管式加热炉温度串级控制系统设计

目录

一管式加热炉温度控制系统设计的目的意义 (1)

1.1管式加热炉简介 (1)

1.2目的及意义 (2)

二管式加热炉温度控制系统工艺流程及控制要求 (3)

三总体设计方案 (4)

3.1 方案比较 (4)

3.2方案选择 (5)

四串级控制系统分析 (6)

4.1 主回路设计 (6)

4.2 副回路选择 (6)

4.3 主、副调节器规律选择 (6)

4.4 主、副调节器正反作用方式确定 (6)

4.5 控制器参数工程整定 (7)

五各仪表的选取及元器件清单 (7)

5.1 温度变送器 (7)

5.2 温度检测元件 (8)

5.3 调节阀 (10)

5.4 联锁保护 (10)

六MATLAB仿真实验 (11)

6.1 副回路的整定 (11)

6.2主回路的整定 (11)

6.3整体参数整定 (12)

心得体会 (14)

参考文献 (15)

一设计的目的意义

1.1管式加热炉简介

管式加热炉是炼油、化工生产中的重要装置之一，它的任务是把原料油加热

到一定温度，以保证下道工序的顺利进行。因此，常选原料油出口温度

1t

θ（）为被控参数、燃料流量为控制变量，构成如图1-1所示的温度控制系统，控制系统

框图如图1-2所示。影响原料油出口温度

1t

θ（）的干扰有原料油流量

1()

f t、原料

油入口温度

2()

f t、燃料压力

3()

f t、燃料压力

4()

f t等。该系统根据原料油出口温

度

1t

θ（）变化来控制燃料阀门开度，通过改变燃料流量将原油出口温度控制在规定的数值上，是一个简单控制系统。

管式加热炉一般由四个主要部分组成：烟囱、对流室、辐射室及燃烧器，示意图如图1-1所示：

图1-1 管式加热炉

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。

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。

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%）。

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。

1.2 设计目的及意义

管式加热炉是石油工业中重要装置之一，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，由于其具有强耦合、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。

二管式加热炉温度控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。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 管式加热炉工艺流程图

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%。

三总体设计方案

3.1 方案比较

3.1.1简单控制系统

当燃料压力或燃料热值变化时，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变化，这个通道时间常数很大，约有15min，反应缓慢。温度调节器TC是根据原料油的出口温度θ1与设定值的偏差进行控制。当燃料部分出现干扰后，控制系统并不能及时产生控制作用，克服干扰对被控参数θ1的影响控制质量差。当生产工艺对原料油出口温度θ1要求很严格时，简单控制系统很难满足要求。

被控变量：原料油出口温度；

操控变量：燃料流量。

当对出口温度控制要求不高时，简单控制系统可以满足要求。

图3-1 管式加热炉温度控制系统

图3-2 管式加热炉出口温度单回路控制系统框图

3.1.2 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。

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。

图3-3管式加热炉温度串级控制系统

图3-4管式加热炉出口温度串级控制系统框图

3.2 方案选择

方案一的简单控制系统有干扰时，TC输出信号改变阀门开度，进而改变燃料流量，在炉膛中燃烧后，炉膛温度改变，改过程时间常数大，可达到15min。因此等到出口温度改变后，再改变操纵变量，动作不及时，偏差在较长时间内不能被消除。

方案二的串级控制系统中，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，使控制质量显着提高。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），但控制效果却有显着的提高。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。

四串级控制系统分析

4.1 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