管式加热炉温度串级控制系统设计

目 录 前言............................................................................................……….……2 第一章 管式加热炉温度控制系统设计的目的意义………………………...3 1.1管式加热炉简介………………………………..…………………………….3 1.2目的及意义………………………………………………...…………………3 第二章 管式加热炉温度控制系统工艺流程及控制要求……………..…….4 第三章 总体设计方案………………………………………………………….5 3.1 方案比较…………………………………………….……………………….5 3.2 方案选择…………………………………………………………………..…6 第四章 串级控制系统分析………………………………………………..…..7 4.1 主回路设计.............................................................................................7 4.2 副回路选择.............................................................................................7 4.3 主、副调节器规律选择..........................................................................7 4.4 主、副调节器正反作用方式确定...........................................................8 4.5 控制器参数工程整定..............................................................................8 第五章 各仪表的选取及元器件清单............................................................8 5.1 温度变送器.............................................................................................8 5.2 温度检测元件.........................................................................................9 5.3 调节阀……………………………………………………………………....11 5.4 联锁保护….…………………………………………………….…….........11 第六章 MATLAB仿真实验……………………..…………………………..12 6.1 副回路的整定.......................................................................................12 6.2主回路的整定........................................................................................13 6.3整体参数整定.........................................................................................13 第七章 问题及解决办法………………………………….………………….16 第八章 心得体会………………………………………………………………16 【参考文献】 - 1 -

前言——国内外控制系统发展情况 1. 国外控制系统的发展情况 自 70 年代以来，由于工业过程控制的需要，特别是在微电子技术和计算机技术的迅猛发展以及自动控制理论和设计方法发展的推动下，国外温度控制系统发展迅速，并在智能化、自适应、参数自整定等方面取得成果，在这方面，以日本、美国、德国、瑞典等国技术领先，都生产出了一批商品化的、性能优异的控制器及仪器仪表，并在各行业广泛应用。它们主要具有如下的特点： 1、适应于大惯性、大滞后等复杂控制系统的控制。 2、能够适应于受控系统数学模型难以建立的控制系统的控制。 3、能够适应于受控系统过程复杂、参数时变的控制系统的控制。 4、这些控制系统普遍采用自适应控制、自校正控制、模糊控制、人工智能等理论，运用先进的算法，适应的范围广泛。 5、控制系统具有控制精度高、抗干扰力强、鲁棒性好的特点。目前，国外控制系统及仪表正朝着高精度、智能化、小型化等方面快速发展。 2. 国内控制系统的发展概况 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。 在现代工业控制中, 过程控制技术是一历史较为久远的分支。在本世纪30 年代就已有应用。过程控制技术发展至今天, 在控制方式上经历了从人工控制到自动控制两个发展时期。在自动控制时期内，过程控制系统又经历了三个发展阶段, 它们是：分散控制阶段, 集中控制阶段和集散控制阶段。几十年来，工业过程控制取得了惊人的发展，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。 目前，过程控制正朝高级阶段发展，不论是从过程控制的历史和现状看，还 - 2 -

是从过程控制发展的必要性、可能性来看，过程控制是朝综合化、智能化方向发展，即计算机集成制造系统(CIMS)：以智能控制理论为基础，以计算机及网络为主要手段，对企业的经营、计划、调度、管理和控制全面综合，实现从原料进库到产品出厂的自动化、整个生产系统信息管理的最优化。

第一章 设计的目的意义 1.1管式加热炉简介 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 - 3 -

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。

第二章 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 - 4 -

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%。

第三章 总体设计方案 3.1 方案比较 3.1.1简单控制系统 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 - 5 -

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。