【文章內容簡介】 際空氣量 /煤氣量，設 μ 為剩余空氣系數 , μ =實際空氣量 /理論空氣量， A /μ = A0,則實際空燃比與空氣剩余系數成正比。從上圖可看出當 μ ＜ 1 和 1≤ μ ＜ 分別為空氣不足燃燒區(qū)域和超低空氣過剩燃燒區(qū)域，在這兩個燃燒區(qū)中，會有不完全燃燒現象，這樣的熱損失就比較大，而且從環(huán)境污染角度看，由于不完全燃燒，將會產生大量的黑煙，污染 大氣。但是如果處于高過?？諝馊紵齾^(qū)，即當 μ ＞ 時，由于過多的過?？諝?，不但使出鋼時鋼坯表面的氧化鐵皮增多，影響鋼加熱質量，而且使煙氣中帶走了大量的熱量，使燃燒系統熱效率過低，同時會使氮硫氧化物增加，對環(huán)保不利。因此，在實際燃燒系統中，空氣過剩率設定在過剩空氣燃燒區(qū) ≤ μ ≤ 。 爐膛負壓 爐膛壓力對出鋼質量有很大影響，只有爐膛壓力適當，才能保證燃燒的效果當均熱段的爐膛壓力過高時，爐膛內的熱氣從爐膛口往外噴， 會 造成很大一部分熱內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 8 損失。均熱段的爐膛壓力也不能過低，尤其是當出現負爐壓時 ，冷空氣通過爐門、爐襯裂縫以及其 它 開口進入爐內，這些漏入的冷空氣不僅會降低爐膛溫度，而且由于其必須被加熱到爐溫后才能排除，這樣造成了燃燒系統的額外負擔并浪費大量燃料，且給爐膛溫度控制系統帶來很大的麻煩，是絕對不允許的?？梢姡@兩種情況對爐內熱工過程均不利。從工藝設計上，煙道口的排煙閥功能是用來調節(jié)爐膛壓力的，因此，我們要求，在正常生產時，煙道閥門的開度大小適當。而在爐內壓力發(fā)生波動時，根據爐膛壓力檢測結果，改變爐壓調節(jié)器的輸出，即通過煙道閥門開度的大小，改變排煙量來獲得穩(wěn)定的爐膛壓力，從而使爐膛壓力穩(wěn)定在設 定值上，以維持爐內微正壓。 對于爐膛壓力，送風總管壓力以及汽包水位 的控制 ，由于被控對象單一，所以采用單回路 PID 控制 就能達到較好的效果。 空燃比 燃燒過程是燃料的氧化過程，當燃料燃燒時，燃燒產物連同其他可能存在的蒸汽都被提高到火焰溫度，火焰溫度的高低取決于燃料是否完全燃燒，是否發(fā)出最大的熱效率，故需要空氣過量。同時，從安全角度考慮，空氣不足也會使燃料在爐子中聚集起來，而一點燃就可能發(fā)生爆炸，因此，燃燒過程一般都是在空氣過量的情況下進行的。 為了使燃料充分燃燒 ， 必須供給足夠的空氣，即保證一定的剩余空氣系數 μ 或空燃比 r[6]。它們的定義分別為： faFAF0?? 理論空氣量實際空氣量? （ ） maxmaxffaaFFFFr ? （ ） 可知空燃比 r 與剩余空氣系數 μ 的關系為： ??????m a xm a x00m a xm a xaffaffaaFFAFAFFFFFr （ ） 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 9 0A 為單位體積或質量的燃料完全燃燒所需要的理論空氣量 aF 和 maxaF 分 別為空氣流量的測量值和最大值 fF 和 maxfF 分別為燃料流量的測量值和最大值 ? 為理論空氣修正系 數 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 10 第三章 加熱爐的溫度控制系統 加熱爐的溫度控制一共分為五部分，每一 部分單獨設置一 個 串級系統來實現爐膛溫度的自動控制。在 系統中，爐溫控制器為主控制器，它的輸出作為副控制器即燃燒控制器的設定值，通過燃燒控制器去決定煤氣閥門和空氣閥門的開度。而煤氣壓力波動等變化劇烈的擾動包含在副回路當中，利用副回路的優(yōu)良動態(tài)性能來抑制這些擾動對爐膛溫度的影響。在穩(wěn)定狀態(tài)下，爐溫控制器和燃燒控制器的輸出都處于相對穩(wěn)定值，煤氣、空氣閥門的開度也保持不變。當穩(wěn)定狀態(tài)被破壞時，爐溫控制和燃燒控制的串級控制開始作用。 對于加熱爐溫度的影響主要 有以下兩種干擾： 。當煤氣壓力發(fā)生波動時，流量會相應發(fā)生變化。在初始階段，由于煤氣流量的變化不會馬上影響到爐溫，因此，爐溫控制器的輸出暫時不變，即煤氣流量的設定值不變。由于誤差的產生，煤氣流量控制器發(fā)生作用，經過副回路的調節(jié)作用 ，會大大削弱它對爐溫的影響，而此時爐溫控制器開始工作，不斷改變 副控制器的設定值，在主控制器和副控制器的共同作用下，爐溫將很快恢復到設定值。 。當爐溫降低時，溫度控制器開始動作，控制輸出量增大，即煤氣流量設定值增大，而此時煤氣實際流量沒有變化，煤氣流量控制器 輸出增大，閥門增大開度，爐溫逐漸升高，直到重新恢復設定值?？梢?，串級控制系統對于加熱爐這樣具有大慣性、多擾動等特點的過程，是一種很好的解決方案。 對于定空燃比 (燃料熱值一定 )的燃燒控制系統，概括起來主要有以下幾種爐溫控制方式 : （ 1）單回路控制 單回路控制是最簡單的控制方式，通過爐溫的變化直接調節(jié)煤氣流量。 （ 2）串級控制 串級控制中，空氣和煤氣并行，溫度回路的輸出值作為煤氣、空氣回路的設定值。 （ 3）單交叉限幅控制 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 11 單交叉限幅控制可以保證在動態(tài)過程中，空氣量比燃料量富裕，不會產生冒黑煙現象，但由于對空氣 量的上限沒有限制，因此排煙熱損失較大。 （ 4）雙交叉限幅控制 雙交叉限幅控制的特點是當熱負荷增加時，空氣量設定值先增加，煤氣量設定值后增加，防止冒黑煙 。當熱負荷降低時，煤氣量設定值先降低，空氣量設定值后降低，減少煙氣熱損失 。當空氣回路出 現 故障時，煤氣自動切斷，避免危險。雙交叉算法在動態(tài)調節(jié)時能夠獲得合理的空燃比，但響應速度慢。 雙 叉限幅控制的特點是 在單交叉的基礎上增加 一個最大選擇器和一個最小選擇器，其目的是保證當爐溫低于設定值，需要增加燃料流量時空氣先行 。而當爐溫高于設定值，需要減少燃料流量時燃料先行，以防 止冒黑煙。該方法己經廣泛應用于工業(yè)燃燒控制中，它能在動態(tài)過程中保證空燃比在規(guī)定范圍內，從而使燃燒過程最佳，節(jié)約能量，減少環(huán)境污染。 單閉環(huán)控制系統 加熱爐單回路溫度控制系統框圖如下 [2]： 溫 度 控 制 器 調 節(jié) 閥 煤 氣 流 量溫 度 變 送 器給 定 溫 度圖 單回路控制系統方框圖 采用此系統，在平衡狀態(tài)下如果爐溫突然上升，那么此回路將控制煤氣閥和空氣閥關小，使溫度降回給定值，同樣如果爐溫突然下降，回路又會控制煤氣閥和空氣閥開大，使溫度回升至給定值。這 個控制方案 只是針對煤氣和空氣的壓力穩(wěn)定的情況，當煤氣壓力變大 時在閥門開度不變的情況下會導致煤氣流量的增大，從而導致總熱值的上升，影響爐溫。而由于爐溫控制的大慣性，要過很長的時間，爐溫檢測裝置才會有 反應。 PID 調節(jié)器將來自變送器的測量值與給定值相比較后產生的偏差進行比例、積分、微分（ PID）運算，并輸出統一標準信號，去控制執(zhí)行機構的動作，以實現對溫度、壓力、流量、液位及其他工藝變量的自動控制。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 12 所謂 PID 控制，就是利用比例、積分和微分三者配合對測量參數的偏差進行運算確定輸出量，對被控對象進行控制的方法。當 P、 I、 D 三個參數達到最佳系數組合， PID 的控制效 果很好。 控制器參數整定的方法很多，歸結起來可以分為兩大類 [7]：一類是理論計算方法，另一類是工程整定方法。本設計主要 利用 工程整定方法 進行控制器參數整定 ，工程整定方法有臨界比例度法、衰減曲線法和反應曲線法。 （ 1） 臨界比例度法 在系統閉環(huán)情況下，將控制器的積分時間放到最大，微分時間放到最小，比例度放到 100%，然后使比例度由大往小逐步改變，直到過渡過程出現不衰減的等幅振蕩為止。此時的比例度叫臨界比例度，臨界振蕩的周期則稱臨界周期。 （ 2） 衰減曲線法 此法與臨界比例度法有些類似。不同的是讓過渡過程最終呈 現 4： 1 衰減振蕩為止。此時的比例度（ δs）和振蕩周期（ Ts）即是我們需要的。因此，在純比例情況下，系統不會出現等幅振蕩，臨界比例度法就無法應用，而衰減曲線法在此種情況下也同樣能用。因此衰減曲線法應用較為廣泛，本設計也將使用該方法對系統進行整定。對系統進行整定，用衰減曲線法 4： 1 衰減振蕩時，控制器參數經驗公式如 圖 ： 表 控制器參數經驗公式 PP IP I Dδs1 . 2 δs0 . 8 δsδ %0 . 5 T s0 . 3 T sTi/ m i n控 制 器 類 型控 制 器 參 數TD/ m i n0 . 1 T s 爐膛負壓控制系統 煙 道 閥壓 力 檢 測 變送P I D 控 制 器 爐 膛 壓 力壓 力 設 定 圖 爐膛負壓控制系統 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 13 在 爐膛負壓 控制系統中， PID 控制器通過對煙道閥 開度大小 的控制，從而達到了控制爐膛壓力的目的。 送風總管壓力也采用 單回路 PID 控制系統 ，使 燒嘴噴出的煤氣和空氣有一定的速度。 供風壓力必須和當前煤氣壓力相匹配，以提高閥門調節(jié)的靈敏度。若煤氣壓力過低，必須相應 降低 供風壓力，使得空氣閥門和煤氣閥門調節(jié)行程大致相同，否則，空氣壓力過高，空氣閥門的微小動作都會導致剩余空氣過多。反之，若煤氣壓力過高，也要相應提高供風壓力，使得流量的調節(jié)更為準確，以免在調節(jié)過程中出現黑煙。 串級比值 燃燒 控制系統 為了保證燃料與空氣有一定的配比 關系，最常用的方案之一是串級 比值 燃燒 控制 系統，其原理是空氣流量和煤氣流量的設定值成簡單的比值關系。 燃 料 閥燃 料 測 量變 送燃 料 控 制器燃 料 流 量空 氣 閥空 氣 測 量變 送空 氣 控 制器空 氣 流 量KF1F2溫 度 控 制器溫 度 測 量變 送 圖 串級比值控制系統 加熱爐燃燒過程中，正常情況下，煤氣和空氣應該有一定的比例。焦爐煤氣的空燃比大約在 4： 1 左右，高爐煤氣的空燃比大約在 ： 1 左右，轉爐煤氣的空燃比大約在 ： 1 左右，如果煤氣過量，會浪費能源，同時產生冒黑煙現象，產生環(huán)境污染；如果空氣過量，不僅溫度上不去，而且為了加 熱多余空氣，加熱爐內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 14 的熱負荷會變大，同樣也會浪費能源 ，剩余的熱空氣隨煙氣排入大氣，會產生大量的 NO SO2等 氣體污染環(huán)境 。 在鋼鐵生產中用到煤氣的地方很多，煤氣閥前壓力難以穩(wěn)定，為了克服閥前壓力波動， 把 溫度和煤氣構成串級控制回路，煤氣和空氣構成比值控制系統，因此引入加熱爐串級比值 燃燒 控制系統。如圖 所示。在該圖中，加熱爐溫度控制主調節(jié)器的輸出直接作為燃料流量副調節(jié)器的給定值，同時經過空燃比運算器 r 運算后，作為空氣流量副調節(jié)器的給定值。通過調整 r，可以改變空氣和燃料的配比關系。 加熱爐的燃料燃燒過程中，不僅 要保證穩(wěn)態(tài)情況的剩余空氣系數一定，更重要的是在加熱爐負荷發(fā)生變化的動態(tài)情況下，保證剩余空氣系數仍保持在合理的范圍內。 在串級比值 燃燒 控制系統中 ，煤氣流量是主動量，空氣流量是從動量。在穩(wěn)定狀態(tài)下，煤氣流量和空氣流量以一定的比值定量地進入加熱爐中。當爐膛溫度受干擾作用，燃燒負荷波動不大時，或工藝上需要升降 負荷 的時候，爐溫控制器的輸出一方面輸出 信號給 煤氣流量控制器 ，從而 進行煤氣流量的控制；另一方面經比值器后作為空氣控制器的設定值。煤氣和空氣串級比值控制系統開始工作： 當爐溫升高時，在爐溫控制器反作用下，其輸出減小 ，即煤氣流量設定值減小，同時，爐溫控制器 的 輸出經比值器給空氣流量的設定值也 減 小，控制煤氣調節(jié)閥開度減??；同樣空氣流量的測量值暫時也沒有變化，經空氣流量控制器 使其 輸出也減小，相應地控制空氣調節(jié)閥開度減小。 當爐溫降低時，爐溫控制器反作用下輸出增大，即煤氣流量設定值增大，同時 ，爐溫控制器 的 輸出經比值器給空氣流量的設定值也增大。此時，煤氣流量的測量值暫時沒有變化，經煤氣流量控制 使 其輸出增大，控制煤氣調節(jié)閥開度增大；同樣空氣流量的測量值暫時也沒有變化，經空氣流量控制器輸出也增大，相應地控制空氣調節(jié)閥開度增大。 綜上 ，不論爐溫升高還是降低，通過煤氣流量和空氣流量的串級比值控制系統的控制，可以實現較好的爐溫控制。 但是對于鋼鐵廠中的加熱爐不僅煤氣壓力波動大，且燃料熱值也在發(fā)生波動，在動態(tài)過程中，實際空燃比會產生很大的波動，空氣過剩系數很容易進入黑煙區(qū)，因此，無法進行抑制，效果很差 [12]。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 15 在燃燒負荷發(fā)生急劇變化的情況下，由于控制 空氣 流動管道與煤氣流動管道特性間的差異，各閥門的響應速度和系統的響應速度不同，會帶來缺氧燃燒現象和過氧燃燒現象的發(fā)生，此時若仍采用串級比值 燃燒 控制系統將無法保證燃料與空氣之間的最