热风炉自动控制系统

摘要

本论文主要叙述中小型高炉炼铁自动化系统结构、功能及主要系统的自动控制的原理及其实际应用。着重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。在每一个控制环节中，均用CAD绘出各个参数的检测图，在本论文中以热风炉燃烧控制为例，说明参数控制的原理，在高炉炼铁过程中，对热风温度、压力和流量要求特别的严格，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监控，用STEP 7编程软件对PLC进行编程，通过PID调节来控制热风流量、温度和压力，以达到工程的要求。在本论文中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：控制系统结构和控制方案都简单，低成本配置和先进的功能，选用德国西门子PLC作为电力传动控制和回路控制，采用工控机作为监控和过程控制，以利于维护和降低成本。系统的功能包括传统数字显示和对热风炉系统各参数控制的过程自动化。

关键词：热风炉；自动控制；应用

Abstract

This thesis mainly narrates the middle and small scale blast furnace iron-smelting automated system structure, function and mainly control the principle of the system automatically and it is physically applied. Emphasized to describe a process (hot-blast stove detection instrumentation and control system, the hot-blast stove trades the stove automatic control system) that hot-blast stove parameter control and aplly. In the process of in each control link, with the examination diagram that the CAD draws an each parameter, in this thesis to take the control of the hot-blast stove trades the stove automatic control system as an example, the elucidation parameter control, and to hot-blast stove pressure, temperature and flow specially strict, this thesis be with the software of WINCC draws the man-machine interface to monitoring the hot-blast pressure, temperature and flow carrying on weaving the distance to the PLC with the STEP 7 plait distance software, regulating through a PID adjustment the pressure, temperature and flow of the hot-blast stove to attain the request of the engineering. Listed each control system to connect the line diagram and examinations to order in this thesis, the characteristics of this control system is: the Control system structure and the control projects all simple, low cost install and forerunner of function, choose to be the electric power with the German Siemens PLC to spread to move control and the back track control, adopting the work to control the machine conduct and actions supervision and the process controls, for the convenience of in support and decline low cost. The function of the system includes the traditional numeral manifestation and to the process automation of the discharge and each parameter control of the hot-blast stove.

Keywords: Hot-blast stove； automatic control； application

目录

前言

高炉热风炉是给高炉燃烧提供热风以助燃的设备，是一种储热型热交换器。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。

传统的完善的高炉热风炉燃烧自动化系统都是具有完善的基础自动化和使用数学模型计算所需的加热煤气流量和助燃空气流量，并对基础自动化的热风炉燃烧自动控制系统进行有关的设定。完善的基础自动化对于燃烧混合煤气或燃烧预热的高炉煤气和预热空气的热风炉来说包括：煤气流量控制、空气流量控制、空燃比控制、拱顶温度控制和废气温度控制。如图1所示，在热风炉燃烧初期是以较大的煤气量和合适的空燃比（最好还设有燃烧废气成分分析，按残氧量来修正空燃比），以实行快速加热，使拱顶温度迅速达到规定值，然后逐步增加空气量以保持拱顶温度为规定值，当达到废气温度管理期，即温度达到某一规定值时，需要减少煤气及空气量以维持废气温度为设定值。对于燃烧高炉煤气和焦炉煤气具有三眼燃烧器的热风炉来说，由于高炉煤气和焦炉煤气分别送入，需分别设置其流量控制，该流量比例控制和空燃比要分别适应高炉煤气和焦炉煤气需要，因此使系统回路更多、更复杂。热风炉流量设定数学模型的基本原理是使燃烧时热风炉格子砖的蓄热量适合于加热鼓风到生产所需的热风温度和流量而需要的热量。除了数学模型相当复杂外，更需设置自动分析加热煤气的各种成分的分析器，这种仪器不仅昂贵，还需良好的维护，此外要使数学模型有效，必须依靠完善的基础自动化。因此，在国内除宝钢以外，很少被采用。

在国外，已经使用人工智能的方式来代替数学模型，如日本川崎钢铁公司就开发了模糊控制系统取代数学模型。日本钢铁公司（新日铁）也使用专家系统来取代数学模型。 由于上述完善的基础自动化所设的仪表和控制回路较多，特别是要在三座或四座热风炉都设置，故投资相当大。此外，这种只有基础自动化的系统，在实际操作中还需人工对热风炉的流量进行设定，而且目前由于耐火材料的进步，耐温增高，热风炉拱顶不易烧坏，故拱顶没有限温的必要，故这种基础自动化并不适用，许多工厂，包括如鞍钢10#高炉那样的大型高炉大都使用较简单的系统，即只有煤气总管压力控制、煤气及空气流量或阀位自动控制，然后人工控制流量或阀位的设定值或开度。由于人工控制难以

在预热煤气和空气温度变化时、高炉所需鼓风温度和流量变化时、助燃空气压力变化时、热风炉蓄热量尚有富裕时，修正热风炉加热的煤气和空气量，因而达不到节能和优化热风炉操作的目的。我讲对此进行设计。

设计方案：高炉热风炉系统的基本组成：高炉本体、储矿槽、出铁场、除尘器、热风炉和辅助系统（煤气清洗、炉顶煤气余压发电（TRT）、水渣、水处理和制煤粉车间）等组成.

研究内容：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：包括高炉本体数百项温度、压力、流量数据，综合鼓风的风量、风温、富氧量与富氧压力、喷媒量与喷媒压力，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.对各种参数（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。

高炉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，高炉热风炉自动控制系统的设计及应用、推广成为高炉热风炉技术发展的主要方向之一。

图6 配两孔燃烧器的热风炉燃烧控制

当拱顶温度升至设定值时α值增加，随之I01也增加，即加大空气流量来使拱顶温度保持一定值。

燃烧初期，利用温度偏差监视器开关信号将调节器置于手动状态，从燃烧初期过渡到蓄热期时，拱顶温度进入偏差监视器的设定值时（设定值规定在拱顶温度调节器的设定值下面一点），监视器的接点断开设定器使拱顶温度调节器由手动转为自动。

当燃烧进入蓄热饱和区时，即废气温度升至监视器的设定值，其接点将废气温度调节器由手动转为自动。由于调节器的反作用，其输出随废气温度的上升而减小，当达到设定值后就开始减小煤气量，随之空气流量亦自动按比例减小。

2.热风炉燃烧控制系统方框图

热风炉燃烧控制系统方框图所示，在燃烧初期，为了保证空气先行而不冒黑烟，需给空气流量调节阀一个初期开度以防止煤气先行而冒黑烟。同时为避免燃烧一开始，就有大量的煤气流量产生，所以需给煤气流量调节阀一个初期开度即煤气流量模糊调节单元、空气流量模糊调节单元均选择右边煤气初期开度设定单元及空气初期开度设定单元，同时将废气温度模糊调节单元、空燃比模糊设定单元设为手动。拱顶温度开始迅速上升，当检测拱顶温度上升到接近要求温度时，将空燃比模糊设定单元置成自动，检测到的煤气流量经煤气流量模糊调节单元输出后乘以空燃比模糊设定单元输出的空燃比，从而获得空气流量设定值。在空气流量模糊调节单元内，空气流量设定值与检测到的空气流量实际值进行比较，从而决定空气流量调节阀的大小。当进入蓄热期后，将废气温度模糊调节单元置为自动，通过低选单元获得煤气流量给定值，与检测到的煤气流量进行比较，从而决定煤气流量调节阀的大小。设置低选单元的目的是为了安全起见，保证通过废气温度模糊调节单元产生的煤气流量设定值低于最大煤气流量设定值。在燃烧期内，控制的主要目标是维持拱顶温度在设定范围内，在蓄热期内，控制的主要目标变为废气温度，通过调节煤气流量的大小使废气温度控制在350℃内，当废气温度达到350℃时，发出燃烧完闷炉信号，热风炉转闷炉状态。

废气温度调节单元 煤气流量 设定单元 空燃比 设定单元 低选单元 运算单元 煤气流量调节单元 废气温度检测 煤气初期开度设定单元 空气流量调节单元 拱顶温度检测 空气初期开度设定单元 煤气流量煤气流量 检测 调节阀 空气流量空气流量 检测 调节阀 图7热风炉燃烧控制系统框图

3.燃烧控制器设计

根据热风炉在加热期控制的主要目标是拱顶温度以及在蓄热期控制的主要目标是废气温度,本论文设计的控制器包括两个部分:根据拱顶温度调节的最佳空燃比控制器和根据废气温度调节的废气温度控制器。在加热期使用拱顶温度控制器，当烟道废气温度达到280℃时，废气温度控制器投入自动。

(1) 最佳空燃比控制器

最佳空燃比控制器为PID控制器，输入量为拱顶温度，输出量为最佳空燃比。 (2) 废气温度控制器

废气温度控制器为PID控制器，输入量为废气温度，输出量为煤气流量。

2.5.4混风温度控制方案

1.混风温度控制要求

(1)混风温度控制的目的

为保证高炉的稳定工作，要求:

送风温度保持在1000℃，不能出现大的波动,如图2-5所示。

开始送风时风温较高，将控制回路置为手动，预置一个较大地开度，送入较多的冷风。风温达到可以使用PID调节时，转换为自动，进行PID调节。

图8温度控制要求

2.混风温度控制系统的主要参数 （1） 热风炉风温对象传递函数：

Gp(s)?11?Tse??s

（2） 要求控制风温：1000℃左右可设定 （3） 要求控制风温在?10C°

（4） 新炉送风时，相当产生t=20C°的扰动。 3.混风温度控制策略

高炉热风炉混风温度控制系统工艺情况如图2-6所示 ，为单炉送风即每次一座热风炉送风，经过一段时间后，热风温度下降，第二座热风炉送风，第一座热风炉转燃烧，如此循环下去保证热风不间断。

1HS

高炉 图9热风炉温度控制系统工

SEQ 2HS 3HS 4HS M ZI 2008 HC 2008- SEG TIC 2008

1HS-4HS -1-4号热风炉，SEQ顺序控制程序，ZI-阀位指示， M-电动调节阀 HC-手动控制输出, TIC-温度PID控制

送风温度控制通过调节混风阀的开度来控制往热风中送入的冷风，来控制送风温度。为安全起见，在送风管道上安装有两只热电偶，选择其中之一作为测量值。送风温度控制设计为PID控制回路，以确保较高精度的控制。

为了补偿新的炉送风时风温较高，可在新炉送风时，将控制回路置为手动，预置一个较大地开度，送入较多的冷风，然后设置为自动进行自动调节。

4.混风温度控制的实现

根据控制需要，将 PID功能块与逻辑控制相结合，可适应各种控制回路。所以利用SFC很容易实现热风炉燃烧和混风温度的各种控制方式。

图2-7显示了热风炉混风温度控制系统顺序控制的工作流程：

各个热风炉的状态转换由电气换炉控制系统控制，当送风管道里面混风后的风温低于要求温度的时候，对各个热风炉的工作状态进行切换，将新的热风炉转为送风状态，原送风炉转为燃烧状态。

开始 开始 混风全自动？ 有新炉送风？ PID调节置手动

PID回路手动？ 置初始开度 置PID回路自动 退出？ 结束 图10热风炉混风温度控制系统的工作流程

5．热风温度自动控制图

从鼓风机来的风温大约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℃，且需温度稳定。单炉送风时，其温度控制根据混风调节阀配置而异，有两种方式，一种是控制公用的混风调节阀位置，改变混入的冷风量以保持所需的热风温度，系统还设有高值选择器和手动设定器，以避免在换炉时出现过高的风温，预先打开混风调节阀；另一种是控制每座热风炉的混风调节阀，用一台风温控制器切换工作，不送风的热风炉，其混风调节阀的开度由手动设定器设定。并联送风有两种方式，即热并联和冷并联。一般先送风的炉子输出风温较低，而后送风的炉子输出风温较高，故热并联时调节两个炉子的冷风调节阀以改变两个炉子的输出热风量的比例即可维持规定的风温（图 3）在冷并联时，两个炉子的冷风调节阀全开，和单炉送风类似控制混风管道的混风调节阀阀开度改变混入冷风量以保持风温稳定。

图11 热风温度自动控制系统

（a）带公共混风阀的单炉送风；(b)每个热风炉带混风阀的单炉送风；(c)热并联送风。

2.5.5冷风温度和富氧自动控制

两者均是串级控制系统。即各自有一个流量自动控制回路，而其定值则由总风量经过比率设定器来设定，即喷入蒸汽量和氧量与风量成比例。对于湿度，冷风管道还装有氯化锂温度计和湿度控制器MIC相连。单湿度偏离规定值时则修正蒸汽控制系统以保持鼓风中温度恒定。

图12 冷风温度和富氧自动控制

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