过程设计加热炉

内蒙古科技大学过程控制课程设计 内蒙古科技大学过程控制课程设计 目录 第一章：序言.................................................................................1 1.1加热炉的发展............................................................................2 1.2钢的加热工艺............................................................................2 1.3加热炉的燃料选择....................................................................2 1.4步进梁式加热炉结构及工作原理............................................2 第二章：炉温自动化控制的实现.................................................... 2.1加热炉燃烧系统的组成............................................................2 2.2炉温自动控制系统框图及原理................................................3 2.3特殊温度—流量串级控制系统................................................4 2.4阀门开闭形式、控制器正反作用及调节规律………………5 2.5控制系统克服干扰的功能分析................................................5 2.6测量仪表选型及安全防爆........................................................6 第三章：加热炉炉温控制功能及计算机控制系统............................ 3.1仪表控制系统功能规格设置....................................................10 3.1.1供热区段温度自动调节系统的功能设置.............................10 3.1.2供热区的温度、流量调节功能.............................................12 3.1.3供热区温度、流量调节方式说明........................................12 3.2控制信号的产生和控制作用的实现........................................12 第四章：设计心得体会.................................................................13 附录.................................................................................................15 参考文献.........................................................................................16 摘 要 连续步进梁式加热炉是目前国际一种较为先进的钢材加热方式，是各种机械化炉底中使用最广、发展最快的炉型，是取代推钢式加热炉的主要炉型，本设计由炉膛温度与空气燃料组成串级—比值控制系统，通过控制燃料和空气的比例来控制炉膛内的温度，运用副回路的快速作用，有效地提高了控制质量。本设计通过步进梁式加热炉自动控制系统 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图简述了其工作原理，描述了温度、燃气串级控制系统的实现原理。 ……………………………………………………………………………………… 关键词：步进梁式加热炉、串级控制、热电偶、PID调节 Key words: walking beam reheating furnace 、Cascade Control system、thermocouple、PID regulation ……………………………………………………………………………………….. 第一章 引 言 1.1 加热炉的发展 早期加热炉的自动控制仅限于控制出口温度，方法是调节燃料进口的流量。现代化大型加热炉自动控制的目标是进一步提高加热炉燃烧效率，建设热量损失。随着节能技术不断发展，加热炉节能控制系统正日趋完善。以燃烧过程数学模型为依据建立的最佳燃烧过程计算机控制 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 已进入实用阶段。例如，按燃烧过程稳态数学模型组成的微机控制系统已开始在炼油厂成功使用。有时利用计算机实现约束控制，使加热炉经常维持在约束条件边界附近工作，以保证最佳燃烧。随着建立燃烧模型工作的进展和计算机技术的应用，加热炉燃烧过程控制系统将得到进一步的完善。连续步进梁式加热炉就是一种典型的钢坯加热炉，它用于批量生产的钢坯轧前加热，，是取代推钢式加热炉的主要炉型，额定产量为120t/h，最大产量能打到200t/h，在炉温控制方面，只需要对炉温和空气和燃料的流量进行测量，使用的热电偶和节流式流量计其技术在国内外都打到了比较成熟的水平，便于实现，而燃烧系统的自动化控制可以采用西门子S7——400可编程控制器PLC完成实现，最终完成各种钢坯的加热制度，而且它采用上下段供热，比较容易实现工业的自动化生产，满足了生产可靠性、指标先进、技术实用的要求，因此它得到了相当大的青睐。 ………………………………………………………………………………………….. 1.2 钢的加热工艺 钢坯在轧前进行加热是钢在热加工过程中一个必须环节，对轧钢加热炉而言，加热的主要目地就是提高钢的塑性，降低变形抗力。 钢在常温状态下的可塑性很小，因为在冷状态下轧制十分困难。通过加热提高钢的温度，可以明显提高钢可塑性，使钢变软，改善钢的轧制条件。一般来说刚的温度越高，其可塑性就越大，所需轧制力就越小。然而过高的温度也会加大燃料的费用，同时对设备性能需求也会提高，一般的加热温度在1280°C左右。 …………………………………………………………………………………………………………….. 1.3 加热炉燃料的选择 过去由于我国技术有限，燃料一般采用煤和重油，但是其利用率较低不仅提高了成本而且还对环境有着严重的破坏，现代加热炉采用工业煤气（俗称脏煤气）作为加热燃料，主要成分是CO、H2、CH4、C2H4、H2S、CO2、N2、O2、H2O等简单的化合物和胆汁混合物组成，煤气成分就是用上述各单衣气体在煤气中所占的体积分数来表示。燃烧值为5230——5670kJ/m3。 …………………………………………………………………………………………. 1.4 步进梁式加热炉的结构及工作原理 步进梁式加热炉炉底是一种机械化炉底炉，包括梁提升和平移运动机构以及驱动机构两部分，其中运动机构的任务是使笨重的炉底负荷能平稳的提升至规定的高度。平移机构依靠步进梁的有顺序运动使加热坯料在炉内逐步地从炉尾移动到炉头，加热炉分三区，钢坯刚入炉膛内为预热区，中间部分为加热段区，出炉部分为均热区，使坯料打到规定的温度后出炉。步进梁式加热炉是一个复杂的加工设备，它由：炉膛与炉衬、燃烧系统、供风系统、排烟系统、冷却系统、余热利用装置、装出料设备、检测及调节装置、电子计算机控制系统等构成，每个组成系统都有一套自己的控制装置。 ……………………………………………………………………………………… 第二章 步进梁式加热炉炉温控制的实现 2.1 加热炉燃烧系统结构组成 炉子采用最佳数量的温度控制段，即使均热段上下控制，二加热段上下分段控制，一加热段上下分段控制，共设有四个温度控制段，采用双交叉限幅的燃料燃烧控制系统。 燃烧系统包括烧嘴、煤气管道与助燃空气管道及煤气管道放散用的氨气管道。 图2.1 温度与空气燃料构成的串级比值控制系统工艺管道图 （visio绘制） (燃空比为K1/K2) （1）烧嘴：烧嘴一般采用目前研制比较成熟的平焰烧嘴、调焰烧嘴。 （2）煤气管道与助燃空气管道：煤气总管配有电动蝶阀1个、截止阀1个、快速切断调节阀1个。空气管道系统配备两台助燃空气鼓风机并联使用。 （3）空气预热器：空气预热器是加热炉为节约能源最大限度回收出炉烟气带走的热量，将助燃空气预热到500——550°C ………………………………………………………………………………………… 2.2 炉温自动控制系统 步进梁式加热炉炉温控制系统是一个炉膛温度与燃料及空气够成的一个串级—比值反馈控制系统，其实现思想是，通过热电偶测量炉膛内温度作为空气和燃料控制器的输入参数并与空气和燃料流量参数通过计算机求偏差、再经过PID调节后将其信号输出作为空气和燃料阀门执行机构的控制信号。 图2.2 炉膛温度与燃气流量构成的一个串级控制系统框图（visio绘制） ………………………………………………………………………………………… 2.3 特殊温度—流量串级控制系统 步进梁式加热炉炉温串级控制系统的特殊性在于，燃料气的流量检测采用涡轮流量计，其安装位置与正常情况不同，它是把流量计安装在控制阀后面。按常理，控制阀随着开度的变化，阀前后压力波动较大，影响了流量测量精度。但是，对于气相燃料来说，这种测量方式可以反映气体分子量的变化，也就是说能反映燃料流量的热值变化。所以采用这种流量副回路，不仅能反映燃料流量方面的干扰，也在一定程度上把燃料热值的变化干扰包含进来，有利于对热值扰动的克服。 图2.3 加热炉取温点和燃料气控制工艺图（visio绘制） 2.4 阀门开闭形式、控制器正反作用及调节规律 为了确保生产安全，燃料和助燃空气应选用气开阀，即保证在出现安全故障时燃料和助燃空气调节阀阀门处于关闭状态。由过程控制原理框图可知，温度和燃料控制器均选用反作用调节。 工艺上对串级控制系统要求比较高，主变量不允许存在余差，而对副变量的要求一般不是很严格，允许存在波动和余差。因为维持副变量的稳定并不是目的，设置副变量只是在于保证和提高主变量的控制作用。而从串级控系统的结构上，主环是一个定值系统，主控制器起着定值控制作用，而本设计主控制器控制的是温度这一通道容积滞后较大的对象，所以主控制器采取PID调节方式。副环是一个随动控制系统，为了快速跟踪干扰信号，控制器不需要带积分作用，因为积分滞后会使跟踪变缓，所以副控制器选用比例（P）调节规律即可。 值得注意的是，在实际生产过程中为了保护调节阀门，保证其使用寿命，应该防止其开合频繁动作，这就使得应允许炉温有一定的变化，即温度控制器的给定值不是一个定值，而是一个范围值，当温度差值处于某个范围时控制器不会发出调节信号，调节阀不动作。 调节阀： 单座直通阀 气开型 主控制器：反作用 PID调节 采样周期：15～20s 副控制器：反作用 P调节窄比例 采样周期：1～5s …………………………………………………………………………………………. 2.5 控制系统克服干扰的功能分析 当燃料突然增大，必然将使炉膛温度升高，但是由于炉膛具有一定的容量，干扰的影响滞后，也就是说燃料流量的变化导致炉膛温度改变需要一定的时间，温度控制器的偏差信号仍然为零，这样温度变送器的输出暂时也不会变化。可是当燃料流量变化的同时流量变送器马上就会检测到，并将其放大后送给流量控制器，但是流量控制器所接收到的给定信号没有变化，测量信号的增大将使它产生正偏差，由于流量控制器采用反作用的，它的输出将减小，又由于调节阀是气开式的，就会使燃料阀门关小一些，这样就减小了燃料的输出，由于调节阀动作需要一定的时间，温度变化将会在炉膛内反应出来，被热电偶检测到，随着温度上升，温度控制器将产生一个正偏差，控制器的反作用同样会使输出减小，流量控制器将进一步对调节阀进行控制，直至温度值重新返回到设定值。可见副回路起到“粗调” 而主回路起到“精调”的作用。 ………………………………………………………………………………………….. 2.6 测量仪表选型及安全防爆 由于炉膛温度较高，预热段工作温度为780°C、加热段工作温度为1320°C°、均热段工作温度为1280°C，所以测温元件应选取S型热电偶进行温度检测，原理图可知预热段、加热段、均热锻共需8个S型热电偶。 ①热电偶参数： 型号：铂铑10—铂型 分度号：S型 测温范围：长期：0—1300°C 短期1600°C 等级：Ⅲ 允许温差：±0.25%t 偶丝直径：0.5mm 传送信号：4—20mA电信号（配显示仪表） 补偿导线：SC型铜—铜镍0.6型补偿导线 图2.4铂铑型热电偶 燃气总管流量的检测采用涡轮流量计，助燃空气流量检测采用节流孔板+变送器的检测方式。 ②涡轮流量计参数： 公称口径：DN4—DN200 精度等级：±0.5级 防爆等级：ExdIIBT4 连接方式：法兰连接 远传显示：4—20mA电流（配显示仪表） 图2.5 涡轮流量计 ③节流式流量计参数： 节流元件：孔板 取压方式：法兰取压 公称直径：15—2000mm 公称压力：≤40Mpa 工作温度：-50℃≤t≤550℃ 量程比：1：10 精度等级：0.5 图2.6 节流孔板流量计 因为加热炉现场采用煤气这一极易爆炸性危险气体作为燃料，所以防爆控制仪表应选择本质安全型仪表，电路中的电压和电流被限制在一个允许的范围，保证仪表在正常工作或发生短接和元器件损坏等故障作用时产生的电火花和热效应不至于引起气体混合物爆炸。 表2.1 主要控制回路及现场设备选型和功能表 项目 位号 用途 硬件 软件功能 名称 数量 1 TI101～104 均热段炉温检测、调节 S型热电偶 4 显示、记录、调节、报警 2 TI201～204 加热段炉温检测、调节 S型热电偶 4 显示、记录、调节、报警 3 TI401～402 预热段炉温检测 S型热电偶 2 显示、记录 4 TI501～502 空气预热器前、后烟温检测 K型热电偶 2 显示、记录、控制、报警 5 TIC001 热风温度控制（放散） PT100/调节器 1/1 显示、记录、控制、报警 6 TI601～604 风机轴承温度 PT100 4 显示、记录、报警 7 FIC101～104 均热段天然气流量调节 孔板/差压变送器/调节切断阀 2/2/2 显示、记录、调节、切断 8 FIC201、202 加热段天然气流量调节 孔板/差压变送器/调节切断阀 2/2/2 显示、记录、调节、切断 9 FIC111、112 均热段天然气流量调节 孔板/差压变送器/调节阀 2/2/2 显示、记录、调节 10 FIC211、212 加热段空气流量调节 孔板/差压变送器/调节阀 2/2/2 显示、记录、调节 11 PIA401 天然气节点压力检测/快速切断 压力变送器/快速切断阀/调节阀 2/1/1 显示、记录、天然气切断、压力调节 12 PIC501、502 冷热风总管压力检测，调节 压力变送器/执行器 2/2 显示、记录 13 PIC010 炉膛压力调节 微差压变送器/执行器 1/1 显示、记录、调节、 14 PI601 冷却水总管压力检测 压力变送器 1 显示、记录、报警 15 PI602 冷却水总管流量 孔板/差压变送器 1/1 显示、记录、报警 16 PI701 氮气总管压力检测 压力变速器 1 显示、记录、 17 PI702 仪表气源压力检测1 压力变送器 1 显示、报警 18 PGA703 仪表气源压力检测2 电接点压力表 1 显示、报警 图2.7 燃气流量检测、控制点分布 ……………………………………………………………………………………… 第三章：加热炉炉温计算机自动化控制 3.1仪表控制系统功能规格设置 参见连续步进梁式加热炉自动控制原理图，因为此加热炉检测和控制的节点比较少，实际采用的是西门子公司中小型PLC可编程控制器进行控制。炉区供热调节回路：为保证各供热区温度的可控性，首先必须对各区设置独立的，以温度为主环，空/燃气流量调节为副环的炉温控制回路。根据工艺的供热情况，本加热炉共分为4个共燃烧控制回路，加热段上下采用在工业炉窖控制中典型的双交叉限幅控制方式。 ………………………………………………………………………………………… 3.1.1供热区段温度自动调节系统的功能设置 a、供热区工作状态、报警功能的设置 对于各供热段，自动选择两只热电偶的其中一只所测温度值或者该两只热电偶所测温度的平均值作为本段温度控制的PV值，对于下部，将左右两只热电偶设置为后背，一旦其中一直损坏，另一只自动担负其替代任务，同时发出段偶信号。 图3.1 加热段各检测点示意图， 从图上可以看出，各段下部的温度检测仅用于在线监视和断偶报警，而不参与控制作用。 b 、供热区炉温的设定方式 手动设定方式： 在CRT上，手动改变各段温度调节器的设定值（SP），对各段炉温进行设定。 程序设定方式： 对于不同规格和材质的坯料，有不同的出钢温度，因此在不同的出钢温度下也对应不同的各供热区炉膛温度，工艺人员可将对应于上述不同规格和材质的理想炉温设定值以数据库的形式，保存在仪表PLC内，并在CRT的参数设定画面上按钮显示，工作人员可根据需要，通过“一触式”按钮，对各供热段的炉温进行批量设定。 ……………………………………………………………………………………….. 3.1.2 供热区的温度、流量调节功能 a 、均热锻、加热段上部炉段热量的自动采用在工业炉膛控制中典型的双交叉限幅控制方式，以保证热负荷变化的合理空燃配比。同时，在典型的交叉限幅控制的基础上，如入适当的补偿信号，以提高系统的响应速度。 b 、均热段、加热段下部炉段热量的自动调节及切换 均热段、加热段下部燃烧控制段的热量设定可以在两种方式中切换 ：独立控制模式：由本段温度调节器的输出值比例设定；主从控制模式：由上段温度调节器的输出值按比设定，其中主从控制方式可以较好的协调本段内上下加热区的供热量，有效的防止了下段对上段的影响，保证了炉温的均匀性。 ………………………………………………………………………………………….. 3.1.3 供热区温度、流量调节方式说明 正常工作情况下为自动调节方式，但是同时设有手动、流量自动、温度自动和全自动四种调节方式。 A手动方式：在本方式下，系统的所有在线自动检测正常，空气和燃气流量的调节阀工作在手动方式。 B.流量自动方式：在本方式下，系统的所有在线自动检测正常，系统的温度调节处于开环状态，空/燃气的流量调节系统工作为闭环状态。 C.温度自动方式：本方式就是并联串级、交叉限幅工作方式。这是在坯料加热时，控制系统经常使用的方法。此时，系统的所有在线自动检测正常，流量调节回路、温度调节回路都工作在闭环状态。 D全自动调节方式：即优化控制。本方式是有加热炉二级计算机根据加热炉数学模型，定期向温度自动控制系统发出温度设定值，保证在各种工况下，坯料的出炉温度是稳定的，在这种情况下，坯料出炉温度是稳定的。 …………………………………………………………………………………………. 3.2控制信号的产生和控制作用的实现 集散控制系统（DCS）和PLC可编程系统是目前工业应用比较广泛的两种控制方式，在步进梁式加热炉控制系统中大多采用PLC控制系统进行控制，PLC可编程控制器性能稳定，功能可靠。变送器将检测到的信号转变为4—20mm标准信号，经过模/数转换后，通过以太网传输到计算机，控制器经过偏差计算和PID调节分析产生一个输出控制信号，信号又经过数/模转换后，通过多路转换器，从以太网传送到调节阀的执行机构，执行机构根据控制信号的大小动作到不同的位置，从而完成了阀门的不同开度，直至变送器检测到的信号等于设定值，即偏差为零，进而完成了一次完整的调节作用。 图3.2 步进梁式加热炉PLC计算机控制配置图 .......................................................................................................................................... 第四章：设计体会与心得 本次课程设计选题选取了上海宝钢集团有限公司钢坯加热生产中使用的连续步进梁式加热炉作为研究对象，分析设计了加热炉的温度控制系统这一课题。从确定选题到初步完稿，我花了两个星期复习所学知识，查阅图书馆资料以及上网搜索有关资料，对于自己亲手完成的设计感触很多，我不仅将所学过的关于检测仪表和过程控制的知识运用到了工业设计中，还通过自己主动积极的查阅图书馆资源培养了自己勇于面对问题、分析问题和解决问题的能力。为期两周的课程设计所用到的知识确是两年所学，有的甚至是我们自己主动去学习的关于自己相关专业的知识，同时，我还是面临着一些暂时无法解决的，超出自己知识和能力范围之内的问题，比如过程控制在计算机完成自动控制这一方面的知识我仅仅知道一些简单的工作原则，不能做到深入的分析和设计，这也将成为我下阶段学习的一个方向，我想只有真正掌握了计算机的自动化控制方面的知识才能在以后的工作中胜任复杂的工作环境，也才能在以后的职场中有晋升的余地。 附录： 连续步进梁式加热炉自动化控制系统流程图 参考文献 【1】武文斐，陈伟鹏，刘中强·冶金加热炉设计与实例·北京：化学工业出版社，2008 .4 【2】戚翠芬，张树海·加热炉基础知识与操作·北京：冶金工业出版社，2005.3 【3】王大克·仪表自动化系统设备选型及维护·上海：上海宝钢特殊钢事业部，2011.3 【4】戚翠芬·加热炉·北京：冶金工业出版社，2004. 2 【5】王树青，乐嘉谦·自动化与仪表工程师手册·北京：化学工业出版社，2010. 【6】吴勤勤·控制仪表及装置（第三版）北京：化学工业出版社，2009.5 【7】孙洪程，翁维勤，魏杰·过程控制系统及工程·北京：化学工业出版社，2010 .7 【8】李忠虎，李希胜·过程参数检测技术及仪表·北京：中国计量出版社， 2009.1 1 _1234567890.vsd _1234567891.vsd � �