炉内燃烧生成的烟气由炉尾总排烟管经地上烟道通到厂外烟囱，再排入大气中。为了提高热利用率，在烟道内安装有带保护管组的金属管状换热器，用来回收局部高温烟气所带走的热量，冷空气通过该处预热再分别进入各加热区域，其间空气的预热温度大约为 450。在烟道装有一套转动阀门，用来对炉膛压力进展自动调整和掌握。同时还要对加热炉上方的汽包水位进展掌握，以保证支撑钢坯的炉筋管中的水流量，防止烧坏炉筋管。为了将钢坯加热到轧制所规定的工艺要求，必定地要求对加热炉内的温度进展有效的掌握使之保持在某一特定的范围内，出钢温度过高既不必要且又导致钢坯过多烧损和能源铺张，甚至造成粘钢的严峻事故。过低则会使轧机轧制困难而影响到最终产品质量和轧机的使用寿命(或维护周期)，而温度的维持又要求燃料在炉内稳定地燃烧。另外，不同种类的钢坯对炉内的气氛有不同的要求(这里气氛主要是指氧化气氛和复原气氛，具体要求视加热工艺要求而定)，假设氧化气氛过重， 会使被加热金属外表生成较厚的氧化皮，不仅铺张材料而且给除鳞带来困难，严峻的还会影响产品外表质量。假设复原气氛过重，不仅白白铺张大量燃料，同时还污染了空气。2.4 加热炉温度掌握要求燃料的种类很多，分类方法也不尽一样。一般按存在状态来分，有固体燃料、液体燃料和气体燃料三种。随着我国冶金工业设备的日趋完善，技术的渐渐提高 和石油工业的全面进展，目前国内大、中型冶金企业的轧钢加热炉已极少使用固 体燃料，绝大局部轧钢厂是使用气体或液体燃料。加热炉常用的气体燃料有自然气、高炉煤气、焦炉煤气、发生炉煤气等。常用的液体燃料主要是重油。5本设计所用加热炉燃料为高炉与焦炉煤气的混合煤气。高炉煤气是高炉炼铁的副产品，它主要由可燃成分 CO、H2、CH4 和不行燃成分 N2、CO2 组成。由于含有大量不行燃成分，约占气体体积的 60%70%,所以发热量比较低，通常只有33504200KJ/M3。高炉煤气由于发热量较低，燃烧温度也低，约1470 ，在加热炉上单独使用困难，往往是与焦炉煤气混合使用。焦炉煤气是炼焦生产的副产品，它的燃料成份组成是：H2 含量一般超过 50%，CH4 含量一般超过 25%，其余是少量的 CO、N2、CO2、H2S 等。由于焦炉煤气的主要可燃成分是高发热量的H2 和 CH4，所以焦炉煤气的发热量较高，为 1600018800 KJ/M3。假设高炉煤气与焦炉煤气的发热量分别为 Q与 Q高混合煤气，可以用下式计算:，要配成发热量为 Q的焦混设焦炉煤气在混合煤气中的体积分数为 x,则高炉煤气的体积分数为1-x，那么Q= xQ混焦+1 - xQ高2.1整理上式得：x =QQ混-高QQ焦-高2.2承受高炉、焦炉混合煤气不仅合理利用了燃料，而且改善了火焰的性能，它既抑制了焦炉煤气火焰上飘的缺点，同时也可以利用焦炉煤气中碳氢化合物分解产生的碳粒，在燃烧时可以增加火焰的辐射力量。2.4.1 燃烧系统燃烧系统的曲线描述图如下12：内蒙古科技大学毕业设计说明书毕业论文图 2.2 燃烧系统的曲线描述上图表示了空气过剩率与燃烧效率及污染之间的关系，可以看出，燃烧系统的质量跟空气过剩率有很大的关系。同时，空气过剩率还可以用空气和燃气的配比，即空燃比来描述。理论空燃比 A0 为单位体积或质量的燃料完全燃烧所需的空气量，为一个常数。实际空燃比 A=实际空气量/煤气量，设为剩余空气系数 , =实际空气量/理论空气量，A /= A0,则实际空燃比与空气剩余系数成正比。从上图可看出当1 和 11.02 分别为空气缺乏燃烧区域和超低空气过剩燃烧区域，在这两个燃烧区中，会有不完全燃烧现象，这样的热损失就比较大，而且从环境污染角度看，由于不完全燃烧，将会产生大量的黑烟，污染大气。但是假设处于高过剩空气燃烧区，即当1.10 时，由于过多的过剩空气，不但使出钢时钢坯外表的氧化铁皮增多，影响钢加热质量，而且使烟气中带走了大量的热量， 使燃烧系统热效率过低，同时会使氮硫氧化物增加，对环保不利。因此，在实际燃烧系统中，空气过剩率设定在过剩空气燃烧区1.021.1 是最正确的燃烧方案。2.4.2 炉膛负压炉膛压力对出钢质量有很大影响，只有炉膛压力适当，才能保证燃烧的效果当均热段的炉膛压力过高时，炉膛内的热气从炉膛口往外喷，会造成很大一局部热7内蒙古科技大学毕业设计说明书毕业论文损失。均热段的炉膛压力也不能过低，尤其是当消灭负炉压时，冷空气通过炉门、炉衬裂缝以及其它开口进入炉内，这些漏入的冷空气不仅会降低炉膛温度，而且 由于其必需被加热到炉温后才能排解，这样造成了燃烧系统的额外负担并铺张大 量燃料，且给炉膛温度掌握系统带来很大的麻烦，是确定不允许的。可见，这两 种状况对炉内热工过程均不利。从工艺设计上，烟道口的排烟阀功能是用来调整 炉膛压力的，因此，我们要求，在正常生产时，烟道阀门的开度大小适当。而在 炉内压力发生波动时，依据炉膛压力检测结果，转变炉压调整器的输出，即通过 烟道阀门开度的大小，转变排烟量来获得稳定的炉膛压力，从而使炉膛压力稳定 在设定值上，以维持炉内微正压。对于炉膛压力，送风总管压力以及汽包水位的掌握，由于被控对象单一，所以承受单回路 PID 掌握就能到达较好的效果。2.5 空燃比燃烧过程是燃料的氧化过程，当燃料燃烧时，燃烧产物连同其他可能存在的蒸汽都被提高到火焰温度，火焰温度的凹凸取决于燃料是否完全燃烧，是否发出最大的热效率，故需要空气过量。同时，从安全角度考虑，空气缺乏也会使燃料在炉子中聚拢起来，而一点燃就可能发生爆炸，因此，燃烧过程一般都是在空气过量的状况下进展的。为了使燃料充分燃烧，必需供给足够的空气，即保证肯定的剩余空气系数或空燃比 r6。它们的定义分别为：10m = 实际空气量=a2.3F理论空气量 A F0fFa Fa maxFfFf maxr =2.4可知空燃比 r 与剩余空气系数的关系为：Fa Fa maxFfFf maxr =FA F´a0f max= mb2.5A FF0fa maxA 为单位体积或质量的燃料完全燃烧所需要的理论空气量0F 和 Faa max分别为空气流量的测量值和最大值F和 F分别为燃料流量的测量值和最大值ff m ax为理论空气修正系数第三章 加热炉的温度掌握系统加热炉的温度掌握一共分为五局部，每一局部单独设置一个串级系统来实现炉膛温度的自动掌握。在系统中，炉温掌握器为主掌握器，它的输出作为副掌握器即燃烧掌握器的设定值，通过燃烧掌握器去打算煤气阀门和空气阀门的开度。而煤气压力波动等变化猛烈的扰动包含在副回路当中，利用副回路的优良动态性能来抑制这些扰动对炉膛温度的影响。在稳定状态下，炉温掌握器和燃烧掌握器的输出都处于相对稳定值，煤气、空气阀门的开度也保持不变。当稳定状态被破坏时，炉温掌握和燃烧掌握的串级掌握开头作用。对于加热炉温度的影响主要有以下两种干扰：1. 煤气压力波动。当煤气压力发生波动时，流量会相应发生变化。在初始阶段， 由于煤气流量的变化不会马上影响到炉温，因此，炉温掌握器的输出临时不变， 即煤气流量的设定值不变。由于误差的产生，煤气流量掌握器发生作用，经过副回路的调整作用，会大大减弱它对炉温的影响，而此时炉温掌握器开头工作，不断转变副掌握器的设定值，在主掌握器和副掌握器的共同作用下，炉温将很快恢复到设定值。2. 炉温变化。当炉温降低时，温度掌握器开头动作，掌握输出量增大，即煤气流量设定值增大，而此时煤气实际流量没有变化，煤气流量掌握器输出增大，阀门增大开度，炉温渐渐上升，直到重恢复设定值。可见，串级掌握系统对于加热炉这样具有大惯性、多扰动等特点的过程，是一种很好的解决方案。对于定空燃比(燃料热值肯定)的燃烧掌握系统，概括起来主要有以下几种炉温掌握方式:（1） 单回路掌握单回路掌握是最简洁的掌握方式，通过炉温的变化直接调整煤气流量。（2） 串级掌握串级掌握中，空气和煤气并行，温度回路的输出值作为煤气、空气回路的设定值。（3） 单穿插限幅掌握单穿插限幅掌握可以保证在动态过程中，空气量比燃料量富有，不会产生冒黑烟现象，但由于对空气量的上限没有限制，因此排烟热损失较大。（4） 双穿插限幅掌握双穿插限幅掌握的特点是当热负荷增加时，空气量设定值先增加，煤气量设定值后增加，防止冒黑烟;当热负荷降低时，煤气量设定值先降低，空气量设定值后降低，削减烟气热损失;当空气回路消灭故障时，煤气自动切断，避开危急。双穿插算法在动态调整时能够获得合理的空燃比，但响应速度慢。双叉限幅掌握的特点是在单穿插的根底上增加一个最大选择器和一个最小选择器，其目的是保证当炉温低于设定值，需要增加燃料流量时空气先行;而当炉温高于设定值，需要削减燃料流量时燃料先行，以防止冒黑烟。该方法己经广泛应用于工业燃烧掌握中，它能在动态过程中保证空燃比在规定范围内，从而使燃烧过程最正确，节约能量，削减环境污染。3.1 单闭环掌握系统加热炉单回路温度掌握系统框图如下2：给定温度掌握器调整阀煤气流量温度-温度变送器图 3.1 单回路掌握系统方框图承受此系统，在平衡状态下假设炉温突然上升，那么此回路将掌握煤气阀和空气阀关小，使温度降回给定值，同样假设炉温突然下降，回路又会掌握煤气阀和 空气阀开大，使温度上升至给定值。这个掌握方案只是针对煤气和空气的压力稳 定的状况，当煤气压力变大时在阀门开度不变的状况下会导致煤气流量的增大， 从而导致总热值的上升，影响炉温。而由于炉温掌握的大惯性，要过很长的时间， 炉温检测装置才会有反响。PID 调整器将来自变送器的测量值与给定值相比较后产生的偏差进展比例、积分、微分PID运算，并输出统一标准信号，去掌握执行机构的动作，以实现对 温度、压力、流量、液位及其他工艺变量的自动掌握。所谓 PID 掌握，就是利用比例、积分和微分三者协作对测量参数的偏差进展运算确定输出量，对被控对象进展掌握的方法。当 P、I、D 三个参数到达最正确系数组合， PID 的掌握效果很好。掌握器参数整定的方法很多，归结起来可以分为两大类7：一类是理论计算方法，另一类是工程整定方法。本设计主要利用工程整定方法进展掌握器参数整定， 工程整定方法有临界比例度法、衰减曲线法和反响曲线法。（1） 临界比例度法 在系统闭环状况下，将掌握器的积分时间放到最大，微分时间放到最小，比例度放到100%，然后使比例度由大往小逐步转变，直到过渡过程消灭不衰减的等幅振荡为止。此时的比例度叫临界比例度，临界振荡的周期则称临界周期。（2） 衰减曲线法 此法与临界比例度法有些类似。不同的是让过渡过程最终呈现 4：1 衰减振荡为止。此时的比例度s和振荡周期Ts即是我们需要的。因此，在纯比例状况下，系统不会消灭等幅振荡，临界比例度法就无法应用，而衰减曲线法在此种状况下也同样能用。因此衰减曲线法应用较为广泛，本设计也将使用该方法对系统进展整定。对系统进展整定，用衰减曲线法 4：1 衰减振荡时， 掌握器参数阅历公式如图：表 3.1 掌握器参数阅历公式掌握器参数掌握器类型 %PT i/min-T /minsPI1.2-s0.5TsPID0.8s0.3Ts0.1Ts3.2 炉膛负压掌握系统压力设定PID掌握器烟道阀炉膛压力-压力检测变送图 3.2 炉膛负压掌握系统在炉膛负压掌握系统中，PID 掌握器通过对烟道阀开度大小的掌握，从而到达了掌握炉膛压力的目的。送风总管压力也承受单回路 PID 掌握系统，使烧嘴喷出的煤气和空气有肯定的速度。供风压力必需和当前煤气压力相匹配，以提高阀门调整的灵敏度。假设煤气压力过低，必需相应降低供风压力，使得空气阀门和煤气阀门调整行程大致一样，否则，空气压力过高，空气阀门的微小动作都会导致剩余空气过多。反之， 假设煤气压力过高，也要相应提高供风压力，使得流量的调整更为准确，以免在调整过程中消灭黑烟。3.3 串级比值燃烧掌握系统为了保证燃料与空气有肯定的配比关系，最常用的方案之一是串级比值燃烧掌握系统，其原理是空气流量和煤气流量的设定值成简洁的比值关系。温度测量变送-温度掌握器-燃料掌握器燃料阀燃料流量F燃料测量变送K-空气掌握器空气阀空气流量F空气测量变送12图 3.3 串级比值掌握系统加热炉燃烧过程中，正常状况下，煤气和空气应当有肯定的比例。焦炉煤气的空燃比大约在 4：1 左右，高炉煤气的空燃比大约在 1.05：1 左右，转炉煤气的空燃比大约在 1.1：1 左右，假设煤气过量，会铺张能源，同时产生冒黑烟现象，产生环境污染；假设空气过量，不仅温度上不去，而且为了加热多余空气，加热炉的热负荷会变大，同样也会铺张能源，剩余的热空气随烟气排入大气，会产生大量的 NO2、SO2 等气体污染环境。在钢铁生产中用到煤气的地方很多，煤气阀前压力难以稳定，为了抑制阀前压力波动，把温度和煤气构成串级掌握回路，煤气和空气构成比值掌握系统，因此引入加热炉串级比值燃烧掌握系统。如图 3.3 所示。在该图中，加热炉温度掌握主调整器的输出直接作为燃料流量副调整器的给定值，同时经过空燃比运算器 r 运算后，作为空气流量副调整器的给定值。通过调整r，可以转变空气和燃料的配比 关系。加热炉的燃料燃烧过程中，不仅要保证稳态状况的剩余空气系数肯定，更重要的是在加热炉负荷发生变化的动态状况下，保证剩余空气系数仍保持在合理的范围内。在串级比值燃烧掌握系统中，煤气流量是主动量，空气流量是从动量。在稳定状态下，煤气流量和空气流量以肯定的比值定量地进入加热炉中。当炉膛温度受干扰作用，燃烧负荷波动不大时，或工艺上需要升降负荷的时候，炉温掌握器的输出一方面输出信号给煤气流量掌握器，从而进展煤气流量的掌握；另一方面经比值器后作为空气掌握器的设定值。煤气和空气串级比值掌握系统开头工作：当炉温上升时，在炉温掌握器反作用下，其输出减小，即煤气流量设定值减小， 同时，炉温掌握器的输出经比值器给空气流量的设定值也减小，掌握煤气调整阀开度减小；同样空气流量的测量值临时也没有变化，经空气流量掌握器使其输出也减小，相应地掌握空气调整阀开度减小。当炉温降低时，炉温掌握器反作用下输出增大，即煤气流量设定值增大，同时， 炉温掌握器的输出经比值器给空气流量的设定值也增大。此时，煤气流量的测量值临时没有变化，经煤气流量掌握使其输出增大，掌握煤气调整阀开度增大；同样空气流量的测量值临时也没有变化，经空气流量掌握器输出也增大，相应地掌握空气调整阀开度增大。综上，不管炉温上升还是降低，通过煤气流量和空气流量的串级比值掌握系统的掌握，可以实现较好的炉温掌握。但是对于钢铁厂中的加热炉不仅煤气压力波 动大，且燃料热值也在发生波动，在动态过程中，实际空燃比会产生很大的波动， 空气过剩系数很简洁进入黑烟区，因此，无法进展抑制，效果很差12。在燃烧负荷发生急剧变化的状况下，由于掌握空气流淌管道与煤气流淌管道特性间的差异，各阀门的响应速度和系统的响应速度不同，会带来缺氧燃烧现象和过氧燃烧现象的发生，此时假设仍承受串级比值燃烧掌握系统将无法保证燃料与空气之间的最正确动态配比关系，因此，引入单穿插限幅燃烧掌握系统。3.4 单穿插限幅燃烧掌握系统3.4.1 单穿插限幅燃烧掌握系统工作原理ST iTCFS fSaFaCF CfLSB*rAMV tHSD/rFa炉温Ff-a 2+a 1燃料空气图 3.4 单穿插限幅燃烧掌握系统图单穿插限幅燃烧掌握系统是在串级比值燃烧掌握系统的根底上增加了高值选择器 HS，低值选择器LS，正偏置+a1(%)和负偏置-a2(%)，用来实现燃料和空气流量之间的相互制约，防止剩余空气系数低于其给定值s 以下的某一允许区间，即 ³ s- a1，并保证燃料流量 Ff 低于冒黑烟界限，以及空气流量Fa 高于冒黑烟界限。单穿插限幅燃烧掌握系统的工作原理如下：在燃料流量调整回路中，炉温调整器 TC 的输出信号 A，与依据空气流量测量值 Fa 算出的所需燃料流量加上偏置 a1 (%)得到的信号 BB = (1 +aF1 ) ×a3.1100r相比较，由低值选择器 LS 来选通 A、B 之一作为燃料流量调整器 FfC 的给定值 Sf。在空气流量调整回路中，炉温调整器 TC 的输出信号 A，与燃料流量测量值 Ff 减去偏置 a2(%)得到的信号 DD = (1 -a2 ) × F3.2100F相比较，由高值选择器HS 来选通 A，D 之一，再乘以空燃比r 作为空气流量调整器 FaC 的给定值 Sa。下面分别对负荷稳定，升负荷和降负荷时这三种状态进展分析。系统处于稳定状态时，炉温调整器 TC 的输出信号 A 同时作为空气和燃料流量调整回路的给定信号，此时剩余空气系数等于给定值s。当升负荷时，信号A 急剧上升，发生正跳变。先看空气流量调整回路的状况。此时，A>D，HS 选通 A，再乘以r 作为空气流量给定值 Sa，使空气流量增加；再看燃料流量调整回路的状况，当 A 正跳到 A>B 时，LS 选通 B，A 被中断，B 作为该回路的燃料流量给定值 Sf，使燃料流量随着 B 值的增加而增加，即燃料流量随着空气流量的增加而增加，穿插限制开头。当B 增加到 B>A 时，LS 又选通 A， A 作为该回路的燃料流量给定值，穿插限制完毕。这样，系统又恢复到了稳定状态。由于 A 跳变，B 缓慢上升，即空气流量给定值 Sa 急剧上升，燃料流量给定值Sf 缓慢上升，实现了升负荷时“先增加空气后增加燃料”,抑制了空气与燃料流量回路特性的差异，使得升负荷的动态过程能够合理燃烧13。当降负荷时，信号A 急剧下降，发生负跳变。先看燃料流量调整回路的状况。此时，A<B，LS 选通 A，A 作为该回路的燃料流量给定值 Sf，使燃料流量减小， 再看空气流量调整回路的状况，当 A 负跳变到 A<D 时，HS 选通 D，再乘以 r 作为空气流量给定值 Sa，使空气流量随着D 的削减而削减，即空气流量随着燃料流量的削减而削减，穿插限制开头。当 D 削减到 D<A 时，HS 又选通 A，再乘以 r 作为空气流量给定值，穿插限制完毕。这样，系统恢复到稳定状态。由于 A 负跳变、D 缓慢下降，即 Sf 急剧下降，Sa 缓慢下降，实现了降负荷时“先削减燃料后削减空气”，同样抑制了空气与燃料回路特性的差异。通过上述分析可知，该系统对燃料流量和空气流量只规定了不超过冒黑烟界限，并没有规定空气过剩的界限。也就是说，系统只限制了升负荷时剩余空气系数的下降幅度，即 ³ s-a1，而不能抑制降负荷时剩余空气系数的上升，这也是该系统的缺点。由于该系统只对剩余空气系数做了单向限幅，故起名为单穿插限幅。3.4.2 单穿插限幅燃烧掌握系统特点单穿插限幅燃烧掌握系统升负荷时空气先行，降负荷时煤气先行，由于承受了这种掌握方式，所以单穿插限幅燃烧掌握系统具有以下特点：（1） 当升负荷时，先增加空气后增加燃料；当降负荷时，先削减燃料后削减空气。这样，可以防止冒黑烟。（2） 一旦空气系统消灭故障，Fa 降于 0，那么燃料流量也自动降为 0，确保安全燃烧。（3） 当降负荷时，不能抑制剩余空气系数的上升，在这段动态过程中燃烧效率有所下降。由于单穿插限幅燃烧掌握系统限制了剩余空气系数的下限值，可以防止负荷增加的动态过程中燃料过剩所引起的不完全燃烧。但它没有限制剩余空气系数 的上限值，因而导致负荷削减的动态过程中空气过剩，使得燃烧效率降低。为了抑制上述缺点，可承受双穿插限幅燃烧掌握系统。3.5 双穿插限幅燃烧掌握系统3.5.1 双穿插限幅燃烧掌握原理图S iSfFaCTCFfSfFaiF f CHS 2LS1B*rACMVLSFa2EHSD/r炉温F f+a 4+a1-a 2-a3T空气燃料图 3.5 双穿插限幅燃烧掌握原理图双穿插限幅燃烧掌握系统是在单穿插限幅燃烧掌握系统的根底上，增加了高值选择器 HS2，低值选择器LS2，正