热风炉控制系统设计.docx
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热风炉控制系统设计
摘要
本篇论文针对热风炉在工业生产的需要设计了热风炉自动化相关控制方式,包括了热风炉结构、功能和主要系统的自动控制的原理和在生产中的实际应用。
并重点叙述了热风炉的参数控制过程、热风炉检测仪表及控制系统、热风炉换炉自动控制系统和应用。
在每个控制环节中,都用相关工具描绘出相应参数的检测图。
本论文中,以热风炉的燃烧控制为例,说明参数控制的原理,在高炉炼铁过程中,对热风流量,压力和温度的要求相当的严格。
本论文就是用WINCC软件绘制人机界面对高炉本体的温度和压力进行密切的监控,用STEP7编程软件对PLC进行编程,通过PID调节来控制热风的流量,压力和温度以达到工程的要求。
在本论文中罗列出了每一个控制系统接线图及检测点,本控制系统的特点是控制系统结构和方案都清晰,简练。
小成本配置和先进的控制技术,选用SIEMENSPLC用作电力传输控制和回路控制,把工控机用作监控和过程控制,便于控制和消减成本。
系统的功能不仅覆盖显示传统的数字而且包括热风炉系统的参数控制的过程自动化。
关键词:
自动控制,热风炉,工业应用
ABSTRACT
Thisthesisdesignthehot-blaststoveautomatedcontrolsystemstructurebecauseoftheneedsofindustry,includingfunctionandmainlycontroltheprincipleofthesystemautomaticallyanditisphysicallyapplied.Emphasizedtodescribeaprocess,hot-blaststovedetectioninstrumentationandcontrolsystem,thehot-blaststovetradesthestoveautomaticcontrolsystemthathot-blaststoveparametercontrolandapplication.Intheprocessofineachcontrollink,withtheexaminationdiagramthattherelativedrawsaneachparameter,inthisthesistotakethecontrolofthehot-blaststovetradesthestoveautomaticcontrolsystemasanexample,theelucidationparametercontrol,andtohot-blaststovepressure,temperatureandflowspeciallystrict,thisthesisbewiththesoftwareofWINCCdrawstheman-machineinterfacetomonitoringthehot-blastpressure,temperatureandflowcarryingonweavingthedistancetothePLCwiththeSTEP7plaitdistancesoftware,regulatingthroughaPIDadjustmentthepressure,temperatureandflowofthehot-blaststovetoattaintherequestoftheengineering.Listedeachcontrolsystemtoconnectthelinediagramandexaminationstoorderinthisthesis,thecharacteristicsofthiscontrolsystemis:
theControlsystemstructureandthecontrolprojectsallsimple,lowcostinstallandforerunneroffunction,choosetobetheelectricpowerwiththeSiemensPLCtospreadtomovecontrolandthebacktrackcontrol,adoptingtheworktocontrolthemachineconductandactionssupervisionandtheprocesscontrols,fortheconvenienceofinsupportanddeclinelowcost.Thefunctionofthesystemincludesthetraditionalnumeralmanifestationandtotheprocessautomationofthedischargeandeachparametercontrolofthehot-blaststove.
Keywords:
automaticcontrol;Hot-blaststove;industrialapplication
摘要…………………………………………………………………………Ⅰ
ABSTRACT……………………………………………………………………Ⅱ
1绪论……………………………………………………………………………1
1.1热风炉的概述……………………………………………………………………1
1.2热风炉原理及应用范围………………………………………………………2
2热风炉生产工艺与控制要求…………………………………………………2
2.1热风炉工艺………………………………………………………………………3
2.2热风炉系统设备组成……………………………………………………………4
2.3热风炉的作用…………………………………………………………………5
2.4热风炉控制功能和要求…………………………………………………………6
3热风炉控制系统设计及其控制方案………………………………………………7
3.1热风炉的设计内容………………………………………………………………7
3.2热风炉工艺流程………………………………………………………………7
3.3高炉热风炉仪表控制要求………………………………………………………8
3.4热风炉燃烧过程控制………………………………………………………9
3.5混风温度控制方案…………………………………………………………13
3.6冷风温度和富氧自动控制………………………………………………16
3.7送风湿度控制…………………………………………………………17
4系统的基本配置………………………………………………………19
4.1热风炉系统仪表检测和控制系统的配备…………………………………19
4.2系统软件的组成和功能………………………………………………………20
4.3PLC配置及S7简述…………………………………………………………20
4.3.1PLC配置及功能…………………………………………………………20
4.3.2热风PLC系统说明………………………………………………………………22
5组态软件…………………………………………………………………………24
5.1WinCC简介……………………………………………………………………24
5.2WinCC的性能特点……………………………………………………………24
5.3WinCC系统构成………………………………………………………………24
5.4使用WinCC来开发和组态一个项目的步骤…………………………………25
5.5热风炉自动控制系统中CRT画面的功能……………………………………25
5.6CRT画面设置…………………………………………………………………26
结论………………………………………………………………………………34
参考文献…………………………………………………………………………35
附录A……………………………………………………………………………36
致谢……………………………………………………………………………40
1绪论
1.1热风炉的概述
热风炉是向高炉燃烧时供应热风而助燃的一种设备,一种储热类型的热交换器。
在国内,多数高炉都采取每座高炉配三到四台热风炉运用并联的方式轮流来送风,确保在任意一瞬间都必须有一座热风炉对高炉送风,每座热风炉都是按照:
“燃烧→休止→送风→休止→燃烧”这样的顺周期性进行运行。
当一座或者几座热风炉输送风的时候,其余的热风炉就会处于燃烧或休止状态。
输风热风炉温度冷却后,位于停止模式的热风炉开始输风,先前送风的热风炉即马上中断送风接着燃烧、蓄热直到达到要求的标准后,切换成停止状态等待下个周期的送风。
传统完善的高炉热风炉燃烧自动化系统都具备完整的基础自动化和运用数学模型来计算需要加热的煤气流量和助燃的空气流量,并且对于基础自动化的热风炉燃烧的自动控制系统加以相关的设定。
完善的基础自动化对燃烧时的混合煤气或者燃烧时预热的高炉煤气或者预热空气的热风炉来说包含:
煤气流量的控制,空气流量的控制,空气燃比的控制,拱顶温度的控制和废气温度的控制。
当热风炉在燃烧初期的时候用较高的煤气量和适当的空燃比(最好是还未对燃烧废气进行成分的分析时,按照剩余的氧气量来校正空燃比),运用快速的加热方法,让拱顶温度在短时间内达到预定值,接着按规律的加大空气量来维持拱顶的温度始终为预定值,在到了废气温度的处理期时,就是温度达到预定值时,就要消减煤气和空气的量来继续保持废气温度在预定值。
而就燃烧高炉煤气及焦炉煤气拥有三眼燃烧器的热风炉来讲,因为高炉煤气、焦炉煤气分别要送进,就需要分别设定相应流量的控制,流量的比例控制以及空燃比都要分别适合高炉煤气和焦炉煤气的需要,所以就使得系统的回路更加多、更加复杂。
热风炉的流量设置数学模型基本的原理就是让燃烧的时候热风炉格子砖的蓄热量适用从加热鼓风至生产时所达到的热风温度和流量需要的热量。
不仅数学模型比较复杂,而且需要设定自动分析加热煤气所有成分的分析仪器,此类仪器不但价格很高,并且要进行专业的保养,除此之外为了使数学模型更加有效,不得不通过完善的基础自动化。
因此,在中国除了上海的宝钢钢之外,其他钢铁厂基本都不用。
在国外,已经陆续出现采用人工智能方式来取代数学模型,像日本川崎钢铁企业就研发了模拟控制系统来替换数学模型。
新日铁也采用专家系统来替换数学模型。
因为上述完善的基础自动化仪表和控制回路都相当多,特别是要在三座或四座热风炉上都要设定,因此投资比较大。
此外,像这种仅有基础自动化的系统,在实际生产操作过程中还需人为的就热风炉的流量来进行相关设定,况且当前随着耐火的材料不断发展,所以耐温性能增高,热风炉拱顶更加不易烧坏,故拱顶没有限温必要,因此基础自动化并不被采纳,许多工厂的大型高炉大都运用较简单的系统,即只有煤气主管道德压力控制、阀位的自动化控制或煤气及空气流量,然后人工控制流量或阀位的预定值和开度。
因为人工控制法很难在预热煤气和空气温度的改变、高炉需要鼓风温度和流量的变化、助燃空气压力变化、热风炉蓄热量尚有富裕,校对热风炉加热时煤气和空气的流量,所以距优化和节能热风炉的操作期望值还有距离。
1.2热风炉原理及应用方式
热风炉是高炉工艺中不可或缺的一环,根据热风炉原理,热风炉在不同行业的应用方式有两种:
一种是直接,利用热风来加热的方式。
另一种是需要间接利用热风来加热的方式。
热风炉作为热动力机械的热风炉于20世纪70年代末在我国开始广泛应用,它在许多行业已成为电热源和传统蒸汽动力热源的换代产品。
经过很长时间的热风炉在生产中的实践,人们早已意识了,仅有把热风当作载体和介质时才可以最大限度地提升热使用效率和热工作效应。
老式的蒸汽热动力和电热源在传输过程里经常配备数台循环式风机,让它最后仍然间接的形成热风并进行烘干和供应暖气的操作。
此过程很明显造成附属设备过多以及存在大量的浪费能源现象、工艺过程也很复杂等许多不足。
而更为重要的是,这些热量源对于需要较高温度条件干燥或者烘烤生产的需求,就显得没有办法。
对于此类实际问题进行长时间的专研,最后研发出备受广大用户接受的ZRL系列高净化直接式热风炉和JRL系列的螺旋式翅片管换热间接式热风炉。
热风炉的应用范围:
化工和制药行业化学制品、化工产品和药品的制备和干燥;涂装行业汽车、摩托车、集装箱、家电、印铁制罐等工业产品的烘烤漆,喷粉固化等;纺织印染和无纺布行业热定型、热熔染色、焙烘、热风拉幅;铸造行业型砂和砂芯烘干;磨具、磨料行业砂布和砂轮烘干;建材行业木材干燥、人造板、层压板烘干、石膏板烘干、玻璃纤维制品烘干;农产品、饲料及食品加工烘烤咖啡、茶叶、烟叶及蔬菜、谷物、挂面、水产品、鱼粉、豆粕等干燥;供暖工程工业厂房及民用建筑采暖;焊接材料行业焊条、焊剂烘干;保温材料、玻璃钢行业硅酸铝纤维制品、稀土保温、玻璃钢制品的烘干。
2热风炉生产工艺与控制要求
2.1热风炉工艺
热风炉工艺是高炉炼铁工艺的一部分,了解热风炉工艺前必须先了解一下高炉炼铁的工艺。
高炉炼铁的实质在于用焦炭做燃料和还原剂,在高温下,将铁矿石或含铁原料中的铁,从氧化物或矿物状态还原为液态生铁。
因此,高炉炼铁的本质是铁的还原过程。
高炉生产的产品是生铁,副产品是炉渣、高炉煤气和炉尘灰。
高炉冶炼过程是一个连续的、大规模的、高温生产过程。
炉料(矿石、熔剂、焦炭)按照确定的比例通过装料设备分批地从炉顶装入炉内。
从下部风口鼓入高温热风使焦炭燃烧。
燃烧生成的高温还原性煤气,在上升过程中与下降的炉料相遇,使其加热、还原、熔化、造渣,产生一系列的物理化学变化,最后生成液态渣、铁,聚集于炉缸,周期的从高炉排出。
上升的煤气流由于将能量传给炉料,温度不断降低,成分逐渐变化,最后变成高炉煤气从炉顶排出。
高炉实质是一个炉料下降、煤气上升两个逆向流运动的反应器。
高炉一经开炉就必须连续地进行生产,生产工艺流程如图2-1。
图2-1高炉炼铁生产工艺流程
热风炉是现代大型高炉炼铁主体的一个重要组成部分,其作用是把从鼓风机来的冷风加热到工艺要求的温度形成热风,然后从高炉风口鼓入,帮助焦碳燃烧。
热风炉是一种按照蓄热原理来工作的热交换器,通过在燃烧室来燃烧煤气,温度较高的废气经过格子砖使格子砖达到蓄热的目的,在格子砖完全达到加热的目的后,此时热风炉变改为送风状态,此时有关燃烧各阀关闭,送风各阀打开,温度较低的经过格子砖被加热然后送出来。
一般的高炉安装三至四座热风炉,在单炉送风时,其中一座送风,另外两座或三座在加热,另外一座在送风,轮流更换:
在并联送风时,两座在加热,两座在送风。
这里以一座热风炉设计组态为例,其它热风炉与其类似。
后面的控制系统设计就是在热风炉单炉送风条件下做的,单炉送风生产流程如图2-2。
图2-2单炉送风生产流程
2.2热风炉系统设备组成
热风炉系统包括4座热风炉、2台助燃风机和1座液压站组成。
每座热风炉安装了11台阀门,分别是:
冷风阀(LFF)、热风阀(RFF)、冷风充压阀(LCF)、冷风调节阀(LTF)等。
燃烧系统阀门有:
废气阀(FQF)、烟道阀(YDF)、助燃空气燃烧阀(ZQF)、助燃空气调节阀(ZTF)、高炉煤气燃烧阀(RSF)、高炉煤气切断阀(MQF)、高炉煤气调节阀(MTF)等。
另外还有3台公共辅助阀门,分别是热风炉倒流休风放散阀、混风切断阀、混风调节阀。
图2-3热风炉系统结构图
2.3热风炉的作用
一般的高炉配有四座顶燃式热风炉,热风炉主要负责燃烧、蓄热、给冷风加热,并将热风送进高炉。
即热风炉的用途是要将鼓风加热到预定的温度,它是根据“蓄热”原理运行的一种热交换器。
在燃烧室中把煤气燃烧,高温废气通过格子砖并使之蓄热,当格子砖充分加热后,此时就可以改为送风,此时有关燃烧各阀关闭,送风各阀打开,冷风经格子砖而备加热并送出。
高炉通常装有3~4座热风炉,在“单炉送风”时,两座或三座在加热,一座在送风,轮流更换,在“并联送风”时,两座加热两座送风。
2.4热风炉控制功能
本系统根据工艺要求,对热风炉本体及附属系统(如送风系统,高炉煤气系统、冷风系统、预热系统、热风阀冷却系统等)的有关热工参数进行显示。
并对有关参数进行趋势记录,对煤气流量和冷风流量进行计算,同时提供必要的电气联锁信号。
热风炉由耐火材料砌筑而成,可承受极高的温度及温度变化,在热风炉燃烧期,高炉煤气和助燃空气在燃烧室内燃烧。
燃烧废气通过烘顶后进入蓄热室格子砖,热量传递给格子砖,单烘顶温度荷废气温度达到规定值后燃烧期停止,废气由烟囱排出大气。
热风炉准备向高炉提供热风。
即进入送风期。
在送风期,冷风以相反的方向吹入格子砖。
空气被加热,离开热风炉成为热风,热风经热风支管、主管、围管进入高炉。
由于一个热风炉的作用是间断的热交换,而高炉需要提供连续的热风,所以三或座热风炉是必要的。
热风炉的控制功能可分为以下三个主要部分:
----热风炉燃烧
----热风炉顺控和换炉
----热风炉本体和热风公共部分
热风炉燃烧由控制系统程序控制,它完成热风炉荷热过程的调节控制和设计值计算即监视控制等。
热风炉顺控和换炉操作:
由来自控制系统的热风炉换炉逻辑中的顺序开始指令执行,液压和电动阀门按要求的位置顺序动作,具有用于操作者的状态指示和报警。
用于全部高炉操作的热风和热风炉公共部分是必要的,也由控制和控制系统。
所有4座热风炉公共部分的项目均包含在此设备组中。
3热风炉自动控制系统设计及其控制方案
管道朝热风炉传送高炉煤气以及助燃空气,而高炉煤气和助燃空气在燃烧时产生的热烟气让热风炉蓄热;当热风炉处于燃烧的时候,它的助燃空气燃烧阀、烟道阀、废气阀、高炉煤气切断阀、高炉煤气燃烧阀等阀都保持运行状态,其它各阀(切断阀)均处于关闭。
3.1热风炉的设计内容
热风炉系统的设计内容:
1.设计高炉热风炉系统各种工艺设备(如:
热风炉顺控和换炉操作等)启动、停止以及过程参数(如:
包括高炉体数百项温度、压力、流量,鼓风的风量、风温、富氧量和富氧压力、喷媒量和喷媒压力,上料过程、布料过程的模拟盘、热风炉转台的转换等)的检测、报警、联锁系统。
2.设计、实现PID调节回路的连续控制和逻辑控制功能。
3.对各项参数(如:
热风炉余热量、冷风温度、送风温度、煤气流量和冷风流量)进行实时、历史趋势记录,生成班、日、月统计表。
研究目标:
1.在上位机实现高炉热风炉系统的自动控制、手动控制及就地显示。
2.系统采用分布I/O方式,设计实现高炉热风炉系统操作站与PLC高炉热风炉控制系统间的数据交换和通讯。
为提高生产安全性,要保证基本联锁要求。
热风炉系统过程控制技术主要的作用有:
1节能降耗,2改善环境,3提高效率。
因此,热风炉自动控制系统的设计及应用、推广成为热风炉技术发展的主要方向之一。
3.2热风炉工艺流程
1.热风炉工艺流程
热风炉主要任务,是将由冷风总管送来的冷风经热风炉送风系统阀门送至热风炉加热后,再送到高炉。
2.热风炉工作状态
热风炉主要有三种工作状态:
即燃烧状态、送风状态和闷炉工作状态。
(1)热风炉燃烧状态
热风炉处于燃烧状态时,通过助燃空气和热风炉煤气管道状态。
(2)热风炉送风状态
当热风炉在送风状态的时候,向已经结束了燃烧但蓄有热量的热风炉输进冷风,冷风在经过热风炉加热后被送进高炉里面。
当热风炉处于送风状态时,它的热风阀、冷风阀、冷风充压阀等处于运行状态,其它各阀(切断阀)均处于停止状态。
(3)热风炉闷炉状态
在闷炉状态时,热风炉为保持温度,热风炉所有的阀门均处在停止状态。
3.热风炉在运行时的转换
当热风炉处于上面所介绍的三种状态之间的转变过程定义为换炉过程。
在热风炉的操作时,最基础的任务就是是换炉过程。
换炉时,必须确保热风炉系统持续的给高炉送风,而且应该尽量保证输送高炉的风量和风压波动微弱,另外不要忽视煤气安全。
热风炉工作状态改变周期顺序一般是按照:
燃烧→休止→送风→休止。
3.3热风炉仪表控制要求
1.热风炉仪表控制的主要功能
(1)助燃空气总管压力检测和控制
本控制系统为单参数反馈控制,由空气总管压力与设定值进行比较来控制风机前的吸风管上的百叶窗式调节阀的开度,从而确保了助燃空气压力的稳定。
(2)净煤气总管温度检测、压力检测和控制
(3)热风炉燃烧控制
高炉热风炉燃烧采用高炉煤气,煤气热值经常波动。
燃烧控制得好坏将直接影响热风炉的拱顶温度及燃烧的热效率,因此燃烧控制是热风炉最难、最关键的控制环节之一。
(4)热风炉混风温度控制
热风温度控制以工艺要求,不同的工作制,相应风温控制的办法也有差异。
在一般工作制时,凭借混风阀混冷风来改变热风总管风温,而在用辅助工作制的时候,因为这时为两烧两送,故风温控制依靠先行炉送风与后行炉送风量的大小来进行控制以达到稳定风温的目的。
(5)冷风温度和富氧自动控制、送风湿度控制。
2.热风炉仪表控制的主要参数
高炉热风炉控制系统主要参数有:
拱顶温度、废气温度、废气含氧量、高炉煤气支管流量、高炉煤气支管压力、助燃空气总管温度、助燃空气总管压力、净煤气总管温度、净煤气总管压力和净煤气总管流量。
3.4热风炉燃烧过程控制
热风炉的燃烧控制主要包括拱顶温度控制、废气温度控制、空燃比控制、废气中含氧量分析。
热风炉燃烧时采用的燃料是高炉煤气(BFG)和焦炉煤气(COG)和,两种燃料到达热风炉燃烧室后,充分混合在一起,然后和助燃空气同时经过陶瓷烧嘴发生燃烧。
热风炉燃烧的时长大概为两个小时。
燃烧时,炉体温度要控制在1050摄氏度左右,同时,拱顶的最高温度不得大于1350度。
热风炉燃烧控制凭借改变助燃空气和煤气流量和他们的比值(空燃比)来实现。
完善的基础自动化就燃烧预热的高炉煤气或者燃烧混合煤气和预热空气的热风炉来讲,包括煤气流量控制、空燃比控制、空气流量控制、废气温度和拱顶温度控制。
下图为热风炉的燃烧控制过程,它分为蓄热期和加热期。
当处于加热期,在有限的燃烧时间和热风炉拱顶温度下,要尽可能快的达到规定拱顶温度,即缩小加热时间,从而延长蓄热的时间,让热风炉里面储备更多热量,减小在送风过程中风温的波动。
在蓄热期内,除了控制拱顶温度为恒定值外,还需要把废气的温度考虑进去。
热风炉废气的温度必须在规定的界限内(图3-1中350℃),不然将损坏炉篦子支柱,使炉体寿命降低,而且使热损失增加。
欲使废气温度降低,目前主要采用降低煤气量的方法来解决这个问题,但降低煤气量就会造成降低拱顶温度、降低热风炉蓄热量。
怎样吸收更多的蓄热量,同时保持废气温度在规定界限内是热风炉控制急需解决的问题。
图3-1热风炉燃烧过程原理图
下面分别介绍几种具有代表性的热风炉燃烧控制系统。
1)三孔燃烧器外燃式热风炉燃烧控制(图3-2)。
燃烧控制以拱顶温度为目标值来控制COG量,以废气温度为目标值来控制BFG量。
图3-2配三孔燃烧器外燃式热风炉燃烧控制
COG/BFG之间的比率和两种煤气与助燃空气的比率可由计算机根据数学模型演算的结果来设定,当计算机故障或停运时,可由手动设定器来进行人工设定。
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