管式加熱爐溫度串級控制系統(tǒng)設(shè)計

1、一管式加熱爐溫度控制系統(tǒng)設(shè)計的目的意義11.1 管 式加熱 爐簡介.11. 2目的及意義 2二管式加熱爐溫度控制系統(tǒng)工藝流程及控制要求.3三總體設(shè)計方案.43.1 方案比較 .43.2方案選擇.5四 申級控制系統(tǒng)分析. 64.1主回路設(shè)計 64.2副回路選擇 64.3主、副調(diào)節(jié)器規(guī)律選擇 64.4主、副調(diào)節(jié)器正反作用方式確定 64.5控制器參數(shù)工程整定7五各儀表的選取及元器件活單 75.1溫度變送器75.2溫度檢測元件85.3 調(diào)節(jié)閥 .105.4聯(lián)鎖保護 .10六 MATLAB 仿真實驗 .116.1 副回路的整定 116.2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1

2、5武漢理工大學過程控制制系統(tǒng)及儀表調(diào)節(jié)課程設(shè)計說明書一設(shè)計的目的怠義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(wù)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 q（t）為 被控參數(shù)、燃料流量為控制變量，構(gòu)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q（t）的干擾有原料油流量ft）、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Q（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，是一個簡單控制系統(tǒng)。管式加熱爐一般由四個主

3、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：原油出口溫度圖1-1管式加熱爐通風系統(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（600-1600C）,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(shè)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(shè)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(wù)就是保證 工藝介質(zhì)最

4、終溫度達到并維持在工藝要求范圍內(nèi)，由丁其具有強耦合、大滯后等特性，控制起來非常復(fù)雜。同時，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(shè) 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(wù)是把原制油或重油加熱到一定溫度，以保證下一 道工序（分僻或裂解）的順利進行。加熱爐的工藝流程圖如圖2.1所

5、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9 1。在燃料油管道上裝 設(shè)一個調(diào)節(jié)閥，用它來控制燃 油量以達到調(diào) 節(jié)溫度9 1的目的。圖2.1管式加熱爐工藝流程圖引起溫度9 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 9 1改變，這中間

6、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 溫度9 1要求不高，一般希望波動范圍 不超過土 12% 三總體設(shè)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(yīng)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(shè)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)9 1的影響控制質(zhì)量差。當生產(chǎn)工藝對原料油出口溫度9 1要求很嚴 格時

7、，簡單控制系統(tǒng)很難滿足要求。被控變量：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。-15 -原油出口溫度弘0原扁.燃料原料圖3-1管式加熱爐溫度控制系統(tǒng)洲度變送若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 申級控制系統(tǒng)申級控制系統(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(shè)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管式加熱爐溫度申級控制系統(tǒng)圖3-4管式加熱爐出口溫度申級控制系統(tǒng)框圖3.2方案選擇方案一的簡單控制系統(tǒng)

8、有干擾時， TC輸出信號改變閥門開度 ，進而改 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。方案二的申級控制系統(tǒng)中，由丁引進了副回路，不僅能迅速克服作用丁副回路內(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。由丁主副回路相互配合，使控制質(zhì)量顯著提高 。與單回路控制系統(tǒng)相比，申級控制系統(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

9、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提高。其原因是在申級控制系統(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(yīng)能力。綜上所述，本設(shè)計選擇申級控制系統(tǒng)。四串級控制系統(tǒng)分析4.1主回路設(shè)計加熱爐溫度申級控制系統(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)9 1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(jié)合，先根據(jù)爐膛溫度9 2的變化，改變?nèi)剂狭?，快速消除來?/p>

10、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 9 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，進一步調(diào)節(jié)燃料量，使原料油出口溫度包 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)。燃料由丁其成分和流量 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申級控制系 統(tǒng)的輔助被控 參數(shù)。申級系統(tǒng)中，通過調(diào)整副參數(shù) 爐膛溫度9 2能夠有效地 影響主參數(shù)原 料油出口溫度9 1,提高了主參數(shù)的控制效果。4.3主、副調(diào)節(jié)器規(guī)律選擇在申級控制系統(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

11、。在加熱爐溫度申級控制系統(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，工藝要求嚴格，乂因為加熱爐申級控制系統(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(yīng)選氣開 方式，這 樣保證系 統(tǒng)出現(xiàn)故障時調(diào)節(jié)閥處丁全關(guān)狀態(tài)，防止燃料進入加熱爐，確保設(shè)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

12、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)K1 > 0,主調(diào)節(jié)器作用方式為反作用。乂為保證副回路是負 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 丁 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)工程整定申級控制系統(tǒng)主、副控制 器的參數(shù)整定方法主要有三種：兩步整定法、-步整定法和逐步逼近法。1、 按照申級控制系統(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

13、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 整定法來整定申級控制系統(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(jié)構(gòu)，提高了儀表精度、儀表可靠性和安全性，適應(yīng)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(luò)信號為DC卜5V,信號電流與電壓的轉(zhuǎn)換電阻為 250Q <(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(gòu)成安

14、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(shè)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 丁隔離，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（DC420mA或DC卜 N ,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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)基本相同

15、。本設(shè)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(jié)果框圖5.2溫度檢測元件熱電偶作為溫度傳感元件，能將溫度信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換。 具有穩(wěn) 定、復(fù)現(xiàn)性好、體積小、響應(yīng)時間較小等優(yōu)點、熱電偶一般用丁 500° 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(guān)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

16、分為金屆熱電阻和半導體熱敏電阻兩類。 大多數(shù)金屆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。在使用熱電偶時，由丁冷端暴露在空氣中，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(jié)補償法。采用熱

17、電阻法測量溫度時，一般將電阻測溫信號通過電橋轉(zhuǎn)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，用鋌銅電阻絲湊足。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 兩根被分別置丁電橋的兩臂內(nèi)，使引線電阻值隨溫度變化對電橋的影響大致抵 消。恒溫器測量儀表補儻導線熱電偶圖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

18、，調(diào)節(jié)閥應(yīng)完全關(guān)閉，切斷燃料油進入加熱爐，確保設(shè)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(yīng)用丁化工、 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，一股 生產(chǎn)過程中很少使用。故本設(shè)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。當燃料管道壓力高丁規(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

19、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(fù)正常時，溫度調(diào)節(jié)系 統(tǒng)通過低選器投入正常運行,出料溫度重新受到控制。當進料流量和燃料流量低丁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MATLAB中畫出仿真框圖，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：圖6-2仿真曲線16.2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,

20、記取過渡過程的振蕩周期Tis。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Pis T1S和P2s、T2s值，結(jié)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。申級系統(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,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(shè)定值施加干擾信號 以后，系統(tǒng)輸出如