內(nèi)蒙古科技大學(xué) 過程控制工程課程設(shè)計(jì) 說明書 題 目： 高爐熱風(fēng)爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 薛敏杰 學(xué) 號(hào)： 0967112205 專 業(yè)：測(cè)控技術(shù)與儀器 班 級(jí)： 2009-（ 2）班 指導(dǎo)教師：李 忠虎 前言 在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中， 高爐煉鐵的實(shí)質(zhì)在于用焦炭做燃料和還原劑，在高溫下，將鐵礦石或含鐵原料中的鐵，從氧化物或礦物狀態(tài)還原為液態(tài)生鐵。因此，高爐煉鐵的本質(zhì)是鐵的還原過程。高爐生產(chǎn)的產(chǎn)品是生鐵，副產(chǎn)品是爐渣 、高爐煤氣和爐塵灰。高爐冶煉過程是一個(gè)連續(xù)的、大規(guī)模的、高溫生產(chǎn)過程。爐料（礦石、熔劑、焦炭）按照確定的比例通過裝料設(shè)備分批地從爐頂裝入爐內(nèi)。從下部風(fēng)口鼓入高溫?zé)犸L(fēng)使焦炭燃燒。燃燒生成的高溫還原性煤氣，在上升過程中與下降的爐料相遇，使其加熱、還原、熔化、造渣，產(chǎn)生一系列的物理化學(xué)變化，最后生成液態(tài)渣、鐵，聚集于爐缸，周期的從高爐 排出。上升的煤氣流由于將能量傳給爐料，溫度不斷降低，成分逐漸變化，最后變成高爐煤氣從爐頂排出。高爐實(shí)質(zhì)是一個(gè)爐料下降、煤氣上升兩個(gè)逆向流運(yùn)動(dòng)的反應(yīng)器。高爐一經(jīng)開爐就必須連續(xù)地進(jìn)行生產(chǎn)。 但高爐煉鐵環(huán)節(jié)中，熱風(fēng)爐的溫度穩(wěn)定控制成了高爐煉鐵成功與否的關(guān)鍵因素。 熱風(fēng)爐是現(xiàn)代大型高爐主體的一個(gè)重要組成部分，其作用是把從鼓風(fēng)機(jī)來(lái)的冷風(fēng)加熱到工藝要求的溫度形成熱風(fēng)，然后從高爐風(fēng)口鼓入，幫助焦炭燃燒。所以熱風(fēng)爐的熱風(fēng)溫度大小或穩(wěn)定與否都對(duì)于整個(gè)高爐煉鐵有著很大的影響。 所以我們要做一套設(shè)計(jì)，控制熱風(fēng)爐的溫度，保證生產(chǎn)的正常 進(jìn)行。 本次課程設(shè)計(jì)正是針對(duì)于高爐煉鐵生產(chǎn)中熱風(fēng)爐的單爐送風(fēng)系統(tǒng)，利用單閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)反饋控制，使得熱風(fēng)爐的熱風(fēng)溫度能夠達(dá)到高爐煉鐵生產(chǎn)的工藝要求。 目 錄 前言 1 1 熱風(fēng)爐簡(jiǎn)介 2 風(fēng)爐原理及應(yīng)用方式 2 風(fēng)爐工藝簡(jiǎn)介 3 2 熱風(fēng)爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 悉工藝過程，確定控制目標(biāo) 5 擇被控變量 6 擇操縱變量 6 定控制方案 6 擇控制算法 6 制儀表的選型 7 度傳感器及變送器選擇 7 行器的選擇 8 節(jié)器的選擇 8 制系統(tǒng)框圖 9 3 總結(jié) 10 參考文獻(xiàn) 11 1 熱風(fēng)爐工藝簡(jiǎn)介 風(fēng)爐原理及應(yīng)用方式 熱風(fēng)爐是鍋爐的一種，根據(jù)熱風(fēng)爐原理，熱風(fēng)爐在不同行業(yè)的應(yīng)用方式有兩種：一種是直接 利用熱風(fēng)的來(lái)加熱的方式。另一種是需要間接利用熱風(fēng)來(lái)加熱的方式。熱風(fēng)爐作為熱動(dòng)力機(jī)械的熱風(fēng)爐于 20 世紀(jì) 70 年代末在我國(guó)開始廣泛應(yīng)用 ,它在許多行業(yè)已成為電熱源和傳統(tǒng)蒸汽動(dòng)力熱源的換代產(chǎn)品。通過長(zhǎng)時(shí)間的生產(chǎn)實(shí)踐，人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，只有利用熱風(fēng)作為介質(zhì)和載體才能更大地提高熱利用率和熱工作效果。傳統(tǒng)電熱源和蒸汽熱動(dòng)力在輸送過程中往往配置多臺(tái)循環(huán) 風(fēng)機(jī)， 使之最終還是間接形成熱風(fēng)進(jìn)行烘干或供暖操作。這種過程 顯然存在大量浪費(fèi)能源及造成附屬設(shè)備過多 、工藝過程復(fù)雜等諸多缺點(diǎn)。 更大的問題是，這種熱源對(duì)于那種需要較高溫度干燥或烘烤作業(yè)的要求， 則束手無(wú)策。針對(duì)這 些實(shí)際問題經(jīng)過多年潛心研究， 于研制出深受國(guó)內(nèi)外用戶歡迎的 列螺旋翅片管換熱間接式熱風(fēng)爐和 列高凈化直接式熱風(fēng)爐。熱風(fēng)爐的應(yīng)用范圍：化工和制藥行業(yè)化學(xué)制品、化工產(chǎn)品和藥品的制備和干燥；涂裝行業(yè)汽 車、摩托車、集裝箱、家電、印鐵制罐等工業(yè)產(chǎn)品的烘烤漆，噴粉固化等；紡織印染和無(wú)紡布行業(yè)熱定型、熱熔染色、焙烘、熱風(fēng)拉幅；鑄造行業(yè)型砂和砂芯烘干；磨具、磨料行業(yè)砂布和砂輪烘干；建材行業(yè)木材干燥、人造 板、層壓板烘干、石膏板烘干、玻璃纖維制品烘干；農(nóng)產(chǎn)品、飼料及食品加工烘烤咖啡、茶葉、煙葉及蔬菜、谷物、掛面、水產(chǎn)品、魚粉、豆粕 等干燥；供暖工程工業(yè)廠房及民用建筑采暖；焊接材料行業(yè)焊條、焊劑烘干；保溫材料、玻璃鋼行業(yè)硅酸鋁纖維制品、稀土保溫、玻璃鋼制品的烘干。 風(fēng)爐工藝 熱風(fēng)爐工藝是高爐煉鐵工藝的一部分，了解熱風(fēng)爐工藝前必須先了解一下高爐煉鐵的工藝。 高爐煉鐵的實(shí)質(zhì)在于用焦炭做燃料和還原劑，在高溫下，將鐵礦石或含鐵原料中的鐵，從氧化物或礦物狀態(tài)還原為液態(tài)生鐵。因此，高爐煉鐵的本質(zhì)是鐵的還原過程。高 爐生產(chǎn)的產(chǎn)品是生鐵，副產(chǎn)品是爐渣 、高爐煤氣和爐塵灰。 高爐冶煉過程是一個(gè)連續(xù)的、大規(guī)模的、高溫生產(chǎn)過程。爐料（礦石、熔劑、焦炭）按照確定的比例通過裝料設(shè)備分批地從爐頂裝入爐內(nèi)。從下部風(fēng)口鼓入高溫?zé)犸L(fēng)使焦炭燃燒。燃燒生成的高溫還原性煤氣，在上升過程中與下降的爐料相遇，使其加熱、還原、熔化、造渣，產(chǎn)生一系列的物理化學(xué)變化，最后生成液態(tài)渣、鐵，聚集于爐缸，周期的從高爐排出。上升的煤氣流由于將能量傳給爐料，溫度不斷降低，成分逐漸變化，最后變成高爐煤氣從爐頂排出。高爐實(shí)質(zhì)是一個(gè)爐料下降、煤氣上 升兩個(gè)逆向流運(yùn)動(dòng)的反應(yīng)器。高爐一經(jīng)開爐就必須連續(xù)地進(jìn)行生產(chǎn) ，生產(chǎn)工藝流程如圖 1 圖 產(chǎn)工藝流程 熱風(fēng)爐是現(xiàn)代大型高爐 煉鐵 主體的一個(gè)重要組成部分，其作用是把從鼓風(fēng)機(jī)來(lái)的冷風(fēng)加熱到工藝要求的溫度形成熱風(fēng)，然后從高爐風(fēng)口鼓入，幫助焦碳燃燒。熱風(fēng)爐是按“蓄熱”原理工作的熱交換器，在燃燒室里燃燒煤氣，高溫廢氣通過格子磚并使之蓄熱，當(dāng)格子磚充分加熱后，熱風(fēng)爐就可以改為送風(fēng)，此時(shí)有關(guān)燃燒各閥關(guān)閉，送風(fēng)各閥打開，冷風(fēng)經(jīng)格子磚而被加熱并送出。高爐一般裝有 3單爐送風(fēng)時(shí)，兩座或三座在加熱，一座在送風(fēng)，輪流更換，在并聯(lián)送風(fēng)時(shí)，兩座在加熱 ，兩座在送風(fēng)。這里以一座熱風(fēng)爐設(shè)計(jì)組態(tài)為例，其它熱風(fēng)爐與其類似 。 后面的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)就是在熱風(fēng)爐單爐送風(fēng)條件下做的，單爐送風(fēng)生產(chǎn)流程如圖 1 圖 1爐送風(fēng)生產(chǎn)流程 E - 1E - 2V - 1V - 6V - 7V - 8送 風(fēng) 機(jī)空氣高爐煤氣焦?fàn)t煤氣混 合 調(diào) 節(jié) 閥冷 風(fēng)熱 風(fēng)煉 鐵 高 爐熱 風(fēng) 爐廢 煙 氣2 熱風(fēng)溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 悉工藝過程，確定控制目標(biāo) 高爐煉鐵對(duì)于熱風(fēng)爐送進(jìn)高爐的熱風(fēng)溫度有著嚴(yán)格的要求，從鼓風(fēng)機(jī)來(lái)的風(fēng)溫約 150經(jīng)過熱風(fēng)爐的風(fēng)溫可高于 1300，而高爐所需的熱風(fēng)溫度約為1000且須溫度穩(wěn)定。所以在確保系統(tǒng)安全運(yùn)行情況下，只有穩(wěn)定送入高爐熱風(fēng)的溫度，才能確保高爐內(nèi)生產(chǎn)連續(xù)正常。 擇被控變量 在 一個(gè)生產(chǎn)過程 中 ，影響正常操作的因素 有很多 。但是，并非對(duì)所有的影響因素都要加以控制。所以，必須根據(jù)工藝要求，深入分析工藝過程，找出對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量、安全運(yùn)行、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、環(huán)境環(huán)保等具有決定性作用并且可直接測(cè)量的工藝參數(shù)作為被控參數(shù)，構(gòu)成過程控制系統(tǒng)。第 1 章的最后一節(jié)針對(duì)了熱風(fēng)爐的生產(chǎn)工藝要求進(jìn)行分析，也確定了穩(wěn)定送入高爐的熱風(fēng)溫度為控制目標(biāo)，且溫度的測(cè)量比較方便，信號(hào)的轉(zhuǎn)換也比較簡(jiǎn)單。所以，選擇送入高爐的熱風(fēng)溫度為被控參數(shù)。 擇操縱變量 由工藝可知，影響送入高爐的熱風(fēng)溫度的主要因素有冷風(fēng)溫度、熱風(fēng)爐內(nèi)熱風(fēng)溫度和混合區(qū)冷風(fēng)流量。選擇其中任何一 變量作為控制參數(shù)，都可以實(shí)現(xiàn) 對(duì) 送入高爐熱風(fēng)溫度的控制。但是對(duì)工藝分析可知，從鼓風(fēng)機(jī)冷風(fēng)溫度 約 150并沒有采取相應(yīng)的方法來(lái)改變其溫度。 而在熱風(fēng)爐對(duì) 高爐進(jìn)行單爐送風(fēng)時(shí)，熱風(fēng)爐處于送風(fēng)狀態(tài)，并不能對(duì)熱風(fēng)爐進(jìn)行加熱來(lái) 改變熱風(fēng)爐內(nèi)的熱風(fēng)溫度，并且通過改變冷風(fēng)溫度或者高爐內(nèi)的熱風(fēng)溫度來(lái)控制送入高爐熱風(fēng)溫度時(shí)，控制通道長(zhǎng)，滯后時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)被控參數(shù)的校正作用不靈敏。當(dāng)選擇混合區(qū)的冷風(fēng)流量作為控制參數(shù)時(shí)，由混合調(diào)節(jié)閥控制混合區(qū)流入的冷風(fēng)流量 ， 直接進(jìn)入混合區(qū)改變送入高爐熱風(fēng) 的 溫度，控制通道短、滯后時(shí)間短、對(duì)被控參數(shù)的 校正作用靈敏，而且干擾 進(jìn)入系統(tǒng)的位置遠(yuǎn)離被控參數(shù)，所以將混合區(qū)冷風(fēng)流量作為控制參數(shù) 是最佳選擇。 定控制方案 控制方案主要取決于控制目標(biāo)。由前面的工藝介紹可知，該控制系統(tǒng)的控制目標(biāo)明確，控制要求比較簡(jiǎn)單， 被控過程純延時(shí)和慣性小，負(fù)荷和擾動(dòng)變化比較 平緩 ，且控制系統(tǒng)是基于反饋條件下的。所以選用單回路環(huán)控制系統(tǒng)足以滿足控制要求，且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于設(shè)計(jì)和控制。 系統(tǒng)方框圖如圖 2示。 混 合 電 動(dòng) 調(diào) 節(jié) 閥調(diào) 節(jié) 器溫 度 變 送 器熱 風(fēng) 管 道e ( t ) u ( t ) q ( t )f ( t )y ( t )x ( t )r ( t )圖 2單回路控制系統(tǒng)方框圖 擇控制算法 選擇控制算法是過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)核心內(nèi)容，控制算法應(yīng)與被控對(duì)象的特性匹配，這樣才能使控制系統(tǒng)滿足生產(chǎn)過程對(duì)控制質(zhì)量的要求。由于選擇比較簡(jiǎn)單的被控過程，所以選用常規(guī)的 制算法就可滿足控制要求。 (2檢測(cè)控制儀表選型 溫度傳感器及變送器選擇 由前面工藝介紹可知，要求溫度傳感器能檢測(cè)到的溫度大約在 0精度等級(jí)的要求為 。 為了減小測(cè)量滯后，溫度傳感器應(yīng)安裝在 冷熱風(fēng)混合后管道 附近。為提高檢測(cè)精度，應(yīng)采用三線制接法，并配用溫度變送器。 根據(jù)查找資料可得，鉑銠 10技術(shù)數(shù)據(jù) 見表 2 表 2標(biāo)準(zhǔn)化熱電偶技術(shù)數(shù)據(jù) 熱電偶名稱 分度號(hào) 熱電極標(biāo)示 E（ 100,0） （ 測(cè)溫范圍（） 對(duì)分度表允許誤差 極性 識(shí)別 長(zhǎng)期 短期 等級(jí) 使用溫度（） 允差 鉑銠 10S 正 亮白較硬 1300 1600 600 負(fù) 亮白 600 011柔軟 t 由于 鉑銠 10電信號(hào)，不能直接送入調(diào)節(jié)器，所以選用 溫度變送器則可以將熱電偶輸出的 號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?4電信號(hào)供調(diào)節(jié)器使用，而且 溫度變送器還能對(duì)熱電偶進(jìn)行有效的冷端補(bǔ)償，使 溫度測(cè)量變送過程變得更簡(jiǎn)單 。 執(zhí)行器的選擇 由于在整個(gè)控制系統(tǒng)中，執(zhí)行器安裝的位置在冷風(fēng)管道上，所處的環(huán)境不用考慮防爆問題，所以可以選擇電動(dòng)式執(zhí)行器，這樣執(zhí)行器就可以直接接收調(diào)節(jié)器發(fā)出的電信號(hào)。 調(diào)節(jié)器輸出的模擬信號(hào)為 4電信號(hào)為 4 ，調(diào)節(jié)閥 處于全關(guān)狀態(tài)；當(dāng)電信號(hào)為 20 ，調(diào)節(jié)閥處于全開狀態(tài) 。根據(jù)管路特性、生產(chǎn)規(guī)模及工藝要求，宜選用百分比流量特性的調(diào)節(jié)閥；而具體的調(diào)節(jié)閥尺寸則要根據(jù)被控介質(zhì)流量大小及調(diào)節(jié)閥流通能力來(lái)選擇。 調(diào)節(jié)器選擇 根據(jù)工藝特點(diǎn)和控制精度要求，調(diào)節(jié)器應(yīng)采用 制規(guī)律，才能滿足整個(gè)控制系統(tǒng)的要求。理想 制器的運(yùn)算規(guī)律可以用下式表示： 01() p d t (2也可以用傳遞函數(shù)表示為 (2調(diào)節(jié)器的作用方式要根據(jù)控制系統(tǒng)的負(fù)反饋原則來(lái)選定。由于執(zhí)行器為電動(dòng)式，故 “”；當(dāng)混合調(diào)節(jié)閥開度增加時(shí)，混合區(qū)熱風(fēng)溫度下降，故被控對(duì)象的 “”；測(cè)溫儀表的 “”。為使組成系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)的靜態(tài)放大系 數(shù)相乘為“”，調(diào)節(jié)器的 為“”，故調(diào)節(jié)器選用正作用方式。 繪制控制系統(tǒng)圖 根據(jù)上述方案設(shè)計(jì)，熱風(fēng)爐熱風(fēng)溫度控制流程及系統(tǒng)方框圖如圖 2 s )s )s )s )F ( s )Y ( s )R ( s )X ( s )(a)溫度控制系統(tǒng)框圖 (b)溫度流程圖 圖 2熱風(fēng)爐生產(chǎn)過程熱風(fēng)溫度控制系統(tǒng)圖 E - 1E - 2V - 2V - 4V - 3V - 1送 風(fēng) 機(jī)空氣高爐煤氣焦?fàn)t煤氣混 合 調(diào) 節(jié) 閥冷 風(fēng)熱 風(fēng)煉 鐵 高 爐熱 風(fēng) 爐廢 煙 氣T 3 總結(jié) 為期兩周的過程控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)結(jié)束了， 在上學(xué)期的生產(chǎn)實(shí)習(xí)中我們?cè)诶罾蠋熀烷Z老師的帶領(lǐng)下參觀了寶鋼集團(tuán)很多的生產(chǎn)工藝流程，其中最感興趣的就屬高爐煉鐵這個(gè)工藝，高爐冶煉過程是一個(gè)連續(xù)的、大規(guī)模的、高溫生產(chǎn)過程。因?yàn)槭歉邷厣a(chǎn)過程，所以對(duì)溫度的控制要求就很嚴(yán)格，所以這就讓我對(duì)它的溫度控制產(chǎn)生了濃厚興趣，之后就開始了解并學(xué)習(xí)其的生產(chǎn)工藝過程。 通過學(xué)習(xí)，才知道高爐煉鐵的溫度控制是很復(fù)雜的一個(gè)過程，以我們目前的水平很難完善的選擇并控制整個(gè)工藝溫度控制系統(tǒng)，但是在李老師的講解下，我們知道了，高爐煉鐵工藝過程中，熱風(fēng)爐的 溫度我們足可以很好的控制它。恰好我們這學(xué)期開展了一個(gè)過程控制的課程設(shè)計(jì)，所以熱風(fēng)爐的溫度控制就成了我的課設(shè)題目。 高爐煉鐵對(duì)于熱風(fēng)爐送進(jìn)高爐的熱風(fēng)溫度有著嚴(yán)格的要求，從鼓風(fēng)機(jī)來(lái)的風(fēng)溫約 150經(jīng)過熱風(fēng)爐的風(fēng)溫可高于 1300，而高爐所需的熱風(fēng)溫度約為1000且須溫度穩(wěn)定。所以在確保系統(tǒng)安全運(yùn)行情況下，只有穩(wěn)定送入高爐熱風(fēng)的溫度，才能確保高爐內(nèi)生產(chǎn)連續(xù)正常。所以對(duì)這個(gè)工藝過程，我們展開了為期倆周的課程設(shè)計(jì)，在李老師每周三次答疑解惑的幫助下，我們從不熟悉，到熟悉，到真正弄懂了這個(gè)生產(chǎn)工藝 ，并對(duì)其溫度控制設(shè)計(jì)了一個(gè)合理的控制系統(tǒng)。其中的成就感別提多高了，通過這個(gè)課程設(shè)計(jì)，我們學(xué)會(huì)了考慮問題的全面性，分析問題的合理性。這讓我們?cè)谝院蟮膶W(xué)習(xí)生活中都獲益匪淺。 課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)高素質(zhì)工程技術(shù)人才的一個(gè)重要實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，是將教學(xué)與生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合，理論與實(shí)踐相聯(lián)系的重要途徑。在這段短暫的課程設(shè)計(jì)時(shí)間里，我們的收獲很多很多，如果用簡(jiǎn)單的詞匯來(lái) 概括就顯得言語(yǔ)的蒼白無(wú)力，至少不能很準(zhǔn)確和清晰的表達(dá)我們受益匪淺。我們通過課程設(shè)計(jì)，把專業(yè)知識(shí)和人才素質(zhì)兩方面得到鍛煉和培養(yǎng)，從而為畢業(yè)后走向工作崗位盡快成為業(yè)務(wù) 骨干打下良好基礎(chǔ)。為進(jìn)一步學(xué)好專業(yè)課，從事這方面的研制、設(shè)計(jì)等打下良好的基礎(chǔ)。最后感謝學(xué)校老師給我們這一次課程設(shè)計(jì)的機(jī)會(huì)，讓我們收獲頗多，我們將以更積極主動(dòng)的學(xué)習(xí)態(tài)度，更扎實(shí)牢固的操作技能，更豐富深厚的理論知識(shí)回報(bào)社會(huì)。 最后 ， 在此衷心感謝李忠虎老師對(duì)我這次課程設(shè)計(jì)的悉心指導(dǎo)，謝謝老師！ 參考文獻(xiàn) 1李文濤 過程控制 M北京：科學(xué)出版社， 2012. 2李忠虎 過程參數(shù)檢測(cè)技術(shù)及儀表 M北京：中國(guó)計(jì)量出版社， 2009. 3吳勤勤 控制儀表及裝置 M北京：化學(xué)工業(yè)出版社， 2006. 4周國(guó)慶