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脉冲燃烧蓄热式加热炉自动控制

作　者: 王庆河
导　师: 李歧强；耿晓宁
学　校: 山东大学
专　业: 控制工程
关键词: 蓄热式加热炉高温燃烧技术脉冲式燃烧顺序换向控制离散方法模糊PID控制
分类号: TG307
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

提高二次能源利用率是钢铁行业降低能源消耗的重点,也是企业推行低成本战略,提高企业盈利能力,造福社会的关键。过去中国钢铁行业长期使用煤、重油等高热值、不可再生能源作为轧钢加热炉的主要燃料。随着加热炉工艺技术的不断发展,以煤气作为主要燃料的燃气型加热炉不断推广应用,尤其是上世纪九十年代高温燃烧技术的不断应用,以低热值高炉煤气为燃料的蓄热式加热炉成为主流。高温燃烧技术(High temperature combustion--HTC),亦称高温蓄热式燃烧技术,是90年代以来,在国内外大量推广应用的一种新型燃烧技术。这项技术是通过将低温空气、煤气预热后喷射入到炉膛内,保证煤气在低氧状态充分燃烧,由于空气、煤气温度可预热到800-1000℃以上,燃烧区空气含氧量在21%-22%之间,高温燃烧与传统燃烧过程相比可以大大节省燃料,减少CO2和NO、等温室气体的排放,是现代工业生产中应用的关键燃烧技术之一由于蓄热式加热炉采用换向操作实现蓄热体储热-预热的循环,在换向期间煤气不能进入炉膛燃烧,对燃烧过程的扰动很大,增加了自动控制的难度。脉冲燃烧式加热炉区别于集中换向燃烧式加热炉,增加了换向阀组数,一般根据炉长情况采用10-20组换向阀,每组换阀控制其中一个断面的燃烧控制,各组换向阀根据生产情况按序间隔性换向。由于脉冲燃烧式加热炉采用精小型的换向阀,换向速度快,不再采用吹扫工艺,所以煤气在换向过程中几乎没有中断,同时因阀组数增加的细分作用,大大减少了对整个燃烧过程的扰动。课题主要从脉冲燃烧蓄热式加热炉的工艺特点入手,采用模糊控制、PID控制的原理,结合经典控制理论的研究方法,重点对脉冲燃烧蓄热式加热炉换向控制、炉温控制、空煤气压力控制、残氧及空煤比控制的策略进行了研究。基于脉冲式燃烧的特点和空煤气流量无法准确测得的现实情况给出了脉冲燃烧炉温控制离散化优化模型和空煤压力控制模型。通过脉冲式燃烧炉温控制离散化优化模型的实施,解决了换向控制对燃烧过程的影响,同时保证了不同工况下温度场均布。通过空煤压力控制模型,解决了长期困扰加热炉燃烧控制的空煤气流量检测不准确、线性差的技术难题,保证了空气过剩系数的命中率,提高了燃烧效率,降低了NOx的排放量,同时也提出了残氧分析指导空煤压力控制实现空气煤气比值的理论观点。课题研究成果在河北烘熔钢铁有限公司中板厂2号加热炉上得到应用,实现了燃烧自动换向控制,加热炉温度控制波动量小于5℃,同时空煤压力自动控制的实现为解决长期困扰蓄热式加热炉流量检测与控制的难题找到了新的方案。

全文目录

摘要  12-14
ABSTRACT  14-17
第1章绪论  17-23
  1.1 课题背景  17-19
    1.1.1 我国能源消耗现状  17-18
    1.1.2 轧钢加热炉工艺及控制现状  18-19
  1.2 蓄热式高温燃烧技术的国内外研究现状及其分析  19-21
    1.2.1 蓄热式高温燃烧技术的原理  19
    1.2.2 蓄热式高温燃烧技术的发展  19-21
  1.3 课题研究内容  21
  1.4 课题的难点及创新点  21-23
第2章 2号蓄热式连续加热炉概况  23-27
  2.1 基本情况  23
  2.2 设备概况  23-24
    2.2.1 炉子本体  23-24
    2.2.2 燃烧系统  24
  2.3 能源介质  24-25
    2.3.1 压缩空气  24-25
    2.3.2 高炉煤气  25
    2.3.3 氮气  25
  2.4 主要技术经济指标  25-27
第3章蓄热式高温燃烧技术  27-39
  3.1 蓄热式高温燃烧技术的关键部件和主要特点  27-33
    3.1.1 蓄热体  27-28
    3.1.2 换向装置  28-31
    3.1.3 燃烧系统  31
    3.1.4 换向时间  31-32
    3.1.5 蓄热式高温燃烧技术的主要特点  32-33
  3.2 蓄热式加热炉数学模型  33-39
    3.2.1 对象描述  33
    3.2.2 物理模型  33
    3.2.3 蓄热式加热炉数学模型  33-35
      3.2.3.1 假设条件  35
      3.2.3.2 控制方程  35
    3.2.4 钢坯热物性参数  35-36
    3.2.5 燃烧计算及炉气热物性参数的确定  36-39
第4章 PCS 7过程控制系统及应用架构设计  39-45
  4.1 PCS 7过程控制系统介绍  39-40
  4.2 加热炉PLC架构设计  40-45
    4.2.1 CPU选型及设置  41-42
    4.2.2 上层通讯方式  42-43
    4.2.3 IO模块选型及配置  43-45
      4.2.3.1 模拟量输入模块配置  43
      4.2.3.2 热电偶输入模块配置  43
      4.2.3.3 热电阻输入模块配置  43-44
      4.2.3.4 模拟量输出模块配置  44-45
第5章自动控制功能的实现  45-71
  5.1 换向阀控制及脉冲式燃烧  45-54
    5.1.1 燃烧系统配置  45
    5.1.2 控制逻辑  45-47
    5.1.3 控制模式  47-48
    5.1.4 脉冲式燃烧时序控制  48
    5.1.5 基于队列的顺序换向控制  48-52
      5.1.5.1 停止队列  49-50
      5.1.5.2 等待队列  50-52
      5.1.5.3 燃烧队列  52
    5.1.6 故障处理  52-54
    5.1.7 人工强制换向  54
    5.1.8 应用效果  54
  5.2 燃烧温度模糊-PID控制  54-65
    5.2.1 PID控制系统块  55-56
    5.2.2 模糊控制研究  56-62
      5.2.2.1 模糊控制的基本原理  56
      5.2.2.2 模糊控制器及输入、输出语言变量定义  56-57
      5.2.2.3 论域和模糊化集合语言值定义  57-58
      5.2.2.4 量化因子计算  58
      5.2.2.5 语言变量赋值表构建  58-59
      5.2.2.6 控制规则表构建  59-60
      5.2.2.7 离线模糊控制查询表构建  60-61
      5.2.2.8 模糊控制的实现  61-62
    5.2.3 模糊-PID复合控制  62-65
      5.2.3.1 控制算法无扰动切换  63
      5.2.3.2 输出到脉冲式燃烧离散方法  63-65
      5.2.3.3 控制效果分析  65
  5.3 煤气及空气恒压控制  65-67
    5.3.1 恒压控制的目的  65-66
    5.3.2 恒压控制的设备条件  66
    5.3.3 恒压控制调整气体流量的理论可行性  66-67
    5.3.4 恒压控制方案  67
    5.3.5 恒压控制的优势  67
  5.4 主要的工艺画面  67-71
第6章结论与展望  71-73
参考文献  73-77
致谢  77-78
学位论文评阅及答辩情况表  78

脉冲燃烧蓄热式加热炉自动控制

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