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1、纺织职业技术学院毕业设计（论文）YGW-9300型有机热载体加热炉控制系统课程名 称竺原理与应用系、专业电气自动化加热炉燃烧控制系统设计与仿真摘要冶金工业消耗大量的能源，其中钢坯加热炉就占钢铁工业总能耗的四分之 一。自70年代中期以来，各工业先进国对各种燃烧设备的节能控制进行了广泛、 深入的研究，大大降低了能耗。步进式加热炉不仅是轧线上最重要的设备之一，而且也是耗能大户。钢坯加 热的技术直接影响带钢产品的质量、能源消耗和轧机寿命。因此步进式加热炉优 化设定控制技术的推广对钢铁企业意义重大。步进式加热炉的生产目的是满足轧 制要求的钢坯温度分布，并实现钢坯表面氧化烧损最少和能耗最小。由于步进式 加
2、热炉具有非线性、不确定性等特点，其动态特性很难用数学模型加以描述，因 此采用经典的控制方法难以收到理想的控制效果，只能依靠操作人员凭经验控制 设定值，当工况发生变化时，往往使工艺指标（如空燃比）实际值偏离目标值围， 造成产品质量下降消耗增加。针对以上情况，本文通过理论和仿真比较说明使用 双交叉限幅控制系统是一种比较好的燃烧控制方法。关键词：步进式加热炉；空燃比；双交叉限幅；系统仿真目录摘要IABSTRACT错误!未定义书签。第一章引言1第二章步进式加热炉42.1步进式加热炉简介42.2步进式加热炉工艺过程52.3加热炉控制技术的发展和现状7 第三章燃烧控制系统设计与仿真93.1步进式加热炉生产
3、工艺和控制要求93.2燃烧控制系统与仿真103.2.1 Simulink 简介 103.2.2仿真模型的建立113.2.3串级比值控制系统设计与仿真123.2.4单交叉限幅燃烧控制系统设计与仿真173.2.5双交叉限幅控制系统设计与仿真223.2.6偏置单元和炉膛负压控制系统简介29第四章组态软件MCGS在加热炉控制中的应用304.1 MCGS 简介 304.2 MCGS在加热炉控制中的应用32第五章仪表选型345.1检测元件的选型345.1.1温度检测345.2压力和流量的测量365.3变送器的选取375.3.1温度变送器385.3.2差压变送器的选取395.4执行器的选择40结束语42参考
4、文献43致44第一章引言工业锅炉广泛应用于炼油、冶金、化工、轻工、造纸、纺织与食品等行业。 每年消耗大量的原煤。由于热工检测手段落后，自动控制系统不够完善与运行管 理不良等原因，导致热效率比设计值低10%20%。并由于调节量过大的波动引起 执行机构过度磨损，燃烧不稳定，热力设备与管道的热应力破坏，工艺次品率升 高，锅炉冒黑烟，产生大量氮氧化物等造成环境污染。许多厂家和单位已研制出 多种工业锅炉的仪表或微机控制系统，并取得一定成效。但运行实践表明，工业 锅炉滞后和惯性大，反应慢，回路多，耦合性强，过程扰动与噪声大，以与对象 特性由于积灰、结垢、电子元件老化，环境、负荷、煤质等原因而发生变化。人
5、们发现，燃烧调节系统已偏离最佳整定，要么反应迟钝，要么振荡太大，难以长 期或在某些工况下运行。而调节器的整定又很费时间，且要求相当的技术，因此 常将其切换至手控运行方式。不仅工人劳动强度大，且易使效率降低，污染加剧。 采用自适应控制可以使自控系统投入率提高，减少运行操作人员，节约能源，减 轻污染。自动燃烧控制系统的基本任务是在满足生产工艺的温度要求前提下，实现最 佳燃烧控制以达到减少烧损、节约能源的目的。根据燃烧机理，一般加热炉空气 过剩系数u的最佳围为1.021.10，称为最佳燃烧带。如果u过大，使火焰温度 降低，氧化铁皮厚度增加即烧损增加；反之，u过小，既冒黑烟污染环境，又使 燃烧效率下降
6、。一般情况下，加热炉燃烧控制都采用基本串级比值控制方案，或 是其变化形式。但由于空气管道时间常数比燃料回路大，当负荷突然发生变化时， 这种控制方案不能保证u在最佳燃烧区。为解决这一问题，许多人进行了深人研 究，先后产生了几种交叉制约控制方案，使燃烧控制系统日趋完善11、加热炉的工艺和结构在本文中加热炉使用的是步进式加热炉。它由以下几个基本部分结构组成： 炉膛和炉衬，燃料系统，供风系统，排烟系统，冷却系统，余热利用装置，装出 料设备，检测与调节设备，电子计算机控制系统等。步进式加热炉的工业过程：由连铸出坯辊道送来的板坯在装料辊道上自动测 量板坯长度，合格板坯经电子称量装置称量后准备人炉。炉子为双
7、排料，装料端设置两台装料推钢机，板坯由装料辊道运至装料机口 定位后，装料推钢机将板坯从装料辊道上推到炉子固定梁上，当需要入炉时计算 机的控制系统发出指令，炉门升起，炉步进梁再将其托起、前进、下降、后退， 完成一个步进行程，而板坯向前移运了一个步距。如此周而复始，板坯自装料端 依次顺序经过炉子预热段、加热段、均热段，一步步地移送到炉子的出料端。在 出料端，激光检测器检测到板坯边缘并在步进梁完成一个水平行程运动后，算出 板坯位置，当炉子接到信号后再自动开启出料炉门，用出钢机将加热好的板坯取 出后，直接放在出料辊道上，出料辊道为单传辊道。2、控制参数的选择燃烧过程的控制有以下三个基本要求：1）保证炉
8、膛温度稳定，能按要求自动增减燃料量；2）燃烧良好，供气适宜，既要防止由于空气不足使烟囱冒黑烟，也不要因 空气过量而增加热量损失；3）保证锅炉安全运行。保证炉膛一定的负压，以免负压太小，甚至为正， 造成炉膛热烟气往外冒，影响设备和工作人员的安全；如果负压过大，会使大量 冷空气漏进炉，从而使热量损失增加服因此，在本设计中要做两个控制系统。一个是温度控制系统；一个是炉膛负 压控制系统。则控制参数分别为炉膛温度和炉膛负压。炉膛温度围是 11001200C，炉膛负压围是 0-30Pa3。3、控制燃烧方案燃烧自动调节系统包括热负荷、送风、引风三个调节回路。其中，燃料量和 送风量的比例是影响燃烧经济性的主要
9、因素。为了防止不完全燃烧，保证动态过 程中风量始终有一定裕量，就需要采用单交叉控制（或称选择性控制），以实现 加负荷时先加风后加燃料，减负荷时先减燃料后减风。单交叉控制只有风对燃料的限制，没有燃料对风的限制，即可以保证风量 始终有一定富裕量，但不能排除风量过大可能造成的热损失。为此可采用双交叉 控制，即在风量调节回路中再增加一个低值选择器，燃料回路中再增加一个高值 选择器与必要的运算组件，以实现加负荷时先加风后加燃料，减负荷时先减燃料 后减风，保证一定的空气裕量，同时又防止风量过大。双交叉限幅经历了燃料先行的比值或空气先行的比值调节系统、串级串联燃 烧控制系统、串级并联燃烧控制系统、串级并联单
10、交叉限幅燃烧控制系统四个发 展阶段。它是以炉温调节回路为主环，燃料流量和空气流量调节为副环，构成串 级并联双交叉限幅控制系统13。双交叉限幅控制系统在负荷变化时，系统各参数 变化，根据实测空气流量对燃料流量进行上、下限幅，而且还根据实测燃料流量 对空气流量进行上、下限幅。在负荷增加或减小时，燃料流量和空气流量相互限 制交替增加或减小，即使在动态情况下，系统也能保持良好的空燃比。炉膛负压控制系统采用前馈一反馈控制系统，炉膛负压控制一般可通过控制 引风量来实现，但当锅炉负荷变化较大时，单回路控制系统较难控制。因负荷变 化后，燃料与送风量均将变化，但引风量只有在炉膛负压产生偏差时，才能由引 风控制器
11、去控制，这样引风量的变化落后于送风量，从而造成炉膛负压的较大波 动。为此用反映负荷变化的蒸汽压力作为前馈信号，组成前馈一反馈控制系统。4、仿真手段早期的仿真软件是仿真程序，是针对某类问题或仿真方法编制的专用程序， 是仿真软件的初级形式。例如，CSS仿真程序就是专门解决连续系统仿真问题的。 仿真程序通常采用人机对话方式输入必要参数，具有使用简单、修改与扩充方便、 易于普与推广等优点11。但仿真程序的功能比较简单，一般只能处理仿真的一些 基本问题，不能对复杂的系统进行有效的仿真。仿真语言是一种直接用于解决仿真问题的专用高级语言，是仿真软件的高级 形式。它是在某一种程序设计语言的基础上编制的，其成熟
12、期在20世纪的70 年代至80年代。例如，ACSL,DARE-P,CSSL IV,SLAM和MIMIC就是其比较流行的 数字仿真语言。使用者可以通过一些专用语句，把微分方程或系统结构图输入到 计算机中，由仿真语言中的“翻译模块将它们翻译成机械的汇编语言或某种程 序设计语言，并自动翻译、装配、执行，从而使得用户更多地摆脱对程序的熟悉 和了解。仿真语言比仿真程序功能更全面，使用起来更方面。然而，由于要求用 户能按仿真语言的格式去编写仿真源程序，因此对于一般工程技术人员而言，使 用起来仍然感到不是很方面。近二十年来，随着计算机技术的飞速发展，控制系统计算机仿真与辅助设计 软件也取得了巨大的进步，突出
13、的表现是广泛的可视化操作和软件的高度集成 化。1985年推出的MATLAB语言就是这样的一个软件。尤其是1993年问世的 Simulink,这个集成在MATLAB中的动态系统建模与仿真工具，使得MATLAB集可 靠的数值运算（尤其是矩阵运算）、图形图像显示和处理、高水平的图形界面设 计功能与一身，并提供与其他高级程序设计语言的接口，因此成为控制系统研究 人员必备的工具。目前，MATLAB已可以在多种机型上运行，用MATLAB设计的仿 真模型具有良好的可移植性。MATLAB是一种解释性程序设计语言，用户既可以在MATLAB环境下输入一个 命令，也可以用MATLAB语言编写应用程序，由MATLAB
14、负责执行并给出结果E14J 而控制系统工具箱是MATLAB中专门针对控制系统工程分析设计的函数和工具的 集合。该工具箱采用M文件形式，提供了非常丰富的算法程序。它主要应用于反 馈控制系统的设计、分析和建模，所涉与的领域涵盖经典控制理论和现代控制 理论的大部分容，包括根轨迹、极点配置和LQG（线性二次最优）控制器设计等。 另外，还提供友好的图形界面环境（GUI），大大简化了控制系统的分析和设计过 程。为此，在本设计中我选用MATLAB来对本设计进行仿真。第二章步进式加热炉2.1步进式加热炉简介热连轧是钢铁工业的一个重要环节。炼钢连铸的钢坯在钢坯库冷却后，必须 经过加热炉按照特定的工艺曲线加热后才
15、能送往热轧线进行轧制，它在炼钢生产 和连续性轧钢生产之间起缓冲、平衡作用。步进式加热炉是热连轧厂中钢坯加热 用的设备，它将冷钢坯加热到轧制要求的目标温度，并使其温度均匀。加热炉的 控制系统直接影响到钢坯的产量、质量和成本。为了充分发挥连轧机的生产能力， 要求加热炉提高炉床负荷，因此有必要增强对加热炉的控制。步进式加热炉属室状炉类型，即炉温是随时间而变的。加热炉要根据钢坯的 材质、尺寸规格、装炉温度、出炉温度等，确定炉子的加热制度，即确定加热升 温曲线，包括各阶段的加热温度、加热时间、加热速度、保温时间。加热炉在保证安全运行与完成加热钢坯任务的同时，还要考虑高效与经济地 燃烧。因此当加热炉控制系
16、统的负荷与煤气的质量等因素发生波动时，应当考虑 采用何种合理有效的控制手段，能使加热炉的炉膛温度、炉膛压力、排烟温度等参数稳定在控制围之，并且能够使加热炉工作在最佳燃烧区5炉尾； 预热段 ；鼻部； 加热段 ；鼻部； 均热段图2-1步进式加热炉的结构图2.2步进式加热炉工艺过程由连铸出坯辊道送来的板坯在装料辊道上自动测量板坯长度，合格板坯经电 子称量装置称量后准备人炉。炉子为双排料，装料端设置两台装料推钢机，板坯由装料辊道运至装料机口 定位后，装料推钢机将板坯从装料辊道上推到炉子固定梁上，当需要入炉时计算 机的控制系统发出指令，炉门升起，炉步进梁再将其托起、前进、下降、后退， 完成一个步进行程，而板坯向前移运了一个步距。如此周而复始，板
