热风炉拱顶温度串级与比值控制系统设计 武汉理工大学(4)

武汉理工大学《仪表与过程控制系统》课程设计说明书

5热风炉燃烧控制方案

到目前为止，我国的许多热风炉，尤其是中小型热风炉的燃烧控制仍然采

用手工控制，有操作人员来调节空气、煤气的比例来烧炉。整个燃烧过程都要考操作人员根据温度监测仪表的显示结合自己的实际经验来判断这样燃烧很难达到最优化，而且煤气的压力和成分会经常产生波动，难以及时的调节，且导致操作频繁，加大劳动人员的劳动强度，所以手工控制燃烧的热风炉很难实现合理的燃烧。如何使热风炉最有燃烧，是热风炉获得高风温的同时，消耗能源最少的最重要的屏障。

5.1 热风炉燃烧过程

燃烧过程对应着蓄热室的蓄热过程，它分为加热期和拱顶温度管理期。在

加热期，蓄热室拱顶的温度很低，废气的热量大部分被拱顶吸收，拱项的温度上升迅速，蓄热室中下部温度则上升缓慢。当拱顶温度上升到一定值后，需要保持拱顶温度维持在这个定值，此时拱顶几乎不再吸收废气的热量，而废气的热量主要被蓄热室中下部所吸收。从废气管道排出的废气，它的温度比较低时，说明热风炉的热交换效率比较高，反之，热交换效率比较低。因此，在拱项温度达到一定值后，合理控制废气的温度上升速率对热风炉的燃烧显得尤其重要。

5.2 热风炉最有燃烧条件

热风炉在燃烧期首要目的就是要向热风炉存储足够的热量，特别对提高风温起重要作用的高温热源，这就要尽量提高燃料燃烧时的火焰温度，另外还要尽量节约热风炉燃烧期中消耗的燃料，努力提高热风炉自身的热效率。

合理的空燃比是实现最优燃烧的关键。当空燃比过大时，将会降低燃烧温度，同时产生更多的废气，带走更多的热量，增大热损失；当空燃比过小时，空气量不足，煤气过剩，煤气不能完全燃烧，不仅浪费煤气，造成热量损失，也会降低燃烧温度同时还造成还原性气氛，是耐火材料变质。只有空燃比在一定的范围时，才能够达到最优燃烧，获得最高的燃烧温度和热效率。实际操作中当燃气为高炉煤气是，合理的空气过剩系数在1.05～1.10之间。

在实际生产过程中，很难保证煤气的组成部分和各部分的含量都保持不变，这个时候即使能保持煤气流量的稳定，但是单位体积的煤气最优燃烧所需的空气量也会不同，即实现最优燃烧的空燃比发生。如果一直采用固定的空燃比进行燃

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烧，则无法适应这个变化，因此需要即使及时调整空燃比，才能实现最优燃烧，因此要找到一个两来反映出最优燃烧时空燃比的变化，可以通过在热风炉烟道中安装氧化浩残氧分析仪，测量烟气中氧含量变化来判断燃烧是否最优。

当废气中氧含量在0.2～0.8%范围内，一般热风炉燃烧状态较好，当废气氧含量大时，则为空气过剩，可适当减少空燃比，当废气氧含量小时，则为空气量不走，可相应增大空燃比。

6 PID整定及仿真

用滞后的一阶惯性环节的拉氏变换近似模拟热风炉的数学模型，设为

G?S1??15s2?6s?1 （1）

副回路按照4：1衰减曲线整定

G?S2??1e?s10s?1 （2）

图 8 副回路仿真框图

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图9 副回路仿真结果

当Kp=10.5时，衰减比接近4:1，然后进行整个回路的整定。

图10 仿真框图

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图11 仿真结果

此时Kp=4.8，Ki=1.8，Kd=2，误差在10℃以内，满足设计要求。

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7 小结心得

通过本次的仪表与过程控制系统课程设计，我收获很多。不但了解热风炉控制基本知识，掌握了串级与比例控制系统的组成，还了解了PID调节器的作用和PID调节器的稳态特征。

这次课程设计，让我们有机会将课本知识运用到实践当中。并通过对知识的综合利用，进行必要的分析，比较。从而进一步验证了所学的理论知识。同时这次课程设计，我也充分锻炼了自己的查阅资料能力、设计能力、与同学相互合作的能力，认识到课本的局限性。 要想真正提高自己的能力，就不能只局限于课本，要学习各方面的知识，要多从实践中总结经验，从而达到理论与实践的相互融合。课程设计中遇到很多难题，在老师的细心指导下，最终彻底的搞懂了，在此特别感谢老师的辛勤付出。总之这次课程设可谓是受益良多。

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