论文部分内容阅读
【摘要】加热炉是冶金行业生产环节中重要的热工设备,它在轧钢生产中占有十分重要的地位,加热炉的操作水平将直接影响产品的质量、产量和生产消耗指标。
【关键词】加热炉 热工设备 单回路控制 串级控制
加热炉的生产任务是按照轧机的轧制节奏将钢材加热到工艺要求的温度水平和加热质量,并且在优质高产的前提下,尽可能地降低燃料的消耗,减少氧化烧损。本文拟从加热炉的单回路控制和串级控制两方面进行探讨。
一、加热炉的单回路控制
1.扰动分析
加热炉的最主要控制指标往往是工艺介质的出口温度,此温度为控制系统的被控变量,而操纵变量为燃料油或燃料气的流量。对于不少加热炉来说,温度控制指标要求相当严格,例如,允许波动范围±(1～2)℃。影响炉出口温度的扰动因素有:工艺介质进料的流量、温度、组分,燃料方面有燃料油(或气)的压力、成分(或热值)、燃料油的雾化情况、空气过量情况、喷嘴的阻力、烟囱抽力等。在这些扰动中有的是可控的,有的是不可控的,为了保证加热炉出口稳定,对扰动应采取必要的措施。
2.单回路控制系统的分析
图1为某一燃油加热炉控制系统示意图,其主要控制系统是以炉出口温度为被控变量、燃料油流量为操纵变量组成的单回路控制系统。
其他辅助控制系统有:
(1)进入加热炉工艺介质的流量控制系统,如图1中FC控制系统;
图1 加热炉单回路控制系统
(2)燃料油总压控制,总压控制一般调回油量,如图一中P1C控制系统;
(3)采用燃料油时,还需要加入雾化蒸汽(或空气),为此设有雾化蒸汽压力控制系统,如图1中P1C控制系统,以保证燃料油的良好雾化。
采用雾化蒸汽压力控制系统后,在燃料压力变化不大的情况下是可以满足雾化要求的。目前,炼油厂中大多数采用这种方案。假如燃料油压力变化较大时,采用雾化蒸汽压力控制就不能保证燃料油得到良好的雾化,可以采用如下控制方案:
(1)根据燃料油阀后压力与雾化蒸汽压力之差来调节雾化蒸汽,即采用压差控制,如图2所示。
图2 燃料油与雾化蒸汽压差控制系统
(2)采用燃料油阀后压力与雾化蒸汽压力比值控制,如图3所示。
图3 燃料油与雾化蒸汽压力比值控制系统
采用上述两种方案时,只能保持近似的流量比,还应注意经常保持喷嘴、管道、节流件等通道的通畅,以免喷嘴堵塞及管道局部阻力发生变化,引起控制系统的误动作。此外,也可采用二者流量的比值控制,则能克服上述缺点,但所用仪表多且重油流量测量困难。
二、加热炉的串级控制
加热炉的串级控制方案由于扰动因素以及加热炉型的不同,可以选择不
同的副变量。加热炉的串级控制方案主要有以下几种:
1.加热炉出口温度对炉膛温度的串级控制
当受到扰动因素例如燃料油(或气)的压力、热值、烟囱抽力等作用后,首先将反应炉膛温度的变化,以后再影响到出口温度,而前者滞后远较后者小。根据某厂测试,前者仅为3min,而后者长达5min。采用炉出口温度对炉膛温度串级后,就把原来的对象一分为二,副回路其超前作用能使这些扰动因素一影响到炉膛温度时,就迅速采取控制手段,这将显著改善控制质量。
这种串级控制方案对下述情况更为有效:
(1)热负荷较大,而热强度较小。即不允许炉膛温度有较大波动,以免影响设备。
(2)当主要扰动是燃料油或气的热值变化时(即组分变化)时,其他控制方案的内环无法感受。
(3)在同一个炉膛内有两组炉管,同时加热两种物料。此时虽然仅控制一组温度,但另一组亦较平稳。
由于把炉膛温度作为副变量,因此采用这种方案是还应注意以下几个方面:
(1)应选择有代表性的炉膛温度检测点,而且要反应快。但选择时较困难,特别对圆筒炉。
(2)为了保护设备,炉膛温度不应有较大的波动,所以在参数整定时,对于副控制器不应整定的过于灵敏,且不加微分作用。
(3)由于炉膛温度较高,测温元件及其保护套管材料必须耐高温。
2.炉出口温度对燃料油(或气)流量的串级控制
在某些特殊情况下,可组成炉出口温度、炉膛温度、燃料油流量的三个参数的串级控制系统,如图4所示,但该方案使用仪表多,且整定困难。
图4 炉出口温度对炉膛温度及燃料油流量的串级控制
3.出口温度对燃料油(或气)阀后压力的串级控制
4.采用压力平衡式控制阀(浮动阀)的控制
当燃料是气体时,采用压力平衡式控制阀(浮动阀)的方案颇有特色,如图
5所示。这里用浮动阀代替了一般控制阀,节省了压力变送器,且浮动阀本身兼具压力控制器功能,实现了串级控制。
图5 浮动阀的控制方案
浮动阀能起到压力控制器的作用是因为,这种阀膜片上部来自温度控制器的输出压力P,而膜片下部接入燃料气阀后压力P,只有当P= P时,阀杆才不动,处于平衡状态。当由于温度变化而使控制器输出压力改变为P时,此时P≠P则阀杆动作,改变阀门开度,最终使阀后压力P=P,重新达到平衡。若由于燃料气流量变化,使燃料气压改变,此时阀杆动作,改变阀门开度,最终使阀后压力回到平衡状态。
图6 浮动阀示意图
浮动阀结构图如图6所示。它不用弹簧、不用填料,所以没有摩擦,没有机械的间隙,因此s工作灵敏度高,反应迅速,它与精度较高的温度控制器配套组成的控制回路,实际上起串级控制作用,能获得较好的控制效果。
采用這种方案时,被调燃料气阀后压力一般应在0.04～0.08MPa之间。若被调燃料气阀后压力大于0.08MPa时,为了满足平衡的要求,则须在温度控制器的输出端串接一个倍数继动器。
这个控制方案由于以下原因受到一定限制:
(1)由于倍数继动器的限制,一般情况下适用于0.04～0.08MPa的气体燃料;
(2)一般的膜片不适用于液体燃料及温度较高的气体燃料;
(3)当膜片上下压差较大时,膜片容易损坏。
综上所述,加热炉作为传热设备的一种,同样符合传导与对流传热的基本规律,但加热炉属于火力加热设备,首先,由燃料的燃烧产生炙热的火焰和高温的气流,主要通过辐射传热将热量传给管壁;然后,再由管壁传给工艺介质,工艺介质在辐射室获得热量约占总热负荷的70%～80%,而对流段获得的热量约占热负荷的20%～30%。因此,加热炉的传热过程比较复杂,而运用单回路控制和串级控制对加热炉进行操作,使加热炉控制系统得到优化,同时也给工业生产过程带来很多方便,从而提高生产效率和产品质量。
参考文献:
[1]蔡乔方.加热炉.北京:冶金工业出版社.
[2]王树青.工业过程控制工程[M].北京:化学工业出版社,2002.
[3]赵长安.控制系统设计手册[M].北京:国防工业出版社,1991.
[4]刘亮.加热炉设备的控制方案设计[J].中国仪器仪表,2007,13(5):52-54.
【关键词】加热炉 热工设备 单回路控制 串级控制
加热炉的生产任务是按照轧机的轧制节奏将钢材加热到工艺要求的温度水平和加热质量,并且在优质高产的前提下,尽可能地降低燃料的消耗,减少氧化烧损。本文拟从加热炉的单回路控制和串级控制两方面进行探讨。
一、加热炉的单回路控制
1.扰动分析
加热炉的最主要控制指标往往是工艺介质的出口温度,此温度为控制系统的被控变量,而操纵变量为燃料油或燃料气的流量。对于不少加热炉来说,温度控制指标要求相当严格,例如,允许波动范围±(1～2)℃。影响炉出口温度的扰动因素有:工艺介质进料的流量、温度、组分,燃料方面有燃料油(或气)的压力、成分(或热值)、燃料油的雾化情况、空气过量情况、喷嘴的阻力、烟囱抽力等。在这些扰动中有的是可控的,有的是不可控的,为了保证加热炉出口稳定,对扰动应采取必要的措施。
2.单回路控制系统的分析
图1为某一燃油加热炉控制系统示意图,其主要控制系统是以炉出口温度为被控变量、燃料油流量为操纵变量组成的单回路控制系统。
其他辅助控制系统有:
(1)进入加热炉工艺介质的流量控制系统,如图1中FC控制系统;
图1 加热炉单回路控制系统
(2)燃料油总压控制,总压控制一般调回油量,如图一中P1C控制系统;
(3)采用燃料油时,还需要加入雾化蒸汽(或空气),为此设有雾化蒸汽压力控制系统,如图1中P1C控制系统,以保证燃料油的良好雾化。
采用雾化蒸汽压力控制系统后,在燃料压力变化不大的情况下是可以满足雾化要求的。目前,炼油厂中大多数采用这种方案。假如燃料油压力变化较大时,采用雾化蒸汽压力控制就不能保证燃料油得到良好的雾化,可以采用如下控制方案:
(1)根据燃料油阀后压力与雾化蒸汽压力之差来调节雾化蒸汽,即采用压差控制,如图2所示。
图2 燃料油与雾化蒸汽压差控制系统
(2)采用燃料油阀后压力与雾化蒸汽压力比值控制,如图3所示。
图3 燃料油与雾化蒸汽压力比值控制系统
采用上述两种方案时,只能保持近似的流量比,还应注意经常保持喷嘴、管道、节流件等通道的通畅,以免喷嘴堵塞及管道局部阻力发生变化,引起控制系统的误动作。此外,也可采用二者流量的比值控制,则能克服上述缺点,但所用仪表多且重油流量测量困难。
二、加热炉的串级控制
加热炉的串级控制方案由于扰动因素以及加热炉型的不同,可以选择不
同的副变量。加热炉的串级控制方案主要有以下几种:
1.加热炉出口温度对炉膛温度的串级控制
当受到扰动因素例如燃料油(或气)的压力、热值、烟囱抽力等作用后,首先将反应炉膛温度的变化,以后再影响到出口温度,而前者滞后远较后者小。根据某厂测试,前者仅为3min,而后者长达5min。采用炉出口温度对炉膛温度串级后,就把原来的对象一分为二,副回路其超前作用能使这些扰动因素一影响到炉膛温度时,就迅速采取控制手段,这将显著改善控制质量。
这种串级控制方案对下述情况更为有效:
(1)热负荷较大,而热强度较小。即不允许炉膛温度有较大波动,以免影响设备。
(2)当主要扰动是燃料油或气的热值变化时(即组分变化)时,其他控制方案的内环无法感受。
(3)在同一个炉膛内有两组炉管,同时加热两种物料。此时虽然仅控制一组温度,但另一组亦较平稳。
由于把炉膛温度作为副变量,因此采用这种方案是还应注意以下几个方面:
(1)应选择有代表性的炉膛温度检测点,而且要反应快。但选择时较困难,特别对圆筒炉。
(2)为了保护设备,炉膛温度不应有较大的波动,所以在参数整定时,对于副控制器不应整定的过于灵敏,且不加微分作用。
(3)由于炉膛温度较高,测温元件及其保护套管材料必须耐高温。
2.炉出口温度对燃料油(或气)流量的串级控制
在某些特殊情况下,可组成炉出口温度、炉膛温度、燃料油流量的三个参数的串级控制系统,如图4所示,但该方案使用仪表多,且整定困难。
图4 炉出口温度对炉膛温度及燃料油流量的串级控制
3.出口温度对燃料油(或气)阀后压力的串级控制
4.采用压力平衡式控制阀(浮动阀)的控制
当燃料是气体时,采用压力平衡式控制阀(浮动阀)的方案颇有特色,如图
5所示。这里用浮动阀代替了一般控制阀,节省了压力变送器,且浮动阀本身兼具压力控制器功能,实现了串级控制。
图5 浮动阀的控制方案
浮动阀能起到压力控制器的作用是因为,这种阀膜片上部来自温度控制器的输出压力P,而膜片下部接入燃料气阀后压力P,只有当P= P时,阀杆才不动,处于平衡状态。当由于温度变化而使控制器输出压力改变为P时,此时P≠P则阀杆动作,改变阀门开度,最终使阀后压力P=P,重新达到平衡。若由于燃料气流量变化,使燃料气压改变,此时阀杆动作,改变阀门开度,最终使阀后压力回到平衡状态。
图6 浮动阀示意图
浮动阀结构图如图6所示。它不用弹簧、不用填料,所以没有摩擦,没有机械的间隙,因此s工作灵敏度高,反应迅速,它与精度较高的温度控制器配套组成的控制回路,实际上起串级控制作用,能获得较好的控制效果。
采用這种方案时,被调燃料气阀后压力一般应在0.04～0.08MPa之间。若被调燃料气阀后压力大于0.08MPa时,为了满足平衡的要求,则须在温度控制器的输出端串接一个倍数继动器。
这个控制方案由于以下原因受到一定限制:
(1)由于倍数继动器的限制,一般情况下适用于0.04～0.08MPa的气体燃料;
(2)一般的膜片不适用于液体燃料及温度较高的气体燃料;
(3)当膜片上下压差较大时,膜片容易损坏。
综上所述,加热炉作为传热设备的一种,同样符合传导与对流传热的基本规律,但加热炉属于火力加热设备,首先,由燃料的燃烧产生炙热的火焰和高温的气流,主要通过辐射传热将热量传给管壁;然后,再由管壁传给工艺介质,工艺介质在辐射室获得热量约占总热负荷的70%～80%,而对流段获得的热量约占热负荷的20%～30%。因此,加热炉的传热过程比较复杂,而运用单回路控制和串级控制对加热炉进行操作,使加热炉控制系统得到优化,同时也给工业生产过程带来很多方便,从而提高生产效率和产品质量。
参考文献:
[1]蔡乔方.加热炉.北京:冶金工业出版社.
[2]王树青.工业过程控制工程[M].北京:化学工业出版社,2002.
[3]赵长安.控制系统设计手册[M].北京:国防工业出版社,1991.
[4]刘亮.加热炉设备的控制方案设计[J].中国仪器仪表,2007,13(5):52-54.