热风炉系统毕业设计1.绪论作为热动力机械的热风炉于20世纪70年代末在我国开始广泛应用，它在许多行业已成为电热源和传统蒸汽动力热源的换代产品。

其中热风炉的燃烧控制直接决定了热风炉的燃烧效率和送风温度,是整个热风炉控制系统的核心。

如何有效的控制热风炉燃烧，使热风炉既能充分蓄热,达到最佳燃烧效率，又能最大限度的降低能耗、保护环境,防止热风炉拱顶过烧和延长热风炉使用寿命，是所有热风炉调试、生产中亟待解决的问题。

1.1 课题背景课题来源于淮钢生产实践。

热风炉是冶金行业的重要生产设备，其作用是将高炉布袋除尘器产生的净煤气在热风炉中进行燃烧，将热风炉耐火球加热到一定温度后将风机房冷风管送来的冷风和耐火球进行热交换，经热风炉送风系统阀门送到高炉。

2002年，公司兴建了国先进水平的500m3高炉×2－100吨转炉－LF钢包精炼炉－RH 真空脱气炉－连铸－配套中、小型棒型材连轧生产线各一条，并在该生产线炼铁高炉上，淮钢与钢铁研究总院、首钢合作，引进俄罗斯卡鲁金热风炉技术，该技术应用使同类型高炉配套热风炉体积减少1/3，个数减少1/3，节约投资30%，而且煤气燃烧充分，热效率高，风温高，该技术应用后，当年高炉风温即达到了全国同类型高炉的最高风温。

国大部分高炉均采用每座高炉带3至4台热风炉并联轮流送风方式，保证任何瞬时都有一座热风炉给高炉送风，而每座热风炉都按：燃烧-休止-送风-休止-燃烧的顺序循环生产。

当一座或多座热风炉送风时，另外的热风炉处于燃烧或休止状态。

送风中的热风炉温度降低后，处于休止状态的热风炉投入送风，原送风热风炉即停止送风并开始燃烧、蓄热直至温度达到要求后，转入休止状态等待下一次送风。

传统的完善的高炉热风炉燃烧自动化系统都是具有完善的基础自动化和使用数学模型计算所需的加热煤气流量和助燃空气流量，并对基础自动化的热风炉燃烧自动控制系统进行有关的设定。

完善的基础自动化对于燃烧混合煤气或燃烧预热的高炉煤气和预热空气的热风炉来说包括：煤气流量控制、空气流量控制、空燃比控制、拱顶温度控制和废气温度控制。

如图1所示，在热风炉燃烧初期是以较大的煤气量和合适的空燃比（最好还设有燃烧废气成分分析，按残氧量来修正空燃比），以实行快速加热，使拱顶温度迅速达到规定值，然后逐步增加空气量以保持拱顶温度为规定值，当达到废气温度管理期，即温度达到某一规定值时，需要减少煤气及空气量以维持废气温度为设定值。

对于燃烧高炉煤气和焦炉煤气具有三眼燃烧器的热风炉来说，由于高炉煤气和焦炉煤气分别送入，需分别设置其流量控制，该流量比例控制和空燃比要分别适应高炉煤气和焦炉煤气需要，因此使系统回路更多、更复杂。

热风炉流量设定数学模型的基本原理是使燃烧时热风炉格子砖的蓄热量适合于加热鼓风到生产所需的热风温度和流量而需要的热量。

除了数学模型相当复杂外，更需设置自动分析加热煤气的各种成分的分析器，这种仪器不仅昂贵，还需良好的维护，此外要使数学模型有效，必须依靠完善的基础自动化。

1.2 热风炉简介1.2.1 热风炉的结构热风炉由炉衬、燃烧室、蓄热室、炉壳、炉篦子、支柱、管道及阀门等组成。

燃烧室和蓄热室砌在同一炉壳，之间用隔墙隔开。

热风炉有直接式和间接式之分，间接式又分为蓄热式和换热式，目前应用最广泛的是蓄热式。

因为其换热温度高，热利用率高。

蓄热式热风炉通过在燃烧室里燃烧煤气，高温废气通过格子砖并使之蓄热，当格子砖充分加热后，热风炉就可改为送风，此时有关燃烧各阀关闭，送风各阀打开，冷风经格子砖而被加热并送出。

但是这种热风炉热风温度不稳定，切换机构多。

1.2.2 热风炉的工作原理燃烧室和蓄热室砌在同一炉壳，之间用隔墙隔开。

煤气和空气由管道经阀门送入燃烧器并在燃烧室燃烧，燃烧的热烟气向上运动经过拱顶时改变方向，再向下穿过蓄热室，然后进入大烟道经烟囱排入大气。

在热烟气穿过蓄热室时，将蓄热室的格子砖加热。

格子砖被加热并蓄存一定热量后，热风炉停止燃烧，转入送风。

送风时冷风从下部冷风管道经冷风阀进入蓄热室，空气通过格子砖时被加热，经拱顶进入燃烧室，再经热风出口、热风阀、热风总管送至高炉。

1.2.3 热风炉类型的比较图1.1所示为淮钢三种类型热风炉的剖面图，（a)为燃式热风炉，（b）为球式热风炉，其中球式热风炉又可以改建成为燃式和外燃式热风炉，传统的工艺都是采用这两种热风炉进行燃烧、供热，但是这两种类型的热风炉结构上存在很多缺陷。

例如：燃式热风炉由于蓄热室和燃烧室并列布置，所以其下部温度不一致；此外工作环境恶劣，易损坏蓄热室与燃烧室的隔墙；而且由于格子砖的结构不稳定，导致受热也不均匀，容易造成格子砖被挤乱和不均匀下沉。

相比于燃式，外燃式热风炉的投资更大，砖砌结构更复杂，对砖的加工制作要求更高，拱顶钢结构不对称，受力不均匀，不能够适应高温，高压的要求。

基于燃式和外燃式燃烧室的缺陷，前苏联科学家卡鲁金博士发明了顶燃式热风炉，即图1中的（c），它的占地更少、投资更小；燃烧产物均匀供给蓄热室，提高了热风炉的利用系数；可承受的煤气和空气预热达到500—600℃；拱砖拱顶结构稳定，可长期运行。

图 1.1 淮钢三种热风炉剖面图比较1-烟气出口；2-炉支柱；3-蓄热室；4-悬链线拱顶；5-燃烧室；6-热风出口；7-燃烧器；8-煤气入口；9-助燃空气入口2.热风炉的工作流程与控制要求2.1热风炉工作流程热风炉主要有三种工作状态：即燃烧状态、送风状态和闷炉工作状态。

（1）热风炉燃烧状态热风炉处于燃烧状态时，通过热风炉煤气管道和助燃空气管道向热风炉送入高炉煤气和助燃空气，高炉煤气和助燃空气燃烧产生热烟气使热风炉蓄热；热风炉处于燃烧状态时，其废气阀、烟道阀、助燃空气燃烧阀、高炉煤气燃烧阀、高炉煤气切断阀等阀均处于开启状态，其它各阀（切断阀）均处于关闭状态。

（2）热风炉送风状态热风炉处于送风状态时，向燃烧结束蓄有一定热量的热风炉送入冷风，冷风经热风炉加热后再送入高炉。

热风炉处于送风状态时，其冷风阀、热风阀、冷风充压阀等处于开启状态，其它各阀（切断阀）均处于关闭状态。

（3）热风炉闷炉状态热风炉处于闷炉状态时，为保持温度，热风炉所有的阀门均处于关闭状态。

热风炉处于上述三种状态之间的转换过程定义为换炉过程。

在热风炉的操作过程中最基本的工作过程是换炉。

换炉时，应保证整个热风炉系统不间断的向高炉送风，并应尽量使进入高炉的风量、风压波动很小，还要注意煤气安全。

其过程为燃烧状态时助燃空气和煤气按空燃比混合，在热风炉顶部燃烧，高温烟气从上向下经过球床体，将热量存储在热风炉。

当拱顶和烟道温度达到设定值，蓄热室储存足够热量，操作阀门使热风炉处于焖炉状态，等待送风。

热风炉送风时，冷风从下向上经过热风炉球床体，被加热成温度略低于拱顶的热风，将存储于热风炉的热量送往高炉。

随着送风管时间的延长，风温逐渐下降，热风炉再转入燃烧状态，循环工作。

大部分的工厂采用至少3座热风炉运行的高炉系统，通常采用的是“两烧一送”的方式，即其中2座热风炉在燃烧，剩下的1座热风炉送风，3座热风炉按燃烧、焖炉、送风的周期循环工作，向高炉连续供风。

图 2.1 热风炉三炉工作系统图1—冷风阀 2—充风阀 3—烟道阀 4—废气阀 5—助燃空气燃烧阀 6—助燃空气调节阀7—热风阀 8—煤气燃烧阀 9—煤气切断阀 10—煤气调节阀 11—净煤气放散阀当一座热风炉送风一段时间后，输出的热风温度不能满足高炉所需温度时就需要换炉，改由另一座燃烧好的热风炉来送风，而原送风的热风炉则转为燃烧作业，燃烧好的热风炉在等待送风前要进行闷炉，所以热风炉有燃烧、焖炉和送风3种工作状态。

设置3座热风炉的高炉通常采用“两烧一送”的工作模式。

2.2 热风炉控制的现状与发展趋势目前许多钢厂热风炉控制系统采用由可编程控制器（PLC)与过程控制器（或集散系统）分别完成电气与仪表控制的方法进行控制。

例如改造前的广钢3#高炉热风炉采用HONEYWELL S9000过程控制器完成仪表控制，采用西门子S5115U可编程控制器完成换炉控制；莱钢1#750M3高炉热风炉控制系统采用美国MODICON公司的E984-685 PLC 完成顺序控制和回路控制；鞍钢10号高炉热风炉采用英国欧陆公司生产的网络6000过程自动化（DCS）控制系统完成热风炉燃烧控制，通过接口与MODICON(PLC)通讯，由PLC完成热风炉自动换炉、送风控制；宝钢1#高炉热风炉电控系统采用日本安川CP-3500H PLC,仪表控制系统采用日本横河CENTUM-CS集散控制系统，上位机采用HP-9000，电气的PLC和仪表的现场控制站间以V-NET网连接，上位机间通过以太网连接，V-NET网和以太网间通过ACG（通信接口）连接。

这类热风炉存在的问题主要有两方面：（1）基础自动化控制系统设计不合理大都采取用可编程序控制器和过程控制器（或集散系统）分别完成的方法进行控制。

这种方法的缺点是为了将各部分连接成一个统一的系统，必须投入相当大的工程费用、时间和专门知识将不同类型的软件和用户接口予以配置、编程、调试和测试。

这使得整个控制系统变得复杂、维护困难。

（2）热风炉燃烧控制问题传统的高炉热风炉燃烧自动化系统采用数学模型计算所需的加热煤气流量和助燃空气流量,并计算出空燃比。

热风炉流量设定数学模型的基本原理是使燃烧时热风炉格子砖的蓄热量能够满足热风温度和流量的要求,以获得最佳经济效益。

由于热风炉的燃烧过程是一个连续的动态变化过程，控制的主要困难是不能及时得到控制作用的反馈信息，等到控制效果能通过输出测量体现时，此时的控制作用强度往往已过头了。

因此，欲实现燃烧过程的实时控制，所需的数学模型相当复杂。

此外，对于燃烧高炉煤气和焦炉煤气的具有三眼燃烧器的热风炉来说,由于高炉煤气和焦炉煤气分别送入,因此需分别进行高炉煤气和焦炉煤气流量控制,且需进行高炉煤气和焦炉煤气流量比例控制,这使得系统回路更多、更复杂，同时还需设置煤气成分分析仪,这种仪器不仅昂贵,而且还需要良好的维护。

一座高炉通常都带有4个(或3个)热风炉，如果每座热风炉都建立数学模型、设置煤气成分分析仪，不仅所设的仪表和控制回路较多,而且投资也相当大，因此国很少有工厂采用。

许多工厂,包括广钢3#号热风炉大都使用较简单的控制系统,即只有煤气总管压力控制和煤气及空气调节阀位自动控制,而阀位的设定值或开度由人工控制。

由于人工控制难以在预热煤气和空气温度、高炉所需鼓风温度和流量、助燃空气压力等变化时以及热风炉蓄热量尚有富裕时及时修正热风炉加热的煤气和空气量,因而达不到节能和优化热风炉操作的目的。

如何有效的控制热风炉燃烧，使热风炉既能充分蓄热，达到最佳燃烧效率，以确保向高炉送风的温度和时间，又能最大限度的减少能源消耗，防止热风炉拱顶过烧，以延长热风炉寿命是各大钢厂亟待解决的问题之一。