加热炉的控制系统

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任务：安全、合理的运行条件下， 提供一定温度和压力的蒸汽
要求： 蒸汽量应适合负荷变化的需要，或保持给定的负荷 蒸汽压力保持一定的范围 蒸汽温度保持一定的范围 炉膛负压保持一定的范围 汽包水位保持一定的范围 保持燃烧的经济性和安全运行
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6、主要控制系统
FT 102
给水
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4.6.3 燃烧系统控制 1、控制系统的目的 ①保证锅炉出口蒸汽压力稳定 ②保持燃料良好地燃烧 ③保持炉膛负压不变 ④维持喷嘴背压在一定范围内 2、蒸汽压力控制和燃料与空气的比值控制 压力对燃料量的单回路控制适用于负荷及燃料波动较小的场合 燃料量波动较大时，可采用压力对燃料量的串级控制
前馈与串级组成的复合控制系统 特点：克服虚假水位现象克服给水量的扰动
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锅炉 气包
给水 蒸汽
FT LI 101 101
LC 101
FT FC 102 102
给水
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方案二：前馈加反馈控制
综合信号的单回路系统
受控变量： C1PL C2PF C3PW 特点：仪表少容易实现
系数设置不当、水位可能有余差
自分馏塔来 的回炼油
去反应器
FC
TC
PC
原料油 FC
开关 PC
回油罐 2020/10/12
正常 燃料油
PC
去瓦斯罐 开工
干气 ( 热裂解气 )
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例2：常减压装置加热炉控制系统
原油加热到一定温度送至常压塔分馏
要求炉出口温度稳定
TC TT 101 101
常压塔
TT TC 103 103
温度控制：炉出口温度对炉膛 温度的串级
操作特点： 避免温度过高，炉管内物料可能分解、结焦 严格控制加热炉出口温度
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TT 101
燃料
2
4.5.2 加热炉的单回路控制
1、对象分析 主要控制指标：工艺介质的出口温度 操作手段：燃料油或燃料气的流量
干扰因素：负荷量、进料温度、组分；
TT 101
工艺 介质
燃料油(气)压力、性质、
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蒸汽
FT 101 LI 101
LC 101
PF
Pc
给水
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方框图
R+
-
Gc
C2
C1
GV
Gm
U G ff
GPD
GPC
Y
双冲量控制的另一种形式
蒸汽
FT
锅炉
LI 101
气包
101
+
LC 101
缺点：因控制阀的非线性，很难做到稳态补偿 不能克服给水量的扰动
4、三冲量控制
水位、负荷、给水流量的复合控制系统 方案一：
燃料
雾化状况，空气量，喷嘴阻力等
2、控制回路 (1) 主要控制系统：出口温度控制
TC TT 101 101
(2) 辅助控制系统：
① 工艺介质的流量控制系统; ② 燃料压力控制系统；
PC PT
回 101 101 油
加热炉
③ 燃料油雾化蒸汽压力控制。
燃
雾化蒸汽
料 油
PC 102
PT 102
FT 101
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TC TT 加热炉 TT TC
102 102
104 104
FC
FC
101 PT
102 PT
101
FT
FT
102
101
102
PC 101
来自初馏塔
PC 102
燃料油
负荷控制：单回路流量控制 燃料干扰：单回路压力控制
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4.5.4 加热炉的前馈 — 反馈控制
实际生产中，有时遇到进料量变化频繁、幅度较大 炉子时间常数大、滞后时间长 单回路或串级均很难满足要求 设计前馈 — 反馈控制系统
101
101
TC
TT
102
102
FC FT
燃 101 101 料 油
加热炉
工艺 介质
8
3、出口温度对燃料阀后压力的串级
燃料量小、粘度大时，流量测量困难 压力测量较方便
特点:应用较广 应注意管道堵塞
4、采用压力平衡式控制阀 这种阀本身兼有压力控制器功能，相 当于炉出口温度对燃料压力的串级。
TC
TC 101 TC 102 FC
H0
t
H1 H
t
H2
水位 给水量的单回路控制
蒸汽
缺点：负荷变化时，控制不 及时，不能克服假水 位现象
适用场合：小型锅炉 负荷较稳定的场合
锅炉
LI
气包
101
LC 给水 101
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3、双冲量控制
避免虚假水位造成控制器误动作，设计负荷变化的
前馈控制
加法器的输出：
P0 C1Pc C2PF C0
空气 预热器 冷空气
烟 气
蒸汽负荷 燃料量 给水量
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汽包水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度 蒸汽压力、汽包水位、蒸汽温度、过剩空气、炉膛负压 汽包水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度
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工业锅炉控制方案的特点
多输入多输出问题 转化为若干单输入单输出问题: （为什么不用现代控制理论解决？）
汽包水位控制(物料平衡) 燃烧系统控制(能量平衡) 过热蒸汽系统控制(质量控制) 炉膛负压系统控制(安全控制)
加热炉的控制
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4.5 加热炉的控制
4.5.1 概述
加热炉是石油化工生产过程的主要设备之一
作用： 工艺介质的升温或气化
结构形式：箱式炉、立式炉、圆筒炉
工作原理： 燃料(油)分几路(雾化喷嘴)进炉燃烧
炉膛火焰辐射给炉管
工艺
炉管经热传导、对流传热给工艺介质
介质
对象特点：
炉膛容量大、时间常数大、滞后时间长； 属多容过程；可用一阶加纯滞后环节近似描述； 理论分析比较困难。
Gd (s)
TC 101
FT
TT
101
101
Gd (s)
TC
101
FT
101
TT
101
前馈主要克服进料流量的干扰
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FC 102 FT 102
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加热炉安全联锁保护控制系统
在以燃料气为燃料的加热炉中,主要危险包括: 被加热工艺介质流量过少或中断； 熄火； 回火；（什么情况下发生？） 脱火。（什么情况下发生？）
工艺 介质
FC 101
3
燃料油压力较平稳时，③回路可以 满足雾化要求。
燃料油压力波动较大时，单回路不能 保证良好雾化，可采用以下方案：
燃
至
料 油 PdC PdT
喷嘴
①用燃料油阀后压力与雾化蒸汽压力之差来
101 101
雾化
调节雾化蒸汽。
蒸汽
②燃料油阀后压力与雾化蒸汽压力比值控制。
（前提条件：管道应畅通）
炉出口温度对炉膛温度的串级控制 炉出口温度对燃料流量的串级控制 炉出口温度对燃料阀后压力的串级控制 采用压力平衡式控制阀的控制
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4.5.3 加热炉的串级控制
TC TC 燃料油
出料 进料
TC FC
进料
燃料油
出料
TC
PC 进料
出料
燃料油
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TC 进料
燃料油
出料
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TC
也可采用流量比值控制
加热炉负荷大、时间常数和滞后时间较大， 单回路控制很难满足要求，炉出口温度波动较大
3、单回路控制适用场合 对炉出口温度要求不高的场合 干扰较小，且不频繁 炉膛容量较小，滞后小
燃料 油
K
PC
102
雾化 蒸汽
至 PT 喷嘴
101
PT
102
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4.5.3 加热炉的串级控制
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出料
TC
FC 进料
进料
优点?
燃料油
缺点?
TC
进料 出料
燃料油
出料
出料
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例1：催化裂化装置加热炉 控制系统
原料油加热到一定温度送给反应器
开工气体为燃料，出口温度控制浮动阀 正常生产重质油为燃料，采用炉出口温度 与燃料阀后压力串级
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例1：催化裂化装置加热炉 控制系统
1、作用： 热源
动力源
2、组成：
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2、组成：
3、工作原理 过热器
过热蒸汽
燃料 空气 燃烧烟气
热空气 燃料
减温器
汽 包
过热器
省 煤 器
炉膛
给水 由给水泵来
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混合燃烧发热 饱和蒸汽
汽包
过热蒸汽
饱和蒸汽
热空气送炉膛
省煤器 （给水）
空气预热器 冷空气
过热蒸汽
空气预热器 （给风）
(1) 汽包水位控制 受控变量：汽包水位(保证安全运行的重要指标之一) 操纵变量：给水流量 使给水适应锅炉的蒸发量，保持水位在一定范围内
(2) 燃烧系统控制 目的：使燃烧产生的热适应蒸汽负荷的变化 受控变量：蒸汽压力、烟气氧含量、炉膛负压 操纵变量：燃料量、送风量、引风量
(3) 过热蒸汽系统控制 目的: 维持过热器出口温度、保证管壁温度不超过允许的温度 受控变量：蒸汽温度 操纵变量：减温水量
TT
101
101
1、炉出口温度对炉膛温度的串级控制
干扰(燃料压力、性质等)
炉膛温度
炉出口温度
炉膛温度比出口温度滞后小
副回路克服干扰，减小对出口温度的影响
TC 102
燃 料 油
TT 102
加热炉
工艺 介质
优点：有利于克服燃料性质变化
注意：(1) 炉膛温度的检测点位置，选择有代表性且反应较快的点；
(2) 副控制器参数不应整定得过于灵敏； (3) 副控制器不引入微分作用； (4) 炉膛温度不应有大的波动； (5) 炉膛温度测温元件及保护套管应耐高温。
C0：初始偏置差(阀位的初值)
C1、C2 ：加法器的系数。C2 的正、负取决于阀的特性
锅炉 气包
气关阀：负荷 给水量 P0 气开阀：负荷 给水量 P0
C2 应取“-” C2 应取“+”
C2 ：根据阀的特性数据计算 现场凑试，在只有负荷干扰的条件下， 调整到水位基本不变
C1：可取1，也可小于1
C0 ：在正常负荷下，C0 与C2PF 近似或正好抵消
H
H2：只考虑水面下汽泡容积变化所引起的水位 H0
t
H2
t
虚假水位 假水位与锅炉的工作压力和蒸汽量有关
H H1
100t/h~300t/h的中高压锅炉，负荷变化10%时，假水位可达30~40mm
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G
(2) 给水流量对位的影响（控制通道）
水位特性：纯滞后过程或反向特性过程
H
2、单冲量控制
FD
C2
Gm 2
GPD
R+
-
FW
- Gc
GV
G pc
Y
C3
Gm3
C1
Gm1
方案三：前馈--串级控制系统 副回路纯比例控制器，比例度为100% 特点：水位无余差
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锅炉 气包 锅炉 气包
蒸汽
FT
LI 101
Fra Baidu bibliotek
101
C1
C2
C3
LC FT
101 102
给水
蒸汽
FT LI 101 101
LC 101
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2、炉出口温度对燃料流量的串级 优点：有利于克服燃料量变化 缺点: 燃料量小、粘度大时，
流量测量困难
三串级: 出口温度、 炉膛温度、 燃料量三参数串级
特点：关联回路多，实施困难
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TT TC 101 101
加热炉 工艺 介质
FC 101
FT 101
燃料
TC
TT
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4.5.5 加热炉的安全联锁保护系统
联锁保护系统的作用：为安全生产、防止事故 1、燃气加热炉 ①工艺介质流量过小或中断，切断燃料气 ②某种原因灭火时，切断燃料气 ③燃料气压力不能过低，流量不能太小 ④燃料压力不能过高，否则会引起脱气灭火
TT TC 101 101
加热炉
PC 101
烟气 母管输出 引风机排出
经引风机排出
采用了哪些节能措施?
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4、对象分析
锅炉的主要输入、输出
负荷
给水量 燃料量 送风量 引风量 减温水
锅炉
汽包水位
蒸汽温度
蒸汽压力
汽包
烟气氧含量
炉膛负压
空气
特点： 多入多出（MIMO） 变量之间关联
燃料
炉膛
过热蒸汽 减温器
过热器
省 煤 器
给水 由给水泵来
热空气 送炉膛
燃 101 料 油
工艺 介质
TT 101
TT 102
FT 101
加热炉
工艺 介质
TT TC 101 101
加热炉
PC 101
PT
101 燃 料
进料
出料
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燃料油
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浮动(压力平衡式)阀工作原理
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加热炉的串级控制方案 总结
TC TC 燃料油
TC PC
进料 燃料油
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4.6.2 汽包水位控制
汽包水位：锅炉运行的主要指标 水位过低：负荷加大时，汽化速度加快，控制不及时会全部汽化 水位过高：影响汽水分离，产生汽带液，影响后序设备的正常运行
1、汽包水位的动态特性
(1) 蒸汽负荷对水位的影响（干扰通道） D
H：实际可视水位
H1：不考虑水下面汽泡容积变化时的水位
燃料
气开阀？
GL1
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2、燃油加热炉 (哪个回路实现此功能?)
①工艺介质流量过小或中断，切断燃料油
②燃料油压力过低会回火；燃料油压力过高会脱火
③雾化蒸汽压力过低或中断，造成燃料油雾化不良无法燃烧
加热炉
FT 102
TT TC 101 101
PC 101
LS
还有什么功能? 和燃气加热炉有什么区别?
PT 101
BS 101
燃料油
FT FSL 101 101
PT
PSL
102
102
雾化蒸汽
FSL
102
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参考文献:
蒋慰孙《过程控制工程》(第2版) 中国石化出版社
金以慧《过程控制》 清华大学出版社
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锅炉设备的控制
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4.6 锅炉设备的控制
4.6.1 概述 重要动力设备。 耗能大户,节能研究的重点; 污染大户,环保治理的重点。
LS
PT 101
FT
102
BS
FT FSL
101
FSL
101 101
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加热炉安全联锁保护控制系统
进料
BS GL2
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出料
PC
反作用？
TC 反作用？
LS
LS：低选器； BS：火焰检测器； GL1：燃料气流量过 低联锁装置； GL2：进料流量过低 联锁装置。