学士学位论文--加热炉温度控制系统设计与仿真研究.doc

内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）内蒙古科技大学本科生毕业设计说明书（毕业论文）题 目：加热炉温度控制系统设计与仿真研究加热炉温度控制系统设计与仿真研究摘 要在钢铁企业中，为了将钢坯加热到轧制所规定的工艺要求，必然地要求对加热炉内的温度进行有效的控制，使之保持在某一特定的范围内。而温度的维持又要求燃料在炉内稳定地燃烧。加热炉燃烧过程是受随机因素干扰的，具有大惯性、纯滞后的非线性过程。本设计针对加热炉燃烧控制系统，主要介绍的控制方案有单回路控制系统、串级比值控制系统、单交叉限幅控制系统、双交叉限幅控制系统，并对每一种控制方案进行了理论分析。运用MATLAB软件对温度控制系统进行了较为全面的仿真和性能分析。通过分析比较可以得出结论，双交叉限幅对加热炉温度的控制优于其它的控制方案。双交叉限幅的炉温控制系统使煤气流量和空气流量相互限制，既防止了燃烧中冒黑烟，也防止了空气过剩，达到控制加热炉温度，提高煤气燃烧率，避免环境污染等目的。关键词：加热炉；单交叉限幅控制；双交叉限幅控制； MATLAB仿真内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）Temperature Control of Heating Furnace System Design and Simulink StudyAbstractIn the enterprises where producing iron and steel, in order to heat up billet to the technological requirements of rolling, the temperature inside the furnace must be controlled effectively so that it remains in a specific range. Maintaining the temperature needs the stable burning of fuel inside the furnace. Furnace combustion process is a non-linear process which is subject to the random interference, great inertia and the pure time delay. The design for the furnace combustion control system is mainly on the control of a single-loop control programme, the ratio of cascade control system, control system limiting unilateral, bilateral limiting control system, and analyses each of the control programme on theory. Using MATLAB software makes a more comprehensive simulation and performance analysis on the temperature control system. Through analysis and comparison we can conclude that bilateral limiting control system is superior to others in the furnace temperature control. The temperature control system of bilateral limiting control system makes gas flow and air flow restrict on each other, which not only prevent the burning of black smoke, but also prevent the excess air, to reach the purposes of controlling the furnace temperature, enhancing the rate of combustion gas and avoiding pollution and others.Key words: furnace; single-limiting control; bilateral-limiting control; MATLAB Simulation 内蒙古科技大学毕业设计说明书（毕业论文）目 录摘 要IAbstractII第一章 绪论11.1 概述11.2 国内现状21.3 本设计的研究内容2第二章 加热炉工艺简介32.1 加热炉的组成32.2 加热炉的温度加热方式32.3 加热炉工艺流程32.4 加热炉温度控制要求52.4.1 燃烧系统62.4.2 炉膛负压72.5 空燃比8第三章 加热炉的温度控制系统103.1 单闭环控制系统113.2 炉膛负压控制系统123.3 串级比值燃烧控制系统133.4 单交叉限幅燃烧控制系统153.4.1 单交叉限幅燃烧控制系统工作原理153.4.2 单交叉限幅燃烧控制系统特点173.5 双交叉限幅燃烧控制系统173.5.1 双交叉限幅燃烧控制原理图173.5.2 双交叉限幅燃烧控制系统的工作原理183.5.3 双交叉限幅燃烧控制特点20第四章 加热炉温度控制系统仿真234.1 对象模型的建立234.2 系统各装置数学模型的建立244.3 仿真软件简介264.4 加热炉炉温控制系统仿真结果分析274.4.1 炉温单回路控制仿真274.4.2 燃料空气串级比值控制仿真314.4.3 单交叉限幅控制仿真344.4.4 双交叉限幅控制仿真364.5 总结38第五章 系统的检测变送装置及正反作用395.1 检测变送395.1.1 差压式流量计395.1.2 热电偶395.2 系统仪表正反作用的确定40参考文献41致 谢42第一章 绪论1.1 概述加热炉是热轧生产过程的重要热工设备，其能耗占到钢铁工业总能耗的25%。它的主要作用是提高钢坯的塑性，降低变形抗力，以满足轧制工艺的要求。其温度控制性能直接影响到加热炉的能耗和最终钢材产品质量、钢坯成材率、轧制设备寿命以及整个轧线的有效作业率。钢坯在轧前进行加热，是钢坯在热加工过程中一个必须的环节。对轧钢加热炉而言，加热的主要目的就是提高钢坯的塑性，降低变形抗力。钢坯加热应满足下列要求：（1）加热温度应严格控制在规定的温度范围，防止产生加热缺陷。钢坯加热应当保证在轧制全部过程都具有足够的可塑性，满足生产要求，但并非说钢坯加热温度越高越好，而应有一定的限度，过高的加热温度可能产生废品和浪费能源。（2）加热制度必须满足不同钢种、不同断面、不同形状的钢坯在具体条件下合理加热。（3）钢坯加热温度应在长度、宽度和断面上均匀一致。钢坯加热温度是指钢坯在加热炉内加热完毕出炉时的表面温度。确定钢坯加热温度不仅要根据钢种的性质而且还要考虑到加工的要求，以获得最佳的塑性，最小的变形抗力，从而有利于提高轧制的产量、质量、降低能耗和设备磨损。锻造加热炉必须保证1250以上的炉温。这种炉在以发热量低于 1300千焦米3的煤气或发热量低于5000千焦千克的煤为燃料时，将难于甚至不能达到需要炉温，这时可对煤气和空气进行预热。例如：煤气发热量为1200千焦米3，仅能达到约1200的炉温,而将空气预热到400时，则可达到约1320的炉温。 加热炉的离炉烟气带走的热量约占供入炉内热量的5060。利用这部分热量预热空气和煤气是节约燃料的有效方法。燃料节约百分数与离炉烟气温度成正比，离炉烟气温度越高，则燃料节约百分数越大。例如：燃烧发生炉煤气的炉子，同样将空气预热到500，间断式加热炉的离炉烟气温度为1200，燃料节约达30；连续式加热炉的离炉烟气温度为900，燃料节约则为23。1.2 国内现状我国从80年代初开始进入加热炉计算机控制系统研究阶段。就国内来说，我国钢铁企业现有轧钢炉窖近千座，其中加热炉700多座。目前，国内大多数加热炉的计算机控制水平很低，虽然引进了一些先进的控制系统和设备，但绝大部分加热炉计算机控制系统仍然处在计算机过程控制的水平上，甚至还有少数加热炉由人工操作，其加热质量和能耗与国外同行相比相距甚远。在理论研究方面，近年来，国内对加热炉数学模型的研究越来越活跃起来，我国的科学工作者进行了大量的卓有成效的研究工作，取得了一些研究成果。有很多学者，对钢坯升温的数学模型进行了研究，还有学者将燃料消耗与钢温联系起来，构成燃料消耗最低的真实目标函数，从而可以运用最优升温曲线。1.3 本设计的研究内容本设计源于三段式推钢侧出加热炉，燃料采用高炉焦炉混合煤气。在参照相关理论的基础之上，设计了该加热炉控制系统，包括加热炉内的加热炉串级比值控制、单交叉限幅、双交叉限幅燃烧控制，很好地抑制了处于副环（煤气热值和压力的波动、生产率的改变及炉内参数的变化等）的干扰因素对加热炉运行的影响；提高了炉温控制的快速性，实现了加热炉燃烧过程的控制。 本人在阅读了大量的文献资料的基础上，对加热炉相关工艺进行了深入的了解，分析了加热炉控制系统的难点。在现有几种燃烧控制方法的基础上，提出了双边限幅控制，使系统性能得到了极大的改善。运用MATLAB软件对温度控制系统进行了较为全面的仿真和性能分析。第二章 加热炉工艺简介2.1 加热炉的组成加热炉由以下几个基本部分构成：炉膛与炉衬、装出料设备、燃料系统、供风系统、排烟系统、冷却系统、电子计算机控制系统、余热利用装置、检测及调节装置等。2.2 加热炉的温度加热方式加热炉的温度加热方式大体分为：一段式加热方式、两段式加热方式、三段式及多段式加热方式。三段式加热方式是比较完善的加热制度，它是把钢坯放在三个温度条件不同的区域内加热，依次是：预热段、加热段、均热段。钢坯首先在低温区域进行预热，这时加热速度比较慢，温度应力小，不会造成危险。当钢坯温度超过 500600以后，进入塑性范围，这时就可以快速加热，直到表面温度快速升高到出炉所要求的温度。加热期结束时，钢坯断面上还有较大的温差，需要进入均热期进行均热，此时钢坯表面温度不再升高，而使中心温度逐渐上升，缩小断面上的温度差。2.3 加热炉工艺流程加热炉的作用是将钢坯加热到轧制工艺要求的温度1，在此温度下进行轧制既能保证燃料的合理利用又能使轧制力在正常范围内。下图为加热炉结构简图：图2.1加热炉结构简图加热炉为三段式加热炉，沿炉长方向分为预热段、II加热段、I加热段和均热段，如上图所示。预热段主要是依靠炉内尾气余热来预热装炉钢坯，从而提高燃料的利用率。为了把钢坯加热到目标温度，加热炉以高炉焦炉混合煤气为燃料，分成五个控制区域对加热炉的燃烧过程和炉温进行控制，即 II 加热段上区，并将 I 加热段和均热段各分成上、下两个区域，每个区域单独控制，分别设置有热电偶温度传感器，空气流量控制器、煤气流量控制器，对每段的炉温以及燃烧状况进行实时监控，各控制器的设定值可用手动方式，亦可根据不同规格、材质的钢坯自动设定，预热段内由于没有设置烧嘴而不参与控制。三段式加热炉的供热点一般设在均热段端部和侧部，加热段上方和下方的端部和侧部。两面加热可消除坯料沿厚度方向的温度差，这对提高产品质量是有利的。为了使加热均匀，每一个段上的燃烧嘴越密集越好。加热炉难以用严格的数学表达式描述它的特性，是具有大惯性、大滞后和严重非线性等特性的对象。其结构复杂，受许多干扰因素的影响，燃料的发热值及残氧又很难在线准确测量，因此一般线性调节器不能满足对象及工艺控制的要求。在加热炉工作时，钢坯被整齐排列在加热炉内，并在推钢机的推动下不断地从炉尾推入炉膛，首先进入预热段，预热段主要是依靠加热段和均热段排出的高温烟气来缓慢加热装炉钢坯，从而提高燃料的利用率。这样钢坯开始升温不大，温度应力小，不会造成裂纹和断裂；钢坯运行到加热二段时，钢坯的中心温度已超过 500，进入塑性范围，此时快速加热钢坯使钢坯表面温度迅速升高到出炉温度；在均热段钢坯表面温度不再升高，断面温差逐步减小。这样，钢坯经过预热、加热、均热三个过程，就被加热成温度适宜、温差较小、可供轧制的热坯。此时钢坯被出钢机构推上滚道，由滚道传送给轧机进行轧制，如图（2.1）所示。根据加热工艺要求，一般每块钢坯在炉内大约停留 2 小时，但具体钢种以及生产要求不同，该时间有差异。加热炉排烟方式为向上排烟，在炉内燃烧生成的烟气由炉尾总排烟管经地上烟道通到厂外烟囱，再排入大气中。为了提高热利用率，在烟道内安装有带保护管组的金属管状换热器，用来回收部分高温烟气所带走的热量，冷空气通过该处预热再分别进入各加热区域，其间空气的预热温度大约为 450。在烟道装有一套转动阀门，用来对炉膛压力进行自动调节和控制。同时还要对加热炉上方的汽包水位进行控制，以保证支撑钢坯的炉筋管中的水流量，防止烧坏炉筋管。为了将钢坯加热到轧制所规定的工艺要求，必然地要求对加热炉内的温度进行有效的控制使之保持在某一特定的范围内，出钢温度过高既不必要且又导致钢坯过多烧损和能源浪费，甚至造成粘钢的严重事故。过低则会使轧机轧制困难而影响到最终产品质量和轧机的使用寿命(或维护周期)，而温度的维持又要求燃料在炉内稳定地燃烧。另外，不同种类的钢坯对炉内的气氛有不同的要求(这里气氛主要是指氧化气氛和还原气氛，具体要求视加热工艺要求而定)，如果氧化气氛过重，会使被加热金属表面生成较厚的氧化皮，不仅浪费材料而且给除鳞带来困难，严重的还会影响产品表面质量。如果还原气氛过重，不仅白白浪费大量燃料，同时还污染了空气。2.4 加热炉温度控制要求燃料的种类很多，分类方法也不尽相同。一般按存在状态来分，有固体燃料、液体燃料和气体燃料三种。随着我国冶金工业设备的日趋完善，技术的逐渐提高和石油工业的全面发展，目前国内大、中型冶金企业的轧钢加热炉已极少使用固体燃料，绝大部分轧钢厂是使用气体或液体燃料。加热炉常用的气体燃料有天然气、高炉煤气、焦炉煤气、发生炉煤气等。常用的液体燃料主要是重油。本设计所用加热炉燃料为高炉与焦炉煤气的混合煤气。高炉煤气是高炉炼铁的副产品，它主要由可燃成分CO、H2、CH4和不可燃成分N2、CO2组成。由于含有大量不可燃成分，约占气体体积的60%70%,所以发热量比较低，通常只有33504200KJ/M3。高炉煤气由于发热量较低，燃烧温度也低，约1470 ，在加热炉上单独使用困难，往往是与焦炉煤气混合使用。焦炉煤气是炼焦生产的副产品，它的燃料成份组成是：H2含量一般超过50%，CH4含量一般超过25%，其余是少量的CO、N2、CO2、H2S等。由于焦炉煤气的主要可燃成分是高发热量的H2和CH4，所以焦炉煤气的发热量较高，为1600018800 KJ/M3。如果高炉煤气与焦炉煤气的发热量分别为Q高与Q焦，要配成发热量为Q混的混合煤气，可以用下式计算:设焦炉煤气在混合煤气中的体积分数为x,则高炉煤气的体积分数为（1-x），那么 （2.1）整理上式得： （2.2）采用高炉、焦炉混合煤气不仅合理利用了燃料，而且改善了火焰的性能，它既克服了焦炉煤气火焰上飘的缺点，同时也可以利用焦炉煤气中碳氢化合物分解产生的碳粒，在燃烧时可以增强火焰的辐射能力。2.4.1 燃烧系统燃烧系统的曲线描述图如下12：图2.2 燃烧系统的曲线描述上图表示了空气过剩率与燃烧效率及污染之间的关系，可以看出，燃烧系统的质量跟空气过剩率有很大的关系。同时，空气过剩率还可以用空气和燃气的配比，即空燃比来描述。理论空燃比A0为单位体积或质量的燃料完全燃烧所需的空气量，为一个常数。实际空燃比A=实际空气量/煤气量，设为剩余空气系数 , =实际空气量/理论空气量，A /= A0,则实际空燃比与空气剩余系数成正比。从上图可看出当1和11.02分别为空气不足燃烧区域和超低空气过剩燃烧区域，在这两个燃烧区中，会有不完全燃烧现象，这样的热损失就比较大，而且从环境污染角度看，由于不完全燃烧，将会产生大量的黑烟，污染大气。但是如果处于高过剩空气燃烧区，即当1.10时，由于过多的过剩空气，不但使出钢时钢坯表面的氧化铁皮增多，影响钢加热质量，而且使烟气中带走了大量的热量，使燃烧系统热效率过低，同时会使氮硫氧化物增加，对环保不利。因此，在实际燃烧系统中，空气过剩率设定在过剩空气燃烧区1.021.1是最佳的燃烧方案。2.4.2 炉膛负压炉膛压力对出钢质量有很大影响，只有炉膛压力适当，才能保证燃烧的效果当均热段的炉膛压力过高时，炉膛内的热气从炉膛口往外喷，会造成很大一部分热损失。均热段的炉膛压力也不能过低，尤其是当出现负炉压时，冷空气通过炉门、炉衬裂缝以及其它开口进入炉内，这些漏入的冷空气不仅会降低炉膛温度，而且由于其必须被加热到炉温后才能排除，这样造成了燃烧系统的额外负担并浪费大量燃料，且给炉膛温度控制系统带来很大的麻烦，是绝对不允许的。可见，这两种情况对炉内热工过程均不利。从工艺设计上，烟道口的排烟阀功能是用来调节炉膛压力的，因此，我们要求，在正常生产时，烟道阀门的开度大小适当。而在炉内压力发生波动时，根据炉膛压力检测结果，改变炉压调节器的输出，即通过烟道阀门开度的大小，改变排烟量来获得稳定的炉膛压力，从而使炉膛压力稳定在设定值上，以维持炉内微正压。对于炉膛压力，送风总管压力以及汽包水位的控制，由于被控对象单一，所以采用单回路 PID 控制就能达到较好的效果。2.5 空燃比燃烧过程是燃料的氧化过程，当燃料燃烧时，燃烧产物连同其他可能存在的蒸汽都被提高到火焰温度，火焰温度的高低取决于燃料是否完全燃烧，是否发出最大的热效率，故需要空气过量。同时，从安全角度考虑，空气不足也会使燃料在炉子中聚集起来，而一点燃就可能发生爆炸，因此，燃烧过程一般都是在空气过量的情况下进行的。为了使燃料充分燃烧，必须供给足够的空气，即保证一定的剩余空气系数或空燃比r6。它们的定义分别为： （2.3） （2.4）可知空燃比r与剩余空气系数的关系为： （2.5）为单位体积或质量的燃料完全燃烧所需要的理论空气量和分别为空气流量的测量值和最大值和分别为燃料流量的测量值和最大值为理论空气修正系数第三章 加热炉的温度控制系统加热炉的温度控制一共分为五部分，每一部分单独设置一个串级系统来实现炉膛温度的自动控制。在系统中，炉温控制器为主控制器，它的输出作为副控制器即燃烧控制器的设定值，通过燃烧控制器去决定煤气阀门和空气阀门的开度。而煤气压力波动等变化剧烈的扰动包含在副回路当中，利用副回路的优良动态性能来抑制这些扰动对炉膛温度的影响。在稳定状态下，炉温控制器和燃烧控制器的输出都处于相对稳定值，煤气、空气阀门的开度也保持不变。当稳定状态被破坏时，炉温控制和燃烧控制的串级控制开始作用。对于加热炉温度的影响主要有以下两种干扰：1.煤气压力波动。当煤气压力发生波动时，流量会相应发生变化。在初始阶段，由于煤气流量的变化不会马上影响到炉温，因此，炉温控制器的输出暂时不变，即煤气流量的设定值不变。由于误差的产生，煤气流量控制器发生作用，经过副回路的调节作用，会大大削弱它对炉温的影响，而此时炉温控制器开始工作，不断改变副控制器的设定值，在主控制器和副控制器的共同作用下，炉温将很快恢复到设定值。2.炉温变化。当炉温降低时，温度控制器开始动作，控制输出量增大，即煤气流量设定值增大，而此时煤气实际流量没有变化，煤气流量控制器输出增大，阀门增大开度，炉温逐渐升高，直到重新恢复设定值。可见，串级控制系统对于加热炉这样具有大惯性、多扰动等特点的过程，是一种很好的解决方案。对于定空燃比(燃料热值一定)的燃烧控制系统，概括起来主要有以下几种炉温控制方式: （1）单回路控制单回路控制是最简单的控制方式，通过炉温的变化直接调节煤气流量。（2）串级控制串级控制中，空气和煤气并行，温度回路的输出值作为煤气、空气回路的设定值。（3）单交叉限幅控制单交叉限幅控制可以保证在动态过程中，空气量比燃料量富裕，不会产生冒黑烟现象，但由于对空气量的上限没有限制，因此排烟热损失较大。（4）双交叉限幅控制双交叉限幅控制的特点是当热负荷增加时，空气量设定值先增加，煤气量设定值后增加，防止冒黑烟;当热负荷降低时，煤气量设定值先降低，空气量设定值后降低，减少烟气热损失;当空气回路出现故障时，煤气自动切断，避免危险。双交叉算法在动态调节时能够获得合理的空燃比，但响应速度慢。双叉限幅控制的特点是在单交叉的基础上增加一个最大选择器和一个最小选择器，其目的是保证当炉温低于设定值，需要增加燃料流量时空气先行;而当炉温高于设定值，需要减少燃料流量时燃料先行，以防止冒黑烟。该方法己经广泛应用于工业燃烧控制中，它能在动态过程中保证空燃比在规定范围内，从而使燃烧过程最佳，节约能量，减少环境污染。3.1 单闭环控制系统加热炉单回路温度控制系统框图如下2：图3.1 单回路控制系统方框图采用此系统，在平衡状态下如果炉温突然上升，那么此回路将控制煤气阀和空气阀关小，使温度降回给定值，同样如果炉温突然下降，回路又会控制煤气阀和空气阀开大，使温度回升至给定值。这个控制方案只是针对煤气和空气的压力稳定的情况，当煤气压力变大时在阀门开度不变的情况下会导致煤气流量的增大，从而导致总热值的上升，影响炉温。而由于炉温控制的大惯性，要过很长的时间，炉温检测装置才会有反应。PID调节器将来自变送器的测量值与给定值相比较后产生的偏差进行比例、积分、微分（PID）运算，并输出统一标准信号，去控制执行机构的动作，以实现对温度、压力、流量、液位及其他工艺变量的自动控制。所谓 PID 控制，就是利用比例、积分和微分三者配合对测量参数的偏差进行运算确定输出量，对被控对象进行控制的方法。当 P、I、D 三个参数达到最佳系数组合， PID 的控制效果很好。控制器参数整定的方法很多，归结起来可以分为两大类7：一类是理论计算方法，另一类是工程整定方法。本设计主要利用工程整定方法进行控制器参数整定，工程整定方法有临界比例度法、衰减曲线法和反应曲线法。（1） 临界比例度法 在系统闭环情况下，将控制器的积分时间放到最大，微分时间放到最小，比例度放到100%，然后使比例度由大往小逐步改变，直到过渡过程出现不衰减的等幅振荡为止。此时的比例度叫临界比例度，临界振荡的周期则称临界周期。（2）衰减曲线法 此法与临界比例度法有些类似。不同的是让过渡过程最终呈现4：1衰减振荡为止。此时的比例度（s）和振荡周期（Ts）即是我们需要的。因此，在纯比例情况下，系统不会出现等幅振荡，临界比例度法就无法应用，而衰减曲线法在此种情况下也同样能用。因此衰减曲线法应用较为广泛，本设计也将使用该方法对系统进行整定。对系统进行整定，用衰减曲线法4：1衰减振荡时，控制器参数经验公式如图：表3.1 控制器参数经验公式3.2 炉膛负压控制系统图3.2炉膛负压控制系统在炉膛负压控制系统中，PID控制器通过对烟道阀开度大小的控制，从而达到了控制炉膛压力的目的。送风总管压力也采用单回路PID控制系统，使烧嘴喷出的煤气和空气有一定的速度。供风压力必须和当前煤气压力相匹配，以提高阀门调节的灵敏度。若煤气压力过低，必须相应降低供风压力，使得空气阀门和煤气阀门调节行程大致相同，否则，空气压力过高，空气阀门的微小动作都会导致剩余空气过多。反之，若煤气压力过高，也要相应提高供风压力，使得流量的调节更为准确，以免在调节过程中出现黑烟。3.3 串级比值燃烧控制系统为了保证燃料与空气有一定的配比关系，最常用的方案之一是串级比值燃烧控制系统，其原理是空气流量和煤气流量的设定值成简单的比值关系。 图3.3 串级比值控制系统加热炉燃烧过程中，正常情况下，煤气和空气应该有一定的比例。焦炉煤气的空燃比大约在4：1左右，高炉煤气的空燃比大约在1.05：1左右，转炉煤气的空燃比大约在1.1：1左右，如果煤气过量，会浪费能源，同时产生冒黑烟现象，产生环境污染；如果空气过量，不仅温度上不去，而且为了加热多余空气，加热炉的热负荷会变大，同样也会浪费能源，剩余的热空气随烟气排入大气，会产生大量的NO2、SO2等气体污染环境。在钢铁生产中用到煤气的地方很多，煤气阀前压力难以稳定，为了克服阀前压力波动，把温度和煤气构成串级控制回路，煤气和空气构成比值控制系统，因此引入加热炉串级比值燃烧控制系统。如图3.3所示。在该图中，加热炉温度控制主调节器的输出直接作为燃料流量副调节器的给定值，同时经过空燃比运算器r运算后，作为空气流量副调节器的给定值。通过调整r，可以改变空气和燃料的配比关系。加热炉的燃料燃烧过程中，不仅要保证稳态情况的剩余空气系数一定，更重要的是在加热炉负荷发生变化的动态情况下，保证剩余空气系数仍保持在合理的范围内。在串级比值燃烧控制系统中，煤气流量是主动量，空气流量是从动量。在稳定状态下，煤气流量和空气流量以一定的比值定量地进入加热炉中。当炉膛温度受干扰作用，燃烧负荷波动不大时，或工艺上需要升降负荷的时候，炉温控制器的输出一方面输出信号给煤气流量控制器，从而进行煤气流量的控制；另一方面经比值器后作为空气控制器的设定值。煤气和空气串级比值控制系统开始工作：当炉温升高时，在炉温控制器反作用下，其输出减小，即煤气流量设定值减小，同时，炉温控制器的输出经比值器给空气流量的设定值也减小，控制煤气调节阀开度减小；同样空气流量的测量值暂时也没有变化，经空气流量控制器使其输出也减小，相应地控制空气调节阀开度减小。当炉温降低时，炉温控制器反作用下输出增大，即煤气流量设定值增大，同时，炉温控制器的输出经比值器给空气流量的设定值也增大。此时，煤气流量的测量值暂时没有变化，经煤气流量控制使其输出增大，控制煤气调节阀开度增大；同样空气流量的测量值暂时也没有变化，经空气流量控制器输出也增大，相应地控制空气调节阀开度增大。综上，不论炉温升高还是降低，通过煤气流量和空气流量的串级比值控制系统的控制，可以实现较好的炉温控制。但是对于钢铁厂中的加热炉不仅煤气压力波动大，且燃料热值也在发生波动，在动态过程中，实际空燃比会产生很大的波动，空气过剩系数很容易进入黑烟区，因此，无法进行抑制，效果很差12。在燃烧负荷发生急剧变化的情况下，由于控制空气流动管道与煤气流动管道特性间的差异，各阀门的响应速度和系统的响应速度不同，会带来缺氧燃烧现象和过氧燃烧现象的发生，此时若仍采用串级比值燃烧控制系统将无法保证燃料与空气之间的最佳动态配比关系，因此，引入单交叉限幅燃烧控制系统。3.4 单交叉限幅燃烧控制系统3.4.1 单交叉限幅燃烧控制系统工作原理图3.4单交叉限幅燃烧控制系统图单交叉限幅燃烧控制系统是在串级比值燃烧控制系统的基础上增加了高值选择器HS，低值选择器LS，正偏置+a1(%)和负偏置-a2(%)，用来实现燃料和空气流量之间的相互制约，防止剩余空气系数低于其给定值s以下的某一允许区间，即（s- a1），并保证燃料流量Ff低于冒黑烟界限，以及空气流量Fa高于冒黑烟界限。单交叉限幅燃烧控制系统的工作原理如下：在燃料流量调节回路中，炉温调节器TC的输出信号A，与根据空气流量测量值Fa算出的所需燃料流量加上偏置a1 (%)得到的信号B （3.1）相比较，由低值选择器LS来选通A、B之一作为燃料流量调节器FfC的给定值Sf。在空气流量调节回路中，炉温调节器TC的输出信号A，与燃料流量测量值Ff减去偏置a2(%)得到的信号D （3.2）相比较，由高值选择器HS来选通A，D之一，再乘以空燃比r作为空气流量调节器FaC的给定值Sa。下面分别对负荷稳定，升负荷和降负荷时这三种状态进行分析。系统处于稳定状态时，炉温调节器TC的输出信号A同时作为空气和燃料流量调节回路的给定信号，此时剩余空气系数等于给定值s。当升负荷时，信号A急剧上升，发生正跳变。先看空气流量调节回路的情况。此时，AD，HS选通A，再乘以r作为空气流量给定值Sa，使空气流量增加；再看燃料流量调节回路的情况，当A正跳到AB时，LS选通B，A被中断，B作为该回路的燃料流量给定值Sf，使燃料流量随着B值的增加而增加，即燃料流量随着空气流量的增加而增加，交叉限制开始。当B增加到BA时，LS又选通A，A作为该回路的燃料流量给定值，交叉限制结束。这样，系统又恢复到了稳定状态。由于A跳变，B缓慢上升，即空气流量给定值Sa急剧上升，燃料流量给定值Sf缓慢上升，实现了升负荷时“先增加空气后增加燃料”,克服了空气与燃料流量回路特性的差异，使得升负荷的动态过程能够合理燃烧13。当降负荷时，信号A急剧下降，发生负跳变。先看燃料流量调节回路的情况。此时，AB，LS选通A，A作为该回路的燃料流量给定值Sf，使燃料流量减小，再看空气流量调节回路的情况，当A负跳变到AD时，HS选通D，再乘以r作为空气流量给定值Sa，使空气流量随着D的减少而减少，即空气流量随着燃料流量的减少而减少，交叉限制开始。当D减少到DA时，HS又选通A，再乘以r作为空气流量给定值，交叉限制结束。这样，系统恢复到稳定状态。由于A负跳变、D缓慢下降，即Sf急剧下降，Sa缓慢下降，实现了降负荷时“先减少燃料后减少空气”，同样克服了空气与燃料回路特性的差异。通过上述分析可知，该系统对燃料流量和空气流量只规定了不超过冒黑烟界线，并没有规定空气过剩的界线。也就是说，系统只限制了升负荷时剩余空气系数的下降幅度，即（s-a1），而不能抑制降负荷时剩余空气系数的上升，这也是该系统的缺点。由于该系统只对剩余空气系数做了单向限幅，故起名为单交叉限幅。3.4.2 单交叉限幅燃烧控制系统特点单交叉限幅燃烧控制系统升负荷时空气先行，降负荷时煤气先行，由于采用了这种控制方式，所以单交叉限幅燃烧控制系统具有以下特点：（1）当升负荷时，先增加空气后增加燃料；当降负荷时，先减少燃料后减少空气。这样，可以防止冒黑烟。（2）一旦空气系统出现故障，Fa降于0，那么燃料流量也自动降为0，确保安全燃烧。（3）当降负荷时，不能抑制剩余空气系数的上升，在这段动态过程中燃烧效率有所下降。由于单交叉限幅燃烧控制系统限制了剩余空气系数的下限值，可以防止负荷增加的动态过程中燃料过剩所引起的不完全燃烧。但它没有限制剩余空气系数的上限值，因而导致负荷减少的动态过程中空气过剩，使得燃烧效率降低。为了克服上述缺点，可采用双交叉限幅燃烧控制系统。3.5 双交叉限幅燃烧控制系统3.5.1 双交叉限幅燃烧控制原理图图3.5 双交叉限幅燃烧控制原理图双交叉限幅燃烧控制系统是在单交叉限幅燃烧控制系统的基础上，增加了高值选择器HS2，低值选择器LS2，正偏置+a4(%)和负偏置-a3(%),从而保证了炉子负荷扰动的过程中，既限制了剩余空气系数的下限值，又限制了它的上限值，使得燃料流量Ff和空气流量Fa分别限制在冒黑烟界限和空气剩余界限之内。3.5.2 双交叉限幅燃烧控制系统的工作原理在燃料流量调节回路中，炉温调节器TC的输出信号A，与根据空气流量测量值Fa算出的所需燃料流量减去偏置a3 (%)得到的信号C （3.3） 和信号B相比较，由高值选择器HS2和低值选择器LS1来选通A、C、B之一作为燃料流量调节器FfC的给定值Sf。在空气流量调节回路中，炉温调节器TC的输出信号A，与燃料流量测量值Ff加上偏置a4(%)得到的信号E （3.4） 和信号D相比较，由低值选择器LS2和高值选择器HS1来选通A、E、D之一，再乘以空燃比r作为空气流量调节器FaC的给定值Sa。下面分别对负荷稳定，升负荷和降负荷这三种状态进行分析。系统处于稳定状态时，炉温调节器TC的输出信号A同时作为燃料和空气流量调节回路中的给定信号，此时剩余空气系数等于给定值s 。当升负荷时，信号A急剧上升，发生正跳变，先看空气流量调节回路的情况。此时AE时，LS2选通E，A被中断，同时ED,HS1又选通E，再乘以r作为空气流量给定值Sa，使空气随着E值的增加而增加，即空气流量随着燃料流量的增加而增加，交叉限制开始。当E增加到EA时，LS2选通A，E被中断，同时，AD，HS1又选通A，再乘以r作为空气流量给定值Sa，交叉限制结束，此时系统恢复到稳定状态；再看燃料流量调节回路的情况，此时AC，HS2选通A。当A正跳变到AB时，LS1又选通B，A被中断，B作为该回路的燃料给定值Sf，使燃料流量随着B值的增加而增加，即燃料流量随着空气流量的增加而增加，交叉限制开始。当B增加到BA时，同时AC，HS2选通A，LS1也选通A，A作为该回路的燃料流量给定值Sf，交叉限制结束，此时系统恢复到稳定状态。至此，升负荷的过渡过程结束。在这个动态的过程中，燃料流量和空气流量互相影响，交替增加8。当降负荷时，信号A急剧下降，发生负跳变。先看燃料流量调节回路的情况，此时AC，HS2选通A。当A负跳变到AC时，HS2选通C，A被中断，同时CB，LS1又选通C，C作为该回路的燃料流量给定值Sf，使燃料流量随着C值的减小而减小，即燃料流量随着空气流量的减小而减小，交叉限制开始。当C减小到CA 时，HS2选通A，同时，AB，LS1也选通A，A作为该回路的燃料流量给定值Sf，交叉限制结束。此时系统恢复到稳定状态；再看空气流量调节回路的情况，此时AE，LS2选通A。当A负跳变到AD 时，HS1又选通D，再乘以r作为空气流量给定值Sa，使空气流量随着D值的减小而减小，即空气流量随着燃料流量的减小而减小，交叉限制开始。当D减小到DA时，同时AE，LS2选通A，HS1也选通A，再乘以r作为空气流量给定值Sa，交叉限制结束，此时系统恢复到稳定状态。至此，降负荷的过渡过程结束。在这个动态过程中，空气流量和燃料流量互相影响，交替减小。通过上述分析可知，当升负荷时，由于信号A急增，