管式加热炉出口温度串级控制系统设计说明文档格式.docx
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经过《过程检测仪表与控制》课程的学习和生产实习后，对现场的实际过程控制策略、实际环节的控制系统有了一定的认识和了解。
在此基础上，针对实践环节中的被控对象（控制装置），独立完成控制系统的设计，并通过调节系统控制参数，达到较好的控制效果。
1.确定系统整体控制方案以及系统的构成方式，给出控制流程图；
2.现场仪表选型，编制有关仪表信息的设计文件；
3.给出控制系统方框图；
4.分析被控对象特性，选择控制算法；
5.进行系统仿真，调节控制参数，分析系统性能；
6.写出设计工作小结。
对在完成以上设计过程所进行的有关步骤：
如设计思想、指标论证、方案确定、参数计算、元器件选择、原理分析等作出说明，并对所完成的设计作出评价，对自己整个设计工作中经验教训，总结收获。
3.设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书（论文）、图纸、
实物样品等〕：
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1.确定系统整体控制方案、仪表选型、系统控制流程图、选择控制算法。
2.撰写课程设计说明书一份（A4纸）。
4.主要参考文献:
[1]
《过程装备控制技术及其应用》
王毅主编化学工业
[2]
《过程自动化及仪表》
俞金寿
主编
化学工业
[3]
《工业过程控制工程》
王树青
[4]
《控制仪表及装置》
吴勤勤
⑸
《过程控制仪表》
徐春山
冶金工业
⑹
《过程装备成套技术设计指南工程》
黄振仁
[7]
《过程控制装置》
永德
[8]
《化工单元过程及设备课程设计》
匡国柱
[9]
《化工设备设计设计手册》（上、下）
朱有庭
[10]
《工业过程检测与控制》
孟华
5.设计成果形式及要求：
提供课程设计说明书一份，要求容与设计过程相符，且格式要符合规定要求;
系统控制流程图一份；
6.工作计划及进度：
2013年1月7日-1月9日确定系统整体控制方案以及系统的构成方式，画出控制流程图，完成仪表选型，接线图；
1月10日-1月13日控制系统方框图，分析被控对象特性，选择控制算法；
1月14日-1月15日进行系统仿真，调节控制参数，分析系统性能；
1月16日-1月17日编写课程设计说明书
1月18日答辩
系主任审查意见：
签字:
年月日
1.1管式加热炉在石油工业中的重要性1
1.2管式加热炉的基本构成与组成1
1.3管式加热炉出口温度控制系统设计目的及意义1
2管式加热炉温度控制系统工作原理及控制要求2
2.1管式加热炉出口温度控制系统工作原理2
2.2管式加热炉出口温度控制系统控制要求2
3管式加热炉出口温度控系统工艺流程设计2
3.1管式加热炉出口温度影响因素的扰动分析2
3.2管式加热炉出口温度控制系统的工艺流程设计2
4管式加热炉出口温度控系统现场仪表的选型与连线图3
4.1控制系统中温度检测元件的选型3
4.2控制系统中变送器的选型4
4.3控制系统中执行器（调节阀）的选型4
4.4控制系统中调节器的选型5
4.5控制系统中的连锁保护与接线图6
5管式加热炉出口温度串级控制系统分析7
5.1控制系统方框图与工作过程7
5.2主、副调节器规律选择7
5.3主、副调节器正反作用方式确定7
5.4控制器参数工程整定8
6管式加热炉出口温度串级控制系统的MATLABSIMULIN仿真与分析9
6.1传递函数的选择9
6.2系统的参数的选择9
6.3系统的仿真分析10
11
7感受与体会
1管式加热炉概述
1.1管式加热炉在石油工业中的重要性
⑴加热温度高（火焰温度1000C以上），传热速率快。
⑵是整个石油加工和石油化工过程中能耗最大的设备之一
⑶是控制运转周期及自动化及自动化程度的关键设备。
1.2管式加热炉的基本构成与组成
管式加热炉是一种直接受热加热设备主要用于加热气体或液体化工原料，所用燃料通
常有燃料油和燃料气。
管式加热炉的传热方式以辐射传热为主。
管式加热炉一般由辐射室、余热回收系统、对流室、燃烧器和通风系统等五部分组成,
如图1所示。
（1）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%）。
（2）余热回收系统：
用以回收加热炉的排烟余热。
有空气预热方式和废热锅炉方式两
种方法。
（3）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。
（4）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。
（5）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。
其结构通常包括：
钢结构、炉管、炉墙（衬）、燃烧器、孔类配件等。
1.3管式加热炉出口温度控制系统设计目的及意义
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围，由于管式加热炉具有强耦合、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。
2管式加热炉温度控制系统工作原理及控制要求
2.1管式加热炉出口温度控制系统工作原理
控制原理如图2所示，管式加热炉的主要任务是把物料加热到一定温度，以保证下道工序的顺利进行。
燃料油经过蒸汽雾化后在炉膛中燃烧，物料流过炉膛四周的排管中，就被加热到出口温度。
在燃料油管道上装设一个调节阀，物用它来控制燃油量以达到所需出口温度T,的目的。
2.2管式加热炉出口温度控制系统控制要求
被加热物料的流量与初温Di。
燃料热值的变化、压力波动、流量的变化烟窗挡板位置的改变、抽力的变化D3o
影响出口温度Ti变化的因素有很多种，主要表现在：
（1）
（2）
（3）
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，能够及时准确的实现控制过程。
工艺上对出口温度要求不高，一般希望
波动围不超过土1〜2%
3管式加热炉出口温度控系统工艺流程设计
3.1管式加热炉出口温度影响因素的扰动分析
由于从燃料油调节阀开始作用到出口温度T1的改变，整个控制通道的容量滞后大，时间常数大，这就会导致控制系统的控制作用不及时，反应迟钝、最大偏差大、过渡时间长、抗干扰能力差，控制精度降低。
除D1外，D2、D3的变化进入系统的位置，都是首先影响炉膛温度T2，而后经过加热
管管壁的影响被加热油料的温度T1。
而炉膛的惯性小，而炉膛的惯性小，其温度变化很快就可以反映出来，则控制通道的容量滞后大大减小，对干扰D2、D3能够及时克服，减小
它们对出口温度的影响。
所以单独用单回路的出口温度或炉膛温度控制系统各有优缺点，为了同时发挥它们的优点，考虑选用出口温度一炉膛温度的串级控制系统。
3.2管式加热炉出口温度控制系统的工艺流程设计
加热炉温度串级控制系统是以原料油出口温度为被控参数的控制系统。
其它被控参数有炉膛温度，膛壁温度，燃料流量，原料油流量。
主温度调节器对被控参数精确控制，与副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T2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T1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。
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，为解决滞后时间与控
制要求之间的矛盾，保持出口温度Ti的稳定，可根
据炉膛温度T2的变化，先调节燃油量，然后再根据
被加热油料出口温度与给定值之间的偏差，进一步调节燃油量，以保持出口温度Ti稳定，
既包括对所有的扰动控制要求，又及时克服了各种扰动的影响，这样就构成了出口温度调节器与炉膛温度调节器串联起来的串级控制系统（如图3所示）o
4管式加热炉出口温度控系统现场仪表的选型与连线图
4.1控制系统中温度检测元件的选型
由于加热炉炉膛温度不能太高，炉膛温度一般控制在850C以下，温度高有利于辐射传热，但太高会导致炉管结焦和烧坏，所以设此控制系统中的炉膛温度要求为700C左右,
而管式加热炉出口温度假设为石油分馏的温度300°
C。
由产品执行标准IEC584、
GB/T16839-1997、JB/T5518-1991、GB3836热电偶标准，在1000C以下一般用K型热电偶和N型热电偶，热电偶是工
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