工业加热炉工业设计文件标书文档格式.docx

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温到指定温度，同时可能伴有气化。

加热炉的工作状态将直接影响下游工序的工艺操作。

本次大赛所选被控对象就是工业加热炉，其工艺流程图如图

加热炉工艺流程图

被控对象的设备列表.检测点列表和操作点列表分别如表

设备列表

位号_设备名称__P1101_上料泵__P1102_燃料泵__K1101_鼓风机__F1101_加热炉__E1101_换热器__

位号_执行机构说明_位号_执行机构说明__V1101_待加热物料A管线流量调节阀_V1104_燃料管线流量调节阀__V1102_直接将入加热炉对流段的待加热物料A管线流量调节阀_V1105_产品（物料A）流量调节阀__V1103_去换热器的待加热物料A管线流量调节阀_Do1101_烟道挡板__

位号_执行机构说明__XV1101_物料A管线流量调节阀前阀__XV1102_物料A管线流量调节阀后阀__HV1101_物料A管线流量调节阀旁路阀__

位号_检测点说明_单位_位号_检测点说明_单位__AI1101_烟气含氧量_%_PT1101_燃料压力_MPa__FT1101_待加热物料A流量_Kg/h_PT1102_炉膛压力_MPa__FT1102_去换热器的待加热物料A流量_

Kg/h_TT1101_炉膛中心火焰温度_℃__FT1103_燃料流量_Kg/h_TT1102_进入加热炉辐射段的物料A温度_℃__FT1104_空气量_m^3/h_TT1103_进入加热炉辐射段的物料A温度_℃__FT1105_热物料A流量_Kg/h_TT1104_热物料A温度_℃_____TT1105_烟气温度_℃__2.2加热炉对象工艺过程简介

待加热的物料A经由上料泵P1101泵出，进入换热器E1101管程预热，同时对最终产品（热物料A）的温度微调（降温）。

出换热器E1101管程的物料A进入加热炉F1101的对流段。

加热炉对流段由多段盘管组成，炉膛产生的高温烟气自上而下通过管间，与管内的物料A换热，回收烟气中的余热并使物料A进一步预热。

对流段流出的物料A全部进入F1101辐射段炉管，接受燃烧器火焰的辐射热量。

从辐射段炉管出来的高温热物料A，进入换热器E1101壳程，进行温度的微调并为冷物料预热，最后以工艺所要求的物料温度输送给下一生产单元。

燃料经由燃料泵P1102泵入加热炉F1101的燃烧器，空气经由变频风K1101送入燃烧器。

燃料与空气在燃烧器混合燃烧，产生热量使辐射段炉管内的物料A迅速升温。

燃烧产生的烟气带有大量余热，在对流段进行余热回收。

2.3被控参数特性分析

加热炉对象中主要包括温度、流量和压力这3个参数，不同类型的参数具有不同的对象特性，需要采用不同的控制方法。

（1）温度

温度动态特性的特点：

其一，惯性大，容量滞后大，有些过程的时间常数达

到十几分钟；

其二，温度对象通常是多容的。

由于温度滞后大，控制起来不灵敏，因此温度控制系统需要增加微分作用。

在工业生产过程中，温度控制就是对传热过程的控制，包括对流传热、传导传热和辐射传热。

温度控制的操纵变量通常是流量，如加热介质的流量、冷却介质的流量、燃料的流量等。

温度控制的方法与被控对象的特点、控制精度要求等有关，其种类很多。

（2）流量

流量的测量容易受到噪声的干扰，流量本身可能是平稳的，平均流量没有什么变化，但是测量信号常常是频繁地变动。

这是由于管道中的流动正常时都呈现湍流状态，流量虽然平稳，流体内部却在骚动。

特别是流体通过截流装置时，此种骚动程度比较大，产生的噪声也较大。

噪声是一种频率很高、变化无常的流体流动，这是流量控制系统不能加微分的原因。

由于噪声频率很高，虽然幅度变化不大，但若加上微分控制器其输出容易出现波动，反而使系统不稳定。

流量过程时间常数很小，当手动调整阀门时，流量在几秒钟内就能变化完毕，回应比较灵敏。

这是由于工业过程中调节阀（执行机构）往往直接作用于流量，而管道的容量有限，缓冲余地小，阀门一动作，流量立即变化，滞后时间小、回应快。

对于流量而言，广义对象的时间常数主要取决于控制器、定位器、变送器和信号传输等部分，流量自身的时间常数相对较小。

（3）压力

压力对象的常见类型有两类。

其一是具有一定容量的气罐，此种情况下，体积和容量较大，动态特性的时间常数较大，即惯性较大。

其二是管道的压力，由于管道容积较小，所以时间常数较小，控制比较灵敏。

流量对象和压力对象与温度对象相比，都是比较快的过程，时间常数不大，大致都呈现单容特性，在控制中一般不用微分作用。

2.4安全相关系统的设计原则如下：

（1）信号报警、联锁点的设置，动作设定值以及调整范围必须符合生产工艺的要求；

（2）在满足安全生产的前提下，应当尽量选择线路简单、元器件数量少的方案；

（3）安全相关系统应当安装在振动小、灰尘少、无腐蚀气体、无电磁干扰的场所；

（4）应用DCS和PLC时，可采用经权威机构认证的DCS/PLC来构造安全相关系统；

（5）安全相关系统中安装在危险场所的检出装置、执行器、按钮、信号灯、开关等应当

符合所在场所的防爆、防火要求；

（6）安全相关系统的供电要求与一般仪表供电等级相同，为保证重要安全仪表系统稳定、

可靠的工作，应当为其配备不间断电源。

遵照上述原则，本方案通过对加热炉进行安全分析，确定系统所应实施的安全相关系统。

2.5加热炉控制任务描述

针对该加热炉所提出的控制要求主要有四个方面，包括：

热物料A出口温度控制、节能控制、减排控制、安全控制。

控制任务的具体要求如下：

（1）热物料出口温度控制

要求在物料A进料量一定的情况下，使得热物料A出口温度达到并维持在允许的范围内。

（2）节能控制

要求在满足工艺控制需求的前提下，达到最小燃料使用量。

一方面要求加热炉在正常工

况时燃料使用量最少，同时在从冷态开车到加热炉达到正常工况时所需的燃料用量达到最少。

（3）减排控制

排放指标主要体现在二氧化碳的排放量上，同时兼顾由于燃烧不充分产生有毒一氧化碳

的排放量。

（4）安全控制

针对炉管爆裂、炉膛灭火、进料中断这三种加热炉事故进行故障识别并设计相应的安全

控制系统。

2.6加热炉特性分析

加热炉装置是一个复杂的被控对象，主要输入变量包括物料A上料量、燃料量、送风量和引风量等；

主要输出变量则是物料A出口温度、烟气含氧量、炉膛负压等，上述输入变量与输出变量之间相互关联。

如果加热炉负荷发生变化，必将引起物料A出口温度等参数的化；

燃料量的变化不仅影响物料A出口温度，同时还会影响烟气含氧量和炉膛负压等，所以加热炉设备是一个多输入、多输出且相互关联的被控对象.

SMPT‐1000加热炉IO说明

为确保设计开发型赛项工程现场实施的统一性，本文件对SMPT-1000为加热炉工程提供的IO变量进行说明。

在物料A进料管线，提供物料A流量检测点FI1101和调节阀FV1101，并为FV1101设置旁路阀HV1101。

在换热器E1101的管程出口，也就是加热炉对流段入口，提供物料A温度检测点TI1201。

在加热炉对流段出口，提供物料A温度检测点TI1102。

在加热炉辐射段出口，提供物料A温度检测点TI1103。

在热物料A出口管线，提供热物料A流量检测点FI1105、物料A温度检测点TI1104以及调节阀FV1105。

对于燃料进料管线，提供燃料流量检测点FI1103和调节阀FV1104。

对于空气管线，提供空气流量检测点FI1104，鼓风机变频调速机构为S1101。

对于烟气出口管线，提供烟气温度检测点TI1105、烟气含氧量检测点AI1101、烟气流量检测点FI1107,以及烟道挡板DO1101。

对于加热炉内部，提供火焰温度检测点TI1101和炉膛真空度检测点PI1102。

上料泵P1101和燃料泵P1102为恒压恒速供料，只能启停，不能变频调速。

鼓风机K1101可以变频调速。

1SMPT-1000加热炉模拟量输出列表

序号_名称_位号_单位_相对地址__1_物料A进料流量_FI1101_kg/s_IW+2__2_燃料流量_FI1103_kg/s_IW+6__3_空气量_FI1104_m3/s_IW+8__4_热物料A出口流量_FI1105_kg/s_IW+10__5_烟气流量_FI1107_kg/s_IW+12__6_炉膛中心火焰温度_TI1101_℃_IW+26__7_加热炉对流段出口物料A温度_TI1102_℃_IW+28__8_加热炉辐射段出口物料A温度_TI1103_℃_IW+30__9_热物料A出口温度_TI1104_℃_IW+32__10_烟气温度_TI1105_℃_IW+34__11_加热炉对流段入口物料A温度_TI1201_℃_IW+36__12_燃料压力_PI1101_MPa_IW+40__13_炉膛真空度_PI1102_mmH2O_IW+42__14_烟气含氧量_AI1101_%_IW+52__

2.SMPT-1000加热炉数字量输出列表

序号_名称_位号_地址__1_炉膛燃烧状态指示_D1101_I+1.0__

3.SMPT-1000加热炉模拟量输入

序号_名称_位号_相对地址__1_物料A进料管线调节阀_FV1101_HV1101__2_燃料管线调节阀_FV1104_QW+10__3_变频鼓风机_S1101_QW+12__4_热物料A出口管线调节阀_FV1105_QW+14__5_烟道挡板_DO1101_QW+16__6_物料A进料管线调节阀旁路阀_HV1101_QW+18__

4.SMPT-1000加热炉数字量输入列表

三、控制系统设计

3.1基础控制系统及开车顺序控制系统的设计（包括控制回路、控制算法、被控变量、操纵变量、控制规律、阀门特性、顺序逻辑、安全保障等功能设计，并说明设计理由）

3.1控制方案设计原则

控制方案的设计遵循合理性、可行性原则，即所设计的控制方案一定是经过验证可以实施的。

按照这一原则，本方案以工业上常见的控制方案为参照，以单回路控制、串级控制、前馈控制、PID控制、内模控制等为基本方案，这样可以保证方案具有较高的可实施性和工业应用价值。

3.2被控变量的选择原则

被控变量：

过程内要求保持设定数值称之为被控变量。

在设计自动控制系统时，被控变量的选择非常重要，它关系到系统能否达到稳定操作、增加产量、提高质量、改善劳动条件、保证安全等目的，关系到控制方案的成败。

如果被控变量学则不当，不管组成什么形式的控制系统，也不管配上多么精密现金的工业自动化装置，都不能达到预期效果。

（1）选择被控变量应能代表一定的工艺操作指标或能反映工艺操作状态，一般都是工艺过程中比较重要的变量。

（2）尽量采用直接指标作为被控变量。

当无法获得直接指标信号，或其测量和变送信号滞后很大时，可选择与直接指标有单只对应关系的间接指标作为被控变量。

（3）被控变量应能被测量出来，并具有足够大的灵敏度，一边反映产品质量的变化。

（4）选择被控变量时，必须考虑到工艺的合理性和国内仪表产品生产的现况。

（5）被控变量应是独立可控的。

3.3调节阀选型原则

（1）阀门开闭形式选择原则

对于一个具体的控制系统来说，究竟选择气开阀还是气闭阀，要由具体的生产工艺来决定。

一般来说，要根据以下几条原则进行选择：

①首先要从生产安全出发，即当气源供气中断、控制器故障无输出或调节阀膜片破裂、漏气等而使调节阀无法正常工作，使得阀芯回复到无能源的初始状态时，应能确保生产工艺设备的安全，不致于发生事故。

②从保证产品质量出发，当调节阀处于无能源状态而回复到初始位置时，不应降低产品的质量。

③从降低原料、成品、动力损耗来考虑。

④从介质的特点考虑。

一般来说，根据上面介绍的几条原则，调节阀开、闭形式不难选择。

不过，如遇到下面两种情况时，在调节阀开、闭形式的选择上需要加以注意。

第一种情况是由于工艺要求不一，对于同一调节阀可以有两种不同的选择结果。

如果出现这种情况，需要与工艺专业人员认真分析、仔细协商、分清主次、权衡利弊、慎重选择。

第二种情况是某些生产工艺对调节阀开、闭形式的选择没有严格要求，调节阀的开、闭形式可以任选。

（2）阀门流量特性选择原则

调节阀的流量特性指流过调节阀的流量与阀杆行程之间的函数关系。

根据调节阀两端的压降，调节阀流量特性分固有流量特性和工作流量特性。

固有流量特性是调节阀两端压降恒定时的流量特性，亦称为理想流量特性。

工作流量特性是在工作状态（压降变化）下调节阀的流量特性。

调节阀出厂所提供的流量特性是理想流量特性。

国内常用的理想流量特性有线性、等百分比（对数）和快开等几种。

图下所示为调节阀的流量特性曲线，可以看出流过调节阀的流量随调节阀开度的变化曲线，其中1为线性流量特性，2为等百分比流量特性，3为快开流量特性。

实际应用时，由于调节阀两端的压降下降不是恒定的，因此，调节阀理想流量特性会发生畸变。

所以在调节阀流量特性选择时，先选好工作流量特性，然后根据压降比S来确定理想流量特性。

根据控制系统稳定运行的原则，扰动或设定值变化时，控制系统静态稳定运行的条件是控制系统各开环增益之积基本恒定；

控制系统动态稳定运行的条件是控制系统总开环传递函数的模基本恒定。

选择调节阀工作流量特性的目的是通过调节阀调节机构的增益来补偿因对象增益变化而造成的开环总增益变化的影响。

总开环增益K开=KcKv1Kv2KpKM，一般已整定好的调节器增益Kc、执行机构增益Kv1和检测变送环节增益KM不随负荷或设定值而变化。

为使K开恒定，需用调节阀增益Kv2的变化补偿过程对象增益Kp。

当Kp随负荷或设定值变化时，通过选择合适的调节阀流量特性，使Kv2Kp保持基本不变。

对于流量控制回路，被控变量与操纵变量相同，都为流量，所以流量对象Kp=1。

若使用流量变送器时，变送器输出与流量成正比，KM=常数，为使系统稳定，选Kv2恒定的调节阀，

即线性调节阀。

若使用差压变送器而又没有加开方器时，变送器输出与压差成正比，即

YM=KQ2；

KM=dY/dQ=2KQ，使KMKp与流量Q成正比，为补偿该非线性关系，应选择Kv2与

流量Q的倒数成正比的调节阀流量特性，即选用快开调节阀。

3.4控制器规律选择原则

工业过程中常见的控制规律有开关控制、比例控制、比例-积分控制、比例-微分控制、比例-积分-微分控制等。

过程工业中常见的参数有流量、液位、压力和温度，这些参数有些是重要的生产参数，有些是不太重要的参数，所以控制要求也是各有不同，控制规律的选择要根据具体情况而定。

有一些基本原则可以在选择时加以考虑：

对于不太重要的参数，可以考虑采用比例控制，甚至采用开关控制；

对于不太重要的参数，但是惯性较大，又不希望动态偏差较大，可考虑采用比例-微分控制。

但是对于系统噪声较大的参数，例如流量，则不能选用比例-微分控制；

对于比较重要的、控制精度要求比较高的参数，可采用比例-积分控制；

对于比较重要的、控制精度要求比较高、希望动态偏差小、被控对象的时间滞后较大的参数，应该采用比例-积分-微分控制或者是先进控制算法。

3.5物料A进料流量单回路控制

作为加热炉的负荷，被加热物料A的进料流量如果波动的话，将对加热炉正常生产产生一定影响，因此，需要对物料A进料流量进行控制。

控制方案

本系统只有一股温度为20℃的物料A，该物料来自于生产上游。

由于上游物料A的流量可能波动，除此之外没有其他干扰，所以为其选择单回路控制系统。

在对物料A进料流量进行控制时，被控变量与操纵变量均为物料A流量，控制系统的方块图.

物料A流量測量變送器

加热炉

物料A流量調節閥

物料A流量控制器

物料A进料流量单回路控制系统方块图

3.6调节阀选型

根据阀门开闭形式的选择原则：

发生故障时必须保证生产安全；

降低原料、成品、动力

损耗等，当发生故障的时候，为了节约物料A，应该将物料A流量调节阀关闭，所以物料A

进料流量调节阀门为气开阀。

根据调节阀流量特性的相关知识，选用等百分比阀。

3.7控制器正反作用确定

在物料A进料流量控制回路中，流量调节阀为气开阀，符号为“正”；

当流量调节阀开大时，物料A流量会增加，所以流量对象的符号为“正”；

变送器的符号为“正”；

偏差环节的符号为“负”；

为了保证控制系统稳定，必须保证该系统的反馈为负反馈，即该控制系统中各组成部分的符号之积为“负”，所以物料A流量控制器为正作用控制器。

3.8控制规律选择

流量被控对象的被控变量和操纵变量是同一物料的流量，只是处于管路的不同位置。

由于时间常数很小，其控制通道基本上是一个放大系数接近于1的放大环节。

因此，广义对象特性中测量变送环节和调节阀的滞后就不能忽略，使得对象、测量变送环节及调节阀的时间常数在数量级上相同，且数值不大。

此时组成的系统可控性较差，且频率较高，所以控制器的比例度必须放得大些。

为了消除余差，提高系统动态性能，对流量精确控制，有必要引入积分作用，积分时间通常在0.1分钟到数分钟之间。

有时可在变送器和控制器间接入反微分器，以提高系统的控制质量。

所以流量控制回路中，流量控制器的控制规律一般选用比例积分（PI）控制器。

因为生产工艺对进料流量的稳定性要求较高，为减小稳态误差，控制器应该具有积分作用，所以物料A进料流量控制器采用PI控制器。

3.9燃料量、空气量比值控制

3.4.0控制方案

燃烧系统控制的主要目的是为了保证燃料能够充分燃烧，释放全部能量，使得加热炉的

燃烧状况正常、平稳。

同时，为了防止过剩空气带走能量，空气剩余量也不能太大。

因此，

本参赛队设计了燃料量、空气量比值控制系统。

同时，为了降低燃料流量和空气流量的扰动，

对燃料流量和空气量设计闭环控制，使流量实测值跟随给定值。

本方案中，燃料量和空气量

既为被控变量，又是操纵变量。

3.4.1主、副物料选择

比值控制系统涉及到主、副物料的选择问题。

在燃烧系统中，空气供应不成问题，而燃料可能供应不足，为了保证燃料的充分燃烧，这里要求空气量随着燃料量的变化而变化。

同。

为了防止燃料因供应不足而失控时，流量比值仍能始终保持，因此选择燃料为主物料，

而空气为副物料。

该比值控制系统的方块图如图2·

3所示。

炉膛

燃料流量測量變送器

鼓風機

空氣流量控制器

K

燃料流量調節閥

燃料流量控制器

3.4.2调节阀选型

根据阀门开闭形式的选择原则，同时考虑到燃烧的特点：

当发生故障时，应该关闭燃料

阀，保证操作人员以及设备的安全。

因此，燃料流量调节阀为气开阀。

而空气流量是通过调

节变频风机的转速来完成的，不涉及到调节阀的选型。

根据调节阀流量特性选择的相关知识，燃料流量调节阀选用等百分比阀。

3.4.3控制器正反作用确定

在燃料流量控制回路中，燃料流量调节阀为气开阀，符号为“正”；

当流量调节阀开大时，

燃料流量会增加，所以流量对象的符号为“正”；

为了保证控制系统稳定，燃料流量控制器为正作用控制器。

在空气流量控制回路中，鼓风机相当于气开阀，符号为“正”；

当鼓风机频率增加的时候，

空气流量增加，所以空气流量对象的符号为“正”；

偏差环节的符号为

“负”；

为了保证控制系统稳定，空气流量控制器为正作用控制器。

3.4.4控制规律选择

燃烧系统对于燃料流量以及空气量的要求比较高，要减少稳态误差；

同时，由于流量噪

声比较大，不能采用微分作用。

因此，根据控制规律选择的原则，燃料流量控制器和空气流

量控制器均采用比例积分（PI）控制器。

3.4.5物料A出口温度控制

3.4.6物料A出口温度的影响因素分析

物料A出口温度是通过吸收燃料量所释放出来的能量达到的，所以一切影响燃料热量释放的因素都会对物料A出口温度造成影响。

经过分析可知，影响加热炉出口温度的因素包括：

工艺介质的进料流量、燃烧工况（燃料流量、燃料压力、燃料组分以及空气量）以及进炉空气温度等。

（1）物料A进料流量

当燃烧工况一定时，燃料燃烧所放出的能量是一定的。

根据能量守恒原理，当物料A的

流量增加时，物料A出口温度会降低；

反之，当物料A的流量减少时，物料A出口温度会

升高。

为了减少物料A进料流量波动对物料A出口温度的影响，要对物料A进料流量进行控

制。

（2）燃烧工况

①燃料量和空气量等比变化

当燃料量和空气量等比减少时：

由于释放出来的能量减少，物料A出口温度会降低。

当燃料量和空气量等比增加时：

由于释放出来的能量增加，物料A出口温度会升高。

②燃料量减少而空气量不变

由于燃料量减少，燃量燃烧释放出来的能量减少，同时过量空气会携带一部分热量排放

出去，所以物料A出口温度会降低。

③燃料量增加而空气量不变

由于燃烧空气量不变，燃料可能无法充分燃烧，所释放出来的能量需视具体情况而定。

④燃料量不变而空气量减少

由于燃料燃烧不充分，所释放出来的能量减少，物料A的温度会降低。

⑤燃料量不变而空气量增加

由于过量的空气会带走一部分能量，物料A的温度会降低。

燃料中可燃烧成分变化时，物料A出口温度变化的情况与燃料量变化时的情况相同。

以上分析的结果汇总表示。

燃烧工况对物料A