传热设备控制(new)

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1、加热炉的控制,2020/9/26,1,4.5 加热炉的控制,4.5.1 概述,加热炉是石油化工生产过程的主要设备之一,作用：,工艺介质的升温或气化,结构形式：箱式炉、立式炉、圆筒炉,工作原理：,对象特点：,燃料(油)分几路(雾化喷嘴)进炉燃烧 炉膛火焰辐射给炉管 炉管经热传导、对流传热给工艺介质,炉膛容量大、时间常数大、滞后时间长； 属多容过程；可用一阶加纯滞后环节近似描述； 理论分析比较困难。,操作特点：,避免温度过高，炉管内物料可能分解、结焦 严格控制加热炉出口温度,2020/9/26,2,4.5.2 加热炉的单回路控制,1、对象分析,主要控制指标：工艺介质的出口温度,操作手段：燃料油或燃

2、料气的流量,干扰因素：负荷量、进料温度、组分； 燃料油(气)压力、性质、 雾化状况，空气量，喷嘴阻力等,2、控制回路,(1) 主要控制系统：出口温度控制,(2) 辅助控制系统：, 工艺介质的流量控制系统;, 燃料压力控制系统；, 燃料油雾化蒸汽压力控制。,TT 101,2020/9/26,3,燃料油压力波动较大时，单回路不能 保证良好雾化，可采用以下方案：,用燃料油阀后压力与雾化蒸汽压力之差来 调节雾化蒸汽。,燃料油阀后压力与雾化蒸汽压力比值控制。,（前提条件：管道应畅通）,加热炉负荷大、时间常数和滞后时间较大， 单回路控制很难满足要求，炉出口温度波动较大,3、单回路控制适用场合,对炉出口温度

3、要求不高的场合,干扰较小，且不频繁,炉膛容量较小，滞后小,也可采用流量比值控制,燃料油压力较平稳时，回路可以满足雾化要求。,2020/9/26,4,4.5.3 加热炉的串级控制,炉出口温度对炉膛温度的串级控制,炉出口温度对燃料流量的串级控制,炉出口温度对燃料阀后压力的串级控制,采用压力平衡式控制阀的控制,2020/9/26,5,4.5.3 加热炉的串级控制,2020/9/26,6,1、炉出口温度对炉膛温度的串级控制,干扰(燃料压力、性质等),优点：有利于克服燃料性质变化,注意：(1) 炉膛温度的检测点位置，选择有代表性且反应较快的点；,(2) 副控制器参数不应整定得过于灵敏；,(4) 炉膛温度

4、不应有大的波动；,(5) 炉膛温度测温元件及保护套管应耐高温。,炉膛温度,炉出口温度,炉膛温度比出口温度滞后小,副回路克服干扰，减小对出口温度的影响,(3) 副控制器不引入微分作用；,2020/9/26,7,2、炉出口温度对燃料流量的串级,优点：有利于克服燃料量变化,三串级: 出口温度、 炉膛温度、 燃料量三参数串级,特点：关联回路多，实施困难,缺点: 燃料量小、粘度大时， 流量测量困难,2020/9/26,8,3、出口温度对燃料阀后压力的串级,燃料量小、粘度大时，流量测量困难,特点:应用较广,4、采用压力平衡式控制阀,这种阀本身兼有压力控制器功能，相 当于炉出口温度对燃料压力的串级。,压力测

5、量较方便,应注意管道堵塞,2020/9/26,9,浮动(压力平衡式)阀工作原理,2020/9/26,10,加热炉的串级控制方案 总 结,优点? 缺点?,2020/9/26,11,例1：催化裂化装置加热炉 控制系统,原料油加热到一定温度送给反应器 开工气体为燃料，出口温度控制浮动阀,正常生产重质油为燃料，采用炉出口温度 与燃料阀后压力串级,2020/9/26,12,例1：催化裂化装置加热炉 控制系统,开工,正常,2020/9/26,13,例2：常减压装置加热炉控制系统,原油加热到一定温度送至常压塔分馏,要求炉出口温度稳定,温度控制：炉出口温度对炉膛 温度的串级,负荷控制：单回路流量控制,燃料干扰

6、：单回路压力控制,2020/9/26,14,4.5.4 加热炉的前馈 反馈控制,实际生产中，有时遇到进料量变化频繁、幅度较大,炉子时间常数大、滞后时间长,单回路或串级均很难满足要求,设计前馈 反馈控制系统,前馈主要克服进料流量的干扰,2020/9/26,15,加热炉安全联锁保护控制系统,在以燃料气为燃料的加热炉中,主要危险包括: 被加热工艺介质流量过少或中断； 熄火； 回火；（什么情况下发生？） 脱火。（什么情况下发生？）,2020/9/26,16,4.5.5 加热炉的安全联锁保护系统,联锁保护系统的作用：为安全生产、防止事故,1、燃气加热炉,工艺介质流量过小或中断，切断燃料气,某种原因灭火时

7、，切断燃料气,燃料气压力不能过低，流量不能太小,燃料压力不能过高，否则会引起脱气灭火,BS 101,2020/9/26,17,LS：低选器； BS：火焰检测器； GL1：燃料气流量过低联锁装置； GL2：进料流量过低联锁装置。,加热炉安全联锁保护控制系统,反作用？,反作用？,气开阀？,2020/9/26,18,2、燃油加热炉 (哪个回路实现此功能?),工艺介质流量过小或中断，切断燃料油,燃料油压力过低会回火；燃料油压力过高会脱火,雾化蒸汽压力过低或中断，造成燃料油雾化不良无法燃烧,BS 101,还有什么功能? 和燃气加热炉有什么区别?,2020/9/26,19,蒋慰孙过程控制工程(第2版) 中

8、国石化出版社 金以慧过程控制 清华大学出版社,参考文献:,2020/9/26,20,锅炉设备的控制,2020/9/26,21,4.6 锅炉设备的控制,4.6.1 概述 重要动力设备。 耗能大户,节能研究的重点; 污染大户,环保治理的重点。,1、作用：,动力源,热源,2、组成：,2020/9/26,22,2、组成：,3、工作原理,燃料 空气,混合燃烧发热,汽包,饱和蒸汽,过热蒸汽,母管输出,燃烧烟气,饱和蒸汽,过热蒸汽,省煤器 （给水）,空气预热器（给风）,引风机排出,采用了哪些节能措施?,2020/9/26,23,4、对象分析,特点：,锅 炉,给水量,燃料量,送风量,引风量,减温水,汽包水位,

9、蒸汽温度,蒸汽压力,烟气氧含量,炉膛负压,负荷,锅炉的主要输入、输出,多入多出（MIMO） 变量之间关联,蒸汽负荷 汽包水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度,燃料量 蒸汽压力、汽包水位、蒸汽温度、过剩空气、炉膛负压,给水量 汽包水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度,2020/9/26,24,多输入多输出问题 转化为若干单输入单输出问题: （为什么不用现代控制理论解决？） 汽包水位控制(物料平衡) 燃烧系统控制(能量平衡) 过热蒸汽系统控制(质量控制) 炉膛负压系统控制(安全控制),工业锅炉控制方案的特点,2020/9/26,25,任务：安全、合理的运行条件下， 提供一定温度和压力的蒸汽,要求：,蒸汽量应适合负

10、荷变化的需要，或保持给定的负荷,蒸汽压力保持一定的范围,蒸汽温度保持一定的范围,汽包水位保持一定的范围,炉膛负压保持一定的范围,保持燃烧的经济性和安全运行,2020/9/26,26,6、主要控制系统,(1) 汽包水位控制,受控变量：汽包水位(保证安全运行的重要指标之一),(2) 燃烧系统控制,操纵变量：给水流量,使给水适应锅炉的蒸发量，保持水位在一定范围内,目的：使燃烧产生的热适应蒸汽负荷的变化,受控变量：蒸汽压力、烟气氧含量、炉膛负压,操纵变量：燃料量、送风量、引风量,(3) 过热蒸汽系统控制,目的: 维持过热器出口温度、保证管壁温度不超过允许的温度,受控变量：蒸汽温度,操纵变量：减温水量,

11、2020/9/26,27,4.6.2 汽包水位控制,汽包水位：锅炉运行的主要指标,水位过低：负荷加大时，汽化速度加快，控制不及时会全部汽化,水位过高：影响汽水分离，产生汽带液，影响后序设备的正常运行,1、汽包水位的动态特性,(1) 蒸汽负荷对水位的影响（干扰通道）,H：实际可视水位,H1：不考虑水下面汽泡容积变化时的水位,H2：只考虑水面下汽泡容积变化所引起的水位,假水位与锅炉的工作压力和蒸汽量有关,虚假水位,100t/h300t/h的中高压锅炉，负荷变化10%时，假水位可达3040mm,2020/9/26,28,(2) 给水流量对位的影响（控制通道）,水位特性：纯滞后过程或反向特性过程,2、

12、单冲量控制,缺点：负荷变化时，控制不 及时，不能克服假水 位现象,水位 给水量的单回路控制,适用场合：小型锅炉 负荷较稳定的场合,2020/9/26,29,3、双冲量控制,避免虚假水位造成控制器误动作，设计负荷变化的前馈控制,加法器的输出：,：初始偏置差(阀位的初值),、 ：加法器的系数。 的正、负取决于阀的特性,气关阀：负荷 给水量 应取“-”,气开阀：负荷 给水量 应取“+”,：根据阀的特性数据计算 现场凑试，在只有负荷干扰的条件下， 调整到水位基本不变,：可取1，也可小于1,：在正常负荷下， 与 近似或正好抵消,2020/9/26,30,方框图,缺点：因控制阀的非线性，很难做到稳态补偿,

13、不能克服给水量的扰动,4、三冲量控制,水位、负荷、给水流量的复合控制系统,方案一： 前馈与串级组成的复合控制系统,特点：克服虚假水位现象克服给水量的扰动,双冲量控制的另一种形式,2020/9/26,31,方案二：前馈加反馈控制,综合信号的单回路系统,特点：仪表少容易实现 系数设置不当、水位可能有余差,受控变量：,方案三：前馈-串级控制系统,副回路纯比例控制器，比例度为100%,特点：水位无余差,2020/9/26,32,4.6.3 燃烧系统控制,1、控制系统的目的,保证锅炉出口蒸汽压力稳定,保持燃料良好地燃烧,保持炉膛负压不变,维持喷嘴背压在一定范围内,2、蒸汽压力控制和燃料与空气的比值控制,

14、压力对燃料量的单回路控制适用于负荷及燃料波动较小的场合,燃料量波动较大时，可采用压力对燃料量的串级控制,为什么选蒸汽压力控制？ 为什么选燃料与空气的比值控制？,2020/9/26,33,基本控制方案,压力控制器输出同时 作为燃料和空气流量控制器的设定值,特点：蒸汽压力恒定,燃料和空气的比值恒定,压力对燃料量的串级， 送风量随燃料变化的比值控制。,特点：送风量滞后于燃料量,2020/9/26,34,改进的控制方案,当负荷增加时，先加大空气量，后增加燃料；,当负荷减小时，先减燃料，后减空气。,3、烟气氧含量控制,直接指标：使燃料量与送风量的比值在各种情况下均为最优,烟气氧含量(间接指标),（逻辑提

15、量？）,（节能控制？）,讨论两个问题：,2020/9/26,35,逻辑提量过程分析:,反作用,过程分析:蒸汽量,P,PC,空气量,燃料量,当负荷增加时，先加大空气量，后增加燃料；,蒸汽量,P,PC,燃料量,空气量,当负荷减小时，先减燃料，后减空气。,反作用,HS,LS,反作用,LS,HS,作业:画出上图的原理框图,并且分析它的工作过程。,2020/9/26,36,节能控制思路:,热效率(仪表?) 热损失q不完全燃烧的热损失(机械和化学)、烟气热损失、散热损失,2020/9/26,37,热效率(热损失q) 与空气过剩系数的关系,2020/9/26,38,节能控制思路:,热效率(仪表?) 热损失q

16、不完全燃烧的热损失(机械和化学)、烟气热损失、散热损失 （无法测量）,2020/9/26,39,由燃料的性质可以确定完全燃烧所需要的空气量 理论量,实际燃烧时应有一定的剩余空气 实际量,过剩空气量通常用过剩空气系数来描述,：烟气氧含量,过剩空气系数,2020/9/26,40,空气过剩系数 与烟气氧含量 的关系,2020/9/26,41,小结：节能控制思路:,热效率(仪表?) 热损失q不完全燃烧的热损失(机械和化学)、烟气热损失、散热损失 （无法测量） 空气过剩系数（无法计算） 烟气氧含量 （氧化锆氧分析仪）,2020/9/26,42,重温：改进的控制方案,当负荷增加时，先加大空气量，后增加燃料；,当负荷减小时，先减燃料，后减空气。,3、烟气氧含量控制,直接指标：使燃料量与送风量的比值在各种情况下均为最优,烟