加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)說明書

1、設(shè)計(jì)說明書1加熱爐的簡介1.1加熱爐的基本構(gòu)成與組成加熱爐是一種直接受熱加熱設(shè)備主要用于加熱氣體或液體，所用燃料通常有燃料油和燃料氣。加熱爐的傳熱方式以輻射傳熱為主。加熱爐一般由輻射室、余熱回收系統(tǒng)、對流室、燃燒器和通風(fēng)系統(tǒng)等五部分組成。（1）輻射室：通過火焰或高溫?zé)煔膺M(jìn)行輻射傳熱的部分。這部分直接受火焰沖刷，溫度很高（600-1600），是熱交換的主要場所（約占熱負(fù)荷的70-80%）。（2）余熱回收系統(tǒng)：用以回收加熱爐的排煙余熱。有空氣預(yù)熱方式和廢熱鍋爐方式兩種方法。（3）對流室：靠輻射室出來的煙氣進(jìn)行以對流傳熱為主的換熱部分。（4）燃燒器：是使燃料霧化并混合空氣，使之燃燒的產(chǎn)熱設(shè)備，燃燒器

2、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。（5）通風(fēng)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(fēng)方式和強(qiáng)制通風(fēng)方式。其結(jié)構(gòu)通常包括：鋼結(jié)構(gòu)、爐管、爐墻（內(nèi)襯）、燃燒器、孔類配件等。1.2加熱爐溫度控制系統(tǒng)工作原理 加熱爐溫度控制系統(tǒng)原理圖控制原理圖如上所示，加熱爐的主要任務(wù)是把物料加熱到一定溫度，以保證下一道工序的順利進(jìn)行。燃料油經(jīng)過蒸汽霧化后在爐膛中燃燒，物料流過爐膛四周的排管中，就被加熱到出口溫度。在燃料油管道上裝設(shè)一個(gè)調(diào)節(jié)閥，物用它來控制燃油量以達(dá)到所需出口溫度T1的目的。1.3加熱爐出口溫度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目的及意義 加熱爐控制的主要任務(wù)就是保證工藝介質(zhì)最終溫度

3、達(dá)到并維持在工藝要求范圍內(nèi)，由于加熱爐具有強(qiáng)耦合、大滯后等特性，控制起來非常復(fù)雜。同時(shí)，近年來能源的節(jié)約、回收和合理利用日益受到關(guān)注。加熱爐是冶金、煉油等生產(chǎn)部門的典型熱工設(shè)備，能耗很大。因此，在設(shè)計(jì)加熱爐控制系統(tǒng)時(shí)，在滿足工藝要求的前提下，節(jié)能也是一個(gè)重要質(zhì)量指標(biāo)，要保證加熱爐的熱效率最高，經(jīng)濟(jì)效益最大。另外，為了更好地保護(hù)環(huán)境，在設(shè)計(jì)加熱爐控制系統(tǒng)時(shí)，還要保證燃料充分燃燒，使燃燒產(chǎn)生的有害氣體最少，達(dá)到減排的目的。1.4加熱爐溫度控系統(tǒng)工藝流程及控制要求加熱爐的主要任務(wù)是把原制油或重油加熱到一定溫度，以保證下一道工序（分餾或裂解）的順利進(jìn)行。加熱爐的工藝流程圖如圖2.1所示。燃料油經(jīng)過蒸汽

4、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1。在燃料油管道上裝設(shè)一個(gè)調(diào)節(jié)閥，用它來控制燃油量以達(dá)到調(diào)節(jié)溫度1的目的。圖2.1 加熱爐工藝流程圖引起溫度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(fēng)、爐膛漏風(fēng)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1改變，這中間需要相繼通過爐膛、管壁和被加熱油料所代表的熱容積，因而反應(yīng)很緩慢。工藝上對出口

5、溫度1要求不高，一般希望波動范圍不超過12%。2加熱爐出口溫度影響因素的擾動分析由于從燃料油調(diào)節(jié)閥開始作用到出口溫度T1的改變，整個(gè)控制通道的容量滯后大，時(shí)間常數(shù)大，這就會導(dǎo)致控制系統(tǒng)的控制作用不及時(shí)，反應(yīng)遲鈍、最大偏差大、過渡時(shí)間長、抗干擾能力差，控制精度降低。除D1外，D2、D3的變化進(jìn)入系統(tǒng)的位置，都是首先影響爐膛溫度T2，而后經(jīng)過加熱管管壁的影響被加熱油料的溫度T1。而爐膛的慣性小，而爐膛的慣性小，其溫度變化很快就可以反映出來，則控制通道的容量滯后大大減小，對干擾D2、D3能夠及時(shí)克服，減小它們對出口溫度的影響。所以單獨(dú)用單回路的出口溫度或爐膛溫度控制系統(tǒng)各有優(yōu)缺點(diǎn)，為了同時(shí)發(fā)揮它們的

6、優(yōu)點(diǎn)，考慮選用出口溫度爐膛溫度的串級控制系統(tǒng)。3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)1 方案選擇在串級控制系統(tǒng)中，由于引進(jìn)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(diǎn)；主回路具有后調(diào)、細(xì)調(diào)、慢調(diào)的特點(diǎn)，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，串級控制系統(tǒng)多用了一個(gè)測量變送器與一個(gè)控制器（調(diào)節(jié)器），增加的投資并不多（對計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)來說，僅增加了一個(gè)測量變送器），但控制效果卻有顯著的提高。其原因是在串級控制系統(tǒng)中增加了一個(gè)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

7、頻率； 對二次擾動有很強(qiáng)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(yīng)能力。綜上所述，本設(shè)計(jì)選擇串級控制系統(tǒng)。2控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)串級控制系統(tǒng)采用兩套檢測變送器和兩個(gè)調(diào)節(jié)器，前一個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出作為后一個(gè)調(diào)節(jié)器的設(shè)定，后一個(gè)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(shí)，TC可以及時(shí)動作，克服干擾。1主回路設(shè)計(jì)加熱爐溫度串級控制系統(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)1精確控制與溫度調(diào)節(jié)器對來自燃料干擾的及時(shí)控制相結(jié)合，先根據(jù)爐膛溫度2的變化，改變?nèi)剂狭浚焖傧齺?/p>

8、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1與設(shè)定值的偏差，改變爐膛溫度調(diào)節(jié)器的設(shè)定值，進(jìn)一步調(diào)節(jié)燃料量，使原料油出口溫度恒定，達(dá)到溫度控制的目的。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串級控制系統(tǒng)的輔助被控參數(shù)。串級系統(tǒng)中，通過調(diào)整副參數(shù)爐膛溫度2能夠有效地影響主參數(shù)原料油出口溫度1，提高了主參數(shù)的控制效果。加熱爐溫度禪機(jī)控制系統(tǒng)框圖和控制工藝流程圖如下加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)框圖圖3.3加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)3 主、副調(diào)節(jié)器規(guī)律選擇 在串級控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器所起的作用不同。主調(diào)節(jié)器起

9、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(diǎn)。 在加熱爐溫度串級控制系統(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)品生產(chǎn)質(zhì)量，工藝要求嚴(yán)格，又因?yàn)榧訜釥t串級控制系統(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(yán)格，可以在一定范圍內(nèi)變化，允許有殘差，所以我們的負(fù)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律選擇P控制。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(yīng)選氣開方式，這樣保證系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)調(diào)節(jié)閥處于全關(guān)狀態(tài)，防止燃料進(jìn)入加熱爐，確保設(shè)備安全，調(diào)節(jié)閥的Kv0。主調(diào)節(jié)器作用方式確定：爐

10、膛溫度升高，物料出口溫度也升高，主被控過程Ko10。為保證主回路為負(fù)反饋，各環(huán)節(jié)放大系數(shù)成績必須為正，所以負(fù)調(diào)節(jié)器的放大系數(shù)K10，主調(diào)節(jié)器作用方式為反作用。又為保證副回路是負(fù)反饋，各環(huán)節(jié)放大系數(shù)乘積必須為正，所以負(fù)調(diào)節(jié)器大于0，負(fù)調(diào)節(jié)器作用方式為反作用方式。5 控制器參數(shù)工程整定 串級控制系統(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、按照串級控制系統(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(yàn)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

11、依次整定主回路、副回路，然后循環(huán)進(jìn)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串級控制系統(tǒng)的參數(shù)。4各儀表的選取及元器件清單1 控制系統(tǒng)中溫度檢測元件的選型 由于加熱爐爐膛溫度不能太高，爐膛溫度一般控制在850以下，溫度高有利于輻射傳熱，但太高會導(dǎo)致爐管結(jié)焦和燒壞，所以設(shè)此控制系統(tǒng)中的爐膛溫度要求為700左右，而管式加熱爐出口溫度假設(shè)為石油分餾的溫度300。由產(chǎn)品執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)IEC584、GB/T16839-1997、JB/T5518-1991、GB3836熱電偶標(biāo)準(zhǔn)，在1000以下一般用K型熱電偶和N型熱電偶，熱電偶是工業(yè)上最常用的溫度檢測元件之一。其優(yōu)點(diǎn)是： （1）量精度

12、高。因熱電偶直接與被測對象接觸，不受中間介質(zhì)的影響。（2）測量范圍廣。常用的熱電偶從-50+1600均可邊續(xù)測量。（3）構(gòu)造簡單，使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成，而且不受大小和開頭的限制，外有保護(hù)套管，用起來非常方便如下表所示：所以物料出口處選擇WRN型分度號K，允差等級為的熱電偶。表1如下表所示：爐膛溫度的檢測熱電偶選擇WRK型分度號E，惰性級別為的熱電偶。表2使用熱電偶時(shí)，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(bǔ)償導(dǎo)線作為熱電偶的連接導(dǎo)線。補(bǔ)償導(dǎo)線的作用就是將熱電偶的冷端延長到距離熱源較遠(yuǎn)、溫度

13、較穩(wěn)定的地方。2 控制系統(tǒng)中變送器的選型 SBWR、SBWZ系列熱電偶、熱電阻溫度變送器是DDZ系列儀表中的現(xiàn)場安裝式溫度變送器單元，與工業(yè)熱電偶、熱電阻配套使用，它采用二線制傳輸方式(兩根導(dǎo)線作為電源輸入和信號輸出的公用傳輸線)。按國家防爆規(guī)程進(jìn)行設(shè)計(jì)的，而且增加了安全柵，實(shí)現(xiàn)了控制室與危險(xiǎn)場所之間的能量限制于隔離，使儀表能在危險(xiǎn)的場所中使用。將工業(yè)熱電偶、熱電阻信號轉(zhuǎn)換成與輸入信號或與溫度信號成線性的4-20mA、0-10mA的輸出信號。技術(shù)指標(biāo)為：1、輸入信號：K型熱電偶、E型熱電偶、S型熱電偶、B型等熱電偶信號輸入2、供電電壓：10-30VDC、負(fù)載電阻：0-5003、輸出信號：二線制

14、4-20mA，最大30mA4、熱電偶溫度變送器精度：0.5%FS5、回路保護(hù)：帶反向連接保護(hù)（防止電源正負(fù)極）表3由表3知物料出口溫度處選擇SBW-R-70型變送器，爐膛溫度選擇SBW-R-10型變送器。3 控制系統(tǒng)中執(zhí)行器（調(diào)節(jié)閥）的選型由于調(diào)節(jié)閥用于燃料油量調(diào)節(jié)選擇氣動調(diào)節(jié)閥，燃料油粘度比較大，為了減弱腐蝕防止堵塞，由于角形閥的閥體受流體的沖擊小，體內(nèi)不易結(jié)污，對粘度高的流體尤為適用，并且調(diào)節(jié)穩(wěn)定性較好。所以選用角形閥。從安全角度出發(fā)，一旦調(diào)節(jié)閥損壞，保證控制閥處于全關(guān)狀態(tài)，切斷燃料進(jìn)入加熱爐，確保設(shè)備安全，所以要選擇氣開調(diào)節(jié)閥。綜上選擇ZMAS型氣動薄膜角形單座調(diào)節(jié)閥，閥體為直角形，閥芯

15、不單導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，閥的流路簡單，便于自凈和清洗。阻力小，適用于高粘度，含有懸浮物和顆粒狀物質(zhì)的流體的調(diào)節(jié)，可避免結(jié)焦、粘結(jié)、堵塞。 由ZMAS型氣動薄膜角型調(diào)節(jié)閥型號編制說明知，選擇ZMAS-320K型的調(diào)節(jié)閥。含義為，ZMA：氣動薄膜正作用式， K：氣開式；320：PN320MPa。EPC1000系列電氣轉(zhuǎn)換器是在引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)的新一代電氣轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，它可將不同輸入電流信號轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)輸出的氣動信號。本產(chǎn)品具有體積小，結(jié)構(gòu)巧妙，精度高，穩(wěn)定性好，安裝方便等優(yōu)點(diǎn)。如下表所示，選擇型號為EPC110-OG-I型的電器轉(zhuǎn)換器。表4技術(shù)參數(shù)為：1、氣源壓力范圍： 最小值：高于輸出壓力上限值

16、20kPa；最大值：700kPa。2、線性度：跨度的1%。3、重復(fù)性：跨度的0.5%。4、回差：跨度的1.0%。4 控制系統(tǒng)中調(diào)節(jié)器的選型 XMT-8000系列智能型數(shù)字顯示調(diào)節(jié)儀采用新的智能儀表設(shè)計(jì)方案，對原有的數(shù)顯表進(jìn)行了修正處理，使儀表無論在外觀還是性能都有的更進(jìn)一步的提升，儀表內(nèi)置PID功能與位式控制功能，采用美觀大方的輕觸鍵設(shè)置，是工業(yè)控制中低價(jià)位儀表與高性能定位的理想選擇。智能性數(shù)顯調(diào)節(jié)儀精度高、抗震性強(qiáng)、可靠性好、安裝方便、讀數(shù)清晰、無視差、可遠(yuǎn)距離觀察等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。在調(diào)節(jié)形式上有二位式、三位式、時(shí)間比例式、可控硅連續(xù)調(diào)節(jié)式、PID式等多種，并可根據(jù)需要增強(qiáng)超限報(bào)警功能。可廣泛應(yīng)用

17、于冶金、紡織、塑機(jī)、培養(yǎng)箱、烘烤箱、制冷化工、醫(yī)療等行業(yè)作-2001800范圍內(nèi)的溫度測量和自動控制，配上相應(yīng)的傳感器也可用于壓力、流量、液位等參數(shù)的顯示和控制。由表5知，選擇XMTG-8038C2調(diào)節(jié)器，結(jié)構(gòu)如圖4所示。 表55 控制系統(tǒng)中的連鎖保護(hù)與接線圖 聯(lián)鎖保護(hù)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(dāng)燃料管道壓力高于規(guī)定的極限時(shí)，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(shí)出料溫度無控制，自行浮動。壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)投入運(yùn)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(shí)，溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過低選器投入正常運(yùn)行，出料溫度重新受到控制。當(dāng)進(jìn)料流量和燃

18、料流量低于允許下限或火焰熄滅時(shí)，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?？刂葡到y(tǒng)的電氣連線圖如下5加熱爐出口溫度串級控制系統(tǒng)的MATLAB Simulink仿真與分析1傳遞函數(shù)的選擇按儀表的對應(yīng)關(guān)系設(shè)：主回路的傳遞函數(shù)取 副回路的傳遞函數(shù)取 2系統(tǒng)的參數(shù)的選擇系統(tǒng)的仿真圖如下首先整定副回路，當(dāng)副回路的衰減比為4：1時(shí)，為下圖此時(shí)副回路的振蕩周期T1s= 112-46=66（s）衰減比為1=1/2.01100%=49.8%。然后整定主回路，當(dāng)主回路的衰減比為4：1時(shí)，為下圖此時(shí)主回路的振蕩周期T2s=840-335=505（s），衰減比 2=1/2.06100%=48.5%，計(jì)算得Kp=2.575、Ti=151.5s、Td=50.5s 、Ki=0.0136、Kd=104.03。3系統(tǒng)的仿真分析將Kp、Ki、Kd分別代入PID調(diào)節(jié)器后得到無擾動的的仿真結(jié)果為下圖加入擾動后的系統(tǒng)框圖為得到的仿真結(jié)果為下圖由于超調(diào)量較大，可減小比例系數(shù)使超調(diào)量減小，當(dāng)Kp=2.575，Ki=0.08，Kd=104.03時(shí)。再次得到的無擾動和有擾動響應(yīng)曲線分別為下圖，超調(diào)量在生產(chǎn)規(guī)定的范圍內(nèi)。6設(shè)計(jì)總結(jié)在為期一個(gè)多星期的課程設(shè)計(jì)中，遇到過很多很多的問題，但我通過很多有效地途徑，例如上網(wǎng)查相關(guān)資通過本專業(yè)課程設(shè)計(jì)，我對過程控制系統(tǒng)在工業(yè)中的運(yùn)用有了深入的認(rèn)識，對過程控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟、思