管式加热炉温度-流量串级控制系统的设计解析

过程控制系统课程设计题目:管式加热炉温度-流量串级控制系统的设计摘要当今世界，随着人们物质生活水平的提高以及市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越复杂，为满足优质、高产、低消耗，以及安全生产、保护环境等要求，做为工业自动化重要分支的过程控制的任务也愈来愈繁重，无论是在大规模的结构复杂的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，过程控制技术对于提高产品质量以及节省能源等均起着十分重要的作用。

为了能将课程中所学理论知识初步尝试应用于实践，本次设计将采用过程控制系统原理来实现工业生产控制问题的解决，通过设计一个温度-流量串级控制系统来实现对管式炉加热原料油的温度控制。

管式加热炉是石油工业中重要的设备之一，它的任务是把原油加热到一定的温度，以保证下一道工序的顺利进行。

加热炉的工艺过程为：燃料油经雾化后在炉膛中燃烧，被加热油料流过炉膛四周的排管后，就被加热到出口温度。

本此设计内容包括总体方案设计，系统原理阐述，系统框图与结构的搭建，变量检测环节，变量变送环节，控制器，调节阀，联锁保护等环节的具体选择与设计，最终形成一个可行可靠的完整串级过程控制系统方案，力图通过具体应用获得理论知识的进一步提升，并为工业生产提出可行性建议。

关键字：流量温度串级控制目录1.管式加热炉温度控制系统的设计意义 (1)1.1管式加热炉简介 (1)1.2温度控制系统设计意义 (1)2.管式加热炉温度控制系统工艺流程及控制要求 (2)3.总体方案设计 (3)3.1传统简单控制系统 (3)3.2串级控制系统 (4)3.3管式加热炉温度-流量串级控制系统控制原理及调节过程 (5)4.系统的设计与参数整定 (7)4.1主回路设计 (7)4.2副回路设计 (7)4.3主副调节器调节规律的选择 (7)4.4主副调节器正反作用方式的确定 (8)4.5控制系统的参数整定 (8)5.所需检测元件、执行元件及调节仪表技术参数 (9)5.1温度变送器 (9)5.2温度检测元件 (10)5.3流量检测及变送 (10)5.4调节阀 (11)5.5联锁保护 (11)6.组态软件设计 (12)6.1 新建工程 (12)6.2 连接设备及设备测试 (13)6.3 数据词典 (13)6.4 建立画面 (14)6.5 调试执行 (14)心得体会 (16)参考文献 (17)1.管式加热炉温度控制系统的设计意义1.1管式加热炉简介管式加热炉是一种直接受热式加热设备，主要用于加热液体或气体化工原料，所用燃料通常有燃料油和燃料气。

管式加热炉的传热方式以辐射传热为主，管式加热炉通常由以下几部分构成：1）辐射室：通过火焰或高温烟气进行辐射传热的部分。

这部分直接受火焰冲刷，温度很高，是热交换的主要场所（约占热负荷的70-80%）；2）对流室：靠辐射室出来的烟气进行以对流传热为主的换热部分；3）燃烧器：是使燃料雾化并混合空气，使之燃烧的产热设备，燃烧器可分为燃料油燃烧器，燃料气燃烧器和油一气联合燃烧器；4）通风系统：将燃烧用空气引入燃烧器，并将烟气引出炉子，可分为自然通风方式和强制通风方式。

1.2温度控制系统设计意义管式加热炉是石油炼制、石油化工、煤化工、焦油加工、原油输送等工业中广泛使用的工艺加热炉，由于被加热物质即在管内流动介质通常为气体或液体，并且都是易燃易爆的物质，所以操作条件苛刻，同时其必须长周期运转不间断操作，加热方式直接受火，所以管式加热炉的温度控制系统至关重要，是其提高加热炉热效率，节约能源和安全生产的重要保证，因此本设计的意义就是旨在设计出符合管式加热炉生产控制要求的温度控制系统，从而达到在其工作过程中有效及时控制，以提高其工作效率，节约能源且保证生产过程的安全可靠。

2.管式加热炉温度控制系统工艺流程及控制要求管式加热炉的主要任务是把原制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。

管式加热炉的工艺流程图如图2.1所示。

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t。

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t的目的。

1234t要求不高，一原料油出口温度）（t 1θ 原料油燃料燃料图3-1 管式加热炉简单温度控制系统T T 1C T 13.总体方案设计3.1传统简单控制系统管式加热炉的任务是把原料油加热到一定温度，以保证下道工艺顺利进行，因此若采用传统简单控制系统，常选原料油出口温度）（t 1θ为被控参数、燃料油流量为控制变量，如图3-1所示，其控制系统框图如图3-2所示。

影响原料油出口温度）（t 1θ的干扰有原料油流量）（t f 1、原料油入口温度）（t f 2、燃料压力）（t f 3、燃料热值）（t f 4、燃料流量）（t f 5等，该系统根据原料油出口温度）（t 1θ来控制燃料阀门的开度，通过改变燃料流量将原油出口温度控制在规定数值上，但由其系统图可知当燃料压力、流量、热值发生变化，产生扰动时，最先影响炉膛温度，然后通过传热过程逐渐影响原料油的出口温度，从燃料流量变化经过三个容量后，才引起原料油出口温度的变化，这个通道时间常数很大，约15min ，反应缓慢。

而温度调节器C T 1是根据原料油的出口温度）（t 1θ与设定值的偏差进行控制，当燃料部分出现干扰后，系统并不能及时产生控制作用，客服干扰对被控参数）（t 1θ的影响，控制质量差，当生产工艺对原料油出口温度）（t 1θ要求严格时，传统的简单控制系统很难满足要求，因此我们此次设计采用串级控制系统进行控制。

2x543,,f f f21,f f调节器炉膛调节阀管壁温度变送器原料油+-++- ）（t 1 +图3-2 管式炉温度简单控制系统框图图3-3 管式加热炉温度-流量串级控制系统3.2串级控制系统串级控制系统是在简单控制系统的基础上发展起来的，当被控过程的滞后较大，干扰比较剧烈、频繁时，采用简单控制系统控制品质较差，满足不了工艺控制精度要求，在这种情况下可考虑采用串级控制系统，串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。

针对管式加热炉设计的温度-流量串级控制系统如图3-3所示，其系统框图如图3-4所示。

+ -图3-4 管式加热炉温度-流量串级控制系统框图1x3.3管式加热炉温度-流量串级控制系统控制原理及调节过程下面对管式加热炉温度-流量串级控制系统的控制原理和调节过程进行简单分析。

假设在稳态工况下，原料油进口温度和流量稳定，燃料的热值和压力不变，控制燃料的阀门保持在一定的开度，炉膛温度保持相对稳定状态，此时原料油出口温度稳定在设定值。

如果出现外部干扰，是稳态工况遭到破坏，串级控制系统立即开始控制动作。

下面按照扰动的不同分三种情况进行讨论： 1）燃料流量（主要干扰）发生扰动：当燃料的流量发生波动，而原油的入口温度和流量保持稳定，则干扰首先引起进入炉膛的燃料量发生变化，流量变送器及时测到流量的变化，并通过副调节器及时控制燃料调节阀，使得燃料流量很快回复到原先的稳定值。

如果干扰量小，经过副回路调节后，一般影响不到原料油出口温度；当干扰幅度较大时，其大部分影响为副回路所客服，但仍会产生一定影响，但引起的偏差要比简单温度控制系统控制下产生的小得多，才是再通过主调节器改变副调节器的设定值进一步调节则可几乎完全消除干扰的影响，是原料温度维持在设定范围；2）原料油流量、原料油入口温度发生扰动：当干扰只是来自于原料油的流量和入口温度时，干扰首先引起原料油出口温度变化，温度变送器及时测量到温度的变化，并通过主调节器改变副调节器的设定值，进而调整其输出信号改变燃料阀的开度，进而改变燃料的流量，进而改变炉膛温度，以校正原料油出口温度的变化，使其回复到设定温度范围。

在串级控制系统中，如果干扰作用于主回路时，由于副回路的存在，加快了校正作用，可以及时改变原料油出口温度的变化，比简单温度控制系统的控制质量好的多；3）干扰同时作用于主回路和副回路：如果干扰同时存在，为了分析方便，先假定执行器采用气开形式，主调节器和副调节器都采用反作用形式，这时根据干扰作用下主参数和副参数变化的方向，分两种情况进行讨论。

a)如果在干扰作用下，主副参数的变化方向相同，即同时增加或减小，如一方面由于燃料的流量增加，使进入炉膛的燃料增加，同时由于原料油流量减少或者进口原油温度升高，使得原料油出口温度上升。

这时主调节器的输出由于原料油出口温度的升高而减小，使得副调节器的设定值减小，副调节器由于测量值上升，设定值减小，副调节器设定值与流入炉膛的燃料流量差值更大，副调节器的输出大大减小，以使调节阀关得更小，大幅度减小燃料的供给量，直至主参数原料油出口温度回复到设定值为止。

由于此时主副调节器的作用都是使阀门关小，加强了控制作用，因此加快了控制过程；b)如果在干扰作用下，主副参数变化方向相反，即一个增加一个减小，例如一方面由于燃料的流量增加导致进入炉膛的燃料流量增加，另一方面又由于原料油流量增加或进口温度降低，使原料油出口温度降低，这时主调节器的测量值降低，使其输出增大，副调节器的设定值增大，同时副调节器的测量值增大，如果两者增加量恰好相等，则副调节器输入不变，副调节器输出不变，阀门不需要动作；如果两者不相等，由于能相互抵消一部分，副调节器输入变化较小，输出变化幅度也比较小，调节阀只需要做出较小的改变就可以校正原料油出口温度的偏差，使其重新回到设定值。

通过以上可以直观地看出，在管式加热炉温度-流量串级控制系统中，由于引入了副回路，不仅能迅速克服作用于副回路的干扰，也能加速克服主回路的干扰。

副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，对副回路没有完全克服的干扰能进行彻底消除，由于主副回路相互配合补充，使得系统的控制质量显著提高。

4.系统的设计与参数整定4.1主回路设计管式加热炉温度-流量串级控制系统是以原料油出口温度为主要被控参数的控制系统，所以主回路的设计确定以原料油出口温度为被控参数，其选择与生产工艺密切相关，能直接反映加热过程中的加热质量，也与节约能源，提高效率和安全生产息息相关，同时也易于测量。

4.2副回路设计副回路的选择也就是确定副回路的被控参量即串级控制系统的副参数，在本次设计中选用进入炉膛的燃料流量作为副被控参数，其选择是基于一下几个原则：1）主副参数有对应关系；2）选择进入炉膛的燃料流量作为副控参数使副回路包含变化剧烈的主要干扰；3）考虑了主、副回路中控制过程的时间常数的匹配；4）考虑了工艺上的合理性和经济性。

4.3主副调节器调节规律的选择在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用不同。