（控制科学与工程专业论文）工业加热炉控制方法研究.pdf

摘要 工业加热炉控制方法研究 摘要 工业加热炉是具有随机性、动态时变性、非线性和分布式等复杂 特性的控制对象，在化工生产中占据着很重要的位置，其任务就是按 工艺要求将物料加热到工艺要求的温度水平，并且在保证质量、产量 稳定的前提下，尽量降低燃料消耗、减少氧化烧损。对物料进行加热， 温度过高会浪费能耗，对物料的出炉质量影响也较大；温度过低则达 不到所需的环境条件，产品质量会有所下降。因而，利用加热炉进行 加热过程中，对温度控制的要求较为严格。国际上，2 0 世纪7 0 年代 前，关于加热炉自动控制的研究工作重点集中在燃烧控制。7 0 年代 后，燃烧控制已趋于成熟，研究重点转到以追求加热炉某种性能指标 的优化控制方面。随着生产过程的大型化、连续化和对加热炉产量、 质量和能耗的优化要求不断提高，采用计算机控制的加热炉生产已成 为实现上述目标的发展方向和基本趋势。之后，欧美等发达国家又相 继开发了加热炉加热优化控制系统，生产线物料跟踪的高度自动化的 加热炉自动控制系统。我国从2 0 世纪8 0 年代初对加热炉生产过程进 行计算机控制技术的研究，目前在控制理论和控制技术方面的开发和 应用上与先进国家相比差距不是很大。 从发展顺序和控制水平两个方面进行归纳总结，连续加热炉温度 控制结构可划分为如下3 个层次：以提高燃料利用率、维持合理空燃 比为目标，实现燃烧过程的自动控制，即以炉温为控制对象的燃烧控 t 北京化t 入学硕i j 学位论文 制系统；以优化加热过程本身为目的，实现加热炉炉温或燃烧消耗量 的过程自动控制，即以物料出口温度为控制参数的优化数模控制系 统；在前后工序实现自动控制的基础上，以协调优化整个生产过程为 目标，实现加热段的计算机自动化控制管理，即以系统最优为控制目 标的监视控制系统。 本文针对加热炉过程控制的过程进行了整体控制方案设计，在物 料出口对流段使用了模糊控制方法，并进行了在m a t l a b 的 s i m u l i n k 环境下的仿真。 关键词：工业加热炉，过程控制设计，模糊控制，m a t l a b 仿真 u a b s t r a c t r e s e a r c ho nt h ec o n t r o lo ft h ef u r a n c e a b s t r a c t i n d u s t r i a lf u r n a c ei sa no b je c tw i t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fs t o c h a s t i c ， d y n a m i ct i m e v a r y i n g ，n o n l i n e a r , a n dd i s t r i b u t e ds y s t e m i ti si m p o r t a n t i nt h ec h e m i c a li n d u s t r y ，a i m i n ga tp r o c e s s i n gr e q u e s t sb yt e c h n o l o g i c a l r e q u i r e m e n t so f t h em a t e r i a lh e a t e dt ot h et e m p e r a t u r el e v e l ，w h i c hi s e s s e n t i a lt ot h eq u a l i t y , s t a b i l i t y , m i n i m i z i n gf u e lc o n s u m p t i o n ，a n d r e d u c i n go x i d a t i o nl o s s t h eq u a l i t yo ft h eb a k e dm a t e r i a l sw i l lb ei m p a c t s e r i o u s l yi ft h em a t e r i a li so v e rh e a t e d ，h o we v e r , h i g ht e m p e r a t u r ew i l l c a u s ev a s tw a s t eo fe n e r g y , b u tl o w e rt e m p e r a t u r ei sa l s ot h eo t h e rb i g p r o b l e m s u c hb a dc o n d i t i o n sw i l ld e c l i n et h eq u a l i t yo ft h ep r o d u c t i n t h i sc a s e ，d u r i n gt h ef u r n a c eh e m i n gp r o c e s s ，m o r es t r i n g e n tc o n t r o l r e q u i r e m e n t so ft h et e m p e r a t u r ei si n d i s p e n s a b l e i nt h ew o r l dw i d e ， b e f o r et h e19 7 0 s ，t h er e s e a r c ho nt h ec o n t r o lo ff u r n a c ei sm a i n l yf o c u s e d o nt h ec o m b u s t i o n a f t e rt h e19 7 0 s ，w i t ht h ec o n t r o lm e t h o dg r o w i n g m a t u r e d ，r e s e a r c h e r ss h if t e dt ot h ep u r s u i to f ap e r f o r m a n c ei n d e xo f o p t i m a lh e a t i n g c o m p u t e r - b a s e df u r n a c ep r o d u c t i o nc o n t r o lh a sb e c o m e t h eb e s ta c h i e v i n gf o rs u c hb a s i ct r e n d s r e c e n t l y , d e v e l o p e dc o u n t r i e s h a v ef u r t h e rd e v e l o p e dt h ef u r n a c eh e a t i n gc o n t r o ls y s t e mf o ro p t i m i z i n g 北京化丁大学硕士学位论文 t h ep r o d u c t i o nl i n em a t e r i a lt h r o u g ht r a c k i n gt h eh i g h l ya u t o m a t e d h e a t i n gc o n t r o ls y s t e m s a f t e rt h e19 8 0 si nc h i n at h er e s e a r c ho nt h e f u m a c ep r o d u c t i o np r o c e s sc o m p u t e rb a s e do nc o n t r o lt e c h n o l o g yh a s b e e nd e v e l o p e db o t hi nc o n t r o lt h e o r ya n di nc o n t r o lt e c h n o l o g y s ot h e g a po f t h ea p p l i c a t i o nb e t w e e na d v a n c e dc o u n t r i e si sn o t v e r yf a rb e h i n d t h el e v e l so fc o n t r o ld e v e l o p m e n t sa r es u m m a r i z e di nt w oa s p e c t s ，a c o n t i n u o u st e m p e r a t u r ec o n t r o lo ft h eh e a t i n gf u m a c ec o u l db ed i v i d e d i n t ot h r e el e v e l s ：t h ew a yt ok e e pf u e le f f i c i e n c ya n da i r - f u e lr a t i oi st of i t t h ea u t o m a t i cc o n t r o lo ft h ec o m b u s t i o np r o c e s s t h et e m p e r a t u r eo ft h e f u m a c ei so n eo ft h em o s to b je c t so fc o m b u s t i o nc o n t r o ls y s t e m s t h e o u t l e tt e m p e r a t u r ep a r a m e t e r sb e l o n gt ot h eo p t i m i z a t i o nm o d e lc o n t r o l s y s t e m a f t e rt h ei m p l e m e n t a t i o no fa u t o m a t i cc o n t r o lo nt h e o p t i m i z a t i o no ft h ee n t i r ep r o d u c t i o np r o c e s s ，w h i c hi st oc o o r d i n a t e w i t ht h ea c h i e v i n go fa u t o m a t i cc o n t r o ld u r i n gh e a t i n gp r o c e s s t h e s e c t i o no f c o m p u t e rm a n a g e m e n ts y s t e mi so p t i m a lf o rt h em o n i t o r i n go f t h ec o n t r o ls y s t e m t h e p a p e ri sf o rt h eo v e r a l lc o n t r o lp r o c e s sd e s i g na n dm a t e r i a l e x p o r t si nt h ec o n v e c t i o ns e c t i o nb yt h ef u z z yc o n t r o lm e t h o d s t h e a c t i o n sa r ec a r r i e do u ti nm a t l a b s i m u l i n ks i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：i n d u s t r i a lf u m a c e ，p r o c e s sc o n t r o ld e s i g n ，f u z z yc o n t r o l ， m a t l a bs i m u l a t i o n 北京化工大学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 作者签名： 日期： 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京化工大 学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可 以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在上年解密后适用本授 权书。非保密 作者签名 导师签名 论文不属于保密范围，适用本授权书。 日期：2 坐：三! 兰 日期： 三之! 竺! 苎：生2 第一章前言 1 1 论文研究的目的和意义 第一章前言 加热炉的加热过程受到诸多因素的影响，例如散热，空气过剩系数，辐射， 生产速率等等，同时由于炉内的温度值不能直接测量，即便使用了红外辐射进行 测量，其测量结果也会因为受到烟气温度的辐射而误差很大，这样就无形中增加 了加热控制的难度【l 】。直接建立数学加热模型的方法尽管可以直接控制出口温 度，但实用性有限。例如：由于加热炉的复杂性，建立数学模型时的理想假设过 多，数学模型维数过低，适应性较弱等问题，都会影响系统的可靠性和实用性； 要描述炉内热交换过程原理除了包括有关辐射、对流和传导的关系式外，还有很 多不确定因素，如压力、温度的滞后效应、燃烧热值的波动等，由于人们往往只 考虑炉内的热传导，这也将影响数学模型的实用性f 2 捌。 换个角度，既然精确的实用温度控制数学模型很难得到，只能寻找不依赖对 象精确数学模型的控制方法。在这点上，世界各国在探索建模理论、辩识技术、 优化控制、最优控制、高级过程控制等方面不断进行研究，推出了从实际工业过 程特点出发，寻求对模型依赖程度不高，在线计算方便，并且对过程和环境的不 确定性有一定适应能力的控制策略和方法【4 , 5 】。例如，模糊控制系统、鲁棒控制 系统、预测控制系统、智能控制系统( 如专家系统、自适应控制等) 等先进控制系 统。由于变量问的关联较多，使系统不能正常平稳运行，又出现解耦控制系统， 解耦控制在工业生产中应用逐渐增加，模糊逻辑的应用技术也在迅速发展，它们 代表着智能控制的主要研究方向【6 7 】。 现在，针对燃料燃烧，液体流动和传热传质等多耦合的复杂控制对象，对加 热炉过程的在线控制进行研究，以物料出口温度平稳为目标，建立加热炉热过程 动态控制的模糊控制方法，引人人工智能专家系统和模糊控制算法，实现加热炉 生产过程的在线随机状态与优化控制是目前研究方向l s 】。与此同时，很多国内外 的研究人员或者公司不断提出新的控制方法，推出新的控制平台来改良对加热炉 的控制效果，这些努力都推动了该领域的发展，从而使加热炉控制更加高效，节 能，减排p ，lo j 。 本文的研究目的是：工业加热炉进行工业加热炉的整体控制方案设计，其中 包括控制器的选用，流程管线图的设计，以及类似实际现场操作的开车步骤流程。 最后制对出口段的温度进行了模糊控制，并用m a t l a b 进行了仿真研究。 北京化t 大学硕上学位论文 1 2 国内外文献综述 1 2 1 工业加热炉控制方法发展概况 自上世纪6 0 年代以来，由于工业现代化的需要，尤其是在电子技术和计算 机技术的迅猛发展以及自动控制理论的发展推动下，国外的加热炉控制系统发展 十分的迅速，在智能化，自适应等方面取得显著成果【1 1 , 1 2 】。这方面西方发达国家 如美国，日本，德国，英国等国家的技术比较领先，他们的很多加热炉方面的检 测技术以及控制策略等已经非常成熟，相关的控制器，仪表等早就实现了商品化， 而且性能优异，质量牢靠，占领了国际的主要市场，他们主要具有的优点有【1 3 , 1 4 1 ： 能够适应大滞后，大惯性，非线性强等复杂温度控制系统； 能够适应被控对象数学模型难以建立的温度控制系统【1 5 , 1 6 ； 目前普遍采用的先进控制算法主要有：自适应控制，预测控制，模糊控制， 神经网络和人工智能等理论，他们结合了计算机技术，具有较传统p i d 控制 更大的优势【1 7 】； 这些控制器普遍具有参数自整定功能，还有的带有自学习功能，借助计算机， 根据被控对象的变化和历史数据来自动调整相关控制参数，可以实时达到效 果的最优化【博j ； 在石化装置中可以提高控制的平稳度和生产的灵活性，因为这些控制器具有 精度高，智能性好，鲁棒性等特尉1 9 加】。 国内在这方面的理论研究已经达到了国际水平，但是在总体应用，控制方案 的设计应用上还较落后。大多数的加热炉系统控制方案和控制器都是引进国 外的相关技术和产品，一些国内的加热炉目前主要还在使用p i d 控制，但是 在处理非线性，大滞后，扰动强的情况下就显得力不从心【2 1 ，2 2 1 。 1 2 2 模糊控制技术 自从1 9 6 5 年美国z a d e h ，教授创建模糊集理论以来，模糊控制迅速发展并得 到广泛的应用，其原因在于模糊逻辑本身提供了由专家构造的语言信息并将其有 效转化为控制策略的一种系统的推理方法，是处理推理系统和控制系统中针对不 精确性和不确定性的一种有效方法【2 引。 然而相对于那些时变的、非线性得、具有不确定的复杂系统采用模糊控制时， 为了获得良好的控制效果，必须要求模糊控制具有足够数量相对完善的控制规 则，这些控制规则来自于专家对被控过程模糊信息的归纳和操作经验的总结【2 4 1 。 2 第一章前言 由于被控对象的非线性、时变性、高阶次以及随机干扰等因素，造成模糊控制规 则并不完善，这样会不同程度地影响到控制效果。为了弥补这个缺陷，模糊控制 开始向自组织、自适应、自学习方向发展，使得模糊控制规则具有在控制过程中 自动地调整、修改和完善的能力，从而使系统的控制性能不断改进，取得最佳的 控制效果【25 1 。可以说模糊控制的发展为未知的非线性系统的建模与控制提供了一 条有效途径，研究模糊控制与模糊规则的生成具有重要的理论和实际意义【2 6 1 。 近1 0 年来，在模糊系统的研究方面取得了很大进展，特别是在l y a p u n o v 稳定性判别理论下，基于模型的模糊控制与鲁棒控制以及自适应控制等传统方法 进行了结合与互补，为非线性系统提供了强有力的控制工具。模糊控制已开始向 交叉学科和多元化方向发展，并开始走向以下几个方面的研究【2 。7 1 。 模糊控制非线性本质的框架结构及其控制策略的联系的研究，能够揭示模 糊控制器工作的实质和机理【2 引。 在理论研究过程中规则本身非线性问题和实际应用过程中模糊控制器的 规则自我学习和自动获取问题。前者是难点，是因为具有线性规则的模糊控制器 其本身已属非线性控制，非线性规则使问题的系统化研究变的更困难；后者则构 成智能控制中专家系统的核心问题【2 9 , 3 0 】。 自适应模糊控制器的优化设计问题的研究，尤其是在线优化的问题【3 1 , 3 2 1 。 基于一定的模型的自适应模糊控制与传统控制方法从广度和深度进行更 有效的结合。 在基于模型的模糊控制中，模糊控制的特点体现得不够明显，怎样将模糊 控制器的结构等细节考虑进去，才能得到更为优化的结果【3 3 】。 分析模糊逻辑系统的结构特性及逼近精度，如何建立上套完整的理论体 系，在基于非模型的自适应模糊控制系统中所使用的模糊逻辑规则系统能够便于 实现【3 4 ，3 5 1 。 基于模型的自适应模糊控制系统的改进及新型的模糊逻辑系统的研究，都 是目前等待解决的问题【3 6 1 。 1 3 论文研究的主要内容及工作简述 本文主要针对加热炉系统进行了过程控制设计，并运用模糊控制对物料出口 温度进行控制，可以有效的减小出口温度的波动，实现出口段温度稳定。 主要的工作和研究内容分为两部分，第一部分是加热炉过程控制设计，包括 控制方案设计，p & i d 管道流图的绘制，控制回路的选取，仪表和控制器的作用， 以及安全连锁装置的设计；第二部分主要介绍模糊控制算法，以及在本系统中模 糊控制算法的实现，通过引入模糊控制与传统p i d 控制相比较，证明模糊控制对 北京化t 人学硕：l ：学位论文 于复杂非线性系统温度控制的优势。模糊算法最后在m a t l a b 的仿真环境s i m u l i n k 下进行了仿真研究，并和传统p i d 控制进行了对比。 4 第二章t 业加热炉控制方案没计 2 1 引言 第二章工业加热炉装置控制方案设计 本章对加热炉控制系统进行了设计与实现。燃烧阶段采用比值控制系统，出 口段采用温度流量串级控制，将模糊控制方案引入这一过程中，不仅在处于稳 态时可达到很好的控制精度，而且在动态时也能够解决传统串级比值燃烧控制所 达不到的效果，既节省能源又有利于环保减排【37 1 。 在物料的出口温度控制上采用的先进控制，能够达到工艺过程要求。燃烧系 统加入高低选择器，根据燃烧条件组成逻辑关系，用选择器实现这种逻辑规律， 从而形成了这种多重的组合调节方法。被控对象为过程工业领域常见的加热炉单 元，通过加热炉对流传热与辐射传热将一定流量的物料加热至工艺要求的温度。 完整的工艺流程图如图2 1 所示。 图2 - 1 加热炉装置工艺流程图 f i g 2 - 1f u r n a c ei n s t a l l a t i o nf l o wc h a r t 北京化工丈学硕上学位论文 2 2 被控对象的工艺流程概述 待加热物料经由上料泵p 1 1 0 1 泵出，分两路，其中一路进入换热器e 1 1 0 1 与 热物料换热后，与另外一路混合，进入加热炉f 1 1 0 1 的对流段。进入换热器e 1 1 0 1 的待加热物料走管程，一方面对最终产品( 热物料) 的温度起到调节( 减温) 的 作用，另一方面也能对待加热物料起到一定的预热作用。 加热炉对流段由多段管排组成，炉膛产生的高温烟气自上而下通过管间，与 管内的物料换热，回收烟气中的余热使物料进一步预热。从对流段流出的物料全 部进入f 1 1 0 1 辐射段炉管，接受燃烧器火焰的辐射热量，达到所要求的高温以后 出加热炉，进入换热器e 1 1 0 1 的壳程，进行温度的调节并为冷物料预热，最后以 工艺所要求的物料温度输送给下一生产单元，整个过程的重点在于对于燃烧时炉 膛的燃料气和空气的输送比值的设定和出口温度的稳定输出。 热物料流量为f l l 0 1 ，温度为常温2 0 ，经由上料泵p 1 1 0 1 泵出。流量管线 上设有控制阀v 1 1 0 1 ，控制阀有前、后阀x v l l 0 1 和x v l l 0 2 ，以及旁路阀h v l l 0 1 。 待加热物料被分为两路，一路进入换热器e l l 0 1 预热，预热后与另外一路混合进 入加热炉。两路物料管道上分别设有控制阀v 1 1 0 2 和v 1 1 0 3 。正常工况时，大部 分待加热物料直接流向加热炉对流段，少部分待加热物料流向换热器，其流量为 f 1 1 0 2 。 燃料经由燃料泵p 1 1 0 2 泵进入加热炉f 1 1 0 1 的燃烧器，燃料流量为f 1 1 0 3 ， 燃料压力为p 1 1 0 1 ，燃料流量管线设控制阀v 1 1 0 4 。空气经由变频风机k 1 1 0 1 送 入炉内燃烧器，空气量为f 1 1 0 4 。燃料与空气在燃烧器混合燃烧，产生热量使辐 射段炉管内的物料迅速升温。燃烧产生的烟气带有大量的余热，在对流段进行余 热回收。对流段烟气出口处的烟气温度为t 1 1 0 5 。烟气含氧量a 1 1 1 0 1 设有在线 分析检测仪表。烟道内设有挡板d 0 11 0 1 。 出对流段、入辐射段的物料温度为t 1 1 0 2 。从辐射段炉管出来的温度为t 1 1 0 3 的高温物料进入换热器e 1 1 0 1 ，进行温度的微调。最终产品( 热物料) 的温度为 t 11 0 4 ，流量为f 11 0 5 ，出口管道上设流量控制阀v 11 0 5 。 炉膛压力为p 11 0 2 ，炉膛中心火焰温度为t 1 11 0 1 ，温度采集方式为红外非接 触式测量，这里仅提供大致温度的参考。工艺流程图中的仪表及操作设备说明如 下表所示： 6 第_ 二章工业加热炉控制方案设计 表2 - 1 检测仪表 t a b 2 1i n s t r u m e n t a t i o n 位号说明单位 a 1 1 1 0 1 烟气含氧量 f t l l o l 待加热物料流量k g s 去换热器的 f t l l 0 2 k g s 待加热物料流量 f t l l 0 3 燃料流量 k g s f t l l 0 4 空气量 m 3 s f t l l 0 5产品( 热物料) 流量 k g s p t l l o l 燃料压力m p a p t l l 0 2 炉膛压力m p a t i l l 0 1 炉膛中心火焰温度 t t l l 0 2进入加热炉辐射段的物料温度 t t l l 0 3 出加热炉辐射段的物料温度 t t l l 0 4产品( 热物料) 温度 t t l l 0 5 烟气温度 表2 - 2 执行机构 t a b 2 - 2e x e c u t i n ga g e n c y 位号 说明 v 1 1 0 1 待加热物料管线流量控制阀 直接进入加热炉对流段的 v l l 0 2 待加热物料管线流量控制阀 去换热器的待加热物料 v 1 1 0 3 管线流量控制阀 v 1 1 0 4 燃料管线流量控制阀 v 1 1 0 5 产品( 热物料)管线流量控制阀 d o l1 0 1 烟道挡板 7 北京化工大学硕- j j 学位论文 表2 3 开关阀 t a b 2 - 3o p e n - 0 f fv a l v e 位号说明 x v l l 0 1 物料管线流量控制阀前阀 x v l l 0 2物料管线流量控制阀后阀 表2 - 4 手操阀 t a b 2 - 4h a n dm a n i p u l a t e dv a l v e 位号说明 h v l l 0 1 物料管线流量控制阀旁路阀 控制要求包含以下四点： 热物料出口温度控制 要求控制方案，在物料进料量一定的情况下，使得热物料达到要求的温度 并维持其在允许的范围内。 节能控制 节能体现在满足工艺控制要求的前提下，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的使用量最少，同时也体现在从冷态开车到加热炉 达到正常工况所需的燃料用量达到最少。 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。 安全控制 针对炉管爆裂( 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【3 8 】。 流 第二章t 业加热炉控制方案设计 2 3 物料进口流量控制方案设计 被控变量与操纵变量的选择与阀门的选择 被控变最选择理由 进入加热炉物料的流量影响整个生产系统产量的重要指标 操纵变量选择理由 同被控变量同被控变量 考虑到安全因素，且物料为可燃物质，v 11 0 1 选气开式线性特性阀门，这样 当发生故障时，能及时切断进入加热炉的物料。控制方案流量控制属于较为简单 的控制，而且在本题中物料的进口流量直接受到阀v 1 1 0 1 的影响，所以选取 v 11 0 1 为执行机构构成单回路控制系统，不仅简单、可靠，而且控制效果好，能 包含较多的干扰。方块图如图2 2 所示 图2 - 2 进口流量单回路控制方块图 f i g 2 - 2i n l e tf l o wb l o c kd i a g r a mo fs i n g l el o o pc o n t r o l 综上所述，得到物料进口流量控制方案图( 见图2 3 ) ，图中除基本的单回路 控制系统外，考虑安全因素，还加入了连锁保护系统，这点会在连锁保护系统中 介绍。 9 北京化工大学硕上学位论文 图2 - 3 进口流量单回路控制p & i d 图 f i g 2 - 3p & i d c h a r to fi n l e tf l o ws i n g l e - l o o pc o n t r o l 控制器的正反作用确定在单回路控制系统中，由于阀v 11 0 1 的放大倍数为 正，测量变送与被控对象的放大倍数都为正，为了保证闭环内所有放大倍数乘积 为负，流量控制器应选择反作用。 2 4 物料辐射段出口温度控制方案设计 被控变量与操纵变量的选择 被控变量 选择理由 物料辐射段出口可以更好地去控制热物料的出口温度，已达到稳定热物料出口 温度 温度这一控制要求。 操作变量 选择理由 燃料进炉流量可以很好地反映燃料的燃烧程度，影响物料辐射段出口温度 空气进炉流量可以很好地反映燃料的燃烧程度，影响物料辐射段出口温度 阀门的选择v 1 1 0 4 为燃料管线流量控制阀，当系统发生故障时，气信号减 小，则应关闭阀门，让燃料不再通入炉膛中，这样就有效的防止了由于炉膛温度 过高而导致的爆炸，故选择气开阀。根据燃料流量特性，选择阀门为线性特性。 1 0 第一二章工业加热炉控制方案设计 控制方案物料辐射段出口温度的控制要求： 辐射段物料出口温度稳定；炉膛中燃料充分燃烧，供气量适宜，即防止由于 空气不足时烟囱冒黑烟，也不要因空气过量而增加热量损失；根据上述要求我们 设计了以温度一流量的串级控制系统；为了达到良好燃烧，供气适宜，在此基础 上将燃料流量作为主流量，空气流量作为从流量组成比值控制系统【3 9 1 。为了使燃 料用量最小和充分燃烧，还应在上述控制方案的基础上在加两个选择器组成逻辑 提量功能的控制系统。控制方块图如2 4 所示。 图2 - 4 升温段温度流量控制方块图 f i g 2 - 4h e a t i n gs e c t i o nt e m p e r a t u r e - f l o wc o n t r o lb l o c kd i a g r a m 串级控制系统可以很好地改善工艺过程控制的品质。对加热炉这种容量滞后 和干扰都很大的系统来说，可以将主要干扰放在副回路当中，这样做的优点是使 串级控制系统能够迅速地控制副回路的扰动。只对副回路进行粗调，主回路起进 行细调，再加上主回路的p i d 控制就可以有效地克服系统的容量滞后和大干扰。 串级控制系统可以很好地改善工艺和品质。 北京化t 人学硕j ：学位论文 为了保证炉膛中燃料的充分燃烧和排出烟气含氧量较低，达到节能减排的功 效。在上面控制系统的的基础上，设计了燃气空气流量比值控制系统，并且增 加了两个逻辑选择器。这样做不仅可以设定燃气和空气的比值，还可以通过逻辑 选择器进行选择控制。在需要提高负荷时，选择先提高空气量，再提高燃料量； 在需要降低负荷时，选择先降燃料量，再降空气量。可以使燃料充分燃烧，并且 降低烟气氧含量。 综上所述，可以得到物料辐射段出口温度控制图( 见图2 5 ) 。图中除了上述 控制系统外，考虑安全因素，同样也加入了连锁保护系统。 图2 - 5 物料辐射段出口温度控制p & i d 图 f i g 2 5p i dc o n t r o lo fm a t e r i a lr a d i a t o ro u t l e tt e m p e r a t u r e 1 2 第二章工业加热炉控制方案设计 控制器正反作用和逻辑选择器高低的确定主、副控制器正、反作用的确定顺 序应该遵循先副后主的原则。 副回路：确定副控制器的正、反作用与主回路无关，视副回路的具体情况而 定。在以燃料为被控对象的回路当中，根据安全要求控制阀v 11 0 4 应选气开式， 则其放大倍数为j 下，由于燃料对象和其测量变送器的放大倍数都为正，为了保证 副环内所有放大倍数乘积为负，流量控制器l 应选择反作用。 同样的，在以空气为被控对象的回路当中，除控制器外所有放大倍数都为正， 则流量控制器2 应选择反作用。 主回路：主控制器的正、反作用要根据主环所包括的各个环节的情况来确定， 主环内包括有主控制器、副回路、主对象和主变送器。而将副回路视为“正”环节 来看待，实际上主变送器放大倍数符号一般情况下都是“正的，因此主控制器的 正反作用只取决于主对象放大倍数的符号。则由此主回路可知主对象放大倍数的 符号为正，则温度控制器应选择反作用。 高选器：在提负荷时，温度产生负偏差。由于主控制器为反作用，则控制器 输出正偏差。因为先提空气量，再提燃料量，则这时应该对空气先进行控制，逻 辑选择器应选高选器。 低选器：在降负荷时，温度产生正偏差。由于主控制器为反作用，则控制器输出 负偏差。因为先将燃料量，再降空气量，则这时应该对燃料先进行控制，逻辑选 择器应选低选器。 2 5 炉膛压力控制方案设计 被控变量与操纵变量的选择 被控变量选择理由 炉膛压力 可以很好地反映了炉膛中燃料的燃烧程度，使其稳定可以防止出现 炉膛脱火。 操纵变量选择理由 引风量可以更好地控制炉膛压力。 烟道风门的选择d 0 1 1 0 1 为烟道挡板，当系统发生故障时，应打开挡板，让 炉膛中的烟气迅速排除，这样就有效地避免炉膛压力过高，在发生故障时候为打 开状态。控制方案：为了保持炉膛压力一定，防止产生正压力或是负压过大而导 致的燃烧嘴脱火。故设计压力单回路控制系统。控制方块图见图2 - 6 。 北京化- 丁大学硕上学位论文 炉膛压炉 图2 - 6 炉膛压力控制方块图 f i g 2 6f u r n a c ep r e s s u r ec o n t r o lb l o c k 对于对炉膛压力的控制，只需设计以炉膛压力被控变量的单反馈控制系统即 可。这样就可以有效并且稳定地控制炉膛压力。所以可以得到炉膛压力控制图( 见 图2 7 ) 。图中除了上述控制系统外，考虑安全因素，还加入了连锁保护系统。控 制器正反作用的确定：在单回路控制系统中，由于烟道挡板的放大倍数与被控对 象的放大倍数都为负，测量变送的放大倍数为正，为保证闭环内所有放大倍数乘 积为负，压力控制器应选择反作用 4 0 1 。 图2 - 7 炉膛压力控制p & i d 图 f i g 2 7p & i dc o n t r o lo ff u r n a c ep r e s s u r ec o n t r o lb l o c k 1 4 第二章工业加热炉控制方案设计 2 6 热物料出口温度控制方案 被控变量与操纵变量的选择 被控变量选择理由 离开换热器的物料温产品质量的重要指标 度 操纵变量选择理由 去换热器的待加热物可影响热物料的出口温度，有较好的可调整性。 料流量 阀门的选择：从安全因素考虑，物料为可燃物质，发生故障时需要切断进入 加热炉的物料，所以v 1 1 0 3 为线性特性气开阀。控制策略：由于物料的温度对 下一环节的正常生产有重要的影响，需要严格控制温度，然而温度由于大的滞后 性，其控制往往较为困难，所以选用串级控制方案。不仅具有单回路控制的所有 优点，而且控制效果好，易于实现，在工程上广泛应用。 选取温度控制为主回路，定值控制；流量控制为副回路，随动控制。方块图 如图2 8 出口温 度设定 - - - - + 图2 8 温度流量串级系统方块图 f i g 2 - 8t e m p e r a t u r e - f l o wc a s c a d es y s t e mb l o c kd i a g r a m 综上所述，得到温度一流量串级控制图( 见图2 9 ) 北京化t 大学硕上学位论文 图2 - 9 温度流量串级控制系统p & i d 图 f i g 。2 - 9p & i d c h a r to ft e m p e r a t u r e - f l o wc a s c a d ec o n t r o ls y s t e m 控制器的正反作用确定：温度一流量串级控制的正反作用选取原则同物料辐 射段出口温度控制样，先副后主。副回路：在以燃料为被控对象的回路当中， 根据安全要求控制阀v 11 0 3 应选气开式，则其放大倍数为正，由于燃料对象和其 测量变送器的放大倍数都为正，为了保证副环内所有放大倍数乘积为负，流量控 制器应选择反作用。主回路：由于主控制器的正反作用只取决于主对象放大倍数 的符号。则由此主回路可知主对象放大倍数的符号为负，则可知温度控制器应选 择正作用。 2 6 本章小结 本章针对加热炉控制方案进行了详细的设计，从物料辐射段出口温度，炉膛 压力控制，物料出口温度，按照物料流动的方向，在每个环节进行了控制方案制 定，控制器和执行机构作用的选择。整个过程依据真实系统的原型，归纳出适合 加热炉控制的一套控制方案。 1 6 第三章丁业加热炉开车方案及l 口l 路图 第三章工业加热炉开车方案及回路图 3 1 加热炉过程开车 系统的过程开主要分为进料、升温、恒温等三个阶段；结合上面所设计的系 统控制方案进行对加热炉过程开车运行模拟，以期达到节能、减排与安全这三个 控制要求，使整个工艺流程更接近于实际工业现场控制。 3 1 1 进料阶段 本阶段的任务是将待加热物料a 送入加热炉、换热器、管道，为后续的加 热升温阶段做好准备。工艺要求使用上料泵p 11 0 1 将物料a 送入加热炉单元， 通过控制阀v 11 0 1 使流量稳定在给定值。 下图为进料阶段投运流程图，开始的控制器设置为手动操作，并保证在切 换时为无扰动切换。 图3 - 1 进料阶段投运流程图 f i g 3 1o p e r a t i o nf l o wc h a r to ft h ef e e dp h a s e 1 7 北京化工大学硕士学位论文 3 1 2 升温阶段 本阶段的任务是待加热物料a 经过对流短和辐射段的换热，使物料a 的温 度提高并且稳定，并能兼顾炉膛压力稳定，为以后的恒温阶段做好准备。 工艺要求物料a 经过辐射段的换热，通过控制阀v 11 0 4 和鼓风机，使燃料 和空气在固定比值下充分燃烧，从而通过换热使辐射段物料a 的出口温度稳定 在给定值，同时将炉膛压力稳定在给定值。下图为升温阶段投运流程图： 图3 2 升温阶段投运流程图 f i g 3 - 2o p e r a t i o nf l o wc h a r to f h e a t i n gs t a g e 第三章_ 丁业加热炉开车方案及【叫路图 3 1 3 恒温阶段 本阶段的任务是用一部分冷物料通过换热器进一步将加热后的物料a 调整 到预定的温度，同时对冷物料进行预热，体现了节能的思想。 工艺上通过控制进入换热器的冷物料流量，来调整热物料a 的出口温度， 从而实现对热物料a 出口温度的控制。 串级控制的投运，遵循先副后主的原则，并保证无扰动切换。开始阶段所有 的控制器均设为手动控制，主控制器内给定，副控制器外给定，其投运流程图如 下所示 图3 - 3 恒温阶段投运流程图 f 追3 - 3o p e r a t i o nf l o wc h a r to ft e m p e r a t u r es t e a d yp h a s e 1 9 3 2 控制回路图 北京化t 火学硕1 ：学位论文 现场架装盘旋 1 ：艺接线箱端r 椒控制站( ：1 3 a s )搽作食 致：l | 蝗 驴萨弭一 。囫 1 1 2 6 0 7 4 一i 、圆 厣、然i最爵弱岔f 一 邕；广。匕毯料 j 腓e ，0 0 i r ci 图3 - 4 物料进入炉膛的温度回路 f i g 3 - 4f u r n a c et e m p e r a t u r el o o po ft h ei n l e t 现场絮装矗装 工艺医接线糍瑶予艇控制站( z 1 3 悠)操作台 遂驷 f 1 一n o i 铲 爵。t 。一o 呻囫u p 赡计6 ：肄f 垲d 懵 圃 m m 辑啦 r 蹲避 乙矗咎y 0 j n r 9 l 氍| 卤。一 譬：竺绎、翻搽圯 圃 酽 西。 一藤酣 南 乙嗌辟 默删s c l e s n 么；， 感 蠹圈 翊 i f x v i i o i c ( 露。 口 图3 - 5 物料入口流量回路 f i g 3 巧f u r n a c ef l o wl o o po ft h ei n l e t 2 0 第二三章- 丁业力| l 热炉开车方案及l 口i 路图 脱锡策装曩装 j - 艺弦线鞴瑶fj l !莪，翱稿+ ? 1 ，“，棒撵爵 i i ：， 擎圣。嚣。了。一叩0 一 飞 ：1 ，4 c 蚌挂 圈 n 一_ 1 r 巨童出 v 匕艺w 。 。飞翻 i 恻q m ”l 卤_ 如 棚 固 擎 蟊i 卜b 。“： nl 紫竹 尊。叼一。一一 丫 ir 弋工i j 职一m ，i 一 ( * h ，：每? f 3 丫 一 ? i 谰 鼓曩砚 赫i 1 8 睇 匿圈 尊。 k j ol 唾窿 图3 - 6 空气流量副同路 f i g 3 - 6a u x i l i a r ya i rf l o wl o o p 覆墒絮装是凌 工艺区茔鳕髯 辫子平 控匆麓宅：髓s ? 攮穗台 圈 置i _ 卜。- 10 0 1 。一。一。 1 - 。一。一 。咽 并，：j 辩 强纛魈 蜀r 膏丽翁 固 f ，、_ j 鱼e 露砼出 v匕岱p 牛 显溉l 姚。粼 囤 擎 愚。| r 露卜r 一 甄织 l 辩 翟北| 3 z 辩e 溷 曩圈 珏。 - 一 即嘲 l 薯盛 图3 7 燃料流量副【亓i 路 f i 9 3 - 7a u x i l i a r yf u e lf l o wl o o p 2 1 北京化丁大学颂i j 学位论文 现场粲装盘装 工艺遁接线箱端子柱l控制菇( 2 1 3 a s )搽作台 i i 二l 缝 ：圃 一 丑一。咽兢 风1 1 们筑 i “卜制一l l 一 妙h 翌卜l j 涨- 9 0 0 l l i c 图3 - 8 炉膛中心温度 f 蟾3 - 8c o r et e m p e r a t u r eo ff u r n a