管式加热炉温度串级控制系统课程设计.docx

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管式加热炉温度串级控制系统课程设计

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

目录

一管式加热炉温度控制系统设计的目的意义………………………………………...1

1.1管式加热炉简介……………………..………………………………………….1

1.2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……………………………………………………....................…3

3.1串级控制系统...........................................................................................4

3..2主回路设计...............................................................................................4

3.3副回路选择.................................................................……………….......4

3.4主、副调节器规律选择...........................................………………..........5

3.5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................................................……………....5

4.1温度变送器...........................................................…………....................5

4.2调节器.........................................................……....…...….......................6

4.3调节阀……………....………………………………………………………....7

4.4配电器….……………………………………………….……………….........8

4.5执行器….……………………………………………….……………….........9

4.6联锁保护….……………………………………………….…………….........10

4.7仪表型号清单….……………………………………………….……….........10

五接线图…………………….....…………………………..........……………………10

六接线图说明…………………….....…………………………..........………………11

七心得体会……………………....…………………………..........………………12

参考文献.......................................................................................................13

一设计的目的意义

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（600-1600℃），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。

物料出口温度θ1

图2-1管式加热炉工艺流程图

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）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。

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。

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。

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K2>0，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K1>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。

图4-1温度变送器接线图

4.2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DC4～20mA，控制室联络信号为DC1～5V，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、输出电路和指示电路组成。

调节器接收变送器送来的测量信号（DC4～20mA或DC1～5V），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

图4-2全刻度指示调节器DTL-3110

4.3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

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16.5～28V。

将变送器4～20mA信号隔离传送。

可选择4～20mA或1～5V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。

图4-4配电器DYZFP-1990

4.5执行器SKJ-710

执行器（finalcontrollingelement）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。

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。

当燃料管道压力高于规定的极限时，压力调节系统通过低选器取代正常工作的温度调节系统，此时出料温度无控制，自行浮动。

压力调节系统投入运行保证燃料管道压力不超过规定上限。

当管道压力恢复正常时，温度调节系统通过低选器投入正常运行，出料温度重新受到控制。

当进料流量和燃料流量低于允许下限或火焰熄灭时，便会发出双位信号，控制电磁阀切断燃料气供给量以防回火。

4.7仪表型号清单

五配接图

六接线图配接说明

配接图由2个调节器，2个温度变送器，1个24V配电器，一个执行器，一个阀门组成，配接诚一个串级控制系统，一个温度变送器DBW-310

（1）检测物料出口温度，转换为电流信号加到DTL-3110上，与给定值进行偏差计算与PID运算，调节器

（1）的输出值作为调节器

（2）的给定值，温度变送器

（2）检测炉膛的温度并转换为电信号加到调节器

（2）的输入端，再进行偏差计算与PID运算，执行机构由1.2端子接收调节器的信号，是阀门运动，控制燃料的流量，调节器为1.2端子接输入信号，13.14端子接输出信号，调节器的电源接口端子19.20与温度变送器的电源接口端子7.8均接入配电箱的5.6端口，执行机构电源端口接入220V电源接口。

七心得体会

通过这次课程设计，我发现了很多平时学习上的不足，也学到了很多以前没有涉及到得知识，在平时的学习中常常都是考试要考什么，我就学什么，对于一些公式根本就没有去理解和推导，导致考完试以后就把这些知识给忘掉，没有能够转化成自己的知识，所以刚刚开始做课设时有点吃力，在为期一个多星期的课程设计中，遇到过很多很多的问题。

在做课程设计的过程中，不断发现新的问题，不断去寻找好的解决方法，不断去改变，改进，才能让自己得到提高。

我们首先要学好理论，然后抓住机会实践，在实践中加深对理论的理解，理论与实践相结合，才能学好专业知识，为未来打好基础。

 在设计过程中，从拿到题目，方案的设计到方案的确定，都经过了严谨的思考，回路的设计，调节器的正反作用的确定，被控参数的选择，使系统能够达到设计目的。

同时，其他的同学，在设计的过程中曾耐心给与帮助，使我得以最终完成这次关于管式加热炉温度控制系统的设计。

们以前学习的知识都渐渐离我们远去，甚至不知道、不清楚哪些知识该用到哪些地方，什么时候用。

这次管式加热炉温度控制系统的课程设计，通过自己查找资料，了解情况，让我们清楚我们学的知识与现实工业生产之间的联系，使得我们对知识更加了解和巩固。

参考文献

[1]胡寿松编．自动控制原理．科学出版社，2011．

[2]薛定宇编．控制系统辅助设计．清华大学出版社，2008．

[3]吴勤勤编．控制仪表及装置．化学工业出版社，2009.

[4]丁炜编．过程控制仪表及装置．电子工业出版社，2011．

[5]王兆安，黄俊编.电力电子技术.机械工业出版社，2000.