【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 際空氣量 /煤氣量，設(shè) μ 為剩余空氣系數(shù) , μ =實(shí)際空氣量 /理論空氣量， A /μ = A0,則實(shí)際空燃比與空氣剩余系數(shù)成正比。從上圖可看出當(dāng) μ ＜ 1 和 1≤ μ ＜ 分別為空氣不足燃燒區(qū)域和超低空氣過(guò)剩燃燒區(qū)域，在這兩個(gè)燃燒區(qū)中，會(huì)有不完全燃燒現(xiàn)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(huì)產(chǎn)生大量的黑煙，污染 大氣。但是如果處于高過(guò)?？諝馊紵齾^(qū)，即當(dāng) μ ＞ 時(shí)，由于過(guò)多的過(guò)?？諝?，不但使出鋼時(shí)鋼坯表面的氧化鐵皮增多，影響鋼加熱質(zhì)量，而且使煙氣中帶走了大量的熱量，使燃燒系統(tǒng)熱效率過(guò)低，同時(shí)會(huì)使氮硫氧化物增加，對(duì)環(huán)保不利。因此，在實(shí)際燃燒系統(tǒng)中，空氣過(guò)剩率設(shè)定在過(guò)剩空氣燃燒區(qū) ≤ μ ≤ 。 爐膛負(fù)壓 爐膛壓力對(duì)出鋼質(zhì)量有很大影響，只有爐膛壓力適當(dāng)，才能保證燃燒的效果當(dāng)均熱段的爐膛壓力過(guò)高時(shí)，爐膛內(nèi)的熱氣從爐膛口往外噴， 會(huì) 造成很大一部分熱內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 8 損失。均熱段的爐膛壓力也不能過(guò)低，尤其是當(dāng)出現(xiàn)負(fù)爐壓時(shí) ，冷空氣通過(guò)爐門(mén)、爐襯裂縫以及其 它 開(kāi)口進(jìn)入爐內(nèi)，這些漏入的冷空氣不僅會(huì)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(tǒng)的額外負(fù)擔(dān)并浪費(fèi)大量燃料，且給爐膛溫度控制系統(tǒng)帶來(lái)很大的麻煩，是絕對(duì)不允許的?？梢?jiàn)，這兩種情況對(duì)爐內(nèi)熱工過(guò)程均不利。從工藝設(shè)計(jì)上，煙道口的排煙閥功能是用來(lái)調(diào)節(jié)爐膛壓力的，因此，我們要求，在正常生產(chǎn)時(shí)，煙道閥門(mén)的開(kāi)度大小適當(dāng)。而在爐內(nèi)壓力發(fā)生波動(dòng)時(shí)，根據(jù)爐膛壓力檢測(cè)結(jié)果，改變爐壓調(diào)節(jié)器的輸出，即通過(guò)煙道閥門(mén)開(kāi)度的大小，改變排煙量來(lái)獲得穩(wěn)定的爐膛壓力，從而使?fàn)t膛壓力穩(wěn)定在設(shè) 定值上，以維持爐內(nèi)微正壓。 對(duì)于爐膛壓力，送風(fēng)總管壓力以及汽包水位 的控制 ，由于被控對(duì)象單一，所以采用單回路 PID 控制 就能達(dá)到較好的效果。 空燃比 燃燒過(guò)程是燃料的氧化過(guò)程，當(dāng)燃料燃燒時(shí)，燃燒產(chǎn)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(guò)量。同時(shí)，從安全角度考慮，空氣不足也會(huì)使燃料在爐子中聚集起來(lái)，而一點(diǎn)燃就可能發(fā)生爆炸，因此，燃燒過(guò)程一般都是在空氣過(guò)量的情況下進(jìn)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(shù) μ 或空燃比 r[6]。它們的定義分別為： faFAF0?? 理論空氣量實(shí)際空氣量? （ ） maxmaxffaaFFFFr ? （ ） 可知空燃比 r 與剩余空氣系數(shù) μ 的關(guān)系為： ??????m a xm a x00m a xm a xaffaffaaFFAFAFFFFFr （ ） 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 9 0A 為單位體積或質(zhì)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(cè)量值和最大值 fF 和 maxfF 分別為燃料流量的測(cè)量值和最大值 ? 為理論空氣修正系 數(shù) 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 10 第三章 加熱爐的溫度控制系統(tǒng) 加熱爐的溫度控制一共分為五部分，每一 部分單獨(dú)設(shè)置一 個(gè) 串級(jí)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)爐膛溫度的自動(dòng)控制。在 系統(tǒng)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(shè)定值，通過(guò)燃燒控制器去決定煤氣閥門(mén)和空氣閥門(mén)的開(kāi)度。而煤氣壓力波動(dòng)等變化劇烈的擾動(dòng)包含在副回路當(dāng)中，利用副回路的優(yōu)良動(dòng)態(tài)性能來(lái)抑制這些擾動(dòng)對(duì)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(duì)穩(wěn)定值，煤氣、空氣閥門(mén)的開(kāi)度也保持不變。當(dāng)穩(wěn)定狀態(tài)被破壞時(shí)，爐溫控制和燃燒控制的串級(jí)控制開(kāi)始作用。 對(duì)于加熱爐溫度的影響主要 有以下兩種干擾： 。當(dāng)煤氣壓力發(fā)生波動(dòng)時(shí)，流量會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化。在初始階段，由于煤氣流量的變化不會(huì)馬上影響到爐溫，因此，爐溫控制器的輸出暫時(shí)不變，即煤氣流量的設(shè)定值不變。由于誤差的產(chǎn)生，煤氣流量控制器發(fā)生作用，經(jīng)過(guò)副回路的調(diào)節(jié)作用 ，會(huì)大大削弱它對(duì)爐溫的影響，而此時(shí)爐溫控制器開(kāi)始工作，不斷改變 副控制器的設(shè)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(fù)到設(shè)定值。 。當(dāng)爐溫降低時(shí)，溫度控制器開(kāi)始動(dòng)作，控制輸出量增大，即煤氣流量設(shè)定值增大，而此時(shí)煤氣實(shí)際流量沒(méi)有變化，煤氣流量控制器 輸出增大，閥門(mén)增大開(kāi)度，爐溫逐漸升高，直到重新恢復(fù)設(shè)定值?？梢?jiàn)，串級(jí)控制系統(tǒng)對(duì)于加熱爐這樣具有大慣性、多擾動(dòng)等特點(diǎn)的過(guò)程，是一種很好的解決方案。 對(duì)于定空燃比 (燃料熱值一定 )的燃燒控制系統(tǒng)，概括起來(lái)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(jiǎn)單的控制方式，通過(guò)爐溫的變化直接調(diào)節(jié)煤氣流量。 （ 2）串級(jí)控制 串級(jí)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(shè)定值。 （ 3）單交叉限幅控制 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 11 單交叉限幅控制可以保證在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，空氣量比燃料量富裕，不會(huì)產(chǎn)生冒黑煙現(xiàn)象，但由于對(duì)空氣 量的上限沒(méi)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(diǎn)是當(dāng)熱負(fù)荷增加時(shí)，空氣量設(shè)定值先增加，煤氣量設(shè)定值后增加，防止冒黑煙 。當(dāng)熱負(fù)荷降低時(shí)，煤氣量設(shè)定值先降低，空氣量設(shè)定值后降低，減少煙氣熱損失 。當(dāng)空氣回路出 現(xiàn) 故障時(shí)，煤氣自動(dòng)切斷，避免危險(xiǎn)。雙交叉算法在動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)時(shí)能夠獲得合理的空燃比，但響應(yīng)速度慢。 雙 叉限幅控制的特點(diǎn)是 在單交叉的基礎(chǔ)上增加 一個(gè)最大選擇器和一個(gè)最小選擇器，其目的是保證當(dāng)爐溫低于設(shè)定值，需要增加燃料流量時(shí)空氣先行 。而當(dāng)爐溫高于設(shè)定值，需要減少燃料流量時(shí)燃料先行，以防 止冒黑煙。該方法己經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)燃燒控制中，它能在動(dòng)態(tài)過(guò)程中保證空燃比在規(guī)定范圍內(nèi)，從而使燃燒過(guò)程最佳，節(jié)約能量，減少環(huán)境污染。 單閉環(huán)控制系統(tǒng) 加熱爐單回路溫度控制系統(tǒng)框圖如下 [2]： 溫 度 控 制 器 調(diào) 節(jié) 閥 煤 氣 流 量溫 度 變 送 器給 定 溫 度圖 單回路控制系統(tǒng)方框圖 采用此系統(tǒng)，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(guān)小，使溫度降回給定值，同樣如果爐溫突然下降，回路又會(huì)控制煤氣閥和空氣閥開(kāi)大，使溫度回升至給定值。這 個(gè)控制方案 只是針對(duì)煤氣和空氣的壓力穩(wěn)定的情況，當(dāng)煤氣壓力變大 時(shí)在閥門(mén)開(kāi)度不變的情況下會(huì)導(dǎo)致煤氣流量的增大，從而導(dǎo)致總熱值的上升，影響爐溫。而由于爐溫控制的大慣性，要過(guò)很長(zhǎng)的時(shí)間，爐溫檢測(cè)裝置才會(huì)有 反應(yīng)。 PID 調(diào)節(jié)器將來(lái)自變送器的測(cè)量值與給定值相比較后產(chǎn)生的偏差進(jìn)行比例、積分、微分（ PID）運(yùn)算，并輸出統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力、流量、液位及其他工藝變量的自動(dòng)控制。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（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(duì)測(cè)量參數(shù)的偏差進(jìn)行運(yùn)算確定輸出量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制的方法。當(dāng) P、 I、 D 三個(gè)參數(shù)達(dá)到最佳系數(shù)組合， PID 的控制效 果很好。 控制器參數(shù)整定的方法很多，歸結(jié)起來(lái)可以分為兩大類(lèi) [7]：一類(lèi)是理論計(jì)算方法，另一類(lèi)是工程整定方法。本設(shè)計(jì)主要 利用 工程整定方法 進(jìn)行控制器參數(shù)整定 ，工程整定方法有臨界比例度法、衰減曲線(xiàn)法和反應(yīng)曲線(xiàn)法。 （ 1） 臨界比例度法 在系統(tǒng)閉環(huán)情況下，將控制器的積分時(shí)間放到最大，微分時(shí)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(guò)渡過(guò)程出現(xiàn)不衰減的等幅振蕩為止。此時(shí)的比例度叫臨界比例度，臨界振蕩的周期則稱(chēng)臨界周期。 （ 2） 衰減曲線(xiàn)法 此法與臨界比例度法有些類(lèi)似。不同的是讓過(guò)渡過(guò)程最終呈 現(xiàn) 4： 1 衰減振蕩為止。此時(shí)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(tǒng)不會(huì)出現(xiàn)等幅振蕩，臨界比例度法就無(wú)法應(yīng)用，而衰減曲線(xiàn)法在此種情況下也同樣能用。因此衰減曲線(xiàn)法應(yīng)用較為廣泛，本設(shè)計(jì)也將使用該方法對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整定。對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行整定，用衰減曲線(xiàn)法 4： 1 衰減振蕩時(shí)，控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式如 圖 ： 表 控制器參數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式 PP IP I Dδs1 . 2 δs0 . 8 δsδ %0 . 5 T s0 . 3 T sTi/ m i n控 制 器 類(lèi) 型控 制 器 參 數(shù)TD/ m i n0 . 1 T s 爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng) 煙 道 閥壓 力 檢 測(cè) 變送P I D 控 制 器 爐 膛 壓 力壓 力 設(shè) 定 圖 爐膛負(fù)壓控制系統(tǒng) 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 13 在 爐膛負(fù)壓 控制系統(tǒng)中， PID 控制器通過(guò)對(duì)煙道閥 開(kāi)度大小 的控制，從而達(dá)到了控制爐膛壓力的目的。 送風(fēng)總管壓力也采用 單回路 PID 控制系統(tǒng) ，使 燒嘴噴出的煤氣和空氣有一定的速度。 供風(fēng)壓力必須和當(dāng)前煤氣壓力相匹配，以提高閥門(mén)調(diào)節(jié)的靈敏度。若煤氣壓力過(guò)低，必須相應(yīng) 降低 供風(fēng)壓力，使得空氣閥門(mén)和煤氣閥門(mén)調(diào)節(jié)行程大致相同，否則，空氣壓力過(guò)高，空氣閥門(mén)的微小動(dòng)作都會(huì)導(dǎo)致剩余空氣過(guò)多。反之，若煤氣壓力過(guò)高，也要相應(yīng)提高供風(fēng)壓力，使得流量的調(diào)節(jié)更為準(zhǔn)確，以免在調(diào)節(jié)過(guò)程中出現(xiàn)黑煙。 串級(jí)比值 燃燒 控制系統(tǒng) 為了保證燃料與空氣有一定的配比 關(guān)系，最常用的方案之一是串級(jí) 比值 燃燒 控制 系統(tǒng)，其原理是空氣流量和煤氣流量的設(shè)定值成簡(jiǎn)單的比值關(guān)系。 燃 料 閥燃 料 測(cè) 量變 送燃 料 控 制器燃 料 流 量空 氣 閥空 氣 測(cè) 量變 送空 氣 控 制器空 氣 流 量KF1F2溫 度 控 制器溫 度 測(cè) 量變 送 圖 串級(jí)比值控制系統(tǒng) 加熱爐燃燒過(guò)程中，正常情況下，煤氣和空氣應(yīng)該有一定的比例。焦?fàn)t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(zhuǎn)爐煤氣的空燃比大約在 ： 1 左右，如果煤氣過(guò)量，會(huì)浪費(fèi)能源，同時(shí)產(chǎn)生冒黑煙現(xiàn)象，產(chǎn)生環(huán)境污染；如果空氣過(guò)量，不僅溫度上不去，而且為了加 熱多余空氣，加熱爐內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 14 的熱負(fù)荷會(huì)變大，同樣也會(huì)浪費(fèi)能源 ，剩余的熱空氣隨煙氣排入大氣，會(huì)產(chǎn)生大量的 NO SO2等 氣體污染環(huán)境 。 在鋼鐵生產(chǎn)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(dòng)， 把 溫度和煤氣構(gòu)成串級(jí)控制回路，煤氣和空氣構(gòu)成比值控制系統(tǒng)，因此引入加熱爐串級(jí)比值 燃燒 控制系統(tǒng)。如圖 所示。在該圖中，加熱爐溫度控制主調(diào)節(jié)器的輸出直接作為燃料流量副調(diào)節(jié)器的給定值，同時(shí)經(jīng)過(guò)空燃比運(yùn)算器 r 運(yùn)算后，作為空氣流量副調(diào)節(jié)器的給定值。通過(guò)調(diào)整 r，可以改變空氣和燃料的配比關(guān)系。 加熱爐的燃料燃燒過(guò)程中，不僅 要保證穩(wěn)態(tài)情況的剩余空氣系數(shù)一定，更重要的是在加熱爐負(fù)荷發(fā)生變化的動(dòng)態(tài)情況下，保證剩余空氣系數(shù)仍保持在合理的范圍內(nèi)。 在串級(jí)比值 燃燒 控制系統(tǒng)中 ，煤氣流量是主動(dòng)量，空氣流量是從動(dòng)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(jìn)入加熱爐中。當(dāng)爐膛溫度受干擾作用，燃燒負(fù)荷波動(dòng)不大時(shí)，或工藝上需要升降 負(fù)荷 的時(shí)候，爐溫控制器的輸出一方面輸出 信號(hào)給 煤氣流量控制器 ，從而 進(jìn)行煤氣流量的控制；另一方面經(jīng)比值器后作為空氣控制器的設(shè)定值。煤氣和空氣串級(jí)比值控制系統(tǒng)開(kāi)始工作： 當(dāng)爐溫升高時(shí)，在爐溫控制器反作用下，其輸出減小 ，即煤氣流量設(shè)定值減小，同時(shí)，爐溫控制器 的 輸出經(jīng)比值器給空氣流量的設(shè)定值也 減 小，控制煤氣調(diào)節(jié)閥開(kāi)度減??；同樣空氣流量的測(cè)量值暫時(shí)也沒(méi)有變化，經(jīng)空氣流量控制器 使其 輸出也減小，相應(yīng)地控制空氣調(diào)節(jié)閥開(kāi)度減小。 當(dāng)爐溫降低時(shí)，爐溫控制器反作用下輸出增大，即煤氣流量設(shè)定值增大，同時(shí) ，爐溫控制器 的 輸出經(jīng)比值器給空氣流量的設(shè)定值也增大。此時(shí)，煤氣流量的測(cè)量值暫時(shí)沒(méi)有變化，經(jīng)煤氣流量控制 使 其輸出增大，控制煤氣調(diào)節(jié)閥開(kāi)度增大；同樣空氣流量的測(cè)量值暫時(shí)也沒(méi)有變化，經(jīng)空氣流量控制器輸出也增大，相應(yīng)地控制空氣調(diào)節(jié)閥開(kāi)度增大。 綜上 ，不論爐溫升高還是降低，通過(guò)煤氣流量和空氣流量的串級(jí)比值控制系統(tǒng)的控制，可以實(shí)現(xiàn)較好的爐溫控制。 但是對(duì)于鋼鐵廠(chǎng)中的加熱爐不僅煤氣壓力波動(dòng)大，且燃料熱值也在發(fā)生波動(dòng)，在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，實(shí)際空燃比會(huì)產(chǎn)生很大的波動(dòng)，空氣過(guò)剩系數(shù)很容易進(jìn)入黑煙區(qū)，因此，無(wú)法進(jìn)行抑制，效果很差 [12]。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 說(shuō)明書(shū)（畢業(yè) 論文 ） 15 在燃燒負(fù)荷發(fā)生急劇變化的情況下，由于控制 空氣 流動(dòng)管道與煤氣流動(dòng)管道特性間的差異，各閥門(mén)的響應(yīng)速度和系統(tǒng)的響應(yīng)速度不同，會(huì)帶來(lái)缺氧燃燒現(xiàn)象和過(guò)氧燃燒現(xiàn)象的發(fā)生，此時(shí)若仍采用串級(jí)比值 燃燒 控制系統(tǒng)將無(wú)法保證燃料與空氣之間的最