79过程控制课程设计

过程控制仪表设计说明书题目：管式加热炉温度控制系统姓名：谭信军班级：09自动化02班学号：20094460237指导老师：高飞燕2012年6月29日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（600—1600℃），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θ1(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θ1(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θ1(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θ1(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T1TT1C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θ1(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θ1(t)的影响，控制质量差。当生产工艺对原料油出口温度θ1(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θ2(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θ1(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θ1(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T1TT2CT2TT1Tf3、f4+f1、f2-给定温度θ2(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θ1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θ2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θ1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，使原料油出口温度恒定，达到温度控制的目的。3.2副回路选择副回路的选择也就是确定副回路的被控参数。燃料由于其成分和流量变化，对控制过程产生极大干扰。所以，我们选择炉膛温度为串级控制系统的辅助被控参数。串级系统中，通过调整副参数炉膛温度θ2能够有效地影响主参数原料油出口温度θ1，提高了主参数的控制效果。温度变送器1主调节器副调节器温度变送器1炉膛壁管原料油3.3主、副调节器规律选择在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用不同。主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择调节器规律的基本出发点。在加热炉温度串级控制系统中，我们选择原料油出口温度为主要被控参数，原料油温度影响产品生产质量，工艺要求严格，又因为加热炉串级控制系统有较大容量滞后，所以，选择PID调节作为主调节器的调节规律。控制副参数是为了保证和提高主参数的控制质量，对副参数的要求一般不严格，可以在一定范围内变化，允许有残差，所以我们的负调节器调节规律选择P控制。3.4主、副调节器正反作用方式确定由生产工艺安全考虑，燃料调节阀应选气开方式，这样保证系统出现故障时调节阀处于全关状态，防止燃料进入加热炉，确保设备安全，调节阀的Kv﹥0主调节器作用方式确定：炉膛温度升高，物料出口温度也升高，主被控过程Ko1﹥0。为保证主回路为负反馈，各环节放大系数成绩必须为正，所以负调节器的放大系数K1﹥0，主调节器作用方式为反作用。又为保证副回路是负反馈，各环节放大系数乘积必须为正，所以负调节器大于0，负调节器作用方式为反作用方式。3.5控制器参数工程整定串级控制系统主、副控制器的参数整定方法主要有三种：两步整定法、一步整定法和逐步逼近法。1、按照串级控制系统主、副回路的情况，先整定副控制器，后整定主控制器的方法叫做两步整定法。2、一步整定法，就是根据经验先将副控制器一次放好，不再变动，然后按照一般单回路孔控制系统的整定方法直接整定主控制器参数。3、逐步逼近法是一种依次整定主回路、副回路，然后循环进行，逐步接近主、副回路最佳整定的一种方法。我们选择两步整定法来整定串级控制系统的参数。4各仪表的选取4.1温度变送器DDZ-III型仪表采用了集成电路和安全火花型防爆结构，提高了仪表精度、仪表可靠性和安全性，适应了大型化工厂、炼油厂的防爆要求。III型仪表具有以下主要特点：（1）采用国际电工委员会（IEC）推荐的统一信号标准，现场传输信号为DC4~20mA。控制室联络信号为DC1~5V,信号电流与电压的转换电阻为250Ω。（2）广泛采用集成电路，仪表的电路简化、精度提高、可靠性提高、维修工作量减少。（3）整套仪表可构成安全火花型防爆系统。DDZ-III型仪表是按国家防爆规程进行设计的，而且增加了安全栅，实现了控制室与危险场所之间的能量限制隔离，使仪表能在危险的场所中使用。DDZ-III型PID调节器主要由输入电路、给定电路、PID运算电路、手动与自动切换电路、输出电路和指示电路组成。调节器接收变送器送来的测量信号，在输入电路中与给定信号进行比较，得出偏差信号，然后在PD与PI电路中进行PID运算，最后由输出电路转换为4~20mA直流电流输出。本设计采用DDZ-III型热电偶温度变送器图。4.1给出了温度变送器（DBW-1190）的接线框图，虽然温度变送器有多个品种、规格，以配合不同的传感元件和不同的量程需要，但他们的结构基本相同。接热电偶调零调整+10输出电压1～5V+11-接24VDC+-12输出电流4～20mA-图4.1温度变送器（DBW-1190）DBW-1190型热电偶温度变送器是DDZ-III系列仪表的主要品种。本温度变送器用热电偶作为测温元件，将被测温度线性地转换成标准信号1-5VDC或4-20mADC输出，供给指示、记录、凋节器、计算机等自动化监控系统技术参数◆输入：标准热电偶◆输出：输出电流：4～20mADC输出电压：1～5VDC输出电阻：250Ω允许负载变化范围：100Ω◆量程：0～2300℃◆冷端补偿误差：≤1℃◆温度漂移：≤0.1×基本误差/1℃◆绝缘电阻：电源、输入与输出端子间≤100MΩ◆绝缘强度：电源/输入/输山端子间1500VAC/分钟◆工作条件：环境温度：0～50℃相对湿度：≤90%（RH）◆电源电压：24VDC±5%◆功耗：＜2W◆防爆等级：(ib)IICT6◆重量：＜2Kg4.2温度检测元件热电偶作为温度传感元件，能将温度信号转换成电动势（mv）信号，配以测量毫伏的指示仪表或变送器可以实现温度的测量指示或温度信号的转换。具有稳定、复现性好。体积小、响应时间较小等优点，热电偶一般用于500℃以上的高温，可以在1600℃高温下长期使用。563412956781234在使用热电偶时，由于冷端暴漏在空气中，受周围坏境温度波动的影响，且距热源较近，其温度波动也较大，给测量带来误差，为了降低这一影响，通常用补偿导线作为热电偶的连接导线。补偿导线的作用就是将热电偶的冷端延长到距离热源较远、温度较稳定的地方。补偿导线的作用如图4.2所示。用补偿导线将热电偶的冷端延长到温度比较稳定的地方后，并没有完全解决冷端温度补偿问题，为此还要采取进一步的补偿措施。具体的方法有：查表法、仪表零点调整法、冰浴法、补偿电桥法以及半导体PN结补偿法。图4.2补偿导线的作用热电偶选用的是W型的热电偶，使用于高温环境。4.3调节阀由前面可以知道，从生产工艺安全出发，燃料油调节阀选用气开式，即一旦出现故障或气源断气，调节阀应完全关闭，切断燃料进入加热炉，确保设备安全。调节阀按其工作能源形式可分为气动、电动和液动三类。气动调节阀用压缩空气作为工作能源，主要特点是能在易燃易爆环境中工作，广泛地应用于化工、炼油等生产过程中；电动调节阀用电源工作，其特点是能源取用方便，信号传递迅速，但难以在易燃易爆环境中工作；液动调节阀用液动推动，推力很大，一般生产过程中很少使用。故本设计采用了气动调节阀，且为气开形式。选用的是ZJHP精小型气动薄膜单座调节阀，公称通径：DN20～200公称压力：1.6、4.0、6.4MPa使用温度：-60～+450℃执行机构：ZHB-22弹簧范围Kpa：20～100,40～200,80～240气源压力Kpa：140,250,400图4.3调节阀的剖面图由于要将电压信号转换成气压信号，才能使调节阀工作，这里我们也要选用电气比例阀来实现电—气转换。选用的是SMCITV0000的电气比例阀。主要参数如下:进口压力范围：最高10bar出口压力范围：0至2bar，0至7bar，0至10bar，或0至12bar温度范围：0°C至最高50°C供电压力：24VDC控制信号：0-10V或4-20mA电气连接：IP65迟滞：1.1%FS流量：1500l/min(G1/4);3600l/min(G1/2)接电信号气压输出口图4.4电气比例阀简易示意图4.4数显温度控制器由前面我们可以知道，需要将温度变送器输出的信号转换成温度信号并显示出来，所以需要加数显温度控制器来实现这一目的。考虑到环境、技术参数等要求，这里我们选用的可控硅数显温度控制器（SWK-B）。引脚配接图如图4.5所示。接地7相+输出+6中-220V交流电源-5地外给定+4-3低+2总接负载接温度变送器信号-1高图4.5数显温度控制器输入电压：220V±10%,50HZ输出电压：0～220V连续可调最大允许负载：5KW精度等级：0.5级4.5联锁保护联锁保护系统由压力调节器、温度调节器、流量变送器、火焰检测器、低选器等部分组成。当燃料管道压力高于规定的极限时，压力调节系统通过低选器取代正常工作的温度调节系统，此时出料温度无控制，自行浮动。压力调节系统投入运行保证燃料管道压力不超过规定上限。当管道压力恢复正常时，温度调节系统通过低选器投入正常运行，出料温度重新受到控制。当进料流量和燃料流量低于允