管式加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)設計

1、實用文檔管式加熱爐溫度控制系統(tǒng)設計的目的意義.11.1管式加熱爐簡介 . .11.2目的及意義 2管式加熱爐溫度控制系統(tǒng)工藝流程及控制要求.3總體設計方案.43.1 方案比較3.2 方案選擇四用級控制系統(tǒng)分析4.1計.4.54.2擇.4.3主 、副擇.4.4 主、 副調(diào)節(jié)定64.5控 制定.五各 儀 表 的 選單75.1器.5.2溫.6主回路設.1.6副回路選調(diào)節(jié)器規(guī)律選.66器正反作用方式確.7取 及元器 件清溫度變送. .7度檢測元武漢理工大學過程控制制系統(tǒng)及儀表調(diào)節(jié)課程設計說明書件853調(diào)節(jié)閥 105.4聯(lián)鎖保護. 1 0六MATLAB 仿 真 實驗 116.1副 回 路 的 整定116

2、2主 回 路 的 整定116.3整 體 參 數(shù) 整定12 心得體會 14參考文獻15設計的目的意義1.1 管式加熱爐簡介管式加熱爐是煉油、化工生產(chǎn)中的重要裝置之一，它的任務是把原料油加熱 到一定溫度，以保證下道工序的順利進行。因此，常選原料油出口溫度l（t）為被控參數(shù)、燃料流量為控制變量，構成如圖1-1所示的溫度控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng) 框圖如圖1-2所示。影響原料油出口溫度i（ t）的干擾有原料油流量 "t）、原料 油入口溫度f2（t）、燃料壓力f3（t）、燃料壓力f4（t）等。該系統(tǒng)根據(jù)原料油出口溫 度i（t）變化來控制燃料閥門開度，通過改變?nèi)剂狭髁繉⒃统隹跍囟瓤刂圃谝?guī) 定的數(shù)值上，

3、是一個簡單控制系統(tǒng)。管式加熱爐一般由四個主要部分組成：煙囪、對流室、輻射室及燃燒器，示 意圖如圖1-1所示：通風系統(tǒng)：將燃燒用空氣引入燃燒器，并將煙氣引出爐子，可分為自然通風 方式和強制通風方式。對流室：靠輻射室出來的煙氣進行以對流傳熱為主的換熱部分。輻射室：通過火焰或高溫煙氣進行輻射傳熱的部分。 這部分直接受火焰沖刷，溫度很高（600-1600 C）,是熱交換的主要場所（約占熱負荷的 70-80%）。燃燒器：是使燃料霧化并混合空氣，使之燃燒的產(chǎn)熱設備，燃燒器可分為燃 料油燃燒器，燃料氣燃燒器和油一氣聯(lián)合燃燒器。1.2 設計目的及意義管式加熱爐是石油工業(yè)中重要裝置之一，加熱爐控制的主要任務就是

4、保證 工藝介質(zhì)最終溫度達到并維持在工藝要求范圍內(nèi)，由于其具有強耦合、大滯后等 特性，控制起來非常復雜。同時，近年來能源的節(jié)約、回收和合理利用日益受到 關注。加熱爐是冶金、煉油等生產(chǎn)部門的典型熱工設備，能耗很大。因此，在設 計加熱爐控制系統(tǒng)時，在滿足工藝要求的前提下，節(jié)能也是一個重要質(zhì)量指標， 要保證加熱爐的熱效率最高，經(jīng)濟效益最大。另外，為了更好地保護環(huán)境，在設 計加熱爐控制系統(tǒng)時，還要保證燃料充分燃燒，使燃燒產(chǎn)生的有害氣體最少，達 到減排的目的。二管式加熱爐溫度控系統(tǒng)工藝流程及控制要求管式加熱爐的主要任務是把原制油或重油加熱到一定溫度，以保證下一道工序(分儲或裂解)的順利進行。加熱爐的工藝流

5、程圖如圖2.1所示。燃料油經(jīng)過蒸汽霧化后在爐膛中燃燒，被加熱油料流過爐膛四周的排管中， 就被加熱到出口溫度81。在燃料油管道上裝設一個調(diào)節(jié)閥，用它來控制燃油量以達到調(diào)節(jié)溫度81的目的。圖2.1管式加熱爐工藝流程圖引起溫度8 1改變的擾動因素很多，主要有：(1)燃料油方面(它的組分和調(diào)節(jié)閥前的油壓)的擾動D2;(2)噴油用的過熱蒸汽壓力波動D4;(3)被加熱油料方面(它的流量和入口溫度)的擾動 D1;(4)配風、爐膛漏風和大氣溫度方面的擾動D3;其中燃料油壓力和過熱蒸汽壓力都可以用專門的調(diào)節(jié)器保持其穩(wěn)定， 以便把擾動因素減小到最低限度。從調(diào)節(jié)閥動作到溫度81改變，這中間需要相繼通過爐膛、管壁和被

6、加熱油料所代表的熱容積，因而反應很緩慢。工藝上對出口溫度8 1要求不高，一般希望波動范圍不超過±12%三總體設計方案3.1 方案比較3.1.1 簡單控制系統(tǒng)當燃料壓力或燃料熱值變化時，先影響爐膛溫度，然后通過傳熱過程逐漸 影響原料油的出口溫度。從燃料流量變化經(jīng)過三個容量后，才引起原料油出口 溫度變化，這個通道時間常數(shù)很大，約有 15min,反應緩慢。溫度調(diào)節(jié)器TC是 根據(jù)原料油的出口溫度9 1與設定值的偏差進行控制。當燃料部分出現(xiàn)干擾 后，控制系統(tǒng)并不能及時產(chǎn)生控制作用，克服干擾對被控參數(shù)81的影響控制質(zhì)量差。當生產(chǎn)工藝對原料油出口溫度81要求很嚴格時，簡單控制系統(tǒng)很難滿足要求。被控

7、變量：原料油出口溫度；操控變量：燃料流量。當對出口溫度控制要求不高時，簡單控制系統(tǒng)可以滿足要求。-16 -原料油管式加熱爐圖3-1管式加熱爐溫度控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)器1 J*布度蟆野1圖3-2管式加熱爐出口溫度單回路控制系統(tǒng)框圖3.1.2 用級控制系統(tǒng)審級控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個調(diào)節(jié)器，前一個調(diào)節(jié)器的輸 出作為后一個調(diào)節(jié)器的設定，后一個調(diào)節(jié)器的輸出送往調(diào)節(jié)閥。中間被控變量：爐膛溫度；操縱變量：燃料流量。爐膛溫度變化時，TC可以及時動作，克服干擾。圖3-3管式加熱爐溫度審級控制系統(tǒng)圖3-4管式加熱爐出口溫度審級控制系統(tǒng)框圖3.2 方案選擇方案一的簡單控制系統(tǒng)有干擾時，TC輸出信號改變閥門開度，進

8、而改變?nèi)剂狭髁?，在爐膛中燃燒后，爐膛溫度改變，改過程時間常數(shù)大，可達到 15min。因此等到出口溫度改變后，再改變操縱變量，動作不及時，偏差在 較長時間內(nèi)不能被消除。方案二的審級控制系統(tǒng)中，由于引進了副回路，不僅能迅速克服作用于 副回路內(nèi)的干擾，也能加速克服主回路的干擾。副回路具有先調(diào)、初調(diào)、快 調(diào)的特點；主回路具有后調(diào)、細調(diào)、慢調(diào)的特點，對副回路沒有完全克服干 擾的影響能徹底加以消除。由于主副回路相互配合，使控制質(zhì)量顯著提高。 與單回路控制系統(tǒng)相比，用級控制系統(tǒng)多用了一個測量變送器與一個控制器（調(diào) 節(jié)器），增加的投資并不多（對計算機控制系統(tǒng)來說，僅增加了一個測量變送器） 但控制效果卻有顯著的

9、提高。其原因是在審級控制系統(tǒng)中增加了一個包含二次擾 動的副回路，使系統(tǒng)改善了被控過程的動態(tài)特性， 提高了系統(tǒng)的工作頻率； 對二次擾動有很強的克服能力；提高了對一次擾動的克服能力和對回路參數(shù)變 化的自適應能力。綜上所述，本設計選擇審級控制系統(tǒng)。四串級控制系統(tǒng)分析4.1 主回路設計加熱爐溫度審級控制系統(tǒng)是以原料油出口溫度為主要被控參數(shù)的控制 系統(tǒng)。其他被控參數(shù)有爐膛溫度，膛壁溫度，燃料流量，原料油流量。溫 度調(diào)節(jié)器對被控參數(shù)91精確控制與溫度調(diào)節(jié)器對來自燃料干擾的及時控制相結合，先根據(jù)爐膛溫度82的變化，改變?nèi)剂狭?，快速消除來自燃料的干擾、對爐膛溫度的影響；然后再根據(jù)原料油出口溫度91與設定值的偏

10、差，改變爐膛溫度調(diào)節(jié)器的設定值，進一步調(diào)節(jié)燃料量，使原料油出口溫度恒 定，達到溫度控制的目的。4.2 副回路選擇副回路的選擇也就是確定副回路的被控參數(shù)。燃料由于其成分和流量變化，對控制過程產(chǎn)生極大干擾。所以，我們選擇爐膛溫度為審級控制系統(tǒng)的輔助被控參數(shù)。用級系統(tǒng)中，通過調(diào)整副參數(shù)爐膛溫度82能夠有效地影響主參數(shù)原料油出口溫度91 ,提高了主參數(shù)的控制效果。4.3 主、副調(diào)節(jié)器規(guī)律選擇在審級控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器所起的作用不同。主調(diào)節(jié)器起定值控制作 用，副調(diào)節(jié)器起隨動控制作用，這是選擇調(diào)節(jié)器規(guī)律的基本出發(fā)點。在加熱爐溫度審級控制系統(tǒng)中，我們選擇原料油出口溫度為主要被控參數(shù)， 原料油溫度影響產(chǎn)品

11、生產(chǎn)質(zhì)量，工藝要求嚴格，又因為加熱爐用級控制系統(tǒng)有較 大容量滯后，所以，選擇 PID調(diào)節(jié)作為住調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)規(guī)律?？刂聘眳?shù)是為了保證和提高主參數(shù)的控制質(zhì)量，對副參數(shù)的要求一般不嚴 格，可以在一定范圍內(nèi)變化，允許有殘差，所以我們的負調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律選擇P控制。4.4 主、副調(diào)節(jié)器正反作用方式確定由生產(chǎn)工藝安全考慮，燃料調(diào)節(jié)閥應選氣開方式，這樣保證系統(tǒng)出現(xiàn)故障時調(diào)節(jié)閥處于全關狀態(tài)，防止燃料進入加熱爐，確保設備安全，調(diào)節(jié)閥的Kv>0。主調(diào)節(jié)器作用方式確定： 爐膛溫度升高，物料出口溫度也升高， 主被控過程 Ko1>0。為保證主回路為負反饋，各環(huán)節(jié)放大系數(shù)成績必須為 正，所以負調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)

12、K1>0,主調(diào)節(jié)器作用方式為反作用。又為保證副回路是負反饋，各環(huán)節(jié)放大系數(shù)乘積必須為正，所以負調(diào)節(jié)器大于0,負調(diào)節(jié)器作用方式為反作用方式。4.5 控制器參數(shù)工程整定審級控制系統(tǒng)主、副控制器的參數(shù)整定方法主要有三種：兩步整定法、 一步整定法和逐步逼近法。1、按照審級控制系統(tǒng)主、副回路的情況，先整定副控制器，后整定主 控制器的方法叫做兩步整定法。2、一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗先將副控制器一次放好，不再變動，然 后按照一般單回路孔控制系統(tǒng)的整定方法直接整定主控制器參數(shù)。3、逐步逼近法是一種依次整定主回路、副回路，然后循環(huán)進行，逐步 接近主、副回路最佳整定的一種方法。我們選擇兩步整定法來整定審級控

13、制系統(tǒng)的參數(shù)。五各儀表的選取及元器件清單5.1 溫度變送器DDZ-III型儀表采用了集成電路和安全火花型防爆結構，提高了儀表精度、儀表可靠性和安全性，適應了大型化工廠、煉油廠的防爆要求。III型儀表具有以下主要特點：(1)采用國際電工委員會(IEC)推薦的統(tǒng)一信號標準，現(xiàn)場傳輸信號為 DC4- 20mA控制室聯(lián)絡信號為DC卜5V,信號電流與電壓的轉換電阻為 250 ,(2)廣泛采用集成電路，儀表的電路簡化、精度提高、可靠性提高、維修 工作量減少。(3)整套儀表可構成安全火花型防爆系統(tǒng)。DDZ-III型儀表室按國家防爆 規(guī)程進行設計的，而且增加了安全柵，實現(xiàn)了控制室與危險場所之間的能量限制 于隔

14、離，使儀表能在危險的場所中使用。DDZ-III型PID調(diào)節(jié)器主要由輸入電路、給定電路、PID運算電路、手動與自動切換電路、輸出電路和指示電路組成。調(diào)節(jié)器接收變送器送來的測量信號（DC420mAt DC卜5V）,在輸入電路中 與給定信號進行比較，得出偏差信號，然后在PD與PI電路中進行PID運算，最 后由輸出電路轉換為420mA直流電流輸出。圖5.1給出了溫度變送器的原理框圖，雖然溫度變送器有多個品種、規(guī)格， 以配合不同的傳感元件和不同的量程需要，但他們的結構基本相同。本設計采用DDZ-III型熱電偶溫度變送器。圖5-1 DDZ-III型調(diào)節(jié)器結果框圖5.2 溫度檢測元件熱電偶作為溫度傳感元件，

15、能將溫度信號轉換成電動勢（ mV信號，配以測 量毫伏的指示儀表或變送器可以實現(xiàn)溫度的測量指示或溫度信號的轉換。 具有穩(wěn) 定、復現(xiàn)性好、體積小、響應時間較小等優(yōu)點、熱電偶一般用于 5000 C以上的 高溫，可以在1600° C高溫下長期使用。熱電阻也可以作為溫度傳感元件。 大多數(shù)電阻的阻值隨溫度變化而變化， 如 果某材料具備電阻溫度系數(shù)大、電阻率大、化學及物理性能穩(wěn)定、電阻與溫度的 關系接近線性等條件，就可以作為溫度傳感元件用來測溫， 稱為熱電阻。熱電阻 分為金屬熱電阻和半導體熱敏電阻兩類。 大多數(shù)金屬熱電阻的阻值隨其溫度升高 而增加，而大多數(shù)半導體熱敏電阻的阻值隨溫度升高而減少。在使

16、用熱電偶時，由于冷端暴露在空氣中，受周圍環(huán)境溫度波動的影響，且 距熱源較近，其溫度波動也較大，給測量帶來誤差，為了降低這一影響，通常用 補償導線作為熱電偶的連接導線。補償導線的作用就是將熱電偶的冷端延長到距 離熱源較遠、溫度較穩(wěn)定的地方。補償導線的作用如圖 5.2所示。用補償導線將熱電偶的冷端延長到溫度比較穩(wěn)定的地方后，并沒有完全解決 冷端溫度補償問題，為此還要采取進一步的補償措施。具體的方法有：查表法、 儀表零點調(diào)整法、冰浴法、補償電橋法以及半導體PN結補償法。采用熱電阻法測量溫度時，一般將電阻測溫信號通過電橋轉換成電壓， 當熱 電阻的鏈接導線很長時，導線電阻對電橋的影響不容忽視。 為了消除

17、導線電阻帶 來的測量誤差，不管熱電阻和測量一邊之間的距離遠近，必須使導線電阻的阻值 符合規(guī)定的數(shù)值，如果不足，用鉆銅電阻絲湊足。同時，熱電阻必須用三線接法， 如圖5.3所示，熱電阻用三根導線引出，一根連接電源，不影響電橋平衡，另外 兩根被分別置于電橋的兩臂內(nèi)，使引線電阻值隨溫度變化對電橋的影響大致抵 消。恒溫器圖5-2補償導線的作用圖5-3熱電阻三線制接法5.3 調(diào)節(jié)閥由前面可以知道，從生產(chǎn)工藝安全出發(fā)，燃料油調(diào)節(jié)閥選用氣開式，即一旦 出現(xiàn)故障或氣源斷氣，調(diào)節(jié)閥應完全關閉，切斷燃料油進入加熱爐，確保設備安 全為了保證。調(diào)節(jié)閥按其工作能源形式可分為氣動、電動和液動三類。氣動調(diào)節(jié)閥用壓縮 空氣作為

18、工作能源，主要特點是能在易燃易爆環(huán)境中工作，廣泛地應用于化工、 煉油等生產(chǎn)過程中；電動調(diào)節(jié)閥用電源工作，其特點是能源取用方便，信號傳遞 迅速，但難以在易燃易爆環(huán)境中工作；液動調(diào)節(jié)閥用液壓推動，推力很大，一般 生產(chǎn)過程中很少使用。故本設計采用了氣動調(diào)節(jié)閥，且為氣開形式。5.4 聯(lián)鎖保護聯(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、低選器等部分組成。當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)，此時出料溫度無控制，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。當管道壓力恢復正常時，溫度調(diào)節(jié)系 統(tǒng)通過低選器投入正常運行，出料溫度

19、重新受到控制。當進料流量和燃料流量低于允許下限或火焰熄滅時，便會發(fā)出雙位信號，控制電磁閥切斷燃料氣供給量以 防回火。六MATLAB仿真實驗在MATLA呻畫出仿真|g圖，如圖6-1所示:圖6-1系統(tǒng)仿真圖6.1 副回路的整定將比例作用的條件下，由大到小逐漸降低副調(diào)節(jié)器的比例度。 此時的仿真曲 線如圖6-2所示：6.2 主回路的整定保持副回路的比例度不變，逐步降低主回路的比例度P1,直到得到主回路過渡過程衰減比為4:1的比例度Pis,記取過渡過程的振蕩周期Tiso當衰減比為 4: 1時，比例度P2s為98,振蕩周期為T2s為56.3 ,此時主回路的仿真曲線如圖6-3所示:6-3仿真曲線26.3整體參數(shù)整定按已求得的P1S T1S和P2s、T2s值，結合已選定的調(diào)節(jié)規(guī)律，按衰減曲線 法整定參數(shù)的經(jīng)驗公式，計算出主、副調(diào)節(jié)器的整定參數(shù)值。當副調(diào)節(jié)器參數(shù)整定好之后，視其為主回路的一個環(huán)節(jié)，按單回路控制系統(tǒng) 的方法整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)，而不再考慮主調(diào)節(jié)器參數(shù)變化對副回路的影響。 一般 審級系統(tǒng)對主參數(shù)的控制質(zhì)量要求高，而對副參數(shù)的控制要求相對較低。因此， 當副調(diào)節(jié)器參數(shù)整定好之后再去整定主調(diào)節(jié)器參數(shù)時，雖然會影響副參數(shù)的控制 品質(zhì)，但只要主參數(shù)控制品質(zhì)得到保證，副參數(shù)的控制品質(zhì)差一點也是可以接受 的。主、副調(diào)節(jié)器參數(shù)整定好以后系統(tǒng)輸出圖如圖所示。對設定值施加