热风炉温度控制

内蒙古科技大学过程控制课程设计论文
题目：高炉热风炉温度控制系统
学生姓名：高磊
学号：1067112123
专业：测控技术与仪器
班级：2010-1
指导教师：左鸿飞
目录
前言 2
1.热风炉工艺 3
1.1工作方式 3
1.1.1 直接式高净化热风炉 3
1.1.2 间接式热风炉 3
1.2工作原理 3
1.3工艺流程 4
2.热风炉温度控制方案设计 6
2.1熟悉工艺过程，确定控制目标 6
2.2选择被控变量 7
2.3选择操纵变量 7
2.4确定控制方案 7
2.5温度传感器的选择 8
2.6变送器的选择 9
2.7执行器的选择 9
2.8调节器的选择 10
3. 小结 10
4. 附录 11
4.1温度控制流程图 11
4.2温度控制框图 11
5. 参考文献 12
前言
热风炉是现代大型高炉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，帮助焦炭燃烧。

所以热风炉的热风温度大小或稳定与否都对于整个高炉炼铁有着很大的影响。

所以我们要做一套设计，控制热风炉的温度，保证生产的正常进行。

本次课程设计正是针对
于高炉炼铁生产中热风炉的单炉送风系统，利用单闭环系统进行负反馈控制，使得热风炉的热风温度能够达到高炉炼铁生产的工艺要求。

国内大部分高炉均采用每座高炉带3至4台热风炉并联轮流送风方式，保证任何瞬时都有一座热风炉给高炉送风，而每座热风炉都按：燃烧-休止-送风-休止-燃烧的顺序循环生产。

当一座或多座热风炉送风时，另外的热风炉处于燃烧或休止状态。

送风中的热风炉温度降低后，处于休止状态的热风炉投入送风，原送风热风炉即停止送风并开始燃烧、蓄热直至温度达到要求后，转入休止状态等待下一次送风。

1.热风炉工艺
1.1工作方式
1.1.1 直接式高净化热风炉
就是采用燃料直接燃烧，经高净化处理形成热风，而和物料直接接触加热干燥或烘烤。

该种方法燃料的消耗量约比用蒸汽式或其他间接加热器减少一半左右。

因此，在不影响烘干产品品质的情况下，完全可以使用直接式高净化热风。

1.1.2 间接式热风炉
主要适用于被干燥物料不允许被污染，或应用于温度较低的热敏性物料干燥。

如：奶粉、制药、合成树脂、精细化工等。

此种加热装置，即是将蒸气、导热油、烟道气等做载体，通过多种形式的热交换器来加热空气。

1.2工作原理
高炉热风炉按工作原理可分为蓄热式和换热式两种。

蓄热式热风炉，按热风炉内部的蓄热体分球式热风炉（简称球炉）和采用格子砖的热风炉，按燃烧方式可以分为顶燃式，内燃式，外燃式等几种，提高热风炉热风温度是高炉强化冶炼的关键技术。

如何提高风温，是业内人士长期研究的方向。

常用的办法是混烧高热值煤
气，或增加热风炉格子砖的换热面积，或改变格子砖的材质、密度，或改变蓄热体的形状（如蓄热球），以及通过种种方法将煤气和助燃空气预热。

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，通过热风炉煤气管道和助燃空气管道向热风炉送入高炉煤气和助燃空气，高炉煤气和助燃空气燃烧产生热烟气使热风炉蓄热；热风炉处于燃烧状态时，其废气阀、烟道阀、助燃空气燃烧阀、高炉煤气燃烧阀、高炉煤气切断阀等阀均处于开启状态，其它各阀（切断阀）均处于关闭状态。

(2) 热风炉送风状态
热风炉处于送风状态时，向燃烧结束蓄有一定热量的热风炉送入冷风，冷风经热风炉加热后再送入高炉。

热风炉处于送风状态时，其冷风阀、热风阀、冷风充压阀等处于开启状态，其它各阀（切断阀）均处于关闭状态。

(3) 热风炉闷炉状态
热风炉处于闷炉状态时，为保持温度，热风炉所有的阀门均处于关闭状态。

热风炉处于上述三种状态之间的转换过程定义为换炉过程。

在热风炉的操作过程中最基本的工作过程是换炉。

换炉时，应保证整个热风炉系统不间断的向高炉送风，并应尽量使进入高炉的风量、风压波动很小，还要注意煤气安全。

1.3工艺流程
在现代工业生产过程中，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。

但高炉炼铁环节中，热风炉的温度稳定控制成了高炉炼铁成功与否的关键因素。

如图1-1，图1-2。

图1-1 高炉工艺流程
图1-2 高炉工艺流程
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。

热风炉是按“蓄热”原理工作的热交换器，在燃烧室里燃烧煤气，高温废气通过格子砖并使之蓄热，当格子砖充分加热后，热风炉就可以改为送风，此时有关燃烧各阀关闭，送风各阀打开，冷风经格子砖而被加热并送出。

高炉一般装有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。

如图1-3。

图1-3 热风炉工艺
2.热风炉温度控制方案设计
2.1熟悉工艺过程，确定控制目标
高炉炼铁对于热风炉送进高炉的热风温度有着严格的要求，从鼓风机来的风温约150-200℃，经过热风炉的风温可高于1300℃，而高炉所需的热风温度约为
1000-1250℃，且须温度稳定。

所以在确保系统安全运行情况下，送风温度保持在1000℃，不能出现大的波动。

如图2-1。

图2-1 温度控制要求
2.2选择被控变量
被控变量又称为被控参数或被控量。

在过称控制系统中，被控变量的选择应体现控制目标。

且必须根据工艺要求，深入分析工艺过程，找出对产品的质量和产量、安全运行、经济运行、环境环保等具有决定性作用并且可直接测量的工艺参数作为被控参数，构成过程控制系统。

在热风机控制系统中温度的测量比较方便，信号的转换也比较简单。

所以，选择送入高炉的热风温度为被控参数。

2.3选择操纵变量
操纵变量又称控制量。

一般情况下，对于被控过程的某个被控变量，通常有多个可供选择的操纵变量，要从工艺要求入手，具体选择操纵变量。

影响送入高炉的热风温度的主要因素有冷风温度、热风炉内热风温度和混合区冷风流量。

选择其中任何一变量作为控制参数，都可以实现对送入高炉热风温度的控制。

但是对工艺分析可知，从鼓风机冷风温度约150-200℃，并没有采取相应的方法来改变其温度。

而在热风炉对高炉进行单炉送风时，热风炉处于送风状态，并不能对热风炉进行加热来改变热风炉内的热风温度，并且通过改变冷风温度或者高炉内的热风温度来控制送入高炉热风温度时，控制通道长，滞后时间长，对被控参数的校正作用不灵敏。

当选择混合区的冷风流量作为控制参数时，由混合调节阀控制混合区流入的
冷风流量，直接进入混合区改变送入高炉热风的温度，控制通道短、滞后时间短、对被控参数的校正作用灵敏，而且干扰进入系统的位置远离被控参数，所以将混合区冷风流量作为控制参数是最佳选择。

2.4确定控制方案
控制方案主要取决于控制目标。

由前面介绍，热风炉控制系统比较简单，被控过程纯延时和惯性小，负荷和扰动变化比较平缓，所以可以采用单闭环负反馈控制系统进行控制，易于设计和实施。

如图2-2.
图2-2 热风炉控制系统方框图
2.5温度传感器的选择
由工艺可知，热风温度一般在0-1400℃之间。

热电偶是在工业上最常用的温度检测元件之一。

其优点是：①测量精度高。

因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。

②测量范围广。

常用的热电偶从-50~+1600℃均可边续测量，某些特殊热电偶最低可测到-269℃（如金铁镍铬），最高可达+2800℃（如钨-铼）。

③构造简单，使用方便。

热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。

满足热风炉工艺要求的热电偶型号有B型和S型，B型测温范围是0℃--1700℃，S型测温范围是0℃--1450℃，所以从经济适用方面选择S型铂铑10-铂热电偶。

具体参数见表2-1。

表2-1 标准化热电偶技术数据
用铂电阻作为电桥的一个桥臂电阻，将导线一根接到电桥的电源端，其余两根分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上，当桥路平衡时，导线电阻的变化对测量结果没有任何影响，这样就消除了导线线路电阻带来的测量误差。

采用三线制会大大减小导线电阻带来的附加误差，工业上一般都采用三线制接法。

2.6变送器的选择
热电偶的输出信号为mV级电信号，不能直接送入调节器，所以要经过温度变送器则可以将热电偶输出的mV信号转变为4-20mA或者1-5V的电信号供调节器使用。

而DDZ-III型温度变送器有：（1）采用集成电路温度变送器放大单元采用高增益、低漂移集成运算放大器进行直流放大，较Ⅱ型仪表的调制放大器线路简单、元件少、可靠性高。

（2）采用了线性化线路热电偶温度变送器采用非线性负反馈回路，热电阻温度变送器采用线性化电路。

使变送器的输出信号和被测温度间呈线性关系，提高了精度，有利于指示，记录。

（3）增加了安全措施现场的测温元件（热电偶或电阻体）与控制室温度变送器相连的线路是安全火花线路。

不必再经任何安全设备可使测量元件工作在危险场所等优点。

还可以有效的对热电偶进行有效的冷端补偿，所以可以选择DDZ-III型温度变送器。

2.7执行器的选择
控制过程中常用的执行器有电动和气动两种，他们均由执行机构和调节阀组成。

根据安全生产原则，当热风温度不够时，进入高炉燃烧不充分，高炉温度降低，铁水凝固，导致生产被迫停产，严重会出现生产事故，所以选择气开式调节阀，调节器输出的模拟信号为4-20mA，当电信号为4 mA时，调节阀处于全关状态；当电信号为20 mA时，调节阀处于全开状态。

根据管路特性、生产规模及工艺要求，宜选用百分比流量特性的调节阀，而具体的调节阀尺寸则要根据被控介质流量大小及调节阀流通能力来选择。

2.8调节器的选择
根据构成控制系统为负反馈原则，选择调节器作用方式。

由于调节阀为气开式，故Kv为“+”，当混合调节阀开度增加时，混合区热风温度下降，故被控对象的Ko为“－”；测温仪表的Km为“＋”。

为使组成系统的各环节的静态放大系数相乘为“＋”，调节器的Kp应为“－”，故调节器选用正作用方式。

3. 小结
在热风炉温度控制系统中，单回路控制系统完全可以胜任。

而且其系统结构简单，所需自动化技术工具少，投资比较低，操作维护也比较方便。

用热电偶作为传感器测量热风管道温度，把反馈回来的信号送给DDZ-III型温度变送器，转换成0-5V或者4-20mA标准电信号，再把标准电信号送给温度调节器进行比较、运算和输出，最后把处理后的信号送给调节阀对热风温度调节，系统整体使用单回路闭环负反馈调节，使整个系统可以稳定、连续、精确的实现对热风
管道温度的调节，使管道温度稳定的保持在1000℃--1250℃之间，保证生产稳定，安全的运行，使燃料充分燃烧，减少污染提高生产效益。

热风炉通过长时间的生产实践，人们已经认识到，只有利用热风作为介质和载体才能更大地提高热利用率和热工作效果。

但是现在的热风炉存在大量浪费能源及造成附属设备过多、工艺过程复杂等诸多缺点，等待我们更深入的去研究和探索更加方便高效的生产工艺。

在这次课设中，充分的运用了学过的课程，把理论与实践很好的结合，不仅回顾了相关课程而且提升了我们自己动手的能力，为解决以后会遇到的实际问题做了很好的基础。

4. 附录
4.1温度控制流程图
4.2温度控制框图
5. 参考文献
【1】李文涛过程控制[M]．北京：科学出版社，2012.
【2】李忠虎过程参数检测技术及仪表[M]．北京：中国计量出版社，2009 【3】周国庆，孙涛锅炉工安全技术[M]. 北京：化学工业出版社. 2005
【4】魏浩，李忠虎热风炉燃烧智能控制系统研究中国计量协会冶金分会2010年会
【5】周国庆，孙涛锅炉工安全技术[M]. 北京：化学工业出版社. 2005 【6】丁崇功工业锅炉设备[M].北京：机械工业出版社 2005
【7】潘立登，李大宇过程控制技术原理及运用[M].北京：中国电力出版
社 2007
【8】叶江祺热工测量和控制仪表的安装[M].中国电力出版
社 2006
【9】盛伟等电厂热力设备及运行[M].北京：中国电力出版社 2010
【10】 System simulation of full oxygen blast furnace ironmaking process
Shang, Yuming (Inst of Chemical Metallurgy, Chinese Acad of Sciences, Beijing, China); Xie, Yusheng; Ai, Qing; Zhang, Heng Source: Huagong yejin, v 14, n 3, p 189-194, Aug 1993
【11】Neuro-PID control of an industrial furnace temperature
Aeenmehr, A. (Department of Electrical Engineering Power and Water, University of Technology, Tehran, Iran); Yazdizadeh, A.; Ghazizadeh, M.S. Source: 2009 IEEE Symposium on Industrial Electronics and Applications, ISIEA 2009 - Proceedings, v 2, p 768-772, December 16, 2009, 2009 IEEE Symposium on Industrial Electronics and Applications, ISIEA 2009 - Proceedings。