管式加热炉温度串级控制系统课程设计

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1、南华大学过程控制仪表课程设计题目：管式加热炉温度串级控制系统班级：11级自动化1班学号：20114460102学生姓名：栁纯指导老师：高飞燕2014年6月16日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 2三总体设计方案33.1串级控制系统43.2主回路设计 43.3副回路选择43.4主、副调节器规律选择53.5主、副调节器正反作用方式确定5四各仪表的选取及元器件清单54.1温度变送器54.2调节器64.3调节阀74.4配电器84.5执行器94.6联锁保护104.7仪表型号清单10五接线图10六接线图说明11七

2、心得体会12参考文献 13-设计的目的意义1.1管式加热炉简介管式加热炉通常由以下几部分构成：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 (600-1600C),是热交换的主要场所(约占热负荷的70-80%)。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。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。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。图1-1管式加热炉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

3、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 选原料油出口温度为被控参数、燃料流量

4、为控制变量，温度控制系统中，影响原料油出口温 度的干扰有原料油流量、原料油入口温度、燃料压力、燃料压力等。该系统根据原料油出口 温度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。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0 1。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 0 1的目的。物料出口温度0 1影响物料出口温度的因素有:(1) 燃料油方面(它的组分和调节阀前的油压)的扰动 F2；(2) 喷油用的过热蒸汽压力波动 F4 ；(3) 被加热油料方面(它的流量和入口温度)

5、的扰动 F1 ；(4) 配风、炉膛漏风和大气温度方面的扰动 F3 ；三总体设计方案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，反应缓慢。而温度调节器是根据原料油的出口温度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的影响，控制 质量差。如果以炉膛温度作为被控参数组成单回路控制系统，会使控制通道容量滞后减少, 对来自燃料的干扰的控制作用比较及时。但是炉膛温度不能真正代表原料油出口温度，即使 炉膛温度恒定，原料油本身的流量

6、或入口温度变化仍会影响原料油出口温度，这是因为来自 原料油的干扰并没有包含在反馈回路之内，控制系统不能克服对原料油出口温度的影响，控 制效果仍达不到生产工艺要求。因此将温度调节器对被控参数的精确控制、温度调节器对来自燃料的干扰的及时控制结 合起来，先根据炉膛温度的变化，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，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。加塾炉图3-1管式加热炉温度控制系统%t):彳主调节亂副调节團彳调节阀彳炉膛H

7、壁管宀1原料油I罕+温度变送器2 *温度变送器1 -图3-2管式加热炉出口温度单回路控制系统框图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e1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e 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e 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

8、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e 2能够有效地影响主参数原料油出口温度 e 1， 提高了主参数的控制效果。3.3主、副调节器规律选择在串级控制系统中，主、副调节器的作用是不同的。主调节器是定值控制，副调 节器是随动控制。系统对二个回路的要求有所不同。主回路一般要求无差，主调节器 的控制规律应选取PI或PID控制规律；副回路要求起控制的快速性可以有余差，一 般情况选取P控制规律而不引入I或D，控制。如果引入I控制，会延长控制过程， 减弱副回路的快速控制作用；也没有必要引 D控制，因为副回路采用 P控

9、制已经起 到了快速控制作用，引入D控制会使调节阀的动作过大，不利于整个系统的控制。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 调节作为住调节器的调节规律。3.4主、副调节器正反作用方式确定副调节器作用方式的确定：首先确定调节阀，出于生产工艺安全考虑，燃料调节阀应选用气开式，这样保证当系统 出现故障使调节阀损坏而处于全关状态，防止燃料进入加热炉，确保设备安全，调节阀的 Kv 0。然后确定副被控过程的Ko2,当调节阀开度增大，燃料量增大，炉膛温度上升， 所以Ko2 0。最后

10、确定副调节器，为保证副回路是负反馈，各环节放大系数即增益）乘积 必须为正，所以副调节器K 20，副调节器作用方式为反作用方式。主调节器作用方式的确定：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， 各环节放大系数乘积必须为正，所以副调节器的放大系数K 1 0，主调节器作用方式为反 作用方式。四各仪表的选取及元器件清单4.1温度变送器DBW-130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 C以上的高温，可

11、以在1600 C高温下长期使 用。热电阻也可以作为温度传感元件。大多数电阻的阻值随温度变化而变化，如果某材料具 备电阻温度系数大、电阻率大、化学及物理性能稳定、电阻与温度的关系接近线性等条件, 就可以作为温度传感元件用来测温，称为热电阻。热电阻分为金属热电阻和半导体热敏电阻 两类。大多数金属热电阻的阻值随其温度升高而增加，而大多数半导体热敏电阻的阻值随温 度升高而减少。典电矍输岀1号罠电电薄24VDC适配穗电宙接线鬥+需出信号4CmADCi吉配热电偶接线图供电电诲2W DC输出信号1-SVDC图4-1温度变送器接线图42调节器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

12、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DC420mA, 控制室联络信号为DC15V，信号电流与电压的转换电阻为250(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型仪表室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于隔离，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

13、电路和指示电路组成。调节器接收变送器送来的测量信号(DC420mA或DC15V)，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。全刻度指示调节器DTL-3110兰汗上氓痒*图4-2全刻度指示调节器DTL-31104.3调节阀Q947F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，切断燃料油进入加热炉，确保设备安全为了保证。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

14、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；液动调节阀用液压推动，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。电动球阀接线图按电压可以分为：交流：AC220V、AC380V直流：DC24V、DC12V智能调节式输入输出4-20MA远程就地控制接线图直流线路图4-3电动球阀接线图4.4配电器配电隔离器的工作原理是工业现场一般需要采用两线制传输方式，既要为变送器等一次仪表 提供24V配电电源，同时又要对输入的电流信号进行采集、放大、运算、和进行抗干扰处 理后，再输出隔离的电流和电压信号，供后面的二

15、次仪表或其它仪表使用。它的特性有给 变送器提供驱动电压16.528V。将变送器420mA信号隔离传送。可选择420mA或 15V信号输出，或其它所需的直流信号，模块化表芯设计，无需零点和满度调节。带有工 作电源指示灯现场变送器 (18 528.5TCriNPUT ITW1iX.d9:DY2FP- 1990D1 1 1 1 1 1+(4-20)mA(A20)mA+ 24VDC上师rJ-ii-l-i? WinOUTPUT l配电器图 4-4 配电器 DYZFP-19904.5 执行器 SKJ-710执行器(final controlling element)是自动化技术工具中接收控制信息并对受控对象施加控制作用的装置。外部接线反愷信号中线220750Hz+输入信号图4-5执行器skj-710接线图4.6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