加热炉燃烧控制系统设计
毕业设计指导书
毕业设计是本科教学计划的最后一个重要环节，是落实本科教育培养目标的重要组成部分。其重要目的是培养学生综合运用所学知识和技能，理论联系实际，独立分析、解决实际问题的能力，是学生从事本专业工程技术和科学研究工作的基本训练。本设计是以加热炉为被控对象，采用PLC技术，设计一套加热炉燃烧控制系统。要求设计者以严肃认真、一丝不苟的态度对待这次设计，通过这个环节的学习，提高学生独立分析问题、解决问题的实际能力，学生应在系统设计、计算、工程绘图、实验、计算机使用、编制技术文件等方面的能力得到训练和提高。
一、毕业设计的题目、任务和要求
1. 题目：加热炉燃烧控制系统设计
2. 任务：
(1)熟悉生产工艺过程，分析控制要求。
(2)根据控制要求，进行系统总体控制方案设计。
(3)系统硬件设备选型、PLC选型。
(4)估算所需I/O点数，进行I/O模块选型。
(5)绘制系统硬件连接图：包括系统硬件配置图；I/O连接图。
(6)分配I/O点数，列出I/O分配表。
(7)熟练使用相关软件，设计梯形图控制程序。
(8)对程序进行调试和修改。
(9)设计监控系统。
(10)总结各种资料和经验，编写技术文件。
(11)写毕业设计报告（包括说明书和相应图纸）、准备毕业答辩。
3. 目的、要求
(1)巩固、联系、充实、加深、扩大所学基础理论知识和专业知识；
(2)掌握专业设计工作的流程、方法和步骤；
(3)增强计算、绘图、编制技术文件的能力；
(4)提高运用所学知识分析、解决实际问题的能力；
(5)通过毕业实习、毕业设计及毕业答辩全过程的训练，加强师生之间交流，培养学术研讨的好学风；
(6)培养学生严肃认真、刻苦钻研、实事求是的工作作风；
(7)要求学生遵守作息时间，遵守学校的各项规章制度，确保毕业设计顺利地、高质量地完成。
二、毕业设计的一般步骤和基本内容
1.收集并整理设计所需原始资料，为确定设计方案做准备。
2.有针对性地复习掌握与本设计相关的内容，如“过程控制工程”、“可编程序控制器原理与应用”、“自动控制原理”、“交流调速系统”、“电子技术基础”、“计算机控制系统”等。
3.熟悉生产工艺过程，分析控制要求。
工艺过程：待加热物料A流量为F1101，温度为常温20℃，经由上料泵P1101泵出。流量管线上设有调节阀V1101，调节阀有前、后阀XV1101和XV1102，以及旁路阀HV1101。
待加热物料A被分为两路，一路进入换热器E1101预热，预热后与另外一路混合进入加热炉。两路物料A管道上分别设有调节阀V1102和V1103。正常工况时，大部分待加热物料A直接流向加热炉对流段，少部分待加热物料A流向换热器，其流量为F1102。
燃料经由燃料泵P1102泵入加热炉F1101的燃烧器，燃料流量为F1103，燃料压力为P1101，燃料流量管线设调节阀V1104。空气经由变频风机K1101送入燃烧器，空气量为F1104。燃料与空气在燃烧器混合燃烧，产生热量使辐射段炉管内的物料A迅速升温。燃烧产生的烟气带有大量余热，在对流段进行余热回收。
对流段烟气出口处的烟气温度为T1105。烟气含氧量AI1101设有在线分析检测仪表。烟道内设有挡板DO1101。
出对流段、入辐射段的物料A温度为T1102。从辐射段炉管出来的温度为T1103的高温物料A进入换热器E1101，进行温度的微调。最终产品（热物料A）的温度为T1104，流量为F1105，出口管道上设流量调节阀V1105。
炉膛压力为P1102，炉膛中心火焰温度为TI1101，为红外非接触式测量，仅提供大致温度的参考。
控制要求：在物料A进料量一定的情况下，使得烟气含氧量维持其在允许的范围内。
图1 带搅拌器的釜式反应器
4.根据控制要求确定总体控制方案
a)选择被控参数、控制参数、控制器、执行器；
b)设计控制系统；
c)绘制工艺控制流程图和系统方框图。
三、系统硬件设计
根据控制要求，确定总体控制方案后，先进行系统硬件设计。主要包括以下内容：
1.合理选择硬件设备；
根据控制要求，合理选择传感器型号、精度、量程；合理选择执行器型号和规格和特性。确定其它电气元件型号和数目。
2.PLC选择实验室现有的AB公司Logix5000系列。
3.估算所需I/O点数，进行I/O模块选型。
4.绘制系统硬件配置图；
5.绘制输入输出接线图。
四、系统软件设计
1.根据硬件连接情况，编写输入输出定义表；
2.根据控制要求，编写梯形图程序；
3.对程序进行调试和修改。
五、监控系统设计
利用组态软件设计该系统的监控画面。
六、编制技术文件
毕业设计的技术文件主要包括毕业设计论文（说明书）和相关图纸两个部分。
1.总结整理设计过程中的各种资料和经验、教训；
2.编制毕业设计（论文）说明书：
1) 篇幅在1.5～2万字；
2) 设计书（论文）完整，系统性强（有目录、前言、中英文摘要、正文、结束语、主要参考文献等部分）；
3) 中、英文摘要约300字，关键词3～5个；
4) 内容正确、文笔流畅、层次分明，格式规范；
5) 文字录入：手写时要求字迹规范、不得潦草，图纸清晰、整洁，不得有涂改；计算机打印的必须进行细心的排版，每页须有页码。所有插图必须一一绘制，不得用拷贝过来的图。
6) 毕业设计说明书装订要整齐、美观，封面和内页的设计任务书必须用碳素黑色墨水、宋体或楷体认真书写，不得潦草涂改。
3.绘制相关图纸，要求：
1) 图纸规格符合国家标准，标题栏规格统一；
2) 图面布局合理，线条均匀、字迹规范，整洁清晰；
3) 如用计算机绘制，必须保证图纸中的器件清晰可见；
4) 图中各元件必须标注字母名称和相应的参数大小。
4.查阅文献资料在8篇以上，其中外文资料不少于2篇，其中一篇译成中文（不少于3000汉字），外文翻译用毕业设计用纸书写，译文与外文原文一起装订成册。
七、准备答辩
完成整个设计工作后，要对所做设计进行全面总结，对设计中的每一个部分进行充分仔细的准备。其中包括你所设计系统的特点，存在的问题，解决的办法，未来的发展等等，写成15分钟左右的发言稿，准备答辩中用。
八、时间安排
本学期毕业设计共十六周，具体安排如下：
1-2周：复习“过程控制工程”、“可编程控制器原理与应用”、“自动控制原理”、“交流调速系统”、“电子技术基础”、“计算机控制系统”等相关内容，熟悉生产工艺过程，分析控制要求。
3-5周：查阅相关资料，确定总体设计方案；
6-7周：熟悉AB公司PLC及其相关模块，罗克韦尔网络，进行系统硬件设计；
8-9周：熟悉罗克韦尔软件，进行系统软件设计；
10-11周：程序调试；
12-13周：监控系统设计；
14-15周：编写毕业设计技术文件：说明书和图纸；
16周：准备答辩，对设计内容进行总结，弄懂各部分的原理及系统的工作过程，写出毕业答辩的发言稿，做到心中有数，应对毕业答辩。
其中包括2周毕业实习。
九、设计任务书
1. 题目：加热炉燃烧控制系统设计；
3. 原始资料：
（1）待加热物料A流量为57.5 kg/s；
（2）升温结束后保持在70℃左右5~10分钟。
4. 任务要求：设计一套加热炉燃烧控制系统，包括系统硬件、软件和监控系统设计。
5. 毕业设计成果：设计说明书一本。
6. 任务下达时间：2.23，完成时间：6.20。
十、主要参考书（资料）
1.过程控制工程邵裕森主编机械工业出版社
2.可编程控制器教程胡学林主编电子工业出版社
3.交流调速系统陈伯时等编著机械工业出版社
4.电力电子技术周明宝等编著机械工业出版社
5.可编程序控制器原理与应用宋建成主编科学出版社
6.电力电子技术王旭光等编著中国矿业出版社
7.罗克韦尔相关资料
十一、毕业设计学生：
指导教师：高宏岩
冶金加热炉设计工作手册. 作：编委会 冶金工业出版社 2011年出版 16开 精装1本 光盘：0 定价：328元 优惠：180元 .. 详细：.......................................... ............
.......................................... ............ 冶金加热炉设计工作手册 第一篇冶金工厂加热炉的设计方法和原则 第一章加热炉的初步设计 第一节设计前的原始资料 第二节加热炉炉型的确定 第三节加热炉燃料的确定 第四节加热炉燃烧装置的确定 第五节预热装置的选择及安装 第六节鼓风系统和排烟系统 第七节炉子水冷系统的确定 第八节加热炉钢结构 第九节加热炉机械和自动调节 第一节绘制加热炉炉型示意简图 第二章加热炉的工艺计算和设计 第一节燃料燃烧计算
第二节加热炉的热制度 第三节钢坯加热温度和时间的计算 第四节炉子数量和基本尺寸的确定 第五节炉体筑炉材料确定 第六节力口热炉炉衬的设计 第七节钢架结构的设计 第八节炉子热平衡和燃料消耗量的计算 第九节燃烧装置的计算 第十节预热装置的计算 第十一节煤气(空气)管道和烟道的设计 第二篇钢铁厂加热炉设计实例 第三章120t／h步邂釉肋口热炉设计实例 第一节步进梁5勒口热炉设计基本情况 第二节步进梁5肋口热炉设计说明 第三节步进梁式加热炉及其附属设备的工艺性能 第四节步进梁式加热炉各结构说明 第六节图例 第四章15t／h推钢式连续加热炉设计实例 第—节加热炉炉型的选择 第二节燃料燃烧计算 第三节卿劾燃时间的计算 第四节炉子卸》Rl寸的决定及有关的J计嘴标 第五节热平衡计算及燃料消耗量的确定 第六节燃烧系统的设计 第七节烟道的设计
摘要 冶金工业消耗大量的能源，其中钢坯加热炉就占钢铁工业总能耗的四分之一。自70年代中期以来，各工业先进国对各种燃烧设备的节能控制进行了广泛、深入的研究，大大降低了能耗。 步进式加热炉不仅是轧线上最重要的设备之一，而且也是耗能大户。钢坯加热的技术直接影响带钢产品的质量、能源消耗和轧机寿命。因此步进式加热炉优化设定控制技术的推广对钢铁企业意义重大。步进式加热炉的生产目的是满足轧制要求的钢坯温度分布，并实现钢坯表面氧化烧损最少和能耗最小。由于步进式加热炉具有非线性、不确定性等特点，其动态特性很难用数学模型加以描述，因此采用经典的控制方法难以收到理想的控制效果，只能依靠操作人员凭经验控制设定值，当工况发生变化时，往往使工艺指标（如空燃比）实际值偏离目标值范围，造成产品质量下降消耗增加。针对以上情况，本文通过理论和仿真比较说明使用双交叉限幅控制系统是一种比较好的燃烧控制方法。 关键词：步进式加热炉；空燃比；双交叉限幅；系统仿真
Abstract Metallurgical industry consumes large amounts of energy, the billet heating furnace accounts for 1/4 of the total energy consumption of iron and steel industry. Since 70 time metaphase, the advanced industrial countries have conducted extensive research, in-depth on the energy saving control device of different combustion, greatly reduces the energy consumption. Reheating furnace is not only the most important one of the equipment of the rolling line, but also a large energy consumer. Billet heating technology directly affects strip steel product quality, energy consumption and mill life. The step type heating furnace optimal setting control technology is of great significance to the promotion of iron and steel enterprises. Step type heating furnace production is designed to meet the requirements of the temperature distribution of the billet rolling surface, and to achieve the fewest stock scale loss and energy consumption. Due to the characteristics of reheating furnace is a nonlinear, uncertainty, its dynamic characteristics is difficult to use mathematical model to describe, so using classic control theory to receive the ideal control effect, can only rely on the operation experience of the personnel to control the set value, when the conditions change, often make the process indicators (such as the air fuel ratio) the actual value is far from the target range, decrease the product quality consumption increase. In view of the above situation, this paper through theoretical and simulation results illustrate the use of double cross limiting control system is a good method for controlling combustion. Keywords: reheating furnace; air fuel ratio; double cross limit; system simulation
文章编号:1004-9762(1999)01-0025-04 液压比例技术在钢管步进梁式再加热炉的应用 李建国1, 方桂花2 (1.包头钢铁设计院,内蒙古包头 014010;2.包头钢铁学院机械工程系,内蒙古包头 014010) 关键词:再加热炉;液压技术;设计 中图分类号:T H137 文献标识码:A 摘 要:对钢管步进梁式再加热炉运动速度采用比例方向阀控制,可实现控制步进机械的运动速度和方向,获得最优控制.介绍了采用比例方向阀再加热炉液压系统的设计要点、控制方式和使用效果,分析了比例技术的应用特点. Application of hydraulic proportional technology in the reheating furnace LI Jian-guo1,FANG Gui-hua2 (1.Bao to u Eng ineer ing and Research Co rper atio n of Ir on and Steel Industr y,Baot ou014010,China; 2.Depar tment o f M e-chanical Engineer ing,U IST Bao tou,Bao tou014010,China) Key words:reheating furnace;hy dr aulic;designing Abstract:It is possible to use pr o po rtional directio nal v alve to adjust speed a nd direction of r eheating fur nace and the optimal contr ol can be obtained.T he desig n m ain po ints,contr ols pa tter and applicatio n results o f hy dr aulic sy stem of r ehea ting fur-na ce using pr opo rtional dir ect ional v alve are pr esented and the applicatio n character istic of pro po rt ional techno lo gy is anal-ysed. 随着轧钢工业自动化程度的不断提高,步进式再加热炉的应用越来越广泛.步进式再加热炉具有加热周期短,温度均匀等优点〔1〕,是钢管加热的理想选择.本文结合某钢管厂 100热轧机组步进梁式再加热炉液压系统,阐述了液压比例技术的应用. 荒管再加热炉为连轧机与定径机或张力减径机之间的中间环节〔2〕.在加热过程中,荒管边步进边旋转,在动梁与定梁上停留的时间相同,以避免烧出黑印而轧出螺旋线.由于荒管壁薄且长,高温时刚度和强度都很低,且已接近成品,因此,炉底机械必须保证连续生产,安全可靠,对荒管“轻托轻放”,没有跑偏,没有冲击,采用液压比例技术可以很好地保证上述工况的实现. 1 工艺要求〔1〕 (1)动作状态.根据生产工艺要求,步进机械动作状态应为3种. A.自动工作制,动作循环连续进行. B.半自动工作制,动作完成一个循环即停止. C.手动工作制,各项动作手动操作. (2)步进梁动作时应平稳,不应对荒管产生冲击. (3)钢管在动梁与定梁上停留的时间须相等. 1999年3月第18卷第1期 包头钢铁学院学报M arch,1999 Jour nal o f Bao tou U niv ersit y o f Iro n and Steel T echnolog y Vo l.18,No.1 收稿日期:1998-12-16 作者简介:李建国(1960-),男,内蒙古包头人,包头钢铁设计院工程师.
井口加热炉热工检测方案 一、项目来源 根据胜利油田采油工程处部署，对胜利油田在用的各厂家的各种类型井口加热炉进行热效率测试。本次测试工作由胜利油田技术检测中心能源监测站承担。 二、检测目的： 检测加热炉在实际运行工况下的加热炉的热效率。 三、依据标准： SY/T6381-1998 加热炉热工测定 SY/T6275-1997 石油企业节能检测综合评价方法 四、测试基本检测方法及测试数量 4.1 测试方法 测试方法采用正平衡法与反平衡法相结合的测试方法。当现场不满足正平衡测试条件时，则以反平衡测试方法进行测试。 正平衡法：通过直接测量加热炉输入热量和输出热量而计算出效率的方法。 反平衡法：通过测定加热炉各项热损失而计算出效率的方法。 4.2测试数量 因本次需测试的加热炉数量众多，故采取抽样测试的方式进行，抽测比例不低于30%。具体按各厂家加热炉（包括各种型号的加热炉）数量的30%进行。 五、测试工况要求： 1 、时间要求： （1）、测试应在加热炉热工况稳定和燃烧调整到测试工况1h后开始进行。 （2）、测试的持续时间不少于1h，烟气成分和排烟温度每隔15min读数记录数据一次。 2 、燃料要求：测试时加热炉所用燃料应符合加热炉设计要求。 3 、加热炉液位要求：测试结束时，加热炉液位应与测试开始时保持一致。 4 、加热炉负荷应在符合工艺要求（被加热介质出口温度达到外输要求）的工况。 七、测试项目 主要测试项目如下： 1)液体燃料元素分析、低位发热量、密度、含水量； 2)燃料消耗量； 3)燃烧器前燃油（气）压力； 4)燃烧器前燃油（气）温度； 5)被加热介质流量； 6)被加热介质密度； 7)被加热介质含水量； 8)加热炉进口、出口介质温度； 9)加热炉进口、出口介质压力； 10)排烟温度； 11)排烟处烟气成分分析； 12)入炉空气温度； 13)炉体外表面温度； 14)当地大气压力； 15)环境温度；
加热功率计算公式 Q 总 =（ Q 有效 +Q 热损失） xa Q 有效 :工件加热吸收的有效热 Q 热损失 :包括炉墙、炉门、风扇等处热辐射损失 a:系数，加热炉一般取 1.2 预氧化炉、回火炉一般取 1.1 1.按实际产量计算 : Q 有效 =Jm (kw) J: 金属的比能(查表 AJW (kw/Kg) 奥地利经验值表格) m:每小时最大装炉量(kg) Q 热损失 =Q1+Q2+Q3+ Q4+Q5+Q6 Q1=2kw x N1(N1: 炉门个数 ) Q2=1kw x N2(N2: 炉顶风扇个数 ) Q3=0.5kw x N3(N3: 电辐射管个数，燃气管 散热损失取1kw) Q4=1.5kw x N4 Q5=2kw Q6=Kxa (N4: 横向推料装置) (观察窗、热电偶、气氛消耗 (K: 炉体表面积 , a:炉墙外表面热损失 炉外表温度65oC 炉外表温度60oC 炉外表温度55oC ) 时取 时取 时取 0.5 kw /m2 0.45 kw /m2 0.4 kw /m2 举例 某预氧化炉，炉内 4 盘料，料盘600x600，每盘装料 温度 <60℃， 炉体尺寸： 3200x1800x1700则炉体表面积30m2 周期时间为15 分钟则每小时装料1200kg 加热采用9 支辐射管 300kg，炉内温度450℃，要求炉外墙 1.计算 Q 有效 查表 AJW,450 ℃比能 J=0.07kw/kg Q 有效 =Jm=0.07x1200=84 kw 2.计算Q 热损失 Q1=2kw x 2=4kw (N1: 炉门个数) Q2=1kw x 1=2kw (N2: 炉顶风扇个数) Q3=0.5kw x9 =4.5kw Q5=2kw (N3: 电辐射管个数) (观察窗、热电偶、后限位) Q6=Kxa=0.45x30=13.5kw (K: 炉体表面积30m2, a:炉外表 60oC 时取 0.45 kw /m2) Q热损失 =Q1+Q2+Q3+Q5+Q6= 26kw 3.Q 总=（ Q 有效 +Q 热损失） xa=(84+26)x1.1=121kw
序言 毕业设计，它是一次深入的综合性的总复习，也是一种理论联系实际的训练踏实我们完成本专业教学计划的最后一个极为重要的实践性教学环节，是我们综合运用所学过的基本理论基本知识与基本技能去解决专业范围内的工程技术问题而进行的一次基本训练，它在我们四年的大学生活中占有重要的地位。这对学生即将从事的有关技术工作和未来事业的开拓有一定意义。
毕业设计的主要目的： 1 培养我们综合分析和解决本专业的一般工程技术问题的独立工作能力，拓宽和深化学过的知识。 2培养我们树立正确的设计思想，设计构思和创新思维。掌握工程设计的一般程序，规范和方法。 3 培养我们正确使用技术资料，国家标准，有关手册，图册等工具书进行设计计算，数据处理。编写技术文件等方面的工作能力。 4 培养我们进行调查研究，面向实际，面向生产，向工人和工程技术人员学习的基本工作态度，工作作风和工作方法。 5 就我个人而言，我希望通过这次毕业设计对自己未来将从事的工作进行 一次适应性训练。丛中锻炼自己分析问题、解决问题的能力。为今后参加祖国的“四化”建设打下一个良好的基础。 由于个人能力有限，设计尚有许多不足之处。恳切各位老师给予指导。
课题简介 摘要： 步进梁式再加热炉是为连轧生产线提供钢管再加热在线常化（一种热处理方式）所用。它是依靠专用的步进机械使工件在炉内移动的一种机械化炉。 步进炉底的结构和传动方式要根据出料的频率和炉子的生产能力决定，它不仅要考虑炉内的温度、还要考虑被加工工件的尺寸参数和工地方面的实用性。所以必须严格计算其内部参数，保证炉子的生产和安全。 炉底机械采用双轮斜轨式机构。步进梁的升降和平移动作采用液压缸驱动。步进梁支柱穿炉底的孔洞采用干式“拖板”密封。装出料端设有拨料机，固定梁最末一个料位检测有料后，出料拨料机上升将钢管拖起后，出料拨杆立即下降将钢管拨送到出料悬臂轨道上，使钢管能够马上出炉，出料周期最快20s,可以满足125根/h的操作频率。 关键词：步进梁式再加热炉步进梁双轮斜轨式机构有效炉底长度梁距齿距 在生产中，利用燃料产生的热量，或者将电能转化成热量对工件或物料进行加热的设备，称为工业炉。锅炉也是工业炉的一种，机械工业应用的工业炉有多种类型，在铸造车间有熔炼金属的平炉、冲天炉、感应炉、电阻炉、真空炉等；在锻压车间有对钢锭或钢坯进行煅前加热的各种加热炉和消除应力的热处理炉；在热处理车间，有改善工件力学性能的各种退火、正火、淬火和回火的热处理炉；在焊接车间有压制前的钢板加热炉和焊后热处理炉；在粉末冶金车间还有烧结金属的加热炉等。 步进梁式再加热炉是为连轧生产线提供钢管再加热在线常化（一种热处理方式）所用。它是依靠专用的步进机械使工件在炉内移动的一种机械化炉。 参数：
4.加热炉的计算 管式加热炉是一种火力加热设备，它利用燃料在炉膛内燃烧时产生的高温火焰和烟气作为热源，加热在管道中高速流动的介质，使其达到工艺规定的温度，保证生产的进行。在预加氢中需要对原料进行加热，以达到反应温度。预加氢的量较小，因此采用圆筒炉。主要的参数如下： 原料：高辛烷值石脑油； 相对密度： 20 40.7351 d = 进料量：62500/kg h 入炉温度：I τ=350C o ； 出炉温度：o τ=490C o ； 出炉压强：2 15/kg cm 气化率： e=100%； 过剩空气系：α：辐射：1.35 对流段：1.40 燃料油组成： 87%,11.5%,0.5%,1%C H O W ==== 加热炉基本参数的确定 4.1加热炉的总热负荷 查《石油炼制工程（上）》图Ⅰ-2-34可知，在入炉温度t1=350℃,进炉压力约15.0㎏/㎝2条件下，油料已完全汽化，混合油气完全汽化温度是167℃。 原料在入炉温度350C o ，查热焓图得232/i I kJ kcal = 原料的出炉温度为490C o ，查热焓图得377/v I kcal kg =。 将上述的数值代入得到加热炉的总热负荷 Q = m[eIV+(1-e)IL-Ii]
=[1377232]62500 4.184?-?? 37917500/kJ h = 4.2燃料燃烧的计算 燃料完全燃烧所生成的水为气态时计算出的热值称为低热值，以Ql 表示。在加热炉正常操作中，水都是以气相存在，所以多用低热值计算。 (1) 燃料的低发热值 1Q =[81C+246H+26(S-O)-6W] 4.184? =[8187+24611.5+26(0-0.5)-61] 4.184????? 41241.7/(kJ kg =燃料) (2) 燃烧所需的理论空气量 0 2.67823.2C H S O L ++-= 2.6787811.500.52 3.2?+?+-= 13.96kg =空气/kg 燃料 (3) 热效率η 设离开对流室的烟气温度 s T 比原料的入炉温度高100C o ，则 350100450s T C =+=o 由下面的式子可以得到 , 100L I q q η=--， 取炉墙散热损失 , 1 0.05L L q q Q = =并根据α和s T 查相关表，得烟气出对流室时 带走的热量123% L q Q =， 所以 1(523)%72%η=-+= (4) 燃料的用量 1379175001277/0.7241241.7 Q B kg h Q η= ==?;
第1章加热炉控制系统 加热炉控制系统工程背景及说明 加热炉自动控制（automatic control of reheating furnace），是对加热炉的出口温度、燃烧过程、联锁保护等进行的自动控制。早期加热炉的自动控制仅限控制出口温度，方法是调节燃料进口的流量。现代化大型加热炉自动控制的目标是进一步提高加热炉燃烧效率，减少热量损失。为了保证安全生产，在生产线中增加了安全联锁保护系统。 影响加热炉出口温度的干扰因素很多，炉子的动态响应一般都比较迟缓，因此加热炉温度控制系统多选择串级和前馈控制方案。根据干扰施加点位置的不同，可组成多参数的串级控制。使用气体燃料时，可以采用浮动阀代替串级控制中的副调节器，还可以预先克服燃料气的压力波动对出口温度的影响。这种方案比较简单，在炼油厂中应用广泛。 这种控制的主要目的是在工艺允许的条件下尽量降低过剩空气量，保证加热炉高效率燃烧。简单的控制方案是通过测量烟道气中的含氧量，组成含氧量控制系统,或设计燃料量和空气量比值调节系统,再利用含氧量信号修正比值系数。含氧量控制系统能否正常运行的关键在于检测仪表和执行机构两部分。现代工业中都趋向于用氧化锆测氧技术检测烟道气中的含氧量。应用时需要注意测量点的选择、参比气体流量和锆管温度控制等问题。加热炉燃烧控制系统中的执行机构特性往往都较差，影响系统的稳定性。一般通过引入阻尼滞后或增加非线性环节来改善控制品质。 在加热炉燃烧过程中，若工艺介质流量过低或中断烧嘴火焰熄灭和燃料管道压力过低,都会导致回火事故，而当燃料管道压力过高时又会造成脱火事故。为了防止事故，设计了联锁保护系统防止回火和温度压力选择性控制系统防止脱火。联锁保护系统由压力调节器、温度调节器、流量变送器、火焰检测器、低选器等部分组成。当燃料管道压力高于规定的极限时，压力调节系统通过低选器取代正常工作的温度调节系统，此时出料温度无控制，自行浮动。压力调节系统投入运行保证燃料管道压力不超过规定上限。当管道压力恢复正常时，温度调节系统通过低选器投入正常运行，出料温度重新受到控制。当进料流量和燃料流量低于允许下限或火焰熄灭时，便会发出双位信号，控制电磁阀切断燃料气供给量以防回火。 随着节能技术不断发展，加热炉节能控制系统正日趋完善。以燃烧过程数学模型为依据建立的最佳燃烧过程计算机控制方案已进入实用阶段。例如，按燃烧过程稳态数学模型组成的微机控制系统已开始在炼油厂成功使用。有时利用计算机实现约束控制，使加热炉经常维持在约束条件边界附近工作，以保证最佳燃烧。
加热炉步进梁运动啸叫原因及处理责任 集团公司文件内部编码：（TTT-UUTT-MMYB-URTTY-ITTLTY-
加热炉步进梁运动啸叫原因及处理责任宝钢1780热轧带钢生产线，采用步进梁式加热炉，步进动作靠液压驱动。自投产以来，三个加热炉的液压系统均出现了梁下降时管路振动和啸叫。每个加热炉配一套液压系统，完成步进梁的升降和平移动作。系统利用比例阀控制，使步进梁能按设定的速度曲线运行。升降缸的系统原理如图1，上升时，电磁阀1、3、6、7得电动作。下降时，电磁阀2、3、4、5、7得电动作。定差减压阀控制比例阀前后压差为恒定，使得速度线性可控。 一、故障现象 步进梁升降振动。下降过程中，在加速结束转为匀速运动时，出现啸叫现象。伴随着啸叫，压力瞬时降低，然后又慢慢恢复；负责上升和下降的电磁阀得电时，系统液压冲击大，振动剧烈。 二、故障分析
啸叫发生时，系统的压力降低，这是泵供油不足的表现。因此，啸叫是因为系统的流量供应不足引起的。但是，油缸上升时，泵给无杆腔供油，下降时，泵给有杆腔供油，油缸上升、下降的速度曲线基本一致，而无杆腔容积比有杆腔容积大得多，因此，上升所需流量比下降时大得多。既然下降时会发生系统流量供应不足的现象，为什么上升时没有发生泵供油不足的现象呢？啸叫发生时，油缸供油路和回油路的压力都下降了，但供油路压力降至极低点，因此啸叫产生在供油路上。现假设流量足够低，对供油路的两个阀进行分析，减压阀全开，不会有振动产生，当然也就不会啸叫。而5号插装阀在压力足够低的情况下，会因弹簧力作用使阀芯关闭，切断油路，而后，流量积蓄，压力上升，再顶开阀芯，泄掉压力，阀芯又关闭。这样周而复始，产生了振动，导致啸叫产生。因而得出，啸叫是因5号插装阀的快速频繁启闭而产生的。 仔细观察系统运行情况，发现油缸上升时，变量柱塞泵的斜盘很稳定，随速度变化而作相应变化。但油缸下降时，泵的斜盘倾角变化异常，下降开始时，泵的斜盘由最小打到最大，接着在接近最小时啸叫产生。然后倾角又增大，并稳定。接下来，随油缸的速度，倾角作相应变化。显然，啸叫产生时，泵处于倾角最小状态，这时的泵流量最低。啸叫的产生的确是系统供油不足，而供油不足是泵斜盘变化异常引起，进一步的原因是油缸下降时的加速度与泵的响应不能匹配的缘故。
二 步进式加热炉设计计算 2.1 热工计算原始数据 (1)炉子生产率：p=245t/h (2)被加热金属： 1)种类：优质碳素结构钢(20#钢) 2)尺寸：250×2200×3600 (mm)(板坯) 3)金属开始加热(入炉)温度：t 始=20℃ 4)金属加热终了(出炉)表面温度：t 终=1200℃ 5)金属加热终了(出炉)断面温差：t ≤15℃ (3)燃料 1)种类：焦炉煤气 2)焦炉煤气低发热值：Q 低温=17000kJ/标m 3 3)煤气不预热：t 煤气=20℃ 表1-1 焦炉煤气干成分(%) 废膛(5)空气预热温度(烧嘴前)：t 空=350℃ 2.2 热工计算 2.2.1 焦炉煤气干湿成分换算 查燃料燃烧附表5，3/9.18m g g = 10000124.0100124.0222?+= 干 干 湿O H O H g g O H 100 100%%2湿 干 湿 O H X X -?= 由上式得 %2899.22=湿O H
00 00 25741.56100 2899.21009.57%H =-? =湿 00 00 48184.24100 2899.21004.25%CH =-? =湿 0000 7939.8100 2899.21009%CO =-=湿 0000428336.2100 2899.21009.2%H C =-?=湿 000022702.1100 2899.21003.1%N =-?=湿 000023909.0100 2899.21004.0%O =-?=湿 000020290.3100 2899.21001.3%CO =-?=湿 代入表2—1中，得 表2-1 焦炉煤气湿成分(%) 2.2.2 计算焦炉煤气低发热值 ） （低 +?+?+?+??=424214100%8550%2580%3046187.4H C CH H CO Q = ()0 00 000 8336 .2141008184 .2485505741.5625807939 .83046187.4?+?+?+?? =17094.6830 KJ/m 3 误差%557.0%10017000 17000 6830.17094%=?-= 计算值与设计值相差很小，可忽略不计。 2.2.3 计算理论空气需要量L 0 )3322220/(1023)4(212176.4m m O S H H C m n H CO L m n -??? ? ???-++++=∑ 把表2-1中焦炉煤气湿成分代入
1.F RNC-5软件的引进与使用概况 中石化集团公司下属的若干设计院（石化工程公司）从1997年开始引进了多套美国PFR公司的通用加热炉工艺计算软件FRNC-5。此软件在加热炉工艺计算中得到很好的应用，发挥了重大作用。 美国PFR公司全称为PFR工程系统公司（PFR Engineering System，Inc ）。公司设在美国洛杉矶，创建于1972年1月，从事热力学系统设计分析和人员培训。该公司的软件产品拥有六十多个用户，遍布六大洲的十五个以上的国家。其中FRNC-5PC软件有二十年以上的使用经验。 本软件可以优化加热炉设计，并可对现有加热炉进行操作分析、加强管理，是一个较为优秀的软件。 2.F RNC-5软件功能与特点 2．1 软件应用范围 本程序可用于炼油、石油化工及热电联合等装置中大多数火焰加热炉及水管锅炉的性能模拟及效率预测。程序采用经过证明了的技术，通过综合迭代，将工艺物流模拟、传热和压力降计算等过程组合在一起。 程序沿物流及烟气流程，逐个管组逐个炉段严格迭代求解，能精确确定加热炉的工艺参数。计算中还指明不利操作状态，如发出炉膛正压、管壁和扩面元件超温、超临界流动以及酸露点腐蚀等警告信息。 程序会算出与显示加热炉的以下工艺参数或不利操作状态： （1）加热炉总热负荷、总热效率，辐射室热负荷 （2）辐射室出口温度（桥墙温度）与烟囱入口处温度 （3）辐射和对流热强度的均值和峰值 （4）辐射段遮蔽段和对流段中所有管组的管壁金属温度和翅片尖端温度的峰值和均值（5）两相流流型及沸腾状态的确定 （6）管内两相流的传热和压降 （7）管外传热和阻力 （8）“阻塞”、“干锅”或“冷端”腐蚀的可能性 2．2 适用的加热炉类型 （1）常减压装置加热炉 （2）铂重整、铂铼重整和强化重整等装置加热炉 （3）重沸炉和过热炉 （4）一氧化碳加热炉和锅炉 （5）脱硫装置原料预热炉 （6）焦化炉和减粘加热炉 （7）润滑油蒸馏和蜡油加热炉
目录 第1章加热炉控制系统工艺分析 (1) 1.1 加热炉的工艺流程简述 (1) 1.2 加热炉控制系统的组成 (2) 第2章加热炉控制系统设计 (3) 2.1 步进梁控制 (3) 2.2 炉温控制 (4) 2.3 紧急停炉保护和连锁 (5) 第3章基于REALINFO的加热炉系统监控程序设计 (7) 3.1加热炉的主控界面 (7) 3.2加热炉的趋势界面 (8) 3.3加热炉的仪表界面 (9) 第4章结论与体会 (10) 参考文献 (11)
第1章加热炉控制系统工艺分析 在炼油化工生产中常见的加热炉是管式加热炉。其形式可分为箱式、立式和圆筒炉三大类。对于加热炉，工艺介质受热升温或同时进行汽化，其温度的高低会直接影响后一工序的操作工况和产品质量。 加热炉是传统设备的一种，同样具有热量传递过程。热量通过金属管壁传给工艺介质，因此他们同样符合导热与对流的基本规律。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，然后由管壁传给工艺介质，工艺介质在辐射室获得的热量约占总符合的70%～80%，而在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，想从理论上获得对象特性是很困难的。 当炉子温度过高时，会使物料在加热炉内分解，甚至造成结焦而烧坏炉管。加热炉的平稳操作可以延长炉管使用寿命。因此，加热炉出口温度必须严加控制。 加热炉的对象特征一般基于定性分析和实验测试获得。从定性角度出发，可以看出其传热过程为：炉膛炽热火焰辐射给炉管，经热传导、对流传热给工艺介质。所以与一般传热对象一样，具有较大的时间常数和纯滞后时间。 特别是炉膛，它具有较大的热容量，故滞后更为显著，因此加热炉属于一种多容量的被控对象。根据若干实验测试，并做了一些简化，可以用一介环节加纯滞后来近似，其时间常熟和纯滞后时间与炉膛容量大小及工艺介质停留时间有关。 炉膛容量大，停留时间长，则时间常数和纯滞后时间大，反之亦然。 1.1 加热炉的工艺流程简述 随着工业自动化水平的迅速提高，工业控制自动化技术正在向智能化、网络化和集成化方向发展，从而反映出当今自动化技术的发展方向。 现加热炉控制系统主要特点： （1）生产能耗大幅度降低。 （2）产量大幅度提高。 （3）生产自动化水平非常高，原加热炉的控制系统大多是单回路仪表和继电逻辑控制系统，传动系统也大多是模拟量控制式的供电装置，现在的加热炉的控制系统都是PLC或DCS系统，而且大多还具有二级过程控制系统和三级生产管理系统。 本系统的工艺流程图如下图：
2 10 步进式加热炉设计计算 2.1 热工计算原始数据 （1） 炉子生产率：p=245t/h （2） 被加热金属： 1） 种类：优质碳素结构钢（20#钢） 2） 尺寸：250 >2200 >3600 （mm ）（板坯） 3） 金属开始加热（入炉）温度：t 始=20r 4） 金属加热终了（出炉）表面温度：t 终=1200C 5） 金属加热终了（出炉）断面温差：t < 15C （3） 燃料 1） 种类：焦炉煤气 2） 焦炉煤气低发热值：Q 低温=17000kJ/标m 3 3） 煤气不预热：t 煤气=20 °C 表1-1焦炉煤气干成分（％） ⑷ 出炉膛烟气温度：t 废膛=800C ⑸空气预热温度（烧嘴前）：t 空 =350 C 2.2燃烧计算 2.2.3 计算理论空气需要量L c 1 1 m L o 4.76 —CO -H 2 (n —)C n H m 2 2 4 把表2-1中焦炉煤气湿成分代入 1 1 3 3 3 -H 2S O 2 2 2 3 3) 10 (m /m )
L0 4.76 8.7939 険5741 2 24?8184 3 2?8336。碍 2 10 =4.3045m3/m3
V n V CO 2 V H 2O V N 2 V O 2 224计算实际空气需要量Ln 查《燃料及燃烧》，取n=1.1代入 L n nL o 1.1 4.3045 4.7317 标 m 3/标 m 3 实际湿空气消耗量 L n 湿(1 0.00124g) nL o =(1 0.00124 18.9) 4.7317 =6.0999 标 m 3/标 m 3 2.2.5计算燃烧产物成分及生成量 V c°2 (CO nC n H m CO 2) 100 1 79 1.2702 丄 79 4.7317 100 100 =3.7507 标m 3/标m 3 V 02 (L n L 0)标 m /标 m 100 21 4.7317 4.3045 100 =0.0897 标 m 3/标 m 3 燃烧产物生成总量 (56.5741 2 1 24.8184 2 2.8336 2.2899) 100 0.00124 18.9 4.7317 标m 3/标m 3 标m 3/标m 3 (24.8184 8.7939 2 2.8336 3.0290) 1 100 =0.4231 标 m 3/标 m 3 V H 2O (H 2 m C H n m 2 H 2S H 2O) 1 100 0.00124gL n 标 m 3/标 m 3 V N 2 N 2 100 100 Ln 标说标 m =1.2526
2 1
V ol.42N o.32013 INDUSTRIAL HEATING 3 4 75mm ～ 3 单重/kg 需要量/t ?a 400 max 60007.7 5806 连铸圆坯 2 min 4 500 600 max 6 0007.713063 连铸圆坯 合计 846080 2.2 加热炉小时产量及座数的确定加热炉年加热坯料量846080t ，年工作时间6800h ，则加热炉的年平均小时产量为155.5t 。 加热炉的实际产量受到加热钢种、轧制品种、轧制 节奏等多种因素的影响，在实际生产过程中不可能一直以平均产量进行生产。并且加热炉生产能力应具有一定的富余，因此在配备加热炉的实际产量时要考虑一定的富裕系数，该系数是一个经验数据，也跟整条轧线的操作管理水平、加热炉的总座数等很多因素有关。 结合产品大纲及车间工艺平面布置，最终确定车间布置2座加热炉，两座炉子产量不同，1座最大产量为180t/h ，1座最大产量为90t/h 。配套2座加热炉，是考虑该大棒生产线主要生产优特钢种，在生产优特钢种时加热炉产量较低，节奏较慢，加热炉产量成为影响轧线产能的瓶颈，配套2座加热炉能够满足生产的灵活性。
600×6 000 400× 6 000 500× 6 000 1180165150143196178 根据坯料情况，在相同的布料间距情况下，加热炉小时产量将按照坯料规格由大至小逐级递减。而在变步距情况，则根据布料间距，加热炉小时产量按照坯料规格由大至小呈现先增大后减小。两种不同步距产量比较柱状图如图7 所示。 图7两种步距布料产量比较图 加热炉步距的最终确定需要根据轧机能力及轧制表，以及原料规格所占比例情况，综合比较，选择合适的步距。 2.4特定步距情况下的垫块形式 圆坯的特殊形状对加热和输送都有特殊要求，尤其是钢坯的输送过程，输送过程的稳定是保证圆坯能够满足加热需求的前提。需加热的圆坯规格较多时，炉内布料很难像方坯那样能满足各种规格最理想的间距要求。 由于本步进梁式加热炉所加热的坯料为大圆坯，且有三种直径的坯料，因此采用双斜面槽形垫块，将耐热滑块制成“V”槽形状，横截面接触为双根线接触（实际为双条面接触），与弧形槽垫块的单根线（单条面接触）相比，由于接触面积大，钢坯输送的稳定性和钢坯接触面受压变形都会好很多。弧形槽垫块与“V”槽垫块布置见图8 。 图8弧形槽与“V”槽垫块布置图 由于钢坯与滑块之间的接触为线接触，加大了耐热垫块单位面积上所承受的压力。因此在选择耐热垫块时一定要高强度，一是考虑垫块材质，二是考虑垫块高度及单位面积。 2.5系统供热方案及炉型选择的确定 对于步进梁式加热炉，其炉型选择及供热方案的选 （下转第23页）
步进式加热炉设计计算 2.1 热工计算原始数据 (1)炉子生产率：p=245t/h (2)被加热金属： 1)种类：优质碳素结构钢(20#钢) 2)尺寸：250×2200×3600 (mm)(板坯) 3)金属开始加热(入炉)温度：t 始=20℃ 4)金属加热终了(出炉)表面温度：t 终=1200℃ 5)金属加热终了(出炉)断面温差：t ≤15℃ (3)燃料 1)种类：焦炉煤气 2)焦炉煤气低发热值：Q 低温=17000kJ/标m 3 3)煤气不预热：t 煤气=20℃ 表1-1 焦炉煤气干成分(%) 废膛(5)空气预热温度(烧嘴前)：t 空=350℃ 2.2 燃烧计算 2.2.3 计算理论空气需要量L 0 )3322220/(1023)4(212176.4m m O S H H C m n H CO L m n -??? ? ???-++++=∑ 把表2-1中焦炉煤气湿成分代入 2 0103909.08336.238184.2425741.56217939.82176.4-??? ????-?+?+?+?=L =33/3045.4m m
2.2.4 计算实际空气需要量Ln 查《燃料及燃烧》，取n=1.1代入 7317.43045.41.10=?==nL L n 标m 3/标m 3 实际湿空气消耗量 0)00124.01nL g L n ?+=（湿 =7317.4)9.1800124.01(??+ =6.0999 标m 3/标m 3 2.2.5 计算燃烧产物成分及生成量 100 1 )(22? ++=∑CO H nC CO V m n CO 标m 3/标m 3 100 1)0290.38336.227939.88184.24(?+?++= =0.4231 标m 3/标m 3 n m n O H gL O H S H H C m H V 00124.0100 1 )2(2222+? +++=∑ 标m 3/标m 3 7317 .49.1800124.01001)2899.28336.228184.2425741.56(??+?+?+?+= = 1.2526 标m 3/标m 3 n N L N V 100 79100122+? = 标m 3/标m 3 7317.4100 7910012702.1?+? = =3.7507 标m 3/标m 3 )(100 21 02L L V n O -= 标m 3/标m 3 ()3045.47317.4100 21 -= =0.0897标m 3/标m 3 燃烧产物生成总量 2222O N O H CO n V V V V V +++=
目录 第1章绘制控制工艺流程图 (1) 1.1工艺生产过程简介 (1) 1.2加热炉的基本控制 (1) 1.3加热炉的单回路控制方案 (4) 第2章节流装置的计算方法和计算机辅助设计计算 (6) 2.1GB/T2624-93概述 (6) 2.2计算实例 (6) 第3章调节阀口径计算 (11) 3.1调节阀的选型 (11) 3.2调节阀口径计算 (11) 3.3计算实例 (12) 第4章结论与体会 (14) 参考文献 (15) 附录 (16)
第1章绘制控制工艺流程图 1.1工艺生产过程简介 在炼油化工生产中常见的加热炉是管式加热炉。其形式可分为箱式、立式和圆筒炉三大类。对于加热炉，工艺介质受热升温或同时进行汽化，其温度的高低会直接影响后一工序的操作工况和产品质量。当炉子温度过高时，会使物料在加热炉内分解，甚至造成结焦而烧坏炉管。加热炉的平稳操作可以延长炉管使用寿命。因此，加热炉出口温度必须严加控制。 加热炉是传统设备的一种，同样具有热量传递过程。热量通过金属管壁传给工艺介质，因此它们同样符合导热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炽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，然后由管壁传给工艺介质，工艺介质在辐射室获得的热量约占总热负荷的70%~80%，而在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，想从理论上获取对象特性是很困难的。 加热炉的对象特征一般基于定性分析和实验测试获得。从定性角度出发，可以看出其传热过程为：炉膛炽热火焰辐射给炉管，经热传导、对流传热给工艺介质。所以与一般传热对象一样，具有较大的时间常数和纯滞后时间。特别是炉膛，它具有较大的热容量，故滞后更为显著，因此加热炉属于一种多容量的被控对象。根据若干实验测试，并做了一些简化，可以用一介环节加纯滞后来近似，其时间常熟和纯滞后时间与炉膛容量大小及工艺介质停留时间有关。炉膛容量大，停留时间长，则时间常数和纯滞后时间大，反之亦然。 1.2加热炉的基本控制 加热炉进料一般分为几个支路。常规的控制方法是：在各支路上安装各自的流量变送器和控制阀，而用炉出口总管温度来调节炉用燃料量。这样的调节方法根本没有考虑支管温度均衡的控制，支管温度均衡的控制由操作工凭经验根据分支温差来调节分支流量差。这种人为操作显然无法实现稳定的均衡控制，往往是各支管流量较均衡，而分支温度有相当大的差异，某一炉管因局部过热而结焦的可能性很大。为了改善和克服这种情况，需要采用支路均衡控制方法。近年来出现的差动式平衡控制、解藕控制以及多变量预测控制等方法能够收取一定的效果。其中差动式方法不仅效果不错，而且实现简单，操作简便，对于长期运行有一定的优势。另外，针对系统的非线性、强耦合特性，模糊控制等智能控制方法也能实现较好的控制。 加热炉出口总管温度是加热炉环节最为重要的参数，出口温度的稳定对于后续工艺的生产稳定、操作平稳甚至提高收率至关重要。最简单的控制方法就是采用单回路的反馈控制。单回路反馈控制简单实用，有它的使用价值。但该方法没有考虑燃料量变化的影响，所以出口温度不容易稳定，在一定程度上也会造成燃料的浪费。在简单反馈控制方案的基