加热炉温度串级控制系统说明书

设计说明书

1加热炉的简介

1.1加热炉的基本构成与组成

加热炉是一种直接受热加热设备主要用于加热气体或液体，所用燃料通常有燃料油和燃料气。加热炉的传热方式以辐射传热为主。

加热炉一般由辐射室、余热回收系统、对流室、燃烧器和通风系统等五部分组成。

（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（600-1600℃），是热交换的主要场所（约占热负荷的70-80%）。

（2）余热回收系统：用以回收加热炉的排烟余热。有空气预热方式和废热锅炉方式两种方法。

（3）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。

（4）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。

（5）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。

其结构通常包括：钢结构、炉管、炉墙（内衬）、燃烧器、孔类配件等。

1.2加热炉温度控制系统工作原理

加热炉温度控制系统原理图

控制原理图如上所示，加热炉的主要任务是把物料加热到一定温度，以保证下一道工序的顺利进行。燃料油经过蒸汽雾化后在炉膛中燃烧，物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，物用它来控制燃油量以达到所需出口温度T1的目的。

1.3加热炉出口温度控制系统设计目的及意义

加热炉控制的主要任务就是保证工艺介质最终温度达到并维持在工艺要求范围内，由于加热炉具有强耦合、大滞后等特性，控制起来非常复杂。同时，近年来能源的节约、回收和合理利用日益受到关注。加热炉是冶金、炼油等生产部门的典型热工设备，能耗很大。因此，在设计加热炉控制系统时，在满足工艺要求的前提下，节能也是一个重要质量指标，要保证加热炉的热效率最高，经济效益最大。另外，为了更好地保护环境，在设计加热炉控制系统时，还要保证燃料充分燃烧，使燃烧产生的有害气体最少，达到减排的目的。

1.4加热炉温度控系统工艺流程及控制要求

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。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θ1。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θ1的目的。

图2.1 加热炉工艺流程图

引起温度θ1改变的扰动因素很多，主要有：

（1）燃料油方面（它的组分和调节阀前的油压）的扰动D2；

（2）喷油用的过热蒸汽压力波动D4；

（3）被加热油料方面（它的流量和入口温度）的扰动D1；

（4）配风、炉膛漏风和大气温度方面的扰动D3；

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θ1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θ1要求不高，一般希望波动范围不超过±1～2%。

2加热炉出口温度影响因素的扰动分析

由于从燃料油调节阀开始作用到出口温度T1的改变，整个控制通道的容量滞后大，时间常数大，这就会导致控制系统的控制作用不及时，反应迟钝、最大偏差大、过渡时间长、抗干扰能力差，控制精度降低。

除D1外，D2、D3的变化进入系统的位置，都是首先影响炉膛温度T2，而后经过加热管管壁的影响被加热油料的温度T1。而炉膛的惯性小，而炉膛的惯性小，其温度变化很快就可以反映出来，则控制通道的容量滞后大大减小，对干扰D2、D3能够及时克服，减小它们对出口温度的影响。

所以单独用单回路的出口温度或炉膛温度控制系统各有优缺点，为了同时发挥它们的优点，考虑选用出口温度—炉膛温度的串级控制系统。

3控制系统设计

1 方案选择

在串级控制系统中，由于引进了副回路，不仅能迅速克服作用于副回路内的干扰，也能加速克服主回路的干扰。副回路具有先调、初调、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干扰的影响能彻底加以消除。由于主副回路相互配合，使控制质量显著提高。与单回路控制系统相比，串级控制系统多用了一个测量变送器与一个控制器（调节器），增加的投资并不多（对计算机控制系统来说，仅增加了一个测量变送器），但控制效果却有显著的提高。其原因是在串级控制系统中增加了一个包含二次扰动的副回路，使系统①改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；②对二次扰动有很强的克服能力；③提高了对一次扰动的克服能力和对回路参数变化的自适应能力。综上所述，本设计选择串级控制系统。

2控制系统的设计

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。中间被控变量：炉膛温度；操纵变量：燃料流量。炉膛温度变化时，TC可以及时动作，克服干扰。

1主回路设计

加热炉温度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。其他被控参数有炉膛温度，膛壁温度，燃料流量，原料油流量。温度调节器对被控参数θ1精确控制与温度调节器对来自燃料干扰的及时控制相结合，先根据炉膛温度θ2的变化，改变燃料量，快速消除来自燃料的干扰、对炉膛温度的影响；然后再根据原料油出口温度θ1与设定值的偏差，改变炉膛温度调节器的设定值，进一步调节燃料量，使原料油出口温度恒定，达到温度控制的目的。

2 副回路选择

副回路的选择也就是确定副回路的被控参数。燃料由于其成分和流量变化，对控制过程产生极大干扰。所以，我们选择炉膛温度为串级控制系统的辅助被控参数。串级系统中，通过调整副参数炉膛温度θ2能够有效地影响主参数原料油出口温度θ1，提高了主参数的控制效果。

加热炉温度禅机控制系统框图和控制工艺流程图如下

加热炉温度串级控制系统框图

图3.3加热炉温度串级控制系统

3 主、副调节器规律选择

在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用不同。主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择调节器规律的基本出发点。

在加热炉温度串级控制系统中，我们选择原料油出口温度为主要被控参数，原料油温度影响产品生产质量，工艺要求严格，又因为加热炉串级控制系统有较大容量滞后，所以，选择PID调节作为住调节器的调节规律。

控制副参数是为了保证和提高主参数的控制质量，对副参数的要求一般不严格，可以在一定范围内变化，允许有残差，所以我们的负调节器调节规律选择P控制。

4 主、副调节器正反作用方式确定

由生产工艺安全考虑，燃料调节阀应选气开方式，这样保证系统出现故障时调节阀处于全关状态，防止燃料进入加热炉，确保设备安全，调节阀的Kv﹥0。主调节器作用方式确定：炉膛温度升高，物料出口温度也升高，主被控过程Ko1﹥0。为保证主回路为负反馈，各环节放大系数成绩必须为正，所以负调节器的放大系数K1﹥0，主调节器作用方式为反作用。又为保证副回路是负反馈，各环节放大系数乘积必须为正，所以负调节器大于0，负调节器作用方式为反作用方式。

5 控制器参数工程整定

串级控制系统主、副控制器的参数整定方法主要有三种：两步整定法、一步整定法和逐步逼近法。