管式加热炉出口温度串级控制系统设计

课课 程程 设设 计计 任任 务务 书书 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 目 录 1 管式加热炉概述 1 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 管式加热炉温度控制系统工作原理及控制要求 2 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 管式加热炉出口温度控系统工艺流程设计 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 管式加热炉出口温度控系统现场仪表的选型与连线图 3 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 管式加热炉出口温度串级控制系统分析 7 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 管式加热炉出口温度串级控制系统的 MATLAB SIMULINK 仿真与分析 9 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 7 感受与体会 11 8 参考文献 11 1 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 图 1 2 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 1 T 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 T 1 被加热物料的流量与初温 1 D 2 燃料热值的变化 压力波动 流量的变化 2 D 3 烟窗挡板位置的改变 抽力的变化 3 D 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 1 T 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 1 D 2 D 3 D 2 T 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 1 T 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 2 D 3 D 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 图 2 3 度控制的目的 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 1 T 据炉膛温度的变化 先调节燃油量 然后再根据 2 T 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 1 T 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 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 的热电偶 图 3 表 1 4 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 的热电偶 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 0 500 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 2 5 规格型号 输入1 电流信号2 3 4 1 2 3 4 5 6 7 8 AS OG G普通型 Ex隔爆型 I本安型 EPC1 0 结构 100 60KPa 分程反作用 40 200KPa 正作用 200 40KPa 反作用 附件 减压过滤器 带气动压力表 4 20mADC 0 10mADC 4 12mADC 12 20mADC 输出气动信号 20 100KPa 正作用 100 20KPa 反作用 20 60KPa 分程正作用 60 100KPa 分程正作用 60 20KPa 分程反作用 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 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 SBW R Z 1 2 3 4 5 6 7 8 0 1 适配S型热电偶 适配T型热电偶 适配N型热电偶 用户自定 电路类别 隔离型 非隔离型 温度变送器 类别 热电偶 热电阻 传感器 适配K型热电偶 热电阻适配Pt100 适配E型热电偶 热电阻适配Cu100 适配J型热电偶 热电阻适配Cu50 适配B型热电偶 表 3 表 4 6 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 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 表 5 图 4 7 控制系统的电气连线图如图 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 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 图 5 图 5 8 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 1 PD I de t u tKe te t dtT Tdt 写成传递函数形式为 1 1 PD I U s W sKT s E sT s 用增量型的离散 PID 算法控制规律为 1 2 1 2 PID u kKe ke kK e kKe ke ke k 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 IPI KK T T DPD KK TT 1 100 P K 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 9 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 1 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 2 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 2s 量得此时的衰减振荡周期 T2s 5 置副调节器的比例度为 2s 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 1 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 1s 量出主变量振荡周期 T1s 7 由已求得的 1s 2s 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 MATLAB Simulink 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 80 1 2 901 s e G s s 副回路的传递函数取 参考文献 8 16 2 2 301 1 s e G s ss 6 2 系统的参数的选择 系统的仿真图为图 6 图 6 10 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 1 1 2 01 100 49 8 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 2 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 加入扰动后的系统框图为图 10 得到的仿真结果为图 11 图 7图 8 图 9图 11 图 10 11 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 7 感受与体