【正文】 （ ） 相比較，由低值選擇器 LS 來選通 A、 B 之一作為燃料流量調(diào)節(jié)器 FfC 的給定值 Sf。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（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 流動管道與煤氣流動管道特性間的差異，各閥門的響應(yīng)速度和系統(tǒng)的響應(yīng)速度不同，會帶來缺氧燃燒現(xiàn)象和過氧燃燒現(xiàn)象的發(fā)生，此時若仍采用串級比值 燃燒 控制系統(tǒng)將無法保證燃料與空氣之間的最佳動態(tài)配比關(guān)系，因 此，引入單交叉限幅燃燒控制系統(tǒng)。 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(tǒng)的控制，可以實現(xiàn)較好的爐溫控制。 當(dāng)爐溫降低時，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 ，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。當(dāng)爐膛溫度受干擾作用，燃燒負(fù)荷波動不大時，或工藝上需要升降 負(fù)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(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。 在串級比值 燃燒 控制系統(tǒng)中 ，煤氣流量是主動量，空氣流量是從動量。通過調(diào)整 r，可以改變空氣和燃料的配比關(guān)系。如圖 所示。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，如果煤氣過量，會浪費能源，同時產(chǎn)生冒黑煙現(xiàn)象，產(chǎn)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(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 14 的熱負(fù)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(chǎn)生大量的 NO SO2等 氣體污染環(huán)境 。 串級比值 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 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)定值成簡單的比值關(guān)系。若煤氣壓力過低，必須相應(yīng) 降低 供風(fēng)壓力，使得空氣閥門和煤氣閥門調(diào)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(dǎo)致剩余空氣過多。 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。因此衰減曲線法應(yīng)用較為廣泛，本設(shè)計也將使用該方法對系統(tǒng)進(jìn)行整定。此時的比例度（ δs）和振蕩周期（ Ts）即是我們需要的。 （ 2） 衰減曲線法 此法與臨界比例度法有些類似。 （ 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(xiàn)不衰減的等幅振蕩為止。 控制器參數(shù)整定的方法很多，歸結(jié)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。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)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(shù)的偏差進(jìn)行運算確定輸出量，對被控對象進(jìn)行控制的方法。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(yīng)。 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，回路又會控制煤氣閥和空氣閥開大，使溫度回升至給定值。而當(dāng)爐溫高于設(shè)定值，需要減少燃料流量時燃料先行，以防 止冒黑煙。雙交叉算法在動態(tài)調(diào)節(jié)時能夠獲得合理的空燃比，但響應(yīng)速度慢。當(dāng)熱負(fù)荷降低時，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 。 （ 3）單交叉限幅控制 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)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(chǎn)生冒黑煙現(xiàn)象，但由于對空氣 量的上限沒有限制，因此排煙熱損失較大。 對于定空燃比 (燃料熱值一定 )的燃燒控制系統(tǒng)，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(diào)節(jié)煤氣流量。當(dāng)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(shè)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(fù)設(shè)定值。由于誤差的產(chǎn)生，煤氣流量控制器發(fā)生作用，經(jīng)過副回路的調(diào)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(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)煤氣壓力發(fā)生波動時，流量會相應(yīng)發(fā)生變化。當(dāng)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。而煤氣壓力波動等變化劇烈的擾動包含在副回路當(dāng)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。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(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 說明書（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(shù) 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（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 部分單獨設(shè)置一 個 串級系統(tǒng)來實現(xiàn)爐膛溫度的自動控制。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(jìn)行的。 對于爐膛壓力，送風(fēng)總管壓力以及汽包水位 的控制 ，由于被控對象單一，所以采用單回路 PID 控制 就能達(dá)到較好的效果。從工藝設(shè)計上，煙道口的排煙閥功能是用來調(diào)節(jié)爐膛壓力的，因此，我們要求，在正常生產(chǎn)時，煙道閥門的開度大小適當(dāng)。均熱段的爐膛壓力也不能過低，尤其是當(dāng)出現(xiàn)負(fù)爐壓時 ，冷空氣通過爐門、爐襯裂縫以及其 它 開口進(jìn)入爐內(nèi)，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(tǒng)的額外負(fù)擔(dān)并浪費大量燃料，且給爐膛溫度控制系統(tǒng)帶來很大的麻煩，是絕對不允許的。因此，在實際燃燒系統(tǒng)中，空氣過剩率設(shè)定在過剩空氣燃燒區(qū) ≤ μ ≤ 。從上圖可看出當(dāng) μ ＜ 1 和 1≤ μ ＜ 分別為空氣不足燃燒區(qū)域和超低空氣過剩燃燒區(qū)域，在這兩個燃燒區(qū)中，會有不完全燃燒現(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，將會產(chǎn)生大量的黑煙，污染 大氣。理論空燃比 A0 為單位體積或質(zhì)量的燃料完全燃燒所需的空氣量，為一個常數(shù)。 燃燒系統(tǒng) 燃燒系統(tǒng)的曲線描述圖如下 [12]： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 7 圖 燃燒系統(tǒng)的曲線描述 上圖表示了空氣過剩率與燃燒效率及污染之間的關(guān)系，可以看出， 燃燒系統(tǒng)的質(zhì)量跟空氣過剩率有很大的關(guān)系。由于焦?fàn)t煤氣的主要可燃成分是高發(fā)熱量的H2和 CH4，所以焦?fàn)t煤氣的發(fā)熱量較高，為 16000～ 18800 KJ/M3。高爐煤氣由于發(fā)熱量較低，燃燒溫度也低，約 1470 ℃ ，在加熱爐上單獨使用困難，往往是與焦?fàn)t煤 氣混合使用。高爐煤氣是高爐煉鐵的副產(chǎn)品，它主要由可 燃 成分 CO、 H CH4和不可燃成分 N CO2組成。常用的液體燃料主要是重油。隨著我國冶金工業(yè)設(shè)備的日趨完善，技術(shù)的逐漸提高和石油工業(yè)的全面發(fā)展，目前國內(nèi)大、中型 冶金企業(yè)的軋鋼加熱爐已極少使用固體燃料，絕大部分軋鋼廠是使用氣體或液體燃料。 加熱爐溫度控制要求 燃料的種類很多，分類方法也不盡相同。另外，不同種類的鋼坯對爐內(nèi)的氣氛有不同的要求 (這里氣氛主要是指 氧化氣氛和還原氣氛，具體要求視加熱工藝要求而定 )，如果氧化氣氛過重，會使被加熱金屬表面生成較厚的氧化皮，不僅浪費材料而且給除鱗帶來困難，嚴(yán)重的還會影響產(chǎn)品表面質(zhì)量。 為了將鋼坯加熱到軋制所規(guī)定的工藝要求，必然地要求對加熱爐內(nèi)的溫度進(jìn)行有效的控制使之保持在某一特定的范圍內(nèi)，出鋼溫度過高既不必要且又導(dǎo)致鋼坯過多燒損和能源浪費，甚至造成粘鋼的嚴(yán)重事故。在煙道裝有一套轉(zhuǎn)動閥門，用來對爐膛壓力進(jìn)行自動調(diào)節(jié)和控制。 加熱爐排煙方式為向上排煙，在爐內(nèi)燃燒生成的煙氣由爐尾總排煙管經(jīng)地上煙道通到廠外煙囪，再排入大氣中。此時鋼坯被出鋼機構(gòu)推上滾道，由滾道傳送給軋機進(jìn)行軋制 ，如圖（ ）所示 。這樣鋼坯開始升溫不大，溫度應(yīng)力小，不會造成裂紋和斷裂；鋼坯運行到加熱二段時，鋼坯的中心溫度已內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 5 超過 500℃ ，進(jìn)入塑性范圍，此時快速加熱鋼坯使 鋼坯表面溫度迅速升高到出爐溫度；在均熱段鋼坯表面溫度不再升高，斷面溫差逐步減小。其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，受許多干擾因素的影響，燃料的發(fā)熱值及殘氧又很難在線準(zhǔn)確測量，因此一般線性調(diào)節(jié)器不能滿足對象及工藝控制的要求。為 了 使加熱均勻，每一個段上的燃燒嘴越密集越好。 三段式加熱爐的供熱點一般設(shè)在均熱段端部和側(cè)部，加熱段上方和下方的端部和側(cè)部。預(yù)熱段主要是依靠爐內(nèi)尾氣余熱來預(yù)熱裝爐鋼坯，從而提高燃料的利用率。 加熱爐工藝流程 加熱爐的作用是將鋼坯加熱到軋制工藝要求的溫度 [1]，在此溫度下進(jìn)行軋制既能保證燃料的合理利用又能使軋制力在正常范圍內(nèi)。當(dāng)鋼 坯 溫度超過 500℃ ～600℃ 以后，進(jìn)入塑性范圍，這時就可以快速加熱，直到表面溫度快速升高到出爐所要求的溫度。 三段式加熱方式是比較完善的加熱制度，它是把鋼坯放在三個溫度條件不同的區(qū)域內(nèi)加熱，依次是：預(yù)熱段、加熱段、均熱段。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 3 第二章 加熱爐工藝簡介 加熱爐的組成 加熱爐由以下幾個基本部分構(gòu)成：爐膛與爐襯、 裝出料設(shè)備、 燃料系統(tǒng)、供風(fēng)系統(tǒng)、排煙系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、 電子計算機 控制系統(tǒng)、 余熱利用裝置、檢測及調(diào)節(jié)裝置等。在現(xiàn)有幾種燃燒控制方法的基礎(chǔ)上，提出了雙邊限幅控制，使系統(tǒng)性能得到了極大的改善。在參照相關(guān)理論的基礎(chǔ)之上，設(shè)計了 該加熱爐控制系統(tǒng)，包括加熱爐內(nèi)的加熱爐串級 比值控制、單 交叉 限幅、雙 交叉 限幅燃燒控制， 很好地抑制了處于副環(huán)（煤氣熱值 和壓力的波動、生產(chǎn)率的改變及爐內(nèi)參數(shù)的變化等）的干擾因素對加熱爐運行的影響；提高了爐溫控制的快速性，實現(xiàn)了加熱爐燃燒過程的控制。有很多學(xué)者，對鋼坯升溫的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了研究，還有學(xué)者將燃料消耗與鋼溫聯(lián)系起來，構(gòu)成燃料消耗最低的真實目標(biāo)函數(shù)，從而可以運用最優(yōu)升溫曲線。目前，國內(nèi)大多數(shù)加熱爐的計算機控制水平很低，雖然引進(jìn)了一些先進(jìn)的控制系統(tǒng)和設(shè)備，但絕大部分加熱爐計算機控制系統(tǒng)仍然處在計算機過程控制的水平上，甚至還有少數(shù)加熱爐由人工操作，其加熱質(zhì)量和能耗與國外 同行相比相距甚遠(yuǎn)。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） 2 國內(nèi)現(xiàn)狀 我國從 80 年代初開始進(jìn)入加熱爐計算機控制系統(tǒng)研究階段。燃料節(jié)約百分?jǐn)?shù)與離爐煙氣溫度成正比，離爐煙氣溫度越高，則燃料 節(jié)約百分?jǐn)?shù)越大。 加熱爐的離爐煙氣帶走的熱量約占供入爐內(nèi)熱量的 50～ 60％。這種爐在以發(fā)熱量低于 1300 千焦／米 3的煤氣或發(fā)熱量低于 5000 千焦／千克的煤為燃料時，將難于甚至不能達(dá)到需要 爐溫，這時可對煤氣和空氣進(jìn)行預(yù)熱。確定鋼 坯 加熱溫度不僅要根據(jù)鋼種的性質(zhì)而且還要考慮到加工的要求，以獲得最佳的塑性，最小的變形抗力，從而有利于提高軋制的產(chǎn)量 、質(zhì)量、降低能耗和設(shè)備磨損。 （ 3）鋼坯 加熱溫度應(yīng)在長度、寬度和斷面上均勻一致。鋼坯加熱應(yīng)當(dāng)保證在軋制全部過程都具有足夠的可塑性，滿足生產(chǎn)要求，但并非說鋼坯加熱溫度越高越好，而應(yīng)有一定的限度，過高的加熱溫度可能產(chǎn)生廢品和浪費能源。對軋鋼加熱爐而言，加熱的主要目的就是提高鋼坯的塑性，降低變形抗力。其溫度控制性能直接影響到加熱爐的能耗和最終鋼材產(chǎn)品質(zhì)量、鋼坯成材率、軋制設(shè)備壽命以及整個軋線的有效作業(yè)率。 MATLAB Simulation 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 說明書（畢業(yè) 論文 ） III 目 錄 摘 要 ......................................................................................................................................... I Abstract..........................................................................................