加热炉控制系课程设计

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。

随着建立燃烧模型工作的进展和计算机技术的应用，加热炉燃烧过程控制系统将得到进一步的完善。

加热炉的单回路控制方案如下。加热炉的最主要控制指标往往是工艺介质的出口温度。对于不少加热炉来说，温度控制指标要求相当严格，例如允许波动范围为±（1～2）℃。影响路出口温度的扰动因素有：工艺介质进料的流量、温度、组分，燃料方面有燃料油的压力、成分、燃料油的雾化情况，空气过量情况，喷嘴的阻力，烟囱抽力等。在这些扰动因素中有的是可控的，有的是不可控的。问了保证炉出口稳定，对扰动应采取必要的措施。图1-1为某一燃油加热炉控制系统示意图，其主要的控制系统是以炉出口温度为控制变量、燃料油流量为操纵变量组成的单回路控制系统。其他辅助控制系统有：进入加热炉工艺介质的流量控

C

制系统，如FC控制系统；燃料油总压控制，总压控制一般调回油量，如入P

1

控制系统。

图1-1 加热炉控制系统示意图

采用雾化蒸汽压力控制系统后，在燃料压力变化不大的情况下是可以满足雾化要求的，目前炼厂中大多数采用这种方案。假如燃料油压力变化较大时，单采用雾化蒸汽压力控制就不能保证燃料油得到良好的雾化，可以根据燃料油阀后压力与雾化蒸汽压力之差来调节雾化蒸汽，还可以采用燃料油阀后压力与雾化蒸汽压力比值控制。但只能保持近似的流量比，还应注意经常保持喷嘴、管道、节流件等通道的畅通，以免喷嘴堵塞及管道局部阻力发生变化，引起控制系统的误动作。此外，也可以采用二者流量的比值控制，则能克服上述缺点，但所用仪表多且重油流量测量困难。

采用单回路控制系统往往很难满足工艺满足，因为加热炉需要将工艺介质从几十度升温到数百度，其热负荷很大。当燃料油的压力或热值有波动时，就会引起炉出口温度的显著变化。采用单回路控制时，当加热量改变后，由于传递滞后和测量滞后较大，控制作用不及时，而使炉口温度波动较大，满足不了工艺生产要求。因此单回路控制系统仅适用于对炉出口温度要求不十分严格；其外来扰动缓慢而较小，且不频繁；炉膛容量较小，即滞后不大。

CAD图形

图1-2 加热炉控制系统工艺流程图

第2章标准节流装置设计及计算程序设计

GB/T2624-93概述

GB/T2624-93全称为《流量测量节流装置用孔板、喷嘴和文丘里管测量充满圆管的流体测量》。1993年2月3日由国家技术监督局批准GB/T2624-93代替GB2624-81，1993年8月1日实施。该标准第一次等效采用ISO5167（1991）与国际接轨，标志着我国现行的标准节流装置，在推广采用国际标准上的研究成果、提高测量精度方面，以取得了突破性的进展。

GB/T2624-93主要特点有：

1.以流出系数C代替流量系数α；C值的计算中的β降阶计算由原流量系数α计算中的最高阶β20降至流出系数C计算中的最高阶β8次幂。

2.提出5种命题以适应自控工程设计中各方面的需要。

3.提出迭代计算方法，给出计算机计算程序框图。

4.差压上限不再计算，而要由用户自行选定，要求设计者有更多的经验。

5.管道粗糙度不再参加计算，而是在计算结果出来后验证。

计算实例

位号：FHC2155B。名称：常压炉炉膛温度与高压瓦斯流量串级。

表2-1 标准节流装置设计计算数据

序号项目符号单位数值

1 2 3 4 5 6 7 8 9

10

11 12

已知条件：

被测介质名称

最大流量

工作温度

工况密度

工况粘度

工作压力

管内径（20℃下实测值）

节流件形式

取压方式

管道材料热膨胀系数

等熵指数

压缩系数

t

P

D20

λD

m3/h

℃

kg/m3

CP

Pa

m

mm/mm℃

高压瓦斯

300

60

3500000

孔板

角接

1

1.辅助计算

（1）计算流量标尺：