焦炉烘炉温度控制系统设计.docx

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焦炉烘炉温度控制系统设计

焦炉烘炉监控系统设计

摘要

焦炭是冶金、机械、化工行业的主要原料和燃料，同时我国也是目前世界上最大的焦炭生产和出口国。

为了节省煤炭的使用量焦炉的质量起着很重要的作用，而烘炉是焦炉生产过程中的重要工序，所以烘炉质量的好坏对焦炉的寿命有着重要的作用。

焦炉是热工炉窑中最为复杂的热工设备，具有大时滞、大惯性、强非线性、多因素藕合、变参数等特点。

通过对传统焦炉烘炉过程的分析，可以知道传统的焦炉烘炉存在很多弊端，导致焦炉烘炉的质量不能保证，以至于大大影响的焦炉的使用寿命，为此，本系统在传统控制过程的基础上加进了新的元素。

首先，在炉室内的各个测温点改用热电偶做为测温工具，能够更加精确的对室内的温度进行检测。

本系统采用了串级控制，效果会更好，使用了JX-300XP控制系统，对DCS进行了整体设计、组态设计、网络设计和外配设计，通过Advantrolpro2.65组态软件完成了对系统的I/O组态、控制方案组态，以及其监控画面，此外，给出了系统的配置图和网络传输图，最后，设计了系统的接地图和系统供电图。

本设计方案适应了焦炉加热自动控制技术的发展趋势，使本次焦炉计算机控制系统改造整体上达到了一个较高的水平。

关键词:

焦炉烘炉;JX-300XP;组态；温度控制

Cokeoventemperaturecontrolsystemdesign

Abstract

Coke,metallurgy,machinery,chemicalindustry,themainrawmaterialandfuel,whileourcountryiscurrentlytheworld'slargestproducerandexporterofcoke.Inordertosavetheuseofcoalcokequalityplaysanimportantroleinthecokeovenisanimportantstepintheproductionprocess,sothequalityofthecokeovenqualityplaysanimportantroleinthelife.Thermalfurnacecokeisthemostcomplexthermalequipment,withalargedelay,largeinertia,stronglynonlinear,multi-factorcoupling,variableparametersandothercharacteristics.

Byanalyzingtheprocessofconventionalcokeoven，Canknowthetraditionalcokeovens,therearemanydrawbacks，Resultingcokeovencannotguaranteethequalityof，Thatgreatlyaffectthelifeofcokeoven，so，Theconventionalcontrolsystemisbasedontheprocessintothenewelements。

First,InthefurnaceroomaseachthermocoupletemperaturemeasurementpointsinsteadTools,Tomoreaccuratelydetectthetemperatureoftheindoor.Thesystemusesacascadecontrol,Wouldbebetter,UsingtheJX-300XPcontrolsystem,FortheoveralldesignoftheDCS,ConfigurationDesign,Networkdesignandoutsidewithdesign,ByAdvantrolpro2.65configurationsoftwareonthesystemI/Oconfiguration,Controlsolutionconfiguration,Aswellasitsmonitoringscreen,besides,Givesthesystemconfigurationandnetworktransmissiondiagram,Finally,thedesignofthesystemandthesystempowersupplydiagramaccessmap.

Thedesignadaptedtothecokeovenheatingautomaticcontroltechnologytrends,makethisovencomputercontrolsystemtransformationasawholereachedahigherlevel.

Keyword:

Cokeovens;JX-300XP;configuration;temperaturecontrol

第1章绪论

1.1焦炉的背景和意义

目前，随着全球信息化的快速发展，企业竞争己经逐渐从局部向全球化发展。

在激烈的市场竞争和内外环境的压力下，企业若要达到预期的市场占有率和经济效益，提高企业的应变能力和竞争能力，必须提高自己的劳动生产率和节约生产消耗。

提高企业生产的自动化水平是解决该问题的主要途径。

焦炉是煤炭企业中的重要设备，其高效、优质地生产尤为重要。

焦炉既是高温化学反应器，又是十分庞大而且结构复杂的热工设备，它由多个炭化室和燃烧室依次相间组成。

炭化室是煤隔绝空气干馏的地方，燃烧室是煤气燃烧的地方。

每个燃烧室又包括一定数量的火道，其中每两个火道作为一对，组成一个气体通路，其两端分别和下面的蓄热室相连。

煤气和空气在众多的燃烧室火道内混合、扩散、燃烧，产生的热量通过辐射对流的形式传递给炭化室，煤料在炭化室中隔绝空气加热（高温干馏）形成焦炭，燃烧室里煤气燃烧产生的废气经蓄热室、烟道进行排放[1.2]。

烟煤隔绝空气加热到950℃～1350℃，经过干燥、热解、熔融、粘结、固化、收缩等阶段最终制得焦炭，这一过程称为高温炼焦（高温干馏）。

由高温炼焦得到的焦炭用于高炉冶炼、铸造、气化和化工等工业部门作为燃料或原料；炼焦过程中得到的干馏煤气经回收、精制得到各种芳香烃和杂环化合物，供合成纤维、染料、医药、涂料和国防等工业作原料；经净化后的焦炉煤气既是高热值燃料，又是合成氨、合成燃料和一系列有机合成工业的原料。

因此，高温炼焦是煤综合利用的重要方法之一。

1.2焦炉的发展现状

20世纪70年代后期，国外开始焦炉加热控制方面的研究与探索，自从1973年日本钢管公司在福山钢铁厂5#焦炉上首次成功地开发应用了焦炉燃烧控制系统（ccs）pA来，世界上许多钢铁公司已先后开发了10多种焦炉加热自动控制系统，相继出现了ACCS、CARPO、COHC等各具特色的系统。

目前日本已有57座焦炉实现了焦炉加热自动控制，其中的3座焦炉还实现了单个燃烧室的加热控制。

美国、法国、德国、荷兰和芬兰等国也有一些焦炉实现了自动控制。

工业发达的国家投入大量的人力、财力和物力用于焦炉计算机控制系统的研究，开发和应用，取得了明显的经济效益[4]。

第2章焦炉烘炉工艺过程

2.1焦炉烘炉的工艺

自本世纪20年代起，焦炉耐火砖由粘土改为硅砖，使结焦时间从24--28h缩短到14—16h，一代炉龄从10年延长到20一25年。

由于高炉炼铁技术的进展，要求焦炭强度高、块度均；由于有机化学工业的需要，希望提高萘和烃基苯的产率。

这就促进了对焦炉工艺的研究，使之既实现均匀加热以改善焦炭质量，又能保持适宜炉顶空间温度以控二次热解而提高萘等有机物的产率[3]。

2.2焦炉烘炉的炉体结构

工业中常用的焦炉有五十个左右相同的单元构成，这五十个单元之间是并列的关系，完成的作用也是相同，所以每个单元的控制方案也是相同的，每个单元主要由炭化室、燃烧室、蓄热室、斜道区和炉顶区所组成，蓄热室以下为基础和烟道，焦炉炉体结构如图2.1所示。

（本文中介绍一个单元）

现代焦炉可按加热煤气和空气的供入方式，燃烧室火道类型，实现高向加热均匀的方式。

每一种焦炉型式均由以上分类的合理组合构成。

焦炉加热煤气和空气的供入方式有侧八式和下喷式两类。

[6]燃烧室火道的类型分为水平火道和直立火道两大类。

焦炉高向加热均匀性的方式主要有高低灯头、不同炉墙厚度、分段加热和废气循环等四种方式。

焦炉的加热方式主要有单热式和复热式两种[7，8]。

图2.1焦炉炉体结构图

（1）炭化室和燃烧室的结构

1．炭化室2.炉头3.隔墙4.火道

图2.2燃烧室与炭化室

炭化室是隔绝空气，进行煤的干馏的地方；燃烧室是煤气燃烧的地方，两者依次相间，其间的隔墙要传递干馏所需的热能。

焦炉生产时，燃烧室墙面平均温度约1300C，炭化室内平均温度约为11000C。

在此温度下，墙体承受炉顶机械和上部砌体的重力，墙面要经受干馏煤气和灰渣的侵蚀、以及炉料的膨胀压力和推焦侧压力。

因此要求墙体透气性低、导热性好、荷重软化温度高、高温抗蚀性强、整体结构强度高。

（2）斜道区的结构

斜道区位于蓄热室与燃烧室之间，是连接该两者的通道，其结构如图2.3所示。

斜道区内布置着数量众多的通道（斜道、砖煤气道等），它们距离很接近，而且走压力不同的各种气体，容易漏气，因此结构必须保证严密[9]。

此外，焦炉两端因有抵抗墙定位，不能整体膨胀，为了吸收炉组长向砖的热膨胀，在斜道区内各砖层均预留膨胀缝，缝的方向平行于抵抗墙，上下砖层的膨胀缝间设置滑动层，以利于砌体

受热时，膨胀缝两侧的砖层向膨胀缝膨胀。

1.炭化室2.火道3.调节砖4.砖煤气道

5.废气循环孔6.膨胀缝7.斜道8.蓄热室

图2.3焦炉斜道区的结构

斜道的倾斜角应大于30°，以免积灰造成堵塞。

同一火道内的两条斜道出口中心线的夹角尽量减小，以有利于拉长火焰。

斜道出口收缩和突然扩大产生的阻力应约占整个斜道阻力的75％。

这样，当改变调节砖厚度而改变出口断面时，能有效地调节贫煤气和空气量[5]。

（3）蓄热室的结构

蓄热室位于焦炉炉体下部，上面经斜道与燃烧室相连，下面经废气盘与高炉煤管和大气相通。

蓄热室可以回收燃烧废气的热量并预热高炉煤气和空气。

蓄热室的结构如图2.4所示，自上而下分为小烟道、篦子砖、格子砖和顶部空间。

蓄热室中间被单墙隔开，导入时：

分别走煤气和空气；排放时：

都走废气。

蓄热室位于斜道下部，通过斜道与燃烧室相通，是废气与空气（或煤气）进行热交换的部位。

小烟道用来与废气盘连接实现导入冷煤气、空气和排放热废气，由于交替变换的冷热气流温差较大，为了承受温度的急变防止气流对墙面的腐蚀，小烟道内砌有粘土衬砖。

小烟道粘土衬砖上砌有篦子砖，合理的篦子砖孔型和尺寸排列可以使蓄热室内气流沿长向均匀分布。

篦子砖上架设有格子砖，当从火道下降的炽热废气经过蓄热室时，其热量大部分被格子砖吸收，每隔一定时间进入冷空气或高炉煤气，格子砖又将热量传递给空气或高炉煤气。

在焦炉整个时间内，蓄热室就是这样不断地进行热交换。

蓄热室下部设有分烟道，来自各下降蓄热室的废气流经各废气盘分别汇集到机侧和焦侧的分烟道，进而在炉组端部的总烟道汇合后导入烟囱根部，然后排入大气。

机侧和焦侧的烟道与总烟道的衔接处之前设有吸力自动调节翻版，用以调节烟道的吸力。

1.蓄热室的主墙2.小烟道粘土衬砖3.小烟道

4．蓄热室单墙5.篦子砖6.隔热砖

图2.4焦炉蓄热室的结构

2.3控制方案

焦炉的温度控制指标如下表2.1

表2.1焦炉温度控制指标

名称

燃烧室

碳化室

炉顶区

蓄热室

炉道区

温度（℃）

1450

1100

1250

1650

1350

当温度达到并超过以上温度时，焦炉的烘炉过程就会发生炉体结焦的现象，从而影响的焦炉的质量，所以，在控制过程中，各部分温度不能达到或超过以上温度。

由于焦炉烘炉I/O点数不多，大多数控制指标可以利用简单的单回路来实现控制，单回路反馈控制系统是实现生产过程自动化的基本单元，其结构简单、投资少、易于调整和投运，能满足一般工业生产过程的控制要求。

因此在工业生产小应用十分广泛，尤其适用于被控过程的纯滞后和惯性小，负荷和扰动变化比较平缓，或者控制质量要求不太高的场合。

本系统中大部分温度调节回路均设计为单回路控制，单回路清单如表2.2所示：

表2.2单回路清单

回路号

位号

描述

单位

上限

下限

0

TIC1001

1#直行温度调节

℃

1250

0

1

TIC1002

1#火道温度调节

℃

1250

0

2

TIC1003

1#横墙温度调节

℃

750

0

3

TIC1005

1#篦子砖温度调节

℃

1650

0

4

TIC1006

1#分烟道温度调节

℃

1350

0

5

TIC1007

1#抵抗墙温度调节

℃

900

0

6

TIC1009

1#碳化室温度调节

℃

1100

0

但由于燃烧室温度直接影响蓄热室和火道温度，所以，在这里设计串级控制来提高控制精度，串级控制系统是应用最早，效果最好，使用最广泛的一种复杂控制系统。

它的特点是两个调节器相串接，控制系统内环为副控对象，外环为主控对象。

主调节器的输出作为副调节器的设定,外环为定制控制，内环为随动系统。

内环的作用是将外部扰动的影响在内环内进行处理，而尽可能不使其波及到外环。

串级控制主要应用于对象的滞后和时间常数很大、干扰作用强而频繁、负荷变化大、对控制质量要求较高的场合，以便加快系统的快速性并提高系统的品质，提高系统的工作频率和抗干扰能力。

串级控制回路如下表2.3所示：

表2.3串级控制回路

序号

位号

描述

量程

单位

7

TIC1004

1#蓄热室温度调节

0--1250

℃

TIC1008

1#燃烧室温度调节

0--1450

℃

8

TIC1002

1#火道温度调节

0--1250

℃

TIC1008

1#燃烧室温度调节

0--1450

℃

对于回路7，蓄热室温度温度控制作为主控变量，燃烧室温度作为副控变量构成串级控制。

蓄热室温度是整个加热炉中最重要的被控变量，其影响因素有煤炭的燃烧量、燃烧情况及停留时间等，其中燃料进料流量为主干扰，由于蓄热室温度会先于燃烧室温度发生变化，且与蓄热室温度呈正相关关系，选用燃烧室温度作为副环被控变量，直接调节燃料流量调节阀的开度，能够有效地提高系统的响应速度，有效抑制进入副环的干扰，减少加热炉结焦，提高控制精度。

焦炉烘炉串级控制系统的系统框图如图2.5所示：

图2.5焦炉烘炉串级控制系统框图

对于回路8，火道温度为主控制变量，燃烧室温度为副控制变量。

由于火道温度不能达到其上限值，所以当其温度过高时，来作为控制室的输入值，来控制燃料的进入炉体的量，从而来降低温度。

第3章系统的硬件设计

3.1系统的总体设计

本系统采用JX-300XP控制系统根据信号点数及控制要求由一个操作员站、一个工程师站、一个控制站和一套过程控制网络组成。

根据具体测点配备有1个DCS系统柜，命名为SC-1；1个辅助柜，命名为AC-1。

工程师站和操作员站分别命名为ES130和OS131。

高可靠性是过程控制系统的第一要求。

冗余技术是计算机系统可靠性设计中常采用的一种技术（冗余：

当一块卡工作时另一块处于备用状态，当其出现故障时，另一块处于工作状态），是提高计算机系统可靠性的最有效方法之一。

控制系统从结构上充分地采用了冗余技术。

本系统对于主控卡是XP243X、数据转发卡是XP233、模拟量的I/O卡件、网络通讯等都设计了冗余，采用冗余结构不仅能避免控制系统的局部故障扩大事故，保证机组安全稳定运行，同时也保证设备故障的在线排除，从而消除事故隐患。

本系统的卡件备用硬件实时监听工作硬件信息，内部数据实时与工作硬件保持一致，一旦工作硬件出现故障，备用硬件即可随时参与工作，不存在切换问题，也就避免了切换时对系统造成的扰动。

本系统配置如图3.1所示。

系统安装完成后可使用ping指令进行调试，使其设备间彼此都实现通讯。

图3.1系统配置图

3.2系统的网络设计

通讯网络是DCS系统得以正常运行的重要部分，JX-300XPDCS的通讯网络自上而下分为四层：

第一层是信息管理网，用户可根据实际情况选用；第二层是过程信息网SOnet，即C网；第三层是过程控制网SCnetⅡ，系统采用冗余的高速工业以太网，互为冗余的两网分别叫做A、B网；第四层网络是控制站内部I/O控制总线SBUS。

系统的网络结构图3.2如下：

图3.2网络结构图

过程控制网中包括互为冗余的A/B网，其中，A网的网络地址为128.128.1.***，B网的网络地址为128.128.2.***，（***可以通过主控卡的拨码来玩成地址范围为2—127）。

C网成为过程信息网，其地址为128.128.5***，通常情况下我们可以将其和B网合并，这不并影响网络连接，合并后的网络图如图3.3所示：

图3.3网络合并图

3.3系统的外配设计

“外配”，主要是指DCS系统以外的辅助硬件设备及必要时连接DCS与执行机构、DCS与检测单元的中间设备。

外配设计是DCS系统总体设计的重要一环，包括电源及供电设计、、端子板、安全栅、隔离器、防雷栅等部分的设计内容。

由于系统防爆设计对于整个系统的安全可靠运行极其重要，这里主要讨论安全栅的设计内容[13]。

3.3.1供电设计

本系统采用双路供电即：

采用来自两段不同母线的电源为系统供电，在条件允许下应采用双路UPS配置，如条件有限，至少应保证其中一路采用UPS供电。

这样保证的了系统不会因为停电而停机，当断电时系统会自动用UPS来供电，保证了系统的稳定运行。

根据该系统的实际情况，采用来自一段母线的两路电源，一路经一台UPS后供电、一路直接供电。

系统供电图如图3.4所示：

图3.4系统供电图

3.3.2安全栅

安全栅，是接在本质安全电路和非本质安全电路之间的隔离器件。

它是将供给本质安全电路的电压或电流限制在一定安全范围内的装置,其核心元件为齐纳二极管，限流电阻及快速熔断丝，它能在安全区和危险区之间双向转递电信号，并可限制因故障引起的安全区向危险区的能量转递，工作原理如下图3.5所示：

图3.5安全栅工作原理图

安全栅分为齐纳式安全栅和隔离式安全栅两类。

齐纳式安全栅，电路中采用快速熔断器、限流电阻或限压二极管以对输入的电能量进行限制，从而保证输出到危险区的能量。

其内部相当于一个保险丝，当出现过高电流电压时，保险丝烧断，达到保护现场的目的。

隔离式安全栅，采用了将输入、输出以及电源三方之间相互电气隔离的电路结构，同时符合本安型限制能量的要求。

其内部用隔离变压器隔离了输入、输出、电源三部分限制到现场的电流电压在安全防爆的范围内。

使现场无法达到火花电压电流。

二者的接线示意图如图3.6：

图3.6齐纳安全栅隔离栅接线图

以上两种安全栅有各自的特点：

齐纳安全栅——原理简单、电路实现容易，价格低廉，但因由于其自身原理的缺陷使其应用中的可靠性受到很大影响，并限制了其应用范围。

隔离栅——可以将危险区的现场回路信号和安全区回路信号有效隔离。

这样本安自控系统不需要本安接地系统，简化了本安防爆系统应用时的施工;使用隔离栅，大大增强了检测和控制回路的抗干扰能力，提高系统可靠性;允许现场仪表接地，允许现场仪表为非隔离型的;隔离栅有保护功能电路，意外损坏的可能性较小，允许现场仪表带电检修，可缩短工程开车准备时间和减少停车时间。

本系统采用了安全栅装置，从而保证系统的安全。

安全栅安装在辅助柜AC-1里。

3.4接地系统

系统的实际应用主要设计到本系统真正应用是实际中去的时候，还需要做哪些准备，需要注意的主要就是接地问题。

3.4.1接地的概念

接地对系统在投入使用之后的正常运行和操作人员的安全起着重要的作用，所以，接地对系统的设计是很重要的一步。

DCS控制系统接地有两个目的：

一是为了安全；二是为了抑制干扰。

合理准确的接地是保证集散控制系统运行安全可靠,系统网络通信畅通的重要前提。

正确的接地既能抑制外来干扰，又能减小设备对外界的干扰影响。

而错误的接地反而会引入干扰，严重时甚至会导致集散控制系统无法正常工作。

因此接地问题不仅在系统设计时要周密考虑，在工程安装投运时也必须以最合理的方式加以实现[14]。

3.4.2接地的分类

接地分为保护接地、工作接地、电气接地、防雷接地。

主要是前两种。

保护接地：

（也称为安全接地）是为人身安全和电气设备安全而设置的接地。

凡控制系统的机柜、操作台、仪表柜、配电柜、继电器柜等用电设备的金属外壳及控制设备正常不带电的金属部分，由于各种原因（如绝缘破坏等）而有可能带危险电压者，均应作保护接地。

低于36V供电的现场仪表，如无特殊要求可不做保护接地，但有可能与高于36V电压设备接触的除外。

当安装在金属仪表盘、箱、柜、框架上的按钮、信号灯、继电器等小型低压电器的金属外壳，与已接地的金属仪表盘、箱、柜、框架电气接触良好时，可不做保护接地。

工作接地：

仪表及控制系统工作接地包括：

仪表信号回路接地和屏蔽接地。

隔离信号可以不接地。

这里的“隔离”是指每一输入信号（或输出信号）的电路与其它输入信号（或输出信号）的电路是绝缘的、对地是绝缘的，其电源是独立的、相互隔离的。

非隔离信号通常是以直流电源负极为参考点，并接地。

信号分配均以此为参考点。

仪表工作接地的原则为单点接地，信号回路中应避免产生接地回路，如果一条线路上的信号源和接收仪表都不可避免接地，则应采用隔离器将两点接地隔离开[12]。

3.4.3接地的设计

同一个JX-300XPDCS系统中，所有SCnet网络节点的系统地必须同地，以满足系统内直流地（系统地）的等电势要求。

系统内的系统地、安全地、屏蔽地必须最后汇流到同一个接地点上（即一点接地），而这个接地点的接地电阻应足够小，以保证有效地快速消除干扰。

在实际现场施工过程中，这个接地点最好是为JX-300XP系统而设置的独立地桩（其接地电阻符合要求），这对系统的安全性和抗干扰能力都很有好处。

机柜安装时要避免将机柜与工厂电气地连通，仪表柜的接地也必须不能破坏DCS系统一点接地的原则。

JX-300XP系统配用安全栅，推荐将安全栅的接地与系统地连接。

如果现场已构成接地网并且接地电阻满足要求，系统可以将系统内的接地点先联成一个独立接地网，最后将系统内的这个接地网中的一点与现场接地网相连，也就是保证了“一点接地”。

为保证系统网络上的所有设备同地，这“一点接地”可以是单独地桩，也可以是符合要求的电气地。

但不能系统接地网既连单独地桩，又连电气地；或者是操作站接地与电气地相连，而控制站系统地与单独地桩相连。

这两种情形其实都属于“二点接地”，很容易被雷电击坏SCnet网络或系统。

JX-300XPDCS必须在保证一点接地的前提下，系统才可以安全上电，否则系统上电后有可能损坏SCnet网络中的设备，更严重的情况会有人身安全。

如果现场的电气地接地电阻不满足要求，而安装机柜的槽钢已与现场电气地连在一起，则安装时需用绝缘物将机柜垫起，避免接触。

接地的设计方案