管式热裂解反应器出口温度单回路控制系统

1管式热裂解反应器概述及控制方案
管式热裂解反应器是主要用于烃类热裂解的反应装置。

烃类热裂解过程是指石油烃类原料(天然气、炼厂气、油田气、汽油和重油）在高温（700-1000℃）、隔绝空气的条件下发生分解反应而生成碳原子数较少、相对分子质量较低的三烯（乙烯、丙烯和丁二烯）、三苯（苯、甲苯和二甲苯）等短裢烃的化学过程。

管式反应器从结构上可以分为单管反应器和多管反应器，多管反应器是将多个管式电反应单元并联组装成电反应器；可以是空管，如管式裂解炉，也可以是在管内填充颗粒状催化剂的填充管，以进行多相催化反应，如列管式固定床反应器。

管式反应器结构简单、加工方便，耐高压、传热面积大，特别适用于强烈放热和加压下的反应。

管式应器还具有容易实现自动控制、节省动力、生产能力高等特点，因此广泛用于气相、均液相、非均液相、气液相、气固相、固相等反应过程。

为保证管式反应器内具有良好的传热与传质条件, 使之接近于理想反应器，一般要求流体在管内作高速湍流运动。

热裂解的原理：烃类热裂解的过程十分复杂，不仅裂解原料发生反应，而且生成物还会继续反应，同一种烃也会发生不同的反应。

按反应进行的先后顺序，可以反应划分为一次反应和二次反应。

本次课程设计是要完成管式热裂解反应器出口温度控制系统的设计，采用的是单回路控制，单回路控制系统又称简单控制系统，是指由一个被控对象、一个检测元件及变送器、一个调节器和一个执行器所构成的闭合系统。

单回路控制系统的有如下特点：系统结构简单、易于分析设计，投资少、便于施工，并能满足一般生产过程的控制要求，因此在生产中得到广泛的应用。

但单回路控制系统也有一些缺点，如系统适用于控制负荷变化较小的被控对象，如果负荷变化较大，无论选择哪种调节规律，简单控制系统都很难得到满意控制质量。

2 管式热裂解反应器温度控系统工艺流程及控制要求
管式热裂解反应器的主要任务是把原油或重油加热到一定温度，以保证下一道工序（分馏或裂解）的顺利进行。

反应器的工艺流程为燃料油经过蒸汽雾化后在炉膛中燃烧，被加热油料流过炉膛四周的排管中，就被加热到出口温度。

在燃料油管道上装设一个调节阀，用它来控制燃油量以达到调节温度的目的。

其中燃料油压力和过热蒸汽压力都可以用专门的调节器保持其稳定，以便把扰动因素减小到最低限度。

从调节阀动作到温度改变，这中间需要相继通过炉膛、管壁和被加热油料所代表的热容积，因而反应很缓慢。

工艺上对出口温度要求不高，一般希望波动范围不超过
±1～2%。

控制流程图如下所示：
反应物
出口温度 T
图2热裂解反应器控制流程图
控制原理为通过控制燃料的进料流量来控制温度。

3系统方框图的确定
根据控制流程图和控制要求图如下： 干扰
T — +
图6管式反应器出口温度单回路控制系统框图
4控制系统设计及参数的确定
4.1控制系统被控变量的选择
（1）温度调节器TC 是根据原料的出口温度与设定值的偏差进行控制。

当原料部分出现干
T C 温度控制器 反应器
测量变送元件
调节阀
扰后，控制系统并不能及时产生控制作用，克服干扰对被控参数的影响控制质量差。

当生产工艺对原料出口温度要求很严格时，简单控制系统很难满足要求。

（2）被控变量的选择：在一个生产过程中，可能发生波动的工艺变量很多，但并非对所有的变量都要加以控制。

一个化工厂的操作控制大体上可以分为三类，即物料平衡控制和能量平衡控制、产品质量或成分控制、限制条件或软限保护的控制。

因而在进行自动控制系统设计时，应深入了解工艺过程，找出对稳定生产、对产品的产量和质量、对确保经济效益和安全生产有决定性作用的工艺变 量，或者人工操作过于频繁、紧张，难以满足工艺要求的工艺变量，作为被控变量来设计自动控制系统。

根据工艺过程、工艺特点以及对控制的要求选热裂解反应器出口温度，因为要得到稳定的出口温度。

（3）操纵变量的选择：由于种种外部的和内在的因素，对工艺过程的稳定运转必然存在着干扰，因而在进行自动控制系统设计时必须深入研究工艺过程，认真分析干扰产生的原因，正确选择操纵变量，建立一个合理的控制系统，以确保生产过程的平稳操作。

根据操纵变量的选择原则选择燃料流量为操纵变量，以保证出口温度的稳定。

4.2系统各坏节分析
（1）调节器PID 控制：
在温度控制系统中，常采用PID 控制来作为控制规律，PID 控制器是一种线性控制器，它是根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成控制偏差
()()()e t r t c t =-
将偏差的比例（P ）、积分（I ）和微分（D ）通过线性组合可以构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID 控制器。

它的控制规律为
0()1()()()t D P I T de t u t K e t e t dt T dt ⎡⎤=++⎢⎥⎣⎦⎰
写成传递函数形式为 ()1()(1)()P D I U s G s K T s E s T s ==++ 式中 p K ——比例系数；
I T ——积分时间常数；
D T ——微分时间常数；
选择比例环节，一阶惯性环节的传递函数为1
+Ts K ，适用于简单加热系统，用于加快系统的响应速度，提高系统的调节精度。

p K 越大，系统的响应速度越快，系统的调节精度越高，但易产生超调，甚至会导致系统不稳定。

p K 取值过小，则会降低调节精度，使响应速度缓慢，从而延长调节时间，使系统静态、动态特性变坏。

（2）执行器分析
在温度控制系统中，执行器可看作一个比例环节。

当然，在整个控制过程中执行环节有一定的滞后作用，可在控制过程中添加一个延迟滞后环节。

对于在此看作比例环节，不妨取比例放大倍数K=5。

延迟滞后环节，不妨取延迟时间τ=1。

（3）变送器分析
在变送检测环节中，当变化量较小时，可将该环节看作一个线性环节，即同样可看作是一个比例环节，由于检测变送滞后较小，所以取比例放大系数K=1。

（4）被控变量特性
根据能量守恒定律热流失去的热量等于冷流吸收的热量
)()(20220111T T m C T T m C Q -=-=
C1、m1分别为高温物体的比热和质量，C2、m2分别为低温物体的比热和质量
5 仪表的选型
（1）温度变送器
DZ-III 型仪表采用了集成电路和安全火花型防爆结构，提高了仪表精度、仪表可靠性和安全性，适应了大型化工厂、炼油厂的防爆要求。

III 型仪表具有以下主要特点：（1）采用国际电工委员会（IEC ）推荐的统一信号标准，现场传输信号为DC4～20mA ，控制室联络信号为DC1～5V ，信号电流与电压的转换电阻为250Ω。

（2）广泛采用集成电路，仪表的电路简化、精度提高、可靠性提高、维修工作量减少。

（3）整套仪表可构成安全火花型防爆系统。

DDZ-III 型仪表室按国家防爆规程进行设计的，而且增加了安全栅，实现了控制室与危险场所之间的能量限制于隔离，使仪表能在危险的场所中使用。

DDZ-III 型PID 变送器主要由输入电路、给定电路、PID 运算电路、手动与自动切换电路、输出电路和指示电路组成。

调节器接收变送器送来的测量信号(DC4～20mA 或DC1～5V ），在输入电路中与给定信号进行比较，得出偏差信号，然后在PD 与PI 电路中进行PID 运算，最后由输出电路转换为4～20mA 直流电流输出。

下图给出了温度变送器实物图：
图3温度变送器原理框图
（2）执行器的选择：从生产工艺安全出发，燃料油调节阀选用气开式，即一旦出现故障或气源断气，调节阀应完全关闭，切断燃料油进入加热炉，确保设备安全为了保证。

执行器可分为气动、液动和电动执行器。

气动执行器是以压缩空气为能源的执行器，主要特点是：结构简单、动作可靠、性能稳定、故障率低、价格便宜、维修方便、本质防爆、容易做成大功率等。

应用广泛，因此选用气动执行器。

图4气动执行器
（3）调节器的选择：调节器是构成自动控制系统的核心仪表，其作用是将参数测量值和规定的参数值相比较后，得出被调量的偏差，在根据一定的调节规律产生输出信号，从而推动执行器的工作，对生产过程进行自动调节。

选用SK-808/900智能PID调节仪，如下图所示：
图5 SK-808/900智能PID调节仪
智能PID调节仪与各类传感器、变送器配合使用，实现对温度、压力、液位、容量、力等物理量的测量显示、智能PID调节仪并配合各种执行器对电加热设备和电磁、电动、气动阀门进行PID调节和控制、报警控制、数据采集、记录。

SK-808/900调节仪功能特点：万能输入功能、自动校准和人工校准功能、手动/自动无扰动切换功能、可选择适应加热或制冷的正/反作用、控制输出信号限幅、智能PID调节仪采用模糊控制理论和传统PID控制相结合的方式，使控制过程具有响应快、超调小、稳态精度高的优点，对常规PID难以控制的大纯滞后对象有明显的控制效果、智能PID调节仪增加了30段程序控制功能等。

6 Simulink仿真
6.1控制系统仿真
由以上各参数确定后可得系统的仿真结构图，具体参数整定过程可参见下图查阅相关资料知，对于流量系统，时间常数范围较大，比例度要大，一般不用微分作用，要求较高时才加入积
分作用。

所以初步令T
I =0，T
D
=0，延迟时间τ=1。

图7系统结构图
K
P =1；T
I
=0；T
D
=0；τ=1
K P =5；T
I
=0；T
D
=0；τ=1
K
P =10；T
I
=0；T
D
=0；τ=1
K
P =15；T
I
=0；T
D
=0；τ=1
K
P =20；T
I
=0；T
D
=0；τ=1
6.2对PID参数的整定
由相关资料可知，常用的调节器参数整定方法有：经验试凑法、临界比例法、衰减曲线法。

下面以经验试凑法为参考对本系统进行参数整定。

经验试凑法就是根据被控变量的性质在已知合适的参数（经验参数）范围内选择一组适当的指作为调节器当前的参数值，然后直接在运行系统中，人为的加上阶跃干扰，通过观察记录仪表上的过渡过程曲线，并以比例度、积分时间、微分时间对过度过程的影响为指导，按照某种顺序反复试凑比例度、积分时间、微分时间的大小，直到获得满意的过度过程曲线为止。

对于温度系统，其对象容量滞后较大，被控变量受干扰作用后变化迟缓，一般选用较小的比例度，较大的时间积分。

经验试凑法简单可靠，容易掌握，使用于各种系统。

整定过程如下：
K
P =4；T
I
=0；T
D
=0；τ=1
K
P =4；T
I
=1；T
D
=0；τ=1
K
P =4；T
I
=3；T
D
=0；τ=1
由上表PID各参数在不同设定值下的响应曲线结果分析可得，比较理想控制的各参数整定结
果可参考：K
P =4；T
I
=0；T
D
=0；τ=1。

7 课程设计总结
课程设计已经做完了，从拿到题目，方案的设计到方案的确定，都经过了严谨的思考，回路的设计，调节器的正反作用的确定，被控参数的选择，使系统能够达到设计目的。

在设计中，遇到了许多困难，老师对该论文从开始的题目介绍，构思到最后定稿的各个环节给予细心指引与教导, 同时，其他的同学，在设计的过程中曾耐心给与帮助，使我得以最终完成这次关于管式热裂解反应器出口温度控制系统的设计。

我们以前学习的知识都渐渐离我们远去，甚至不知道、不清楚哪些知识该用到哪些地方，什么时候用。

学校安排了这次管式加热炉温度控制系统的课程设计，通过自己查找资料，了解情况，让我们清楚我们学的知识与现实工业生产之间的联系，使得我们对知识更加了解和巩固。

通过这次设计，我对过程控制系统在工业中的运用有了深入的认识，对过程控制系统设计步骤、思路有一定的了解与认识。

我学到了控制系统的设计方法和步骤，拓展了知识面，了解了工业工程中控制系统起到的重要作用。

与此同时，在团队的协作中使我们在与人共事之中学会交流学会合作。

因为在今后的工作中一个人独立完成不与别人合作，是基本不可能的，所以在这次课程设计中也锻炼了我们的团队的协作精神，为今后的学习和工作积累了经验，是一笔难得的财富。

【参考文献】
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[2] 胡寿松.自动控制原理简明教程.北京：科学出版社，2008
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希望对大家有所帮助，多谢您的浏览！
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期，94~96
（注：可编辑下载，若有不当之处，请指正，谢谢!）
授课：XXX。