管式加热炉出口温度串级控制系统设计.docx

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管式加热炉出口温度串级控制系统设计

课程设计任务书

1．设计目的：

（1）培养学生运用过程检测仪表与控制技术及其他相关课程的知识，结合毕业实习中学到的实践知识，独立地分析和解决实际过程控制的问题，初步具备设计一个过程控制系统的能力。

（2）运用工程的方法，通过一个简单课题的设计练习，可使学生初步体验过程控制系统的设计过程、设计要求、完成的工作内容和具体的设计方法。

（3）培养学生独立工作能力和创造力；综合运用专业及基础知识，解决实际工程技术问题的能力；

（4）培养查阅图书资料、产品手册和各种工具书的能力；

（5）培养编写技术报告和编制技术资料的能力。

2．设计内容和要求（包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等）：

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〕：

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》王毅主编化学工业出版社

[2]《过程自动化及仪表》俞金寿主编化学工业出版社

[3]《工业过程控制工程》王树青主编化学工业出版社

[4]《控制仪表及装置》吴勤勤主编化学工业出版社

[5]《过程控制仪表》徐春山主编冶金工业出版社

[6]《过程装备成套技术设计指南工程》黄振仁主编化学工业出版社

[7]《过程控制装置》张永德主编化学工业出版社

[8]《化工单元过程及设备课程设计》匡国柱主编化学工业出版社

[9]《化工设备设计设计手册》（上、下）朱有庭主编化学工业出版社

[10]《工业过程检测与控制》孟华主编化学工业出版社

5．设计成果形式及要求：

提供课程设计说明书一份，要求内容与设计过程相符，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

2.1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

3.1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

4.1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

5.1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

6.1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

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

加热温度高（火焰温度1000℃以上），传热速率快。

是整个石油加工和石油化工过程中能耗最大的设备之一。

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

（600-1600℃），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（内衬）、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范围内，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，以保证下一道工序的顺利进行。

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

的目的。

2.2管式加热炉出口温度控制系统控制要求

影响出口温度

变化的因素有很多种，主要表现在：

（1）被加热物料的流量与初温

。

（2）

图2

燃料热值的变化、压力波动、流量的变化

。

（3）烟窗挡板位置的改变、抽力的变化

。

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，一般希望波动范围不超过±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

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

外，

、

的变化进入系统的位置，都是首先影响炉膛温度

，而后经过加热管管壁的影响被加热油料的温度

。

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

、

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—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。

图3

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

的稳定，可根据炉膛温度

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

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）。

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850℃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700℃左右，而管式加热炉出口温度假设为石油分馏的温度300℃。

由产品执行标准IEC584、GB/T16839-1997、JB/T5518-1991、GB3836热电偶标准，在1000℃以下一般用K型热电偶和N型热电偶，热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。

其优点是：

（1）量精度高。

因热电偶直接与被测对象接触，不受中间介质的影响。

（2）测量范围广。

常用的热电偶从-50～+1600℃均可边续测量。

表1

（3）构造简单，使用方便。

热电偶通常是由两种不同的金属丝组成，而且不受大小和开头的限制，外有保护套管，用起来非常方便。

如表1所示：

所以物料出口处选择WRN型分度号K，允差等级为Ⅰ的热电偶。

如表2所示：

炉膛温度的检测热电偶选择WRK型分度号E，惰性级别为Ⅰ的热电偶。

表2

使用热电偶时，由于冷端暴露在空气中，受周围环境温度波动的影响，且距热源较近，其温度波动也较大，给测量带来误差，为了降低这一影响，通常用补偿导线作为热电偶的连接导线。

补偿导线的作用就是将热电偶的冷端延长到距离热源较远、温度较稳定的地方。

4.2控制系统中变送器的选型

SBWR、SBWZ系列热电偶、热电阻温度变送器是DDZ系列仪表中的现场安装式温度变送器单元，与工业热电偶、热电阻配套使用，它采用二线制传输方式（两根导线作为电源输入和信号输出的公用传输线）。

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。

将工业热电偶、热电阻信号转换成与输入信号或与温度信号成线性的4-20mA、0-10mA的输出信号。

技术指标为：

1、输入信号：

K型热电偶、E型热电偶、S型热电偶、B型等热电偶信号输入 

2、供电电压：

10-30VDC 、负载电阻：

0-500Ω

3、输出信号：

二线制4-20mA，最大30mA 

4、热电偶温度变送器精度：

0.5%FS  

5、回路保护：

带反向连接保护（防止电源正负极）

表3

由表3知物料出口温度处选择SBW-R-70型变送器，炉膛温度选择SBW-R-10型变送器。

4.3控制系统中执行器（调节阀）的选型

由于调节阀用于燃料油量调节选择气动调节阀，燃料油粘度比较大，为了减弱腐蚀防止堵塞，由于角形阀的阀体受流体的冲击小，体内不易结污，对粘度高的流体尤为适用，并且调节稳定性较好。

所以选用角形阀。

从安全角度出发，一旦调节阀损坏，保证控制阀处于全关状态，切断燃料进入加热炉，确保设备安全，所以要选择气开调节阀。

综上选择ZMAS型气动薄膜角形单座调节阀，阀体为直角形，阀芯不单导向结构，阀的流路简单，便于自净和清洗。

阻力小，适用于高粘度，含有悬浮物和颗粒状物质的流体的调节，可避免结焦、粘结、堵塞。

由ZMAS型气动薄膜角型调节阀型号编制说明知，选择ZMAS-320K型的调节阀。

含义为，ZMA：

气动薄膜正作用式，K：

气开式；320：

PN320MPa。

EPC1000系列电气转换器是在引进国外先进技术的基础上开发的新一代电气转换器产品，它可将不同输入电流信号转换成相对应输出的气动信号。

本产品具有体积小，结构巧妙，精度高，稳定性好，安装方便等优点。

表4

如表4所示，选择型号为EPC110-OG-I型的电器转换器。

技术参数为：

1、气源压力范围：

最小值：

高于输出压力上限值20kPa；最大值：

700kPa。

2、线性度：

≤跨度的±1%。

3、重复性：

≤跨度的±0.5%。

4、回差：

≤跨度的±1.0%。

4.4控制系统中调节器的选型

XMT-8000系列智能型数字显示调节仪采用新的智能仪表设计方案，对原有的数显表进行了修正处理，使仪表无论在外观还是性能都有的更进一步的提升，仪表内置PID功能与位式控制功能，采用美观大方的轻触键设置，是工业控制中低价位仪表与高性能定位的理想选择。

智能性数显调节仪精度高、抗震性强、可靠性好、安装方便、读数清晰、无视差、可远距离观察等独特优点。

在调节形式上有二位式、三位式、时间比例式、可控硅连续调节式、PID式等多种，并可根据需要增强超限报警功能。

可广泛应用于冶金、纺织、塑机、培养箱、烘烤箱、制冷化工、医疗等行业作-200℃～1800℃范围内的温度测量和自动控制，配上相应的传感器也可用于压力、流量、液位等参数的显示和控制。

由表5知，选择XMTG-8038C2调节器，结构如图4所示。

表5

图4

4.5控制系统中的连锁保护与接线图

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。

控制系统的电气连线图如图5。

图5

5管式加热炉出口温度串级控制系统分析

5.1控制系统方框图与工作过程

图5

当系统受到扰动其调节过程如下：

（1）D2、D3作用，副调节器开始调节，如果扰动不大，不影响炉出口温度；如果扰动大主回路进一步调节。

（2）D1作用，主回路，主调节器校正。

（3）都作用时：

一、二次扰动使主、副参数同时变大或变小调节阀大幅度开大或关小，调节速度很快。

一、二次扰动使主、副参数一个变大一个变小，主、副调节器控制阀的方向相反，阀的开度变化较小就能满足要求。

5.2主、副调节器规律选择

在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用不同。

主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用，这是选择调节器规律的基本出发点。

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，主控制器起定值控制作用，主变量是主要指标，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，允许波动小，一般要求无余差，所以，选择PID调节作为住调节器的调节规律。

控制副参数是为了保证和提高主参数的控制质量，副变量的设置是为了保证主变量的控制质量，对副参数的要求一般不严格，对快速性要求较高，可以在一定范围内变化，允许有残差，但引入I会延长控制作用，减弱副回路的快速作用，而引入D会由于副回路本身起快速作用，再引入D会使控制阀动作过大，对控制不利。

所以我们的副调节器调节规律选择P控制。

5.3主、副调节器正反作用方式确定

由生产工艺安全考虑，燃料调节阀应选气开方式，这样保证系统出现故障时调节阀处于全关状态，防止燃料进入加热炉，确保设备安全，调节阀的Kv﹥0。

主调节器作用方式确定：

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，各环节放大系数成绩必须为正，所以负调节器的放大系数K1﹥0，主调节器作用方式为反作用。

又为保证副回路是负反馈，各环节放大系数乘积必须为正，所以负调节器大于0，副调节器作用方式为反作用方式。

5.4控制器参数工程整定

在模拟PID算法控制规律为：

写成传递函数形式为：

用增量型的离散PID算法控制规律为：

其中：

KP为调节器的放大系数；TI为积分时间常数；TD微分时间常数；

为积分系数；

为微分系数；比例度

由此得：

影响控制的主要因素KP、KD、KI及采样周期T。

整定思路：

（1）理论根据——由于主、副对象的时间常数相差很大，则主、副回路的工作频率差别很大，当副回路整定好以后，将副回路视作主回路的一个环节来整定主回路时，可认为对副回路的影响很小，甚至可以忽略。

（2）另一方面，工艺上对主变量的控制要求较高，而对副变量的控制要求较低。

（3）整定顺序：

先整定副调节器，再去整定主调节器。

整定步骤:

在生产工艺稳定，主、副调节器均设置为纯比例控制作用。

具体做法，将主调节器的比例度δ1置于100％，Ki=0，Kd=0。

按简单控制系统的衰减曲线法整定副回路——将副调节器的比例度δ2由大到小调整，直到副变量的过渡过程曲线呈4：

1衰减振荡为止。

（4）记下此时的比例度δ2s，量得此时的衰减振荡周期T2s。

（5）置副调节器的比例度为δ2s，将副回路看作是主回路的一个环节，主副环仍闭合，用同样的方法整定主调节器——将主调节器的比例度δ1由大到小调节，直到主变量的过渡过程曲线呈4：

1衰减振荡为止。

（6）记下此时主调节器的比例度δ1s，量出主变量振荡周期T1s。

（7）由已求得的δ1s、δ2s和T1s、T2s的值，结合主、副调节器的选型，按照简单控制系统的衰减曲线法整定参数的经验公式，分别计算主、副调节器的最佳参数值。

（8）按照“先副后主”、“先P再I后D”的顺序，将计算出的参数设置到调节器上，作扰动试验，观察过渡过程曲线，作适当的参数调整，直到控制质量最佳。

6管式加热炉出口温度串级控制系统的MATLABSimulink仿真与分析

6.1传递函数的选择

按仪表的对应关系设：

主回路的传递函数取

副回路的传递函数取

参考文献[8]

6.2系统的参数的选择

系统的仿真图为图6：

图6

首先整定副回路，当副回路的衰减比为4：

1时，如图7所示

此时副回路的振荡周期T1s=112-46=66（s）衰减比为δ1=1/2.01

100%=49.8%。

图8

图7

然后整定主回路，当主回路的衰减比为4：

1时，如图8所示

此时主回路的振荡周期T2s=840-335=505（s），衰减比δ2=1/2.06

100%=48.5%，

计算得Kp=2.575、Ti=151.5s、Td=50.5s、Ki=0.0136、Kd=104.03。

6.3系统的仿真分析

将Kp、Ki、Kd分别代入PID调节器后得到无扰动的的仿真结果为如图9

图11

图9

加入扰动后的系统框图为图10，得到的仿真结果为图11

图10

由于超调量较大，可减小比例系数使超调量减小，当Kp=2.575，Ki=0.08，Kd=104.03时。

再次得到的无扰动和有扰动响应曲线分别为图12和图13，超调量在生产规定的范围内。

图13

图12

7感受与体会

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，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，遇到过很多很多的问题，但我通过很多有效地途径，例如上网查相关资料，问身边的同学与朋友，都得到了解决。

刚开始的时候，对管式加热炉串级控制系统只有个大概的了解，我去图书馆仔细查阅了介绍过程控制系统的相关书籍，并在网上搜类似的设计来参考，详细了解其工作原理，并对管式加热炉控制系统的设计有一个大概的构思。

当然，对一篇课程设计来说，格式也是一个重要的方面，我仔细按着知道老师的格式要求，认真编辑，达到好的效果。

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。

不知不觉中，几天时间的关于管式加热炉温度控制系统的课程设计已经做完了，感觉受益匪浅。

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出口温度控制系统的设计。

我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。

学校安排了这次管式加热炉出口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，为今后的工作打下了基础。

8参考文献

[1]《过程装备控制技术及其应用》王毅主编化学工业出版社

[2]《过程自动化及仪表》俞金寿主编化学工业出版社

[3]《工业过程