过程控制课程设计---管式加热炉温度控制系统

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1、 过程控制仪表设计说明书 题目：管式加热炉温度控制系统 管式加热炉温度控制系统 1. 系统简介 1.1 管式加热炉简介 管式加热炉一般由四个部分组成：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 烟囱：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（6001600），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

2、燃烧器，燃料气燃烧器和油气联合燃烧器。 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，节能也是一个重要的质 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。 2 总体设计方案 管

3、式加热炉是炼油、化工生产中的重要装置之一，它的任务是把原料油加热 到一定温度，以保证下道工序的顺利进行。因此，常选原料出口温度1(t)为 被控参数、燃料流量为控制变量，构成如图 2.1 所示的温度控制系统，控制系 统框图如图 2.2 所示。影响原料油出口温度1(t)的干扰有原料油流量 f1(t)、 原料油入口温度 f2(t)、燃料压力 f3(t)、燃料压力 f4(t)等。该系统根据原料出 口温度1(t)变化来控制燃料阀门开度，通过改变燃料流量将原油出口温度控 制在规定的数值上，是一个简单控制系统。 原料出口温度1(t) 管式加热炉 原料油 原料 燃油 图 2.1 管式加热炉出口单回路温度控制系

4、统 给定温度 f3、f4 + f1、f2 - 出口温度 + + - 图 2.2 管式加热炉出口单回路温度控制系统框图 T1T T1C 调节器 1 炉膛 壁管 原料油 温度变送器 1 由图 2.1 可知，当燃料压力或燃料热值变化时，先影响炉膛温度，然后通 过传热过程逐渐影响原料油的出口温度，从燃料流量变化经过三个容量后，才 引起原料油出口温度变化，这个通道时间常数很大，约为 15min，反应缓慢。 而温度调节器 T1C 是根据原料油的出口温度1(t)与设定的偏差进行控制。当燃 料部分出现干扰后，图 2.1 所示的控制系统并不能及时产生控制作用，克服干 扰对被控参数1(t)的影响，控制质量差。当生

5、产工艺对原料油出口温度1(t) 要求严格时，上述简单控制系统很难满足要求。 因此应该想办法消除来自燃料的干扰。先根据炉膛温度2(t)的变化，快 速的消除来自燃料的干扰对炉膛温度的影响；然后在根据原料油出口温度1(t) 与设定值的偏差，改变炉膛温度调节器 T2C 的设定值，进一步调节燃料量，以 保持原料油出口温度恒定，这样就构成了以原料油出口温度为主要被控参数， 以炉膛温度为辅助被控参数的串级控制系统。管式加热炉串级控制系统流程图 及系统框图分别如图 2.3、图 2.4。 原料出口温度1(t) 管式加热炉 原料油 原料 燃油 图 2.3 管式加热炉出口温度串级控制系统 T1T T2C T2T T

6、1T f3、f4 + f1、f2 - 给定温度 2(t) 出口温度 + + + + - - 图 2.4 管式加热炉出口温度串级控制系统框图 综上所述，由于管式加热炉动态性复杂、存在多种扰动，简单控制系统难 以满足控制要求，所以采用串级控制系统。 3 串级控制系统分析 3.1 主回路设计 加热炉温度串级控制系统是以原料油出口温度为主要被控参数的控制系统。 其他被控参数有炉膛温度，膛壁温度，燃料流量，原料油流量。温度调节器对 被控参数1精确控制与温度调节器对来自燃料干扰的及时控制相结合，先根据 温度2的变化，改变燃料量，快速消除来自燃料的干扰、对炉膛温度的影响然 后再根据原料油出口温度1与设定值的偏差，改变炉膛温度调节器的设定值， 进一步调节燃料量，使原料油出