加热炉的控制系统(PPT 50页).ppt

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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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。
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
GL1
18
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
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
4.5.3 加热炉的串级控制
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
11
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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12
例1：催化裂化装置加热炉 控制系统
自分馏塔来 的回炼油
系数设置不当、水位可能有余差
FD
C2
Gm2
G PD
R+
-
FW
- Gc
GV
G pc
Y
C3
G m3
C1
G m1
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
101
C1
C2

C3
LC FT
101 102
给水
蒸汽
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、
燃料
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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
(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
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 料 油 PdC PdT
至 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）
C 1、C 2 ：加法器的系数。C 2 的正、负取决于阀的特性
锅炉 气包
蒸汽
FT 101 LI 101
气关阀：负荷 给水量 P0 气开阀：负荷 给水量 P0
C 2 应取“-” C 2 应取“+”
C 2 ：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
C 1 ：可取1，也可小于1
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）
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：
P 0C 1P cC 2P FC 0
C 0：初始偏置差(阀位的初值)
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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5
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
6
TC
TT
101
去反应器
FC
TC
PC
原料油 FC
开关 PC
回油罐 2019/9/1
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
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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C 0 ：在正常负荷下，C 0 与C2 PF 近似或正好抵消
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LC 101
PF

Pc
给水
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方框图
R+
-
Gc
C2
C1
GV
Gm
G ff
U
G PD
G PC
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
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)
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
H0
t
H1 H
t
H2
水位 给水量的单回路控制
蒸汽
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
H
H2：只考虑水面下汽泡容积变化所引起的水位 H 0
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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
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
FT LI 101 101
LC 101

FT 102
给水
32
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
(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
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4.6.2 汽包水位控制
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
Gd (s)

TC 101
FT
TT
101
101
来自百度文库
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
15
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？）
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。
LS
PT 101
FT
102
BS
FT FSL
101
FSL
101 101
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102
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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。
燃料
气开阀？
4、三冲量控制
水位、负荷、给水流量的复合控制系统 方案一：
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： C 1P LC2P FC 3P W 特点：仪表少容易实现
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。
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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