燃气流量控制装置与控制方法.pdf

本发明揭示了一种燃气流量控制装置与控制方法，该装置包括上燃烧器和下燃烧器，其特征是，该控制装置根据石灰窑的产量、具体热耗和最低热值，设定总燃气流量，并分配上层燃气流量和下层燃气流量；上燃烧器根据上层燃气流量设定上燃烧器模型，下燃烧器根据下层燃气流量设定下燃烧器模型；该控制装置调节上燃烧器和下燃烧器的实际燃气流量。采用了本发明的技术方案，能根据每日所需生产产量，提供燃气热耗流量。在生产中自动调节窑内燃烧室上下两层燃气流量分布。当燃气燃值变化时，能及时对相关参数进行调整，确保燃烧室燃气流量稳定，从而稳定了窑内的热工制度，进而稳定了生产石灰的质量指标。

1.  一种燃气流量控制方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤一，根据石灰窑的产量、具体热耗和最低热值，设定总燃气流量；
步骤二，根据总燃气流量分配上层燃气流量和下层燃气流量；
步骤三，根据上层燃气流量设定上燃烧器模型，根据下层燃气流量设定下燃烧器模型；
步骤四，调节上燃烧器和下燃烧器的实际燃气流量。

2.  如权利要求1所述的燃气流量控制方法，其特征是，该总燃气流量为：

3.  如权利要求1所述的燃气流量控制方法，其特征是，步骤二分配上层燃气流量和下层燃气流量的比为1.5～2.0。

4.  如权利要求3所述的燃气流量控制方法，其特征是，上燃烧器燃气流量=1/（1+M）×总燃气流量；下燃烧器燃气流量=M/（1+M）×总燃气流量；其中M是上层燃气流量和下层燃气流量的比。

5.  如权利要求1所述的燃气流量控制方法，其特征是，上燃烧器和下燃烧器采用PID调节，其传递函数为其中s为传递函数的参数。

6.  一种燃气流量控制装置，包括上燃烧器和下燃烧器，其特征是，该控制装置根据石灰窑的产量、具体热耗和最低热值，设定总燃气流量，并分配上层燃气流量和下层燃气流量；上燃烧器根据上层燃气流量设定上燃 烧器模型，下燃烧器根据下层燃气流量设定下燃烧器模型；该控制装置调节上燃烧器和下燃烧器的实际燃气流量。

7.  如权利要求6所述的燃气流量控制装置，其特征是，该总燃气流量为：

8.  如权利要求6所述的燃气流量控制装置，其特征是，该控制装置分配上层燃气流量和下层燃气流量的比为1.5～2.0；
该上燃烧器设置燃气流量=1/（1+M）×总燃气流量；下燃烧器设置燃气流量=M/（1+M）×总燃气流量；其中M是上层燃气流量和下层燃气流量的比。

9.  如权利要求6所述的燃气流量控制装置，其特征是，上燃烧器和下燃烧器采用PID调节，其传递函数为其中s为传递函数的参数。

10.  如权利要求6所述的燃气流量控制装置，其特征是，该控制装置设置在炉窑内，该炉窑内还包括上内筒、上导流帽、下内筒、下导流帽、上过桥、下过桥和人孔；该上内桶设置在炉窑的中轴的上部，其正下方设置该上导流帽；该上导流帽的正下方为该下内筒，该下内筒的正下方设置该下导流帽；该上过桥设置在该下内筒上半部附近的外壁上，该下过桥设置在该下内筒下半部附近的外壁上；该炉窑的外壁底部设置该人孔；
该上燃烧器的一端与该上过桥相连接，该下燃烧器的一端与该下过桥相连接。

燃气流量控制装置与控制方法
技术领域
本发明涉及一种炉窑控制装置及方法，更具体地说，涉及一种燃气流量控制装置与控制方法。
背景技术
炉窑是用于生产冶金石灰的设备，主要可用来生产高质量的活性石灰，满足炼钢需要。石灰石通过单斗卷扬提升机运至窑顶，经料斗、密封闸门及旋转布料器进入窑内。窑内有上、下两层烧嘴并均匀错开布置，每层烧嘴有六个圆柱形燃烧室，每个燃烧室都有一个用耐火材料砌筑的从窑外壳到下内筒的拱桥，高温气体从燃烧室内出来，经过拱桥下面形成的空间进入料层。两层烧嘴将窑分成两个煅烧带，上煅烧带为逆流，下煅烧带为并流。物料在窑内从上到下运动，气流由燃烧室逆物流运动，最后在并流煅烧区域将物料（石灰石）烧成石灰。
如图1所示，整个控制系统的关键部分是燃烧系统，直接关系到生产出来的成品的产量和质量。现有燃气布局是总管设置二个燃气切断阀1和2，下设二路支管，一路支管进上层烧嘴，另一路支管进下层烧嘴，二路支管道各设置一个流量调节阀，即上层烧嘴流量调节阀3和下层烧嘴流量调节阀4，控制燃气进入上下二层烧嘴。日常生产过程中，对燃气流量的操作控制，传统控制方法处于手动控制，具体是调节二个进气流量调节阀，如成品石灰经检测为欠烧则需增加调节阀开度，加大流量；如成品石灰经检测为过烧则需减少调节阀开度，降低流量。
现有的这种装置结构由于手动作业，经验性太强，不同的人对参数的调整幅度及对参数的预判值不同，导致调节控制燃烧流量系统稳定性差， 调节次数较多，调节过于频繁，不利于生产。
发明内容
本发明的目的旨在提供一种燃气流量控制装置与控制方法，来实现燃气流量的自动分层以及自动控制。
根据本发明，提供一种燃气流量控制方法，包括以下步骤：步骤一，根据石灰窑的产量、具体热耗和最低热值，设定总燃气流量；步骤二，根据总燃气流量分配上层燃气流量和下层燃气流量；步骤三，根据上层燃气流量设定上燃烧器模型，根据下层燃气流量设定下燃烧器模型；步骤四，调节上燃烧器和下燃烧器的实际燃气流量。
根据本发明的一实施例，
根据本发明的一实施例，步骤二分配上层燃气流量和下层燃气流量的比为1.5～2.0。
根据本发明的一实施例，上燃烧器燃气流量=1/（1+M）×总燃气流量；下燃烧器燃气流量=M/（1+M）×总燃气流量；其中M是上层燃气流量和下层燃气流量的比。
根据本发明的一实施例，上燃烧器和下燃烧器采用比例积分微分控制器（PID）调节，其传递函数为其中s为传递函数的参数。
根据本发明的另一方面，还提供一种燃气流量控制装置，包括上燃烧器和下燃烧器，其特征是，该控制装置根据石灰窑的产量、具体热耗和最低热值，设定总燃气流量，并分配上层燃气流量和下层燃气流量；上燃烧器根据上层燃气流量设定上燃烧器模型，下燃烧器根据下层燃气流量设定下燃烧器模型；该控制装置调节上燃烧器和下燃烧器的实际燃气流量。
根据本发明的一实施例，
根据本发明的一实施例，控制装置分配上层燃气流量和下层燃气流量 的比为1.5～2.0。
根据本发明的一实施例，上燃烧器燃气流量=1/（1+M）×总燃气流量；下燃烧器燃气流量=M/（1+M）×总燃气流量；其中M是上层燃气流量和下层燃气流量的比。
根据本发明的一实施例，上燃烧器和下燃烧器采用比例积分微分控制器（PID）调节，其传递函数为其中s为传递函数的参数。
根据本发明的一实施例，该控制装置设置在炉窑内，该炉窑内还包括上内筒、上导流帽、下内筒、下导流帽、上过桥、下过桥和人孔；该上内桶设置在炉窑的中轴的上部，其正下方设置该上导流帽；该上导流帽的正下方为该下内筒，该下内筒的正下方设置该下导流帽；该上过桥设置在该下内筒上半部附近的外壁上，该下过桥设置在该下内筒下半部附近的外壁上；该炉窑的外壁底部设置该人孔。
根据本发明的一实施例，上燃烧器的一端与该上过桥相连接，该下燃烧器的一端与该下过桥相连接。
采用了本发明的技术方案，能根据每日所需生产产量，提供燃气热耗流量。在生产中自动调节窑内燃烧室上下两层燃气流量分布。当燃气燃值变化时，能及时对相关参数进行调整，确保燃烧室燃气流量稳定，从而稳定了窑内的热工制度，进而稳定了生产石灰的质量指标。
附图说明
在本发明中，相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：
图1是现有的燃气流量控制装置线路图；
图2是炉窑的结构示意图；
图3是本发明的燃气流量控制装置线路图；
图4是燃气流量控制装置的结构示意图；
图5是比例积分微分（PID）控制器结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。
本炉窑燃气流量控制方法核心技术是一套完整热工制度计算，它能根据每日所需生产产量，提供燃气热耗流量。在生产中自动调节窑内燃烧室上下两排燃气分布，当窑内温度，压力变化时，能及时对相关参数进行调整，确保燃烧室烟气流量稳定，从而稳定了窑内的热工制度，进而稳定了生石灰的质量指标。
如图2所示，炉窑的结构主要包括上内筒、上导流帽、下内筒、下导流帽、上过桥、下过桥和人孔。上内桶设置在炉窑的中轴的上部，其正下方设置上导流帽。上导流帽的正下方为该下内筒，该下内筒的正下方设置下导流帽。上过桥设置在下内筒上半部附近的外壁上，下过桥设置在下内筒下半部附近的外壁上，上燃烧器的一端与该上过桥相连接，该下燃烧器的一端与该下过桥相连接。炉窑的外壁底部设置该人孔。
如图3所示，对燃气流量控制装置而言，需要根据石灰窑的产量、具体热耗和最低热值，设定总燃气流量，并分配上层燃气流量和下层燃气流量。上燃烧器根据上层燃气流量设定上燃烧器模型，下燃烧器根据下层燃气流量设定下燃烧器模型，燃气流量控制装置调节上燃烧器和下燃烧器的实际燃气流量。
全自动炉窑热工制度能实现，其来源来自炉窑自动控制模型。控制模型主要包括燃烧中的热能分配，主要原理是利用石灰石分解石灰所需热量的单耗，再根据每日所需产量，燃气热值，进行总消耗热量计算，进一步算出每小时所需热能，同时得出所需燃气消耗。
总燃气流量算法模型如下：
计算机将根据石灰窑的产量、具体热耗和最低热值，利用下列公式来计算总的燃气流量：

上式中：
GF（Nm³gas/h）          －燃气流量
TPD（石灰t/天）        －石灰窑产量
HC（Kcal/每千克石灰）  －具体热耗
PCI（燃气Kvcal/Nm³）    －最低热值
操作人员输入下列参数：
TPD（石灰t/天）        －石灰窑产量
HC（Kcal/每千克石灰）  －具体热耗
PCI（燃气Kvcal/Nm³）   －最低热值
HC一般为1000Kcal/每千克石灰
PCI最低热值由分析仪提供，最低热值一般为1500Kvcal/Nm³-2000Kvcal/Nm³对应标准信号4-20MA，模拟量经信号有变送器送至隔离器入计算机处理。
燃气流量GF计算出来之后，根据设定上下层烧嘴燃气的比计算出上下烧嘴的燃气流量：
上层烧嘴P1～P6燃气流量：Vu=1/（1+M）×GF
下层烧嘴P7～P12燃气流量：Vd=M/（1+M）×GF
GF为燃气流量已在上述通过模型计算出。
M：下层烧嘴与上层烧嘴的燃气比，一般在1.5～2.0之间
上层烧嘴流量控制器控制：
上层烧嘴流量控制器5通过控制上层烧嘴流量调节阀3的开度对上层烧嘴流量进行调节，其上层烧嘴流量控制器传递函数Gc（S）如下：
Gc(S)=0.005(1+110S)]]>
式中：
0.005——比例积分微分控制器（PID）调节器的增益系数；
10——比例积分微分控制器（PID）调节器的积分时间常数，单位：秒。
其中上层烧嘴流量控制器的设定值SP为：
5_SP=Vu
下燃烧器燃气流量调节器控制：
下层烧嘴流量控制器6过控制下层烧嘴流量调节阀4开度对下烧嘴流量进行调节，其下层烧嘴流量控制器传递函数Gc（S）如下：
Gc(S)=0.005(1+110S)]]>
式中：
0.005——比例积分微分控制器（PID）调节器的增益系数；
10——比例积分微分控制器（PID）调节器的积分时间常数，单位：秒。
其中下层烧嘴流量控制器的设定值SP为：
6_SP=Vd
如图4所示，上下二层燃气流量控制：
炉窑工艺主要是对石灰石的高温煅烧，在煅烧过程中所需要的总的热量是相对固定的，燃气热值是波动的，而燃气的热值又是燃烧控制的主要参数，根据热值仪测出的燃气热值高低来调整进入燃气总管的燃气量，以便控制供入窑内的总热量，防止石灰过烧或烧成度不足。
控制分为自动控制和手动控制两种方式。手动控制即在上位机上给定一个输出值，通过可编程逻辑器件（PLC）对控制对象进行控制，手动方式时设定值SP不与测量值PV比较。
如图5所示，比例积分微分控制器（PID）流程控制主要有二个单元，一是流量检测单元PV，由测量变送器输出过程值，二是控制单元。控制单元主要是根据流量来控制燃气流量调节阀自动打开和关闭，并且使燃气流量调节阀开度处于合适位置。也就是当测量变送器过程值PV值低于流量设定值SP时，控制单元PID控制器控制燃气流量调节阀门自动加大开度，掺入过多燃气流量，直到过程值PV值接近流量设定值SP，调节阀停止动作。当测量变送器过程值PV值高于流量设定值SP时，控制单元PID控制 器控制燃气流量调节阀门自动减少开度，减少燃气流量，直到过程值PV值接近SP值，调节阀停止动作。整个PID控制回路，通过PLC软件实现，该PID功能块采样周期为100ms。PID控制分为自动控制和手动控制两种方式。自动控制即由PLC进行全自动控制，设定值SP设定好后，输出值OP会自动调整输出值，不需要进行人工干预，最终过程值PV与设定值SP值一致。手动控制即在上位机上给定一个输出值，通过输出值OP直接输出控制阀门开度，PV值与SP值不比较。在正常情况下都是自动方式下运行。
在正常情况下都是自动方式下运行，自动控制即由计算机进行全自动控制，不需要进行人工干预；程序在执行中将调节器的比例系数GAIN、积分时间常数TI、微分时间常数TD的值送入可编程逻辑器件（PLC）的数据寄存器中，这些参数随控制对象的不同而有所区别。
每个比例积分微分控制器（PID）控制回路的设定值SP、过程值PV、输出值OP都可以在计算机上用数字显示，同时在计算机上可以修改每个控制回路的PID参数，如设定值SP、比例系数GAIN、积分时间常数TI值、微分时间常数TD值。“自动”模式下，只要输入SP值，系统锁定该值，PV跟随SP值，进行定量控制。
参照图3、图4和图5，下面通过一个实施例来说明本发明的方案。
图3～5的符号说明：
1    燃气切断阀
2    燃气切断阀
3    上层烧嘴流量调节阀
4    下层烧嘴流量调节阀
5    上层烧嘴流量控制器
6    下层烧嘴流量控制器
5_SP 上层烧嘴流量设定
6_SP 下层烧嘴流量设定
a.窑内热能流量计算模型
以窑产量400TPD计算，石灰石分解至石灰具体热耗HC取1000Kvcal/每千克石灰，燃气最低热值PCI有分析仪提供为1800Kvcal/Nm³，只要在计算机中输入以上三个数据见图3，计算机将根据窑的产量、具体热耗和燃气的最低热值，利用下列模型来算总的燃气流量：

即

计算得GF=9252Nm³gas/h
b.上层烧嘴流量设定5_SP
根据公式：上层烧嘴：Vu=1/（1+M）×GF
燃气量的比率：假设m＝2（上下二层流量分配比率）
上层烧嘴的燃气量：
Vu＝1/（1+2）×9252＝3084Nm³/h
上层烧嘴流量设定5_SP为3084Nm³/h
c.下层烧嘴流量设定6_SP
根据公式：下层烧嘴：Vu=m/（1+m）×GF
燃气量的比率：假设m＝2（上下二层流量分配比率）
下层烧嘴的燃气量：
Vd＝2/（1+2）×9252＝6168Nm³/h
下层烧嘴流量设定6_SP为6168Nm³/h
d.上层烧嘴流量控制器5
控制分为自动控制和手动控制两种方式。手动控制即在上位机上给定一个输出值OP（见图3），如画面显示OP值25%（说明上层烧嘴流量调节阀3开度为25%（开度范围0%-100%），此时查看上层支管流量过程值PV值，是否接近SP值，如PV值小于SP值，则要增加OP值假设开至 30%；如PV值大于SP值，则要减少OP值假设开至20%；最终PV值接近SP值，也就是3084Nm³/h。
在正常情况下都是自动方式下运行，自动控制即由计算机进行全自动控制，不需要进行人工干预；程序在执行中将上层烧嘴流量控制器5调节器的比例系数0.005、积分时间常数10、微分时间常数0的值送入可编程逻辑器件（PLC）的数据寄存器中，现输入上层烧嘴流量设定5_SP为3084Nm³/h，系统锁定该值，此时阀门开度OP值会自动调整，对应过程值PV自动跟随目标SP值上下移动，最终PV值接近SP值也就是PV值3084Nm³/h进行定量控制。
e.下层烧嘴流量控制器6
同样控制分为自动控制和手动控制两种方式。手动控制即在上位机上给定一个输出值OP（见图3），如画面显示OP值50%（说明下层烧嘴流量调节阀4开度为50%（开度范围0%-100%），此时查看下层支管流量过程值PV值，是否接近SP值，如PV值小于SP值，则要增加OP值假设开至60%；如PV值大于SP值，则要减少OP值假设开至40%；最终PV值接近SP值，也就是6168Nm³/h。
在正常情况下都是自动方式下运行，自动控制即由计算机进行全自动控制，不需要进行人工干预；程序在执行中将下层烧嘴流量控制器6调节器的比例系数0.005、积分时间常数10、微分时间常数0送入比例积分微分控制器（PID）的数据寄存器中，只要输入下层烧嘴流量设定6_SP为6168Nm³/h，此时系统锁定该值，阀门开度OP值会自动调整，对应过程值PV自动跟随目标SP值上下移动，最终PV值接近SP值也就是PV值6168Nm³/h进行定量控制。
本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的说明书仅是本发明众多实施例中的一种或几种实施方式，而并非用对本发明的限定。任何对于以上所述实施例的均等变化、变型以及等同替代等技术方案，只要符合本发明的实质精神范围，都将落在本发明的权利要求书所保护的范围内。