加熱爐控制系統(tǒng)課程設(shè)計

1、自控工程課程設(shè)計第1章加熱爐限制系統(tǒng)1.1加熱爐限制系統(tǒng)工程背景及說明加熱爐自動限制automatic control of reheating furnace ,是對加熱爐的出口 溫度、燃燒過程、聯(lián)鎖保護等進行的自動限制.早期加熱爐的自動限制僅限限制 出口溫度,方法是調(diào)節(jié)燃料進口的流量.現(xiàn)代化大型加熱爐自動限制的目標(biāo)是進 一步提升加熱爐燃燒效率,減少熱量損失.為了保證平安生產(chǎn),在生產(chǎn)線中增加了平安聯(lián)鎖保護系統(tǒng).影響加熱爐出口溫度的干擾因素很多, 爐子的動態(tài)響應(yīng)一般都比擬緩慢,因 此加熱爐溫度限制系統(tǒng)多項選擇擇串級和前饋限制方案.根據(jù)干擾施加點位置的不 同,可組成多參數(shù)的串級限制.使用氣體燃料

2、時,可以采用浮動閥代替串級限制 中的副調(diào)節(jié)器,還可以預(yù)先克服燃料氣的壓力波動對出口溫度的影響.這種方案 比擬簡單,在煉油廠中應(yīng)用廣泛.這種限制的主要目的是在工藝允許的條件下盡量降低過?？諝饬?保證加熱爐高效率燃燒.簡單的限制方案是通過測量煙道氣中的含氧量,組成含氧量限制系統(tǒng),或設(shè)計燃料量和空氣量比值調(diào)節(jié)系統(tǒng),再利用含氧量信號修正比值系數(shù).含 氧量限制系統(tǒng)能否正常運行的關(guān)鍵在于檢測儀表和執(zhí)行機構(gòu)兩局部.現(xiàn)代工業(yè)中都趨向于用氧化鋯測氧技術(shù)檢測煙道氣中的含氧量.應(yīng)用時需要注意測量點的選擇、參比氣體流量和鋯管溫度限制等問題.加熱爐燃燒限制系統(tǒng)中的執(zhí)行機構(gòu)特 性往往都較差,影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性.一般通過引入

3、阻尼滯后或增加非線性環(huán)節(jié)來 改善限制品質(zhì).在加熱爐燃燒過程中,假設(shè)工藝介質(zhì)流量過低或中斷燒嘴火焰熄滅和燃料管道 壓力過低,都會導(dǎo)致回火事故,而當(dāng)燃料管道壓力過高時又會造成脫火事故.為 了預(yù)防事故,設(shè)計了聯(lián)鎖保護系統(tǒng)預(yù)防回火和溫度壓力選擇性限制系統(tǒng)預(yù)防脫 火.聯(lián)鎖保護系統(tǒng)由壓力調(diào)節(jié)器、溫度調(diào)節(jié)器、流量變送器、火焰檢測器、低選器等局部組成.當(dāng)燃料管道壓力高于規(guī)定的極限時,壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過低選器取 代正常工作的溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng),此時出料溫度無限制,自行浮動.壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)投入運行保證燃料管道壓力不超過規(guī)定上限.當(dāng)管道壓力恢復(fù)正常時,溫度調(diào)節(jié)系 統(tǒng)通過低選器投入正常運行,出料溫度重新受到限制.當(dāng)進料流量和燃

4、料流量低 于允許下限或火焰熄滅時,便會發(fā)出雙位信號,限制電磁閥切斷燃料氣供應(yīng)量以 防回火.隨著節(jié)能技術(shù)不斷開展,加熱爐節(jié)能限制系統(tǒng)正日趨完善. 以燃燒過程數(shù)學(xué) 模型為依據(jù)建立的最正確燃燒過程計算機限制方案已進入實用階段. 例如,按燃燒 過程穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型組成的微機限制系統(tǒng)已開始在煉油廠成功使用. 有時利用計算 機實現(xiàn)約束限制,使加熱爐經(jīng)常維持在約束條件邊界附近工作, 以保證最正確燃燒. 隨著建立燃燒模型工作的進展和計算機技術(shù)的應(yīng)用,加熱爐燃燒過程限制系統(tǒng)將 得到進一步的完善.加熱爐的單回路限制方案如下.加熱爐的最主要限制指標(biāo)往往是工藝介質(zhì)的 出口溫度.對于不少加熱爐來說,溫度限制指標(biāo)要求相當(dāng)嚴格

5、,例如允許波動范 圍為土 12 To影響路出口溫度的擾動因素有：工藝介質(zhì)進料的流量、溫度、 組分,燃料方面有燃料油的壓力、成分、燃料油的霧化情況,空氣過量情況,噴 嘴的阻力,煙囪抽力等.在這些擾動因素中有的是可控的,有的是不可控的.問 了保證爐出口穩(wěn)定,對擾動應(yīng)采取必要的舉措.圖1-1為某一燃油加熱爐限制系 統(tǒng)示意圖,其主要的限制系統(tǒng)是以爐出口溫度為限制變量、燃料油流量為操縱變量組成的單回路限制系統(tǒng).其他輔助限制系統(tǒng)有：進入加熱爐工藝介質(zhì)的流量控 制系統(tǒng),如FC限制系統(tǒng)；燃料油總壓限制,總壓限制一般調(diào)回油量,如入PiC限制系統(tǒng).圖1-1加熱爐限制系統(tǒng)示意圖采用霧化蒸汽壓力限制系統(tǒng)后,在燃料壓力

6、變化不大的情況下是可以滿足霧 化要求的,目前煉廠中大多數(shù)采用這種方案.假設(shè)燃料油壓力變化較大時,單采 用霧化蒸汽壓力限制就不能保證燃料油得到良好的霧化,可以根據(jù)燃料油閥后壓力與霧化蒸汽壓力之差來調(diào)節(jié)霧化蒸汽, 還可以采用燃料油閥后壓力與霧化蒸汽 壓力比值限制.但只能保持近似的流量比,還應(yīng)注意經(jīng)常保持噴嘴、管道、節(jié)流 件等通道的暢通,以免噴嘴堵塞及管道局部阻力發(fā)生變化, 引起限制系統(tǒng)的誤動 作.此外,也可以采用二者流量的比值限制,那么能克服上述缺點,但所用儀表多 且重油流量測量困難.采用單回路限制系統(tǒng)往往很難滿足工藝滿足,由于加熱爐需要將工藝介質(zhì)從 幾十度升溫到數(shù)百度,其熱負荷很大.當(dāng)燃料油的壓

7、力或熱值有波動時,就會引 起爐出口溫度的顯著變化.采用單回路限制時,當(dāng)加熱量改變后,由于傳遞滯后 和測量滯后較大,限制作用不及時, 而使?fàn)t口溫度波動較大,滿足不了工藝生產(chǎn) 要求.因此單回路限制系統(tǒng)僅適用于對爐出口溫度要求不十分嚴格；其外來擾動緩慢而較小,且不頻繁；爐膛容量較小,即滯后不大.171.2 CAD圖形圖1-2加熱爐限制系統(tǒng)工藝流程圖第2章標(biāo)準節(jié)流裝置設(shè)計及計算程序設(shè)計2.1 GB/T2624-93 概述GB/T2624-93全稱為?流量測量節(jié)流裝置用孔板、噴嘴和文丘里管測量充滿 圓管的流體測量?.1993年2月3日由國家技術(shù)監(jiān)督局批準 GB/T2624-93代替 GB2624-81,

8、 1993年8月1日實施.該標(biāo)準第一次等效采用 £05167 ( 1991 )與 國際接軌,標(biāo)志著我國現(xiàn)行的標(biāo)準節(jié)流裝置,在推廣采用國際標(biāo)準上的研究成果、 提升測量精度方面,以取得了突破性的進展.GB/T2624-93主要特點有：1. 以流出系數(shù)C代替流量系數(shù)a C值的計算中的B降階計算由原流量系數(shù)a計算中的最高階B 2(降至流出系數(shù)C計算中的最高階B8次幕.2提出5種命題以適應(yīng)自控工程設(shè)計中各方面的需要.3提出迭代計算方法,給出計算機計算程序框圖.4差壓上限不再計算,而要由用戶自行選定,要求設(shè)計者有更多的經(jīng)驗.5管道粗糙度不再參加計算,而是在計算結(jié)果出來后驗證.2.2計算實例位號：

9、FHC2155B.名稱：常壓爐爐膛溫度與高壓瓦斯流量串級.表2-1標(biāo)準節(jié)流裝置設(shè)計計算數(shù)據(jù)序號項目符號單位數(shù)值條件：1被測介質(zhì)名稱咼壓瓦斯2最大流量m3/h3003工作溫度tC604工況密度kg/m31.45工況粘度CP0.0166工作壓力PPa35000007管內(nèi)徑(20C下實測值)D20m0.08008節(jié)流件形式孔板9取壓方式角接10管道材料熱膨脹系數(shù)mm/mm °C0.0000111611等熵指數(shù)1.412壓縮系數(shù)11.輔助計算(1) 計算流量標(biāo)尺:qm=qvXp=300X1.4/3600=0.116666666Kg/s,取標(biāo)準流量為 0.125 Kg/s(2) 計算差壓上限：

10、再根據(jù)公式qm二 C 訂一d2. 2.滬.計算P其中 C=0.6禺=1, B=0.5,d=D20 xB ,qm代 0.125 Kg/s,全部代入得 AP=135078.47Pa因國產(chǎn)差變的系列值為 1.0, 1.6, 2.5, 4.0, 6.0 X0n,取 AP =160000Pa(3) 求工況下管道直徑：D=D20 1+ ；D (t-20)=0.0800 X+0.00001338 (X0-20)=0.080042816 m(4) 求雷諾數(shù)：ReD=4mnDP_4 匯 300 漢 1.4= 3.141592654 0.00016 3600 0.0800=11605.04793(5) 求 A2A

11、2=Re.D 2P ?1=0.00016 "1605.047930.080042816 、一 2 16000 1.4=0.1096573952. 計算初值(1)求優(yōu)設(shè)：C0=Ck=0.6060,%=1并令X1 =:=0.180952798Co毎0又R =1 =:X1210.25=0.4219728311+X12 一(2)求s因被測介質(zhì)為液體,所以“ =10.75(3) 求 C1Cl=0.5959+0.0312 1 于一0.1840 0+0.0029 #5 (106/ReD)故 C1=0.5959+0.0312 >(0.421972831) 2.10.1840 X( 0.4219

12、72831) 8+0.0029 X2 560 75(0.421972831) . X (10/11605.04793) . =0.610298229, “ = A? - XG ；1=0.000625927(4) 精確度判斷E =0.005708028 A23. 進行迭代計算,設(shè)定第二個假定值 X2A2X2=- =0.296498972G 1-X2 f.25駡=|=0.53316691321+X；2=1C2 =0.5959+0.0312鴛.1 0.1840+0.0029財5(106/ReD 嚴=0.6041854730因此、.2 = A2 -X2C2 ；2 =-0.0000041122所以 E2

13、 =0.00002329384. 進行迭代計算,設(shè)定第三個假定值 X3,利用快速收斂弦截法公式n=3起用X _ xX3=X2-221 =0.2541405981心2 6一 2-0.25X31+x3L=0.4962970445；3 =1S75_ . =0.6041852546因此 3 = A2 X3c3 3=0.0000000001所以E3 =0.0000000005由于E3 =0.0000000005精確度到達要求.5. 此題用計算機編程求解時：工作溫度下的管道直徑 D=0.080042816雷諾數(shù) ReD=11605.04793不變量 A2=0.109657395matlab程序見附錄,運行

14、結(jié)果d =33.7578b1 =0.4220把精確度判斷定為5X10-10,程序參照附錄,計算結(jié)果列于下表2-2表2-2計算結(jié)果n123X0.25337954130.00302746170.254140598130.49559833370.00302746170.4962970445C0.60416535820.00302746170.6041852546s0.0004648607-0.00000511220.00000000010.00302746170.00003329360.00000000016. 計算結(jié)果因此得：B=3 =0.4220C = C3 =0.6041852546求d20d

15、1'd(t 20)=33.73974249最后得：d20 =33.740 (mm)d 20第3章調(diào)節(jié)閥選型及計算3.1調(diào)節(jié)閥的選型調(diào)節(jié)閥的閥體種類很多,常用的閥體種類有直通單座、直通雙座、角形、隔 膜、小流量、三通、偏心旋轉(zhuǎn)、蝶形、套筒式、球形等.在具體選擇時,可做如 下考慮：1閥芯形狀結(jié)構(gòu)：主要根據(jù)所選擇的流量特性和不平衡力等因素考慮.2耐磨損性：當(dāng)流體介質(zhì)是含有高濃度磨損性顆粒的懸浮液時,閥的內(nèi)部材 料要堅硬.3耐腐蝕性：由于介質(zhì)具有腐蝕性,盡量選擇結(jié)構(gòu)簡單閥門.4介質(zhì)的溫度、壓力：當(dāng)介質(zhì)的溫度、壓力高且變化大時,應(yīng)選用閥芯和閥 座的材料受溫度、壓力變化小的閥門.5預(yù)防閃蒸和空化：

16、閃蒸和空化只產(chǎn)生在液體介質(zhì).在實際生產(chǎn)過程中,閃 蒸和空化會形成振動和噪聲,縮短閥門的使用壽命,選擇閥門時應(yīng)預(yù)防閥 門產(chǎn)生閃蒸和空化.對于雙作用的氣動、液動、電動執(zhí)行機構(gòu),一般都沒有復(fù)位彈簧.對于單作 用的氣動執(zhí)行機構(gòu),輸出力與閥門的開度有關(guān),調(diào)節(jié)閥上的出現(xiàn)的力也將影響運 動特性,因此要求在整個調(diào)節(jié)閥的開度范圍建立力平衡.對執(zhí)行機構(gòu)輸出力確定后,根據(jù)工藝使用環(huán)境要求,選擇相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu).對于現(xiàn)場有防爆要求時,應(yīng)選用氣動執(zhí)行機構(gòu).從節(jié)能方面考慮,應(yīng)盡量選用電動執(zhí)行機構(gòu).假設(shè)調(diào)節(jié)精度高,可選擇液動執(zhí)行機構(gòu).調(diào)節(jié)閥的作用方式只是在選用氣動執(zhí)行機構(gòu)時才有, 其作用方式通過執(zhí)行機 構(gòu)正反作用和閥門的正反

17、作用組合形成. 組合形式有4種即正正氣關(guān)型、正反 氣開型、反正氣開型、反反氣關(guān)型,通過這四種組合形成的調(diào)節(jié)閥作用方 式有氣開和氣關(guān)兩種.對于調(diào)節(jié)閥作用方式的選擇,主要從三方面考慮：工藝生產(chǎn)平安；介質(zhì)的特性；保證產(chǎn)品質(zhì)量,經(jīng)濟損失最小.3.2調(diào)節(jié)閥口徑計算從調(diào)節(jié)閥的Kv計算到閥的口徑確定,一般需經(jīng)以下步驟：1計算流量確實定.現(xiàn)有的生產(chǎn)水平、設(shè)備負荷及介質(zhì)的狀況,決定計算流 量的Qmax和Qmin.2 閥前后壓差確實定.根據(jù)已選擇的閥流量特性及系統(tǒng)特點選定S阻力系 數(shù),再確定計算壓差.3 計算Kv.根據(jù)所調(diào)節(jié)的介質(zhì)選擇適宜的計算公式和圖表,求得Kvmax和 Kvmin .(4) 選用Kv.根據(jù)Kv

18、max,在所選擇的產(chǎn)品標(biāo)準系列中選取Kvmax且與其最 接近的一級C.(5) 調(diào)節(jié)閥開度驗算.一般要求最大計算流量時的開度90%,最小計算流量 時的開度玄10%.(6) 調(diào)節(jié)閥實際可調(diào)比的驗算.一般要求實際可調(diào)比玄10.(7) 閥座直徑和公稱直徑確實定.驗證適宜后,根據(jù)C確定.3.3計算實例位號：PIC2106,名稱：燃料油壓力調(diào)節(jié)表3-1調(diào)節(jié)閥口徑計算數(shù)據(jù)序號項目符號單位數(shù)值條件：1調(diào)節(jié)閥類型單座閥2被測介質(zhì)名稱燃料油3工作溫度tC1304最大體積流量Qmaxm3/h1.0875閥前壓力P1MPa1.46閥后壓力P2MPa1.337管道內(nèi)徑Dmm508工況密度Pkg/m39209工況粘度VP

19、a s0.00506計算過程： 計算KvKvO.Oax.01920087 we>/P(P P2 ) J920"1.4_1.33)(2) 選定口徑Kv值圓整、放大,查產(chǎn)品目錄,取 Kv=1.6 ( Dn20 ),選單座閥(JP)其放大系數(shù)為：m二丄61.28 查表2,知滿足m=1.28時,閥最大開度1.246290%,所以Kv值應(yīng)再向上取一擋,即取 Kv=2 ( Dn20 ),此時M = =21.25m值滿足要求. 開度驗算L lgR0.823ig 50開度82.3%可滿足要求(3) 結(jié)論選定單座閥,取Dn20為選定口徑,由于非阻塞流工況,故不作噪音預(yù)估及 管件形狀修正.由于 Q

20、ma <3,R= 30、. 0.4二18.97 一 3 ,可調(diào)比滿足要求Qmin第4章課程設(shè)計心得通過老師的講解、閱讀指導(dǎo)書和上網(wǎng)搜集資料,我完成了本次課程設(shè)計,通 過本次課程設(shè)計,我深感自己實踐水平的欠缺,以后我應(yīng)增強培養(yǎng)自己的自控工 程設(shè)計水平.自控工程課程設(shè)計是“過程限制、“自動檢測技術(shù)等課程非常有益的課外實踐補充,通過本門課程的學(xué)習(xí),使我們獲得自控工程設(shè)計的根底知 識,掌握工程設(shè)計方法及 CAD制圖方法和Office辦公軟件使用方法,掌握利用 計算機輔助設(shè)計來完成節(jié)流裝置的選型及計算、調(diào)節(jié)閥的選型及口徑計算.標(biāo)準節(jié)流裝置計算和調(diào)節(jié)閥計算繁瑣,只有借助編程軟件才能順利完成,由此可見熟 練掌握一門編程語言的必要性與重要性,日后我要增強這方面的學(xué)習(xí),多做編程 練習(xí).在查閱資料中,我了解到加熱爐是將物料或工件加熱的設(shè)備.按熱源劃分有燃料加熱爐、電阻加熱爐、感應(yīng)加熱爐、微波加熱爐等.應(yīng)用普及石油、化工、 冶