型鋼加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計及仿真研究畢業(yè)論文(已修改)

　

【正文】 型鋼加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計及仿真研究畢業(yè)論文目 錄摘 要 IIAbstract III第一章 緒論 1 1 1 2 3第二章 加熱爐工藝及難點分析 4.21加熱爐工藝流程 4 5 7 7 8 8 9 9 9 10 11第三章 加熱爐控制系統(tǒng) 12 12 13 13 14 14 15 15 17 18 20 20 22 26第四章 燃燒控制策略研究 27 27 28 28 28 30 32 36 37 39 40 42 43 44第五章 加熱爐爐溫模糊控制系統(tǒng)仿真 46 46 47 48 50參考文獻 51附 錄 52致 謝 5358內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書（畢業(yè)論文）第一章 緒論隨著科技的飛速發(fā)展，能源與環(huán)境面對著巨大的挑戰(zhàn)。不可再生能源的枯竭，現(xiàn)代工業(yè)能源利用過低，環(huán)境污染嚴(yán)重，使人們意識到我們面對著一個很大的挑戰(zhàn)。為了解決如今所面對的問題，我們可以從兩個方面來進行改革。第一：尋求新的能源，探索世界未知領(lǐng)域是當(dāng)今科學(xué)研究的主流；第二提高工業(yè)能源的利用率、保護環(huán)境，沿著可持續(xù)發(fā)展的路線走下去是現(xiàn)代工業(yè)當(dāng)務(wù)之急必須采取的改革措施。對于一個鋼鐵冶金企業(yè)來說，能用最低的生產(chǎn)成本生產(chǎn)出高質(zhì)量的產(chǎn)品是其最重要的生產(chǎn)目標(biāo)，也是實現(xiàn)企業(yè)利潤最大化的必由之路。隨著世界能源危機的逐漸加劇，各個國家都在加緊研究工業(yè)生產(chǎn)的節(jié)能降耗問題，作為能耗大戶的鋼鐵冶金行業(yè)對于節(jié)能降耗問題起到了舉足輕重的作用，這個占整個冶金工業(yè)能耗四分之一強的加熱爐能耗問題走到了首當(dāng)其沖的位置，加熱爐節(jié)能降耗的問題對于鋼鐵冶金企業(yè)的意義重大。加熱爐是熱軋生產(chǎn)過程的重要熱工設(shè)備，其能耗占到鋼鐵工業(yè)總能耗的25%,而其溫度控制性能直接影響到加熱爐的能耗和最終鋼材產(chǎn)品質(zhì)量。目前，國內(nèi)仍有大量的加熱爐停留在簡單的人工控制或者通過電子儀表進行手工電動操作，這種操作方式勞動強度大、控制粗糙、節(jié)能效果不好、對操作工的水平要求較高。隨著要求高效利用能源和降低環(huán)境污染等問題的日益急迫，急需對加熱爐之類的工業(yè)爐窯實行自動優(yōu)化控制以實現(xiàn)節(jié)能和降低對環(huán)境的污染。因此，提高加熱爐控制水平，建立良好的爐溫自動控制系統(tǒng)成為當(dāng)務(wù)之急。早在60年代初，世界上許多國家如美國、前蘇聯(lián)、聯(lián)邦德國等國家已開始研究加熱爐的優(yōu)化策略。最初，加熱爐控制一般采用常規(guī)儀表。由于受到常規(guī)儀表功能限制，很難組成復(fù)雜的控制系統(tǒng)。同時，隨著計算機技術(shù)的逐步發(fā)展、成熟,使得加熱爐控制應(yīng)用復(fù)雜、先進的控制策略成為可能。因此，計算機技術(shù)逐步取代常規(guī)儀表，在加熱爐中得到應(yīng)用，計算機技術(shù)的應(yīng)用也極大的促進了控制策略的進一步發(fā)展。日本是最早將計算機技術(shù)引入加熱爐生產(chǎn)過程的國家之一，而且發(fā)展迅速。隨后，其它國家如英國、美國、法國、德國、加拿大、前蘇聯(lián)等也分別在六七十年代將計算機引入加熱爐生產(chǎn)過程。我國是從八十年代初期開始對加熱爐生產(chǎn)過程進行計算機控制技術(shù)的研究，雖然起步較晚，但目前在控制理論和關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用方而作了大量工作。我國軋鋼企業(yè)的加熱爐很多，大型現(xiàn)代化爐子都配備了計算機監(jiān)控或控制系統(tǒng)，進行了不同層次的控制，絕大多數(shù)控制系統(tǒng)以燃燒控制為主，有的控制系統(tǒng)具有優(yōu)化功能，而高級控制系統(tǒng)雖有研究但應(yīng)用還較少[2]?？傊覈睦碚撗芯侩m已趕上國際水平，但國內(nèi)加熱爐的控制水平與先進國家相比還存在較大的差距，還有許多處于手工操縱階段。本設(shè)計源于鋼鐵公司三段式推鋼側(cè)出加熱爐，燃料采用高爐焦?fàn)t混合煤氣。在參照相關(guān)理論的基礎(chǔ)之上，設(shè)計了該加熱爐控制系統(tǒng)，包括加熱爐內(nèi)的爐溫燃燒串級控制、單邊限幅燃燒控制、雙邊限幅燃燒控制。很好地抑制了處于副環(huán)（煤氣熱值和壓力的波動、生產(chǎn)率的改變及爐內(nèi)參數(shù)的變化等）的干擾因素對加熱爐運行的影響；同時高效的利用了能源和降低了環(huán)境的污染；提高了爐溫控制的快速性，實現(xiàn)了加熱爐燃燒過程的有效控制。具體來說，本設(shè)計主要完成了以下幾個方面的工作: （1） 查閱了大量的文獻資料，對國內(nèi)、外加熱爐計算機控制系統(tǒng)發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀作了詳細(xì)的綜述，指出了加熱爐控制存在的問題和系統(tǒng)研究的意義。（2）對加熱爐的核心技術(shù)—燃燒機理進行了深入研究，闡述了燃燒效率與空燃比的關(guān)系。并且從工藝角度對加熱爐中關(guān)鍵技術(shù)提出了相應(yīng)的要求，分析了加熱爐控制系統(tǒng)的難點。（3）采用爐溫—燃燒串級控制方式實現(xiàn)溫度的自動控制。詳細(xì)分析各段不同的升溫特性，以此為依據(jù)設(shè)計了爐溫模糊控制器。（4）運用MATLAB軟件對溫度控制系統(tǒng)進行了較為全面的仿真和性能分析。本章從節(jié)能、環(huán)境和出鋼品質(zhì)問題入手，根據(jù)國內(nèi)現(xiàn)狀，提出了改造加熱爐爐溫燃燒控制系統(tǒng)的問題。同時，基于國內(nèi)加熱控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀和加熱爐本身的特性，本設(shè)計提出了三點：（1）從節(jié)能和環(huán)境問題入手對燃燒控制系統(tǒng)提出了雙邊限幅控制。（2）從出鋼的品質(zhì)要求、加熱爐本身的大慣性和純滯后等特性、隨機因素干擾多等問題入手對爐溫控制系統(tǒng)提出了串級控制。（3）將模糊控制與傳統(tǒng)PID相結(jié)合將有效的提高系統(tǒng)的魯棒性，改善PID的不足。燃燒控制系統(tǒng)和爐溫控制系統(tǒng)不是獨立的，沒有燃燒控制又何從談爐溫控制；只談燃燒控制而沒有爐溫控制又有何意義。即燃燒控制決定了爐溫控制，爐溫是燃燒控制的一個重要的外在表象。則燃燒控制和爐溫控制是相互聯(lián)系相互影響的，在本設(shè)計中它們是處于一個大系統(tǒng)中的，即爐溫燃燒串級控制系統(tǒng)。因此，節(jié)能、環(huán)境和出鋼品質(zhì)問題是一個有待整體解決的問題。第二章 加熱爐工藝及難點分析.21加熱爐工藝流程加熱爐的作用是將鋼坯加熱到軋制工藝要求的溫度[3]。在此溫度下進行軋制既能保證燃料的合理利用又能使產(chǎn)品達到需要的品質(zhì)。 加熱爐結(jié)構(gòu)圖此加熱爐為三段式（即預(yù)熱段、加熱段、均熱段）端進側(cè)出加熱爐，沿爐長方向分為預(yù)熱段、II 加熱段、I 加熱段和均熱段。預(yù)熱段主要是依靠爐內(nèi)尾氣余熱來預(yù)熱爐中的鋼坯，從而提高燃料的利用率，為了把鋼坯加熱到目標(biāo)溫度，加熱爐以高爐焦?fàn)t混合煤氣為燃料，分成五個控制區(qū)域?qū)訜釥t的燃燒過程和爐溫進行控制，即預(yù) 熱段區(qū)，并將 I 加熱段和II均熱段各分成上、下兩個區(qū)域，每個區(qū)域單獨控制，分別設(shè)置有熱電偶溫度傳感器，空氣流量控制器、煤氣流量控制器，預(yù)熱段內(nèi)由于沒有設(shè)置燒嘴而不參與控制[4]。為了將鋼坯加熱到軋制所規(guī)定的工藝要求，必然要求對加熱爐內(nèi)的溫度進行有效的控制使其保持在某一特定的范圍內(nèi)，出鋼溫度過高既不必要且又導(dǎo)致鋼坯過多燒損和能源浪費，甚至造成粘鋼的嚴(yán)重事故。過低則會使軋機軋制困難而影響到最終產(chǎn)品質(zhì)量和軋機的使用壽命。而溫度的維持又要求燃料在爐內(nèi)穩(wěn)定地燃燒。另外，不同種類的鋼坯對爐內(nèi)的氣氛有不同的要求， (這里氣氛主要是指氧化氣氛和還原氣氛，具體要求視加熱工藝要求而定)如果氧化氣氛過重，會使被加熱金屬表面生成較厚的氧化皮，不僅浪費材料，而且嚴(yán)重的還會影響產(chǎn)品表面質(zhì)量。如果還原氣氛過重，不僅白白浪費大量燃料，同時還污染了空氣，可見，燃燒過程是影響加熱爐系統(tǒng)的關(guān)鍵。燃燒過程是燃料（固體、氣體、液體或者它們的混合燃料）的氧化過程，而氧化反應(yīng)生成的熱正是我們所需要的熱量。當(dāng)燃料燃燒時，燃燒產(chǎn)物連同其他可能存在的蒸汽都被提高到火焰溫度，火焰溫度的高低并不由燃料數(shù)量的多少來決定，而取決于燃料是否完全燃燒，是否發(fā)出最大的熱效率，故需要空氣過量。同時，從安全角度考慮，空氣不足也會使燃料在爐子中聚集起來，而一點燃就可能發(fā)生爆炸，因此，燃燒過程一般都是在空氣過量的情況下進行的。但是空氣中的氮氣不僅不參與燃燒，而且還要起一種稀釋作用，從而降低了火焰的溫度，由此可見，在實際工況中，最高火焰溫度是發(fā)生在空氣微過量的情況下。根據(jù)熱力學(xué)的原理，輻射的能量與火焰絕對溫度的四次方成正比，所以爐子的最高效率總是在火焰溫度最高的情況下才能出現(xiàn)[5]。 燃燒系統(tǒng)評估因素，可以看出，燃燒系統(tǒng)的質(zhì)量跟空氣過剩率有很大的關(guān)系。同時，空氣過剩率還可以用空氣和燃?xì)獾呐浔龋纯杖急葋砻枋觯涸O(shè)μ 為剩余空氣系數(shù)，r 為空燃比。其定義如下: （21） （22）可知空燃比r 與剩余空氣系數(shù)μ 的關(guān)系為： （23） （24）為單位體積或質(zhì)量的燃料完全燃燒所需的理論空氣量。和分別為空氣流量的測量值和最大值。和分別為燃料流量的測量值和最大值。為理論空氣修正系數(shù)。，當(dāng)μ 為1時，是理論上達到合理空燃比所需要的空氣量；但在實際中，μ ＜1和1≤μ ＜，在這兩個燃燒區(qū)中，會有不完全燃燒現(xiàn)象，這樣的熱損失就比較大，而且從環(huán)境污染角度看，由于不完全燃燒，將會產(chǎn)生大量的黑煙，污染大氣。但是如果處于高過?？諝馊紵齾^(qū)，即當(dāng)μ ＞，由于過多的過剩空氣，不但使出鋼時鋼坯表面的氧化鐵皮增多，影響鋼加熱質(zhì)量，而且使煙氣中帶走了大量的熱量，使燃燒系統(tǒng)熱效率過低，同時，過多的Ox會使NOx和SOx增加，對環(huán)保也不利。因此，在實際燃燒系統(tǒng)中，≤μ ≤，在此燃燒區(qū)域內(nèi)，可以得到如下的經(jīng)濟效果：（1）燃燒效率最高，綜合的熱損失最小，達到節(jié)能的目的。（2）減少燃燒空氣量和排風(fēng)量，節(jié)省風(fēng)機的動力費用。（3）既能避免黑煙的出現(xiàn)，又降低 NO x的生成，減少空氣污染。（4）降低 SOx 的生成，防止設(shè)備腐蝕，延長了爐齡。（5）減少灰分，使除塵器小型化并節(jié)省維護費用。加熱爐系統(tǒng)非常復(fù)雜，很多系統(tǒng)相互影響，為了達到工藝水平，保證出鋼的質(zhì)量，對以下幾個部分做出了相應(yīng)的要求：爐膛溫度、煤氣和空氣流量(燃燒過程) 、爐膛壓力、送風(fēng)總管壓力等[6]。 在加熱爐系統(tǒng)中，爐溫的高低直接決定鋼坯的溫度。如果爐溫偏低，導(dǎo)致鋼坯溫度偏低，鋼坯軟度不夠?qū)p壞軋鋼機；如果爐溫偏高，鋼坯會在加熱爐中發(fā)生粘結(jié)，因此，對爐膛的溫度范圍有較高的要求。爐膛溫度是個復(fù)雜的被調(diào)量，受到很多因素的干擾，如各段之間溫度的相互影響，冷鋼進入加熱爐導(dǎo)致的溫度降低，預(yù)熱空氣溫度的波動，爐膛壓力的變化。對于爐膛溫度，我們的要求是，當(dāng)加熱爐內(nèi)的溫度穩(wěn)定不變時，噴入爐內(nèi)的煤氣流量也能恒定不變；而當(dāng)爐溫受到外界擾動作用偏離給定值時，則煤氣流量又必須作相應(yīng)地變化，以使熱能的供需達到新的平衡，從而保持爐內(nèi)溫度恒定不變。在動態(tài)過程中，必須要保證響應(yīng)的快速性和較高的魯棒性。 燃燒的基本條件是燃料和空氣，通過燃燒器將燃料和空氣充分混合是燃料完全燃燒的關(guān)鍵，根據(jù)對燃燒機理的剖析，為了節(jié)能和保護環(huán)境，不管是在燃燒穩(wěn)定的狀態(tài)下還是在過渡狀態(tài)下，都必須將空氣流量和燃料流量的空燃比控制在正常值上。在通常的燃燒系統(tǒng)中，常常是根據(jù)大量的經(jīng)驗總結(jié)給出操作中應(yīng)遵循的空燃比要求，然后在燃燒中保持此空燃比，同時穩(wěn)定爐溫在設(shè)定范圍內(nèi)。但是加熱爐中使用的燃料性能不高，燃料的熱值的慢時變是不可避免的，當(dāng)燃料的熱值變化較大時，繼續(xù)保持預(yù)先設(shè)定的空燃比就沒有意義了。這就意味著燃燒控制系統(tǒng)要根據(jù)燃料的具體情況使燃燒狀況符合一定的要求，在這種情況下如果仍然人為設(shè)定為一固定的空燃比顯然是無法使燃燒保持最優(yōu)的，所以，在要求較高的燃燒系統(tǒng)中最好具備動態(tài)優(yōu)化空燃比的功能。因此，燃燒過程應(yīng)滿足以下兩點要求: [7]（1）保證空氣流量和煤氣流量按照設(shè)定的空燃比實現(xiàn)快速調(diào)節(jié)。（2）在工藝要求和外界干擾的情況下，空燃比設(shè)定值能在線優(yōu)化。爐膛壓力是保證加熱爐良好燃燒狀況的一個重要因素，只有爐膛壓力適當(dāng)，才能保證燃燒的效果，對出鋼質(zhì)量有很大影響。以均熱段的爐膛壓力檢測點為準(zhǔn)。當(dāng)均熱段的爐膛壓力過高時，爐膛內(nèi)的熱氣從爐膛口往外噴，造成很大一部分熱損失。當(dāng)然，均熱段的爐膛壓力也不能過低，尤其是當(dāng)出現(xiàn)負(fù)爐壓時，冷空氣通過爐門、爐襯裂縫以及其他開口進入爐內(nèi)，這些漏入的冷空氣不僅會降低爐膛溫度，而且由于其必須被加熱到爐溫后才能排除，這樣造成了燃燒系統(tǒng)的額外負(fù)擔(dān)并浪費大量燃料，且給爐膛溫度控制系統(tǒng)帶來很大的麻煩，是絕對不允許的?？梢?，這兩種情況對爐內(nèi)熱工過程均不利。從工藝設(shè)計上，煙道口的排煙閥功能是用來調(diào)節(jié)爐膛壓力的，因此，我們要求，在正常生產(chǎn)時，煙道閥門的開度大小適當(dāng)。而