设备管理_加热炉的控制系统

2020 2 18 1 加热炉的控制 2020 2 18 2 4 5加热炉的控制 4 5 1概述 加热炉是石油化工生产过程的主要设备之一 作用 工艺介质的升温或气化 结构形式 箱式炉 立式炉 圆筒炉 工作原理 对象特点 燃料 油 分几路 雾化喷嘴 进炉燃烧炉膛火焰辐射给炉管炉管经热传导 对流传热给工艺介质 炉膛容量大 时间常数大 滞后时间长 属多容过程 可用一阶加纯滞后环节近似描述 理论分析比较困难 操作特点 避免温度过高 炉管内物料可能分解 结焦严格控制加热炉出口温度 2020 2 18 3 4 5 2加热炉的单回路控制 1 对象分析 主要控制指标 工艺介质的出口温度 操作手段 燃料油或燃料气的流量 干扰因素 负荷量 进料温度 组分 燃料油 气 压力 性质 雾化状况 空气量 喷嘴阻力等 2 控制回路 1 主要控制系统 出口温度控制 2 辅助控制系统 工艺介质的流量控制系统 燃料压力控制系统 燃料油雾化蒸汽压力控制 2020 2 18 4 燃料油压力波动较大时 单回路不能保证良好雾化 可采用以下方案 用燃料油阀后压力与雾化蒸汽压力之差来调节雾化蒸汽 燃料油阀后压力与雾化蒸汽压力比值控制 前提条件 管道应畅通 加热炉负荷大 时间常数和滞后时间较大 单回路控制很难满足要求 炉出口温度波动较大 3 单回路控制适用场合 对炉出口温度要求不高的场合 干扰较小 且不频繁 炉膛容量较小 滞后小 也可采用流量比值控制 燃料油压力较平稳时 回路可以满足雾化要求 2020 2 18 5 4 5 3加热炉的串级控制 炉出口温度对炉膛温度的串级控制 炉出口温度对燃料流量的串级控制 炉出口温度对燃料阀后压力的串级控制 采用压力平衡式控制阀的控制 2020 2 18 6 4 5 3加热炉的串级控制 2020 2 18 7 1 炉出口温度对炉膛温度的串级控制 干扰 燃料压力 性质等 优点 有利于克服燃料性质变化 注意 1 炉膛温度的检测点位置 选择有代表性且反应较快的点 2 副控制器参数不应整定得过于灵敏 4 炉膛温度不应有大的波动 5 炉膛温度测温元件及保护套管应耐高温 炉膛温度 炉出口温度 炉膛温度比出口温度滞后小 副回路克服干扰 减小对出口温度的影响 3 副控制器不引入微分作用 2020 2 18 8 2 炉出口温度对燃料流量的串级 优点 有利于克服燃料量变化 三串级 出口温度 炉膛温度 燃料量三参数串级 特点 关联回路多 实施困难 缺点 燃料量小 粘度大时 流量测量困难 2020 2 18 9 3 出口温度对燃料阀后压力的串级 燃料量小 粘度大时 流量测量困难 特点 应用较广 4 采用压力平衡式控制阀 这种阀本身兼有压力控制器功能 相当于炉出口温度对燃料压力的串级 压力测量较方便 应注意管道堵塞 2020 2 18 10 浮动 压力平衡式 阀工作原理 2020 2 18 11 加热炉的串级控制方案总结 优点 缺点 2020 2 18 12 例1 催化裂化装置加热炉控制系统 原料油加热到一定温度送给反应器开工气体为燃料 出口温度控制浮动阀 正常生产重质油为燃料 采用炉出口温度与燃料阀后压力串级 2020 2 18 13 例1 催化裂化装置加热炉控制系统 开工 正常 2020 2 18 14 例2 常减压装置加热炉控制系统 原油加热到一定温度送至常压塔分馏 要求炉出口温度稳定 温度控制 炉出口温度对炉膛温度的串级 负荷控制 单回路流量控制 燃料干扰 单回路压力控制 2020 2 18 15 4 5 4加热炉的前馈 反馈控制 实际生产中 有时遇到进料量变化频繁 幅度较大 炉子时间常数大 滞后时间长 单回路或串级均很难满足要求 设计前馈 反馈控制系统 前馈主要克服进料流量的干扰 2020 2 18 16 加热炉安全联锁保护控制系统 在以燃料气为燃料的加热炉中 主要危险包括 被加热工艺介质流量过少或中断 熄火 回火 什么情况下发生 脱火 什么情况下发生 2020 2 18 17 4 5 5加热炉的安全联锁保护系统 联锁保护系统的作用 为安全生产 防止事故 1 燃气加热炉 工艺介质流量过小或中断 切断燃料气 某种原因灭火时 切断燃料气 燃料气压力不能过低 流量不能太小 燃料压力不能过高 否则会引起脱气灭火 2020 2 18 18 LS 低选器 BS 火焰检测器 GL1 燃料气流量过低联锁装置 GL2 进料流量过低联锁装置 加热炉安全联锁保护控制系统 反作用 反作用 气开阀 2020 2 18 19 2 燃油加热炉 哪个回路实现此功能 工艺介质流量过小或中断 切断燃料油 燃料油压力过低会回火 燃料油压力过高会脱火 雾化蒸汽压力过低或中断 造成燃料油雾化不良无法燃烧 还有什么功能 和燃气加热炉有什么区别 2020 2 18 20 蒋慰孙 过程控制工程 第2版 中国石化出版社金以慧 过程控制 清华大学出版社 参考文献 2020 2 18 21 锅炉设备的控制 2020 2 18 22 4 6锅炉设备的控制 4 6 1概述重要动力设备 耗能大户 节能研究的重点 污染大户 环保治理的重点 1 作用 动力源 热源 2 组成 2020 2 18 23 2 组成 3 工作原理 燃料空气 混合燃烧发热 汽包 饱和蒸汽 过热蒸汽 母管输出 燃烧烟气 饱和蒸汽 过热蒸汽 省煤器 给水 空气预热器 给风 引风机排出 采用了哪些节能措施 2020 2 18 24 4 对象分析 特点 锅炉 锅炉的主要输入 输出 多入多出 MIMO 变量之间关联 2020 2 18 25 多输入多输出问题转化为若干单输入单输出问题 为什么不用现代控制理论解决 汽包水位控制 物料平衡 燃烧系统控制 能量平衡 过热蒸汽系统控制 质量控制 炉膛负压系统控制 安全控制 工业锅炉控制方案的特点 2020 2 18 26 任务 安全 合理的运行条件下 提供一定温度和压力的蒸汽 要求 蒸汽量应适合负荷变化的需要 或保持给定的负荷 蒸汽压力保持一定的范围 蒸汽温度保持一定的范围 汽包水位保持一定的范围 炉膛负压保持一定的范围 保持燃烧的经济性和安全运行 2020 2 18 27 6 主要控制系统 1 汽包水位控制 受控变量 汽包水位 保证安全运行的重要指标之一 2 燃烧系统控制 操纵变量 给水流量 使给水适应锅炉的蒸发量 保持水位在一定范围内 目的 使燃烧产生的热适应蒸汽负荷的变化 受控变量 蒸汽压力 烟气氧含量 炉膛负压 操纵变量 燃料量 送风量 引风量 3 过热蒸汽系统控制 目的 维持过热器出口温度 保证管壁温度不超过允许的温度 受控变量 蒸汽温度 操纵变量 减温水量 2020 2 18 28 4 6 2汽包水位控制 汽包水位 锅炉运行的主要指标 水位过低 负荷加大时 汽化速度加快 控制不及时会全部汽化 水位过高 影响汽水分离 产生汽带液 影响后序设备的正常运行 1 汽包水位的动态特性 1 蒸汽负荷对水位的影响 干扰通道 H 实际可视水位 H1 不考虑水下面汽泡容积变化时的水位 H2 只考虑水面下汽泡容积变化所引起的水位 假水位与锅炉的工作压力和蒸汽量有关 100t h 300t h的中高压锅炉 负荷变化10 时 假水位可达30 40mm 2020 2 18 29 2 给水流量对位的影响 控制通道 水位特性 纯滞后过程或反向特性过程 2 单冲量控制 缺点 负荷变化时 控制不及时 不能克服假水位现象 适用场合 小型锅炉负荷较稳定的场合 2020 2 18 30 3 双冲量控制 避免虚假水位造成控制器误动作 设计负荷变化的前馈控制 加法器的输出 初始偏置差 阀位的初值 加法器的系数 的正 负取决于阀的特性 根据阀的特性数据计算现场凑试 在只有负荷干扰的条件下 调整到水位基本不变 可取1 也可小于1 在正常负荷下 与近似或正好抵消 2020 2 18 31 方框图 缺点 因控制阀的非线性 很难做到稳态补偿 不能克服给水量的扰动 4 三冲量控制 水位 负荷 给水流量的复合控制系统 方案一 前馈与串级组成的复合控制系统 特点 克服虚假水位现象克服给水量的扰动 双冲量控制的另一种形式 2020 2 18 32 方案二 前馈加反馈控制 综合信号的单回路系统 特点 仪表少容易实现系数设置不当 水位可能有余差 受控变量 方案三 前馈 串级控制系统 副回路纯比例控制器 比例度为100 特点 水位无余差 2020 2 18 33 4 6 3燃烧系统控制 1 控制系统的目的 保证锅炉出口蒸汽压力稳定 保持燃料良好地燃烧 保持炉膛负压不变 维持喷嘴背压在一定范围内 2 蒸汽压力控制和燃料与空气的比值控制 压力对燃料量的单回路控制适用于负荷及燃料波动较小的场合 燃料量波动较大时 可采用压力对燃料量的串级控制 为什么选蒸汽压力控制 为什么选燃料与空气的比值控制 2020 2 18 34 基本控制方案 压力控制器输出同时作为燃料和空气流量控制器的设定值 特点 蒸汽压力恒定 燃料和空气的比值恒定 压力对燃料量的串级 送风量随燃料变化的比值控制 特点 送风量滞后于燃料量 2020 2 18 35 改进的控制方案 当负荷增加时 先加大空气量 后增加燃料 当负荷减小时 先减燃料 后减空气 3 烟气氧含量控制 直接指标 使燃料量与送风量的比值在各种情况下均为最优 烟气氧含量 间接指标 逻辑提量 节能控制 讨论两个问题 2020 2 18 36 逻辑提量过程分析 反作用 过程分析 蒸汽量 P PC 空气量 燃料量 当负荷增加时 先加大空气量 后增加燃料 蒸汽量 P PC 燃料量 空气量 当负荷减小时 先减燃料 后减空气 反作用 HS LS 反作用 LS HS 作业 画出上图的原理框图 并且分析它的工作过程 2020 2 18 37 节能控制思路 热效率 仪表 热损失q 不完全燃烧的热损失 机械和化学 烟气热损失 散热损失 2020 2 18 38 热效率 热损失q 与空气过剩系数 的关系 2020 2 18 39 节能控制思路 热效率 仪表 热损失q 不完全燃烧的热损失 机械和化学 烟气热损失 散热损失 无法测量 2020 2 18 40 过剩空气量通常用过剩空气系数来描述 烟气氧含量 过剩空气系数 2020 2 18 41 空气过剩系数 与烟气氧含量的关系 2020 2 18 42 小结 节能控制思路 热效率 仪表 热损失q 不完全燃烧的热损失 机械和化学 烟气热损失 散热损失 无法测量 空气过剩系数 无法计算 烟气氧含量 氧化锆氧分析仪 2020 2 18 43 重温 改进的控制方案 当负荷增加时 先加大空气量 后增加燃料 当负荷减小时 先减燃料 后减空气 3 烟气氧含量控制 直接指标 使燃料量与送风量的比值在各种情况下均为最优 烟气氧含量 间接指标 2020 2 18 44 工程实例 青岗糖厂燃煤工业锅炉计算机控制系统工艺 蒸汽汽轮机发电制糖特点 制糖是间歇操作 负荷变化相当大 失败的教训 满足不了工况变化的要求 成功的尝试 观察人工操作 编制计算机控制程序 2020 2 18 45 启示 一切从实际出发 具体问题具体分析 灵活创新是永恒的主题 2020 2 18 46 参考文献 蒋慰孙 过程控制工程 第2版 中国石化出版社金以慧 过程控制 清华大学出版社王锦标 计算机控制系统 P200交叉控制 清华大学出版社 2020 2 18 47 4 炉膛负压控制 炉膛负压的操作手段 引风量 负荷变化较大时 单回路难于满足要求 可采用前馈 反馈控制 在引风量回路中引入送风量的前馈或蒸汽压力前馈 金以慧 过程控制 清华大学出版社P248 2020 2 18 48 4