加热炉装置自动控制系统设计 3解析.docx
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加热炉装置自动控制系统设计3解析
邮电与信息工程学院
课程设计说明书6
课题名称：
加热炉装置自动控制系统设计
学生学号：
专业班级：
10自动化03班
学生姓名：
学生成绩：
指导教师：
陈国平
课题工作时间：
2013年12月2日
至
2013年12月13日
一、课程设计的任务及基本要求：
任务：
完成加热炉装置自动控制系统设计。
包括
1．熟悉加热炉装置工作要求，确定系统方案。
2．合理选择控制设备型号及规格，编制设备表。
3．完成相关图纸的设计。
4．编制设计说明书。
要求：
控制方案合理、控制设备选型合理，图纸符合有关设计标准及规范。
具体内容包括
1．设计说明书，包括
1）加热炉装置工艺说明
2）相关控制系统说明
3）自控设备选型（计算）说明
4）自控设备表一览表
2．设计图纸（图纸符合相关国家标准），包括
1）仪表管道流程图（PID）
2）仪表盘正面布置图
3）仪表盘背面电气接线图
指导教师签字：
陈国平
2013年11月28日
二、进度安排：
1～3
收集查阅资料，熟悉加热炉装置操作要求
确定系统控制方案及选型原则
4～7
熟悉相关图纸标准、绘制流程图
设备选型、编制设备一览表，绘制布置图及接线图
8
设备计算
9～10
撰写设计说明书、答辩
三、应收集资料及主要参考文献：
1．加热炉装置的工作原理及工艺操作手册
2．有关自动化仪表产品手册及选型样本
3．自控设计手册
四、课程设计（学年论文）摘要（中文）
本课程设计是通过加热炉辐射与对流传热将一定量的物料加热至工艺要求的温度。
在该加热炉工艺流程段中为使物料进入加热炉时温度达到一定的要求，所以分两路，一路进入换热器与热物料换热后，与别外一路混合，进入加热炉的对流段。
进入换热器的待加热物料走管程，一方面对最终产品的温度起到微调的作用，另一方面也能对待加热物料起到一定的预热作用。
本设计完成了加热炉温度控制的工艺流程图、仪表盘正面布置图以及仪表盘背面接线图，所用仪表基本都为DDZ-Ⅲ型仪表。
五、课程设计（学年论文）摘要（英文）
Thedesignofthiscourseisthroughheatingfurnaceradiationandconvectiveheattransfertechnologyofacertainamountofmaterialheatedtotherequiredtemperature．Intheprocessofheatingfurnaceformakingmaterialsintoheatingfurnacetemperaturesreachcertainrequirements，sothetworoad，afterenteringtheheatexchangerandthermalheattransfermaterial，mixedwithoutsideallthewayintotheheaterconvectionsection．Heatingmaterialenteringtheheatexchangertube，ontheonehandtofinetunetheeffectonthefinalproducttemperature，ontheotherhandtreatpreheatingheatingmaterialsplayarole．Thisdesignthroughheatingfurnacetemperaturecontrolforprocessflowdiagrams，dashboardslayoutfrontandbackoftheinstrumentpanelwiringdiagrams，theinstrumentisbasicallyforDDZ-ⅲ-typeofinstrumentused．
六、成绩评定：
指导教师评语：
指导教师签字：
陈国平
2013年12月15日
项目
评价
项目
评价
调查论证
工作量、工作态度
实践能力
分析、解决问题能力
质量
创新
得分
七、答辩纪录：
①本设计中用了哪些回路,各有什么作用?
答：
在本设计中共设置了三个控制回路,一个是前馈--反馈控制回路,作用是对燃料流量进行控制;一个是比值控制回路,作用是对燃料和空气流量按一定的比值送入,达到最佳的利用,节约资源。
还有一个以空气含氧量为受控变量的单回路控制，其作用亦是为了充分使燃料燃烧，同时节约源料。
②加热炉的构造有哪些？
答：
加热炉由底盘，壳体，对流室，辐射室，烟囱，防爆门（球），烟道挡板，风机，油气联合燃烧器，烟气余热回收系统等组成。
③仪表盘背面电气接线图有哪几种方法，各有何优缺点？
答：
共有三种方法，一是直接接线法，优点是直观简单，缺点是图画线条较多，不可避免出现线条交叉点，对图纸阅读不利。
二是单元接线法，优点是图画连线简洁，缺点是不能直接表达出仪表间的连接关系。
三是相对呼应法，在短线上标出对方连接点编号（一呼），同时在对方连接点上标出本方的编号（一应），这种方法使用最多，也最实用。
记录人（签字）：
2013年12月13日
答辩意见及答辩成绩
答辩小组教师（签字）：
2013年12月13日
总评成绩（教师评分×75%+答辩成绩×25%）：
课程设计评审标准（指导教师用）
评价内容
具体要求
权重
调查论证
能独立阅读文献和从事其他调研；能提出并较好地论述课题实施方案；有收集、加工各种信息及获得新知识的能力。
0.1
实践能力
能正确选择研究（实验）方法，独立进行研究工作。
如装置安装、调试、操作。
0.2
分析解决
问题能力
能运用所学知识和技能去发现和解决实际问题；能正确处理实验数据；能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。
0.2
工作量、
工作态度
按期圆满完成规定任务，工作量饱满，难度较大，工作努力，遵守纪律；工作作风严谨务实。
0.2
质量
综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理；实验正确，分析处理科学；文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、整洁、正确；论文结果有应用价值。
0.2
创新
工作中有创新意识；对前人工作有改造或独特见解。
0.1
第1章 加热炉装置的相关应用说明和本设计工艺流程描述
一、加热炉工作原理
液体（气体）燃料在加热炉辐射室（炉膛）中燃烧，产生高温烟气并以它作为热载体，流向对流室，从烟囱排出。
待加热的原油首先进入加热炉对流室炉管，原油温度一般为29。
炉管主要以对流方式从流过对流室的烟气中获得热量，这些热量又以传热方式由炉管外表面传导到炉管内表面，同时又以对流方式传递给管内流动的原油。
原油由对流室炉管进入辐射室炉管，在辐射室内，燃烧器喷出的火焰主要以辐射方式将热量的一部分辐射到炉管外表面，另一部分辐射到敷设炉管的炉墙上，炉墙再次以辐射方式将热辐射到背火面一侧的炉管外表面上。
这两部分辐射热共同作用，使炉管外表面升温并与管壁内表面形成了温差，热以传导方式流向管内壁，管内流动的原油又以对流方式不断从管内壁获得热量，实现了加热原油的工艺要求。
加热炉加热能力的大小取决于火焰的强弱程度（炉膛温度）、炉管表面积和总传热系数的大小。
火焰愈强，则炉膛温度愈高，炉膛与油流之间的温差越大，传热量越大；火焰与烟气接触的炉管面积越大，则传热量越多；炉管的导热性能越好，炉膛结构越合理，传热量也愈多。
火焰的强弱可用控制火嘴的方法调节。
但对一定结构的炉子来说，在正常操作条件下炉膛温度达到某一值后就不再上升。
炉管表面的总传热系数对一台炉子来说是一定的，所以每台炉子的加热能力有一定的范围。
在实际使用中，火焰燃烧不好和炉管结焦等都会影响加热炉的加热能力，所以要注意控制燃烧器使之完全燃烧，并要防止局部炉管温度过高而结焦。
二、加热炉的作用
加热炉是给原料加热，使原料达到反应温度的场所，是整个装置能耗最大的部分，燃料油或瓦斯气燃烧放热，通过辐射传热，对流传热的方式将热量传递给炉管，再通过热传导，热对流的方式传递给原料。
三、加热炉的运行参数
炉膛温度（挡墙温度）
炉膛温度一般指烟气离开辐射室的温度，也就是烟气未进入对流室的温度或辐射室挡火墙前的温度，是加热炉运行的重要参数。
在炉膛内（辐射室）燃料燃烧产生的热量，是通过辐射和对流传给炉管的。
传热量的大小与炉膛温度和管壁温度有关。
原油从加热炉中获得的热量其中有以辐射传热为主。
辐射换热与火焰的绝对温度的四次方成正比，因此，在高温区中，辐射受热面的吸热效果要比对流受热面的效果好，吸收同样数量的热量，辐射换热所需的受热面积即金属消耗量要比对流换热的少。
设计时选取的炉膛温度值决定着加热炉辐射受热面及对流受热面之间的吸热量比例。
炉膛温度高，辐射室传热量就大，所以炉膛温度能比较灵敏地反映炉出口温度。
但是从运行角度考虑，炉膛温度过高，辐射室炉管热强度过大，有可能导致辐射管局部过热结焦同时进入对流室的烟气温度也过高，对流室炉管也易被烧坏，使排烟温度过高，加热炉热效率下降。
所以炉膛温度是保证加热炉长期安全运行的指标。
在输油加热炉中炉膛温度最高不超过&。
排烟温度
排烟温度是烟气离开加热炉最后一组对流受热面进入烟囱的温度。
排烟温度不应过高，否则热损失大。
在操作时应控制排烟温度，在保证加热炉处于负压完全燃烧的情况下，应降低排烟温度。
排烟温度的调节一般用控制进风量，即调整过剩空气系数的办法。
降低排烟温度，可减少加热炉排烟热损失，提高热效率，从而节约燃料消耗量，降低加热炉运行成本。
但排烟温度过低，使对流受热面末段烟气与载热质的传热温差降低，增加了受热面的金属消耗量，提高加热炉的投资费用。
因此，排烟温度的选择要经过经济比较。
在选择最合理的排烟温度时，还应考虑低温腐蚀的影响。
由于燃料中的硫在燃烧后可生成SO2，它在烟气中和水蒸气形成硫酸蒸气，当受热面壁温低于硫酸蒸气的露点温度时，硫酸蒸气就会冷凝下来，腐蚀壁面金属。
如受热面壁温低于烟气中水蒸气的露点时，则水蒸气也会凝结在管壁上，加剧了腐蚀，并且容易引起堵灰。
降低露点，减少腐蚀和积灰的措施有：
净化燃料油。
目前国外已有应用，但能否广泛应用还值得研究。
四、被控对象工艺流程描述
所选被控对象为过程工业领域常见的加热炉单元，通过加热炉辐射与对流传热将一定流量的物料A加热至工艺要求的温度。
待加热物料A经由上料泵P1101泵出，分两路，其中一路进入换热器E1101与热物料换热后，与另外一路混合，进入加热炉F1101的对流段。
进入换热器E1101的待加热物料A走管程，一方面对最终产品（热物料A）的温度起到微调（减温）的作用，另一方面也能对待加热物料A起到一定的预热作用。
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，达到所要求的高温后出加热炉，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。
五、工艺过程简介
待加热物料A流量为F1101，温度为常温20℃，经由上料泵P1101泵出。
流量管线上设有调节阀V1101，调节阀有前、后阀XV1101和XV1102，以及旁路阀HV1101。
待加热物料A被分为两路，一路进入换热器E1101预热，预热后与另外一路混合进入加热炉。
两路物料A管道上分别设有调节阀V1102和V1103。
正常工况时，大部分待加热物料A直接流向加热炉对流段，少部分待加热物料A流向换热器，其流量为F1102。
燃料经由燃料泵P1102泵入加热炉F1101的燃烧器，燃料流量为F1103，燃料压力为P1101，燃料流量管线设调节阀V1104。
空气经由变频风机K1101送入燃烧器，空气量为F1104。
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。
对流段烟气出口处的烟气温度为T1105。
烟气含氧量A1101设有在线分析检测仪表。
烟道内设有挡板DO1101。
出对流段、入辐射段的物料A温度为T1102。
从辐射段炉管出来的温度为T1103的高温物料A进入换热器E1101，进行温度的微调。
最终产品（热物料A）的温度为T1104，流量为F1105，出口管道上设流量调节阀V1105。
炉膛压力为P1102，炉膛中心火焰温度为T1101，为红外非接触式测量，仅提供大致温度的参考。
第二章 系统的控制方案选型
在本设计工艺流程中一共设置了三个控制回路，一个是由物料A的进料流量和出口热物料A的温度组成的对燃料流量进行控制的前馈—反馈控制回路。
一个以出口烟气含氧量为受控变量的单回路控制系统，还有一个是针对炉管爆裂（A物料为可燃物质）、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。
1）对燃料流量进行的前馈—反馈控制方案的确定
①实际的工业控制会存在多个扰动，若均设置前馈通道，势必增加控制系统的投资费用和维护工作量，因而一般仅选几个主要干扰作为前馈通道。
这样设计的前馈控制器对其它干扰是没有比毫校正作用的。
②前馈控制系统中，不存在受控变量的反馈，也即对于补偿的效果没有检验的手段，因此，如果控制的结果无法消除受控变量的偏差，那么系统也就无法获得这一信息的做进一步的校正。
为了解决前馈的这一局限性，在工程中往往将前馈与反馈结合起来应用构成前馈—反馈控制系统。
这样既发挥了前馈校正及时的优点，又保持了反馈控制能克服多种扰动及对受控变量进行最终检验的长处。
前馈—反馈系统的优点：
①由于增加了反馈回路，大大简化了原有前馈控制系统，只需对主要的干扰进行前馈补偿，其他干扰可由反馈控制予以校正。
②反馈回路的存在，降低了前馈控制模型的精度要求，为工程上实现比较简单的通用模型创造了条件。
③负荷变化时，模型特性也要变化，可由反馈控制加以补偿，因此具有一定自适应能力。
由于物料A的进料流量Q经常发生变化，因而对此主要扰动进行前馈控制。
前馈控制调节器将在Q变化时，及时通过改变燃料流量来产生控制，从而大大降低进料物料流量波动对物料出口温度的影响。
同时反馈控制温度调节器在获得温度T的变化后，将按照一定的PID控制规律对燃料流量产生控制作用。
这两个控制通道作用叠加，使出口温度尽快回以给定值。
2）对以出口烟气含氧量为受控变量的单回路控制方案的确定
进入加热炉的空气流量不能太大，也不能太小，太大会造成不必要的浪费，对温度也有一定的影响，太小会造成燃料的不充分燃烧，浪费燃料。
所以，这时必须对出口烟气含量进行检测。
然后，以出口烟气会受控变量，对空气进口流量，实行单回路控制，这样便能使燃料充分燃烧，节约了原材料。
3）对加热炉事故的安全处理控制方案的确定
当加热炉发生事故时，对相对应的仪表的检查可以看到哪里发生事故。
并尽量根据对仪表的调节来控制事故的大小。
第三章仪表选型说明及自控设备表
工艺流程图中的仪表及操作设备说明如下：
1.检测仪表
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/s
PT1102
炉膛压力
MPa
FT1102
去换热器的待加热物料A流量
kg/s
TT1101
炉膛中心火焰温度
℃
FT1103
燃料流量
kg/s
TT1102
进入加热炉辐射段的物料A温度
℃
FT1104
空气量
m3/s
TT1103
出加热炉辐射段的物料A温度
℃
FT1105
产品（热物料A）流量
kg/s
TT1104
产品（热物料A）温度
℃
TT1105
烟气温度
℃
2.执行机构
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
直接进入加热炉对流段的待加热物料A管线流量调节阀
V1105
产品（热物料A）管线流量调节阀
V1103
去换热器的待加热物料A管线流量调节阀
DO1101
烟道挡板
3.开关阀
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
4.手操阀
位号
执行机构说明
HV1101
物料A管线流量调节阀旁路阀
说明：
调节阀的选型：
采用ZDLP电动单座调节阀。
电子式电动单座调节阀，由PS、3810、ZAZ、DKZ等系列直行程电动执行机构各低流阻直通单座阀组成。
电动执行机构为电子式一体化结构，内有伺服放大器，输入控制信号（4-20mADC或1-5VDC）及电源即可控制阀门开度，达到对压力、流量、液位温度等参数的调节。
具有动作灵敏、连线简单、流量大、体积小、调节精度高等特点。
单座阀适用于对泄露量要求严格、阀前后压差低及有一定粘度的场合。
流量变送器的选型：
采用DBL-544差压流量变送器。
DBL-544差压流量变送器用于测量或蒸汽气体的流量，并将流量信号转换成0-20mA或1-5VDC电信号，送给指示仪表显示。
压力变送器的选型：
采用DBY2100绝对压力变送器。
DBY2100绝对压力变送器是DDZ-Ⅲ型电动组合仪表中变送仪表的一个品种，用以连续测量液体、气体、蒸汽的压力，并将被测介质的参数转换成4-20mADC信号输出。
温度变送器的选型：
采用DBW1100热电偶温度变送器。
DBW1100热电偶温度变送器用于测量0-300℃的温度，并将温度信号转换为0-20mA或1-5VDC电信号，送给指示仪表显示。
本课程设计，所测量液体温度在0-200℃之间，采用该热电偶变送器满足要求。
压力、流量、温度指示仪表的选型：
采用DXZ-2011双针指示仪表。
该仪表属于DXZ-Ⅲ型指示仪表电动单元组合仪表中显示单元的一个品种，在系统中作直流电流的指示作用。
配电器的选型：
采用DFP-6200M型配电器。
DFP-6200M型配电器可为现场安装的变送器提供一个隔离电源，同时又将变送器的4-20mA直流信号转换成隔离的1-5V直流电压信号，实现变送器与电源之间以及变送器与调节器之间双向隔离，保证系统的安全，可同时带两台二线制变达器或者一台四线制变送器工作。
第四章课程设计的相关图纸
1、工艺管道及控制流程图（见附录）
2、仪表盘正面布置图（见附表）
3、仪表盘背面电气接线图（见附表）
第五章小结
为期两周的课程设计结束了，在这次课程设计中，不仅是对我们专业知识的一个检验更是让我们学会了如何去设计一个控制方案。
通过这次课程设计，使我学到了很多东西。
以前书本上的知识，只是有个字面的理解，甚至都没弄懂是什么原理，通过这次课程设计，自己亲自根据流程完完整整做下来，才有了更为清楚的理解，原来是这样的，这不仅把以前学过的知识又重新巩固了一遍，而且使我进一步的掌握了WORD，CAD的操作，同时对过程控制有了更深入的了解，对各种控制方案有了系统的了解。
这次的课程设计对我马上要开始的毕业设计做了一个很好的铺垫，我学会了怎么选题，如何去查资料，怎么样做好一个设计等等。
我相信我会做好大学里最后的一次作业。
本课程设计的工作是在老师的悉心指导下完成的。
从课程设计的选题、研究方法到论文撰写的整个过程，老师都给予了我耐心的指导和细致的关怀。
在学习生涯中老师渊博的专业的专业知识、严谨的治学态度以及认真负责的工作作风一直激励着我。
在此向老师致以深深的敬意和衷心的感谢。
随着不断的学习总结，我深知做学问的艰辛，使得我对本专业的认识又加深了一步，为将来的就业增加了机会，使得自己对于今后的工作生活充满了信心。
在这里对学校开设这门课程的做法非常的感谢。
最后在一次表达我发自内心的感谢。
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