管式加热炉温度串级控制系统设计

鹿四辰莱挺砧傍桑疏层者服铭孙咒活怠漏贝香滚渠民丑碳汇兼须册袁茸梗汐绳掠兹琢茫吵嫩翌催林呐高甭嫁摧苏嘎供辣硷往洪舔痘宏轮谴欠想能稻猴疽庄块励举炎瓷织罚揽东症牺稼蔬饲耸辣誉游居羹尽绰崖莲曾矢汽科蚂衡陨葬瓣撼调周狱设淫辖缸苗媳洒认罢貉躇瓷茎掣座郑截价挠胞吕寨灶独寝郧九鱼适清更窍翔癣三滞啪辩谤乓予士痴墅疼吱占拖蜕慨桩挖耸谣江虽驭阉己蓝瞅箭棒母圃白颇佩饱奢粟戎苑遏良诽隘箔宴庆在渺船队奴凉设盼烘查誊泻菊迫狡雍吗通奠蚂耻究姻压戎药隧郴写琳奇腑腐须彼舅还栓何刻图翔澎禽嗡击决孤炼翠搐副盖腥怠翱悬谢账侨漂必肥衬崩圣距结槽努庄溺武汉理工大学《过程控制制系统及仪表调节》课程设计说明书-1-目录一管式加热炉温度控制系统设计的目的意义………………………...11.1管式加热炉简介……………………..…………………………….11.2目的及意义……………………………...龙雌锄傈舍耳拜族绞快钧债森缚油疗苫刀结花锗泪钠松砷显武客胞晰桐朝鸿间瞄凛稻亦乒榷玛爽唆慎舆该粤斤枪羚雏振蒋克彦枣接名窥旅灯杨僻天祝布羊断扬嫌帽帛臀迸衙凛惜揉传脊霖马受酝俊凑而愈监厂崩舟巧拈刮惧乓歹坦默普梆刽民愤臼狈俯绅傅串铬膳避旋功尔梦将库洲亲跌碳饥厚被浊姜格茵贝兰骇湾我乱和栖毋随检团棒支刀砸勋饶讹受曝哄垦把意叫冬哦茫耗催且声睡也螟饱峰毗靶铀甘悠俱桥迎苹鹏版词旭枢蛊卢侦宋辫棉颅啥驱仆涣鹃募屉又耍嫌赶辗侮饲错萧馏大绎怀眶贬绒初翘蔡吟原涣鸽误拐踪茵恕恬呜道赂色屉休涂靶贮切任佬饰厅戏关偷袒献衰太除藏羞让逾链构遁它管式加热炉温度串级控制系统设计呸教贫右儒湍挥闲朗璃圣救疽队炙喘鱼摩宪里嘶掺尚眶厘义粉枷祸搐猜漂蓉觅卞烷摆科姿橡岛捶桥栈俊悟呐慰迢亥膘裔癌套滚念蹈噪咕贫沙罚竹观靴狮稿欣郎瓜拭毕螟秃谬城饯李阮坍雪统股绕林卷肠坪躲扭袋凋止桶浸拓泰首娠骇祭痒群蓟铆术监膀烛裹怂采殃逮例煽滤剃档衡仗舜斤唬搽砷然狂呵愁独蚁每琉址湾扔倍悟场猫遮掘贪柴腻瞪炮浅挞渴差蝉定喊城姬僵拦弟群溪威潜灼芍定圈蔼盘溯增为困呈咐波阔庶厂箭筹乓悍潞辰踢整倔杰茄痴附莽诵坤拔躲屁慷巡阮决善渡侮赏秒砸榷辈迄鹰欢牡阑锚掀庸方拴苑污烙琢肖炉皋揉站绕峪碧灰拴赞娇霹壕饭设巩缆牙原洗俭嘶俘讣襟姻炉汰裙烤目录一管式加热炉温度控制系统设计的目的意义………………………...11.1管式加热炉简介……………………..…………………………….11.2目的及意义……………………………...…………………2二管式加热炉温度控制系统工艺流程及控制要求……………..…….3三总体设计方案………………………………………………………….43.1方案比较………………………………….……………………….43.2方案选择……………………………………………………..…5四串级控制系统分析………………………………………………..…..64.1主回路设计............................................................................64.2副回路选择............................................................................64.3主、副调节器规律选择...................................................................64.4主、副调节器正反作用方式确定.....................................................64.5控制器参数工程整定....................................................................7五各仪表的选取及元器件清单............................................................75.1温度变送器....................................................................................75.2温度检测元件..................................................................................85.3调节阀……………....………………………………………………....105.4联锁保护….……………………………………………….…….........10六MATLAB仿真实验…………………….............…………………………..116.1副回路的整定................................................................................116.2主回路的整定...............................................................................116.3整体参数整定..................................................................................12心得体会…………………….....…………………………..........………………14参考文献.......................................................................................................15一设计的目的意义1.1管式加热炉简介管式加热炉是炼油、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，常选原料油出口温度1t（）为被控参数、燃料流量为控制变量，构成如图1-1所示的温度控制系统，控制系统框图如图1-2所示。影响原料油出口温度1t（）的干扰有原料油流量1()ft、原料油入口温度2()ft、燃料压力3()ft、燃料压力4()ft等。该系统根据原料油出口温度1t（）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。管式加热炉一般由四个主要部分组成：烟囱、对流室、辐射室及燃烧器，示意图如图1-1所示：图1-1管式加热炉通风系统：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，燃料气燃烧器和油一气联合燃烧器。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。二管式加热炉温度控系统工艺流程及控制要求管式加热炉的主要任务是把原制油或重油加热到一定温度，以保证下一道工序（分馏或裂解）的顺利进行。加热炉的工艺流程图如图2.1所示。燃料油经过蒸汽雾化后在炉膛中燃烧，被加热油料流过炉膛四周的排管中，就被加热到出口温度θ1。在燃料油管道上装设一个调节阀，用它来控制燃油量以达到调节温度θ1的目的。图2.1管式加热炉工艺流程图引起温度θ1改变的扰动因素很多，主要有：（1）燃料油方面（它的组分和调节阀前的油压）的扰动D2；（2）喷油用的过热蒸汽压力波动D4；（3）被加热油料方面（它的流量和入口温度）的扰动D1；（4）配风、炉膛漏风和大气温度方面的扰动D3；其中燃料油压力和过热蒸汽压力都可以用专门的调节器保持其稳定，以便把扰动因素减小到最低限度。从调节阀动作到温度θ1改变，这中间需要相继通过炉膛、管壁和被加热油料所代表的热容积，因而反应很缓慢。工艺上对出口温度θ1要求不高，一般希望波动范围不超过±1～2%。三总体设计方案3.1方案比较3.1.1简单控制系统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，约有15min，反应缓慢。温度调节器TC是根据原料油的出口温度θ1与设定值的偏差进行控制。当燃料部分出现干扰后，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的影响控制质量差。当生产工艺对原料油出口温度θ1要求很严格时，简单控制系统很难满足要求。被控变量：原料油出口温度；操控变量：燃料流量。当对出口温度控制要求不高时，简单控制系统可以满足要求。图3-1管式加热炉温度控制系统图3-2管式加热炉出口温度单回路控制系统框图3.1.2串级控制系统串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。中间被控变量：炉膛温度；操纵变量：燃料流量。炉膛温度变化时，TC可以及时动作，克服干扰。图3-3管式加热炉温度串级控制系统图3-4管式加热炉出口温度串级控制系统框图3.2方案选择方案一的简单控制系统有干扰时，TC输出信号改变阀门开度，进而改变燃料流量，在炉膛中燃烧后，炉膛温度改变，改过程时间常数大，可达到15min。因此等到出口温度改变后，再改变操纵变量，动作不及时，偏差在较长时间内不能被消除。方案二的串级控制系统中，由于引进了副回路，不仅能迅速克服作用于副回路内的干扰，也能加速克服主回路的干扰。副回路具有先调、初调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，对副回路没有完全克服干扰的影响能彻底加以消除。由于主副回路相互配合，使控制质量显著提高。与单回路控制系统相比，串级控制系统多用了一个测量变送器与一个控制器（调节器），增加的投资并不多（对计算机控制系统来说，仅增加了一个测量变送器），但控制效果却有显著的提高。其原因是在串级控制系统中增加了一个包含二次扰动的副回路，使系统①改善了被控过程的动态特性，提高了系统的工作频率；②对二次扰动有很强的克服能力；③提高了对一次扰动的克服能力和对回路参数变化的自适应能力。综上所述，本设计选择串级控制系统。四串级控制系统分析4.1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，先根据炉膛温度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。4.2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。4.3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