管式加热炉出口温度串级控制系统设计说明

1、课程设计任务书1.设计目的：L. VV lin VV R VV R STB vr R VT W VT VK VT VK n VT VV n vr VV. STB n VT (1)培养学生运用过程检测仪表与限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限制的问题,初步具备设计一个过程控制系统的水平.(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限制系统的设计过程、设计要求、完成的工作容和具体的设计方法.(3)培养学生独立工作水平和创造力；综合运用专业及根底知识,解决实际工程技术问题的水平；(4)培养查阅图书资料、产品手册和各种工具书的

2、水平；(5)培养编写技术报告和编制技术资料的水平.2.设计容和要求(包括原始数据、技术参数、条件、设计要求等)：1r *!1 tap一工一n *一?h * nN - rr *(* h方 w k* FTNF rr w F升! w F*!h F rt I经过?过程检测仪表与限制?课程的学习和生产实习后,对现场的实际过程限制策略、实际环节的限制系统有了一定的熟悉和了解.在此根底上,针对实践环节中的被控对象(限制装置),独立完成限制系统的设计,并通过调节系统限制参数,到达较好的控制效果.1.确定系统整体限制方案以及系统的构成方式,给出限制流程图；2.现场仪表选型,编制有关仪表信息的设计文件；3.给出限

3、制系统方框图；4.分析被控对象特性,选择限制算法；5.进行系统仿真,调节限制参数,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：asadJ&=a-u.=aam3&aasadJ&=a-u.=aam4&aa-s-=a-u.aaam4&aad-t-s-=a-u.aaaa4占aa-s-=ad-taa-waa4占aa-s-

4、=ad-taa-aaa-S-Laa占 ntd 占=a-u.aa-aaa-B-Laa占 ntd 占=a-u.a1 .确定系统整体限制方案、仪表选型、系统限制流程图、选择限制算法2 .撰写课程设计说明书一份A4纸.4 .主要参考文献:1?过程装备限制技术及其应用?王毅主编化学工业2?过程自动化及仪表?俞金寿主编化学工业3?工业过程限制工程?王树青主编化学工业4?限制仪表及装置?吴勤勤主编化学工业5?过程限制仪表?徐春山主编冶金工业6?过程装备成套技术设计指南工程?更振/仁主编化学工业7?过程限制装置?永德主编化学工业8?化工单元过程及设备课程设计?匡国柱主编化学工业9?化工设备设计设计手册?上、下

5、朱有庭主编化学工业10?工业过程检测与限制?孟华主编化学工业5 .设计成果形式及要求:提供课程设计说明书一份,要求容与设计过程相符,且格式要符合规定要求;系统限制流程图一份；6 .工作方案及进度：2021年1月7日-1月9日确定系统整体限制方案以及系统的构成方式,画出限制流程图,完成仪表选型,接线图；1月10日-1月13日限制系统方框图,分析被控对象特性,选择限制算法；1月14日-1月15日进行系统仿真,调节限制参数,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日辩论系主任审查意见：签字:年月日目录1管式加热炉概述11.1管式加热炉在石油工业中的重要性11.2管式加热炉的根本

6、构成与组成11.3管式加热炉出口温度限制系统设计目的及意义12管式加热炉温度限制系统工作原理及限制要求22.1管式加热炉出口温度限制系统工作原理22.2管式加热炉出口温度限制系统限制要求23管式加热炉出口温度控系统工艺流程设计.23.1管式加热炉出口温度影响因素的扰动分析23.2管式加热炉出口温度限制系统的工艺流程设计24管式加热炉出口温度控系统现场仪表的选型与连线图34.1限制系统中温度检测元件的选型34.2限制系统中变送器的选型44.3限制系统中执行器调节阀的选型44.4限制系统中调节器的选型54.5限制系统中的连锁保护与接线图65管式加热炉出口温度审级限制系统分析75.1限制系统方框图与

7、工作过程75.2主、副调节器规律选择75.3主、副调节器正反作用方式确定75.4限制器参数工程整定86管式加热炉出口温度审级限制系统的MATLABSIMULINK真与分析96.1传递函数的选择96.2系统的参数的选择96.3系统的仿真分析107感受与体会118参考文献111.1管式加热炉在石油工业中的重要性加热温度高(火焰温度1000c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.是限制运转周期及自动化及自动化程度的关键设备.1.2管式加热炉的根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

8、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局部组成,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局部.这局部直接受火焰冲刷,温度很高(600-1600C),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.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局部.(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：

9、钢结构、炉管、炉墙(衬)、燃烧器、孔类配件等.1.3管式加热炉出口温度限制系统设计目的及意义加热炉限制的主要任务就是保证工艺介质最终温度到达并维持在工艺要求围,由于管式加热炉具有强耦合、大滞后等特性,限制起来非常复杂.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,在设计加热炉限制系统时,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,在设计加热炉限制系统时,还要保证燃料充分燃烧,使燃烧产生的有害气体最少,到达减排的目的.图 1有空气预热方式和废热锅炉方式两2.1

10、管式加热炉出口温度限制系统工作原理限制原理如图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,物用它来限制燃油量以到达所需出口温度T1的目的.2.2管式加热炉出口温度限制系统限制要求被加热物料的流量与初温 Di0燃料热值的变化、压力波动、流量的变化 D烟窗挡板位置的改变、抽力的变化 D30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限制过程.工艺上对出口温度要求不高,一般希望波动围不超过12%

11、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 Ti的改变,整个限制通道的容量滞后大,时问常数大,这就会导致限制系统的限制作用不及时,反响迟钝、最大偏差大、过渡时间长、抗干扰水平差,限制精度降低.除 Di外,D2、D3的变化进入系统的位置,都是首先影响炉膛温度丁2,而后经过加热管管壁的影响被加热油料的温度 Ti0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,那么限制通道的容量滞后大大减小,对干扰 D2、D3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限制系统各有优缺点,为了同

12、时发挥它们的优点,考虑选用出口温度一炉膛温度的审级限制系统.3.2管式加热炉出口温度限制系统的工艺流程设计加热炉温度审级限制系统是以原料油出口温度为被控参数的限制系统.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限制,与副温度调节器对来自燃料干扰的及时限制相结合,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Ti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,到达温度限制的目的.影响出口温度 Ti变化的因素有很多种,主要表现在:(D(2)(3)副回路的选择也就是确定

13、副回路的被控参数.燃料由于其成分和流量变化,对限制过程产生极大干扰.所以,我们选择炉膛温度为审级限制系统的辅助被控参数.用级系统中,为解决滞后时间与控制要求之间的矛盾,保持出口温度3的稳定,可根据炉膛温度T2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Ti稳定,既包括对所有的扰动限制要求,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审级限制系统(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限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,炉膛温度一般限制在850C以下,

14、温度高有利于辐射传热,但太高会导致炉管结焦和烧坏,所以设此限制系统中的炉膛温度要求为700c左右,而管式加热炉出口温度假设为石油分储的温度300Co由产品执行标准IEC584、GB/T16839-1997、JB/T5518-1991、GB3836热电偶标准,在1000c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)测量围广.常用的热电偶从-50+1600C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.表

15、 1珊与艇1II尤弟做涮耐慈用Vaama弋弋WRNK=15V孙*3?5土工死40-333+OOMIO375-10000.007541333-1200WfiMN1.4D-+37512.S1C4W333+O.OMIU3JS-1000+0-0075JUWREE+15L-40-+375士25七+0.004111+Q.007541I3M-900WRFJ二T51?4X3752.5TCTA+3330.004用375-75C:0.00出333-750WRCT一51.OVTOF33*000411125-3500.0075111133-350如表1所示：所以物料出口处选择WR能分度号K,允差等级为I的热电偶如表2

16、所示：炉膛温度的才测热电偶选择WR双分度号E,惰性级别为I的热电偶热电博用间常数赫酮时间一制电典府怪版1时百篱和砸L9U-1B31(1110-30n30-90V工怕使用热电偶时,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限制系统中变送器的选型SBWR、SBW源列热电偶、热电阻温度变送器是DD繇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

17、传输线o按国家防爆规程进行设计的,而且增加了平安栅,实现了限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4-20mA0-10mA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：0-500Q3、输出信号：二线制4-20mA最大30mA4、热电偶温度变送器精度：0.5%FS5、回路保护：带反向连接保护预防电源正负极由表3知物料出口温度处选择SBW-R-7CS变送器,炉膛温度选择SBW-R-1Q变送器.表 3SBW温度变送器类别R热电

18、偶Z热电阻传感器1适配K型热电偶熟电阻适配Pt1002适配E型热电偶/热电阻适配Cu1003适配J型热电偶/热电阻适配Cu504适配B型热电偶5适配S型热电偶护单调券利代号介甯号叫举节困物误差 3 艮碑话康啊RKE0-切口七0埠路-也於WRNK0-1300,0=075%1测皇布月及上号误养至闱表 2注；为思断ft实删国度揖：七型葩电偶百选用能仪表6适配T型热电偶7适配N型热电偶8用户自定电路类别0隔离型1非隔离型4.3限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,燃料油粘度比拟大,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,体不易结污,对粘度高的流体尤为适用,

19、并且调节稳定性较好.所以选用角形阀.从平安角度出发,一旦调节阀损坏,保证限制阀处于全关状态,切断燃料进入加热炉,保证设备平安,所以要选择气开调节阀.综上选择ZMA燃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,可预防结焦、粘结、堵塞.由ZMA燃气动薄膜角型调节阀型号编制说明知,选择ZMAS-320K的调节阀.含义为,ZMA气动薄膜正作用式,K:气开式；320:PN320MPaEPC1000g列电气转换器是在引进国外先进技术的根底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

20、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,仪表置PID功能与位式限制功能,采用美观大方的轻触键设置,是工业限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、读数清楚、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、培如表4所示,选才型号为EPC110-OG-I型的电

21、器转换器技术参数为：1、气源压力围：最小值：高于输出压力上限值20kPa；最大值：700kPa.2、线性度：0跨度的土1%3、重复性：&跨度的0.5%.4、回差：跨度的1.0%.4.4限制系统中调节器的选型规格型号物人电流信号1 420mADC2 010mADC3 412mADC4 1220mADC输出气动信号1 20100KPa正作用2 10020KPa反作用3 2060KPa分程正作用4 60100KPa分程正作用5 6020KPa分程反作用6 10060KPa分程反作用7 40200KPa正作用8 20040KPa反作用附件AS减压过滤器OG带气动压力表结构G普逋型Ex隔爆型I本

22、安型EPC1()()0-()-()表 4-OOOOOCH生对象福耍加押 2QO0O-究窿3PID1副引紧最震66q.oooo-oogo八孔W4-20mA式LtWJKPdOOkoO二O-PtD2电气好推翳气动以行叁养箱、烘烤箱、制冷化工、医疗等行业作-200C1800c围的温度测量和自动限制,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限制.由表5知,选择XMTG-8038c调节器,i构如图4所示.表 54.5限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、低选器等局部组成.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

23、度调节系统,此时出料温度无限制,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,出料温度重新受到限制.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,限制电磁阀切断燃料气供应量以防回火C限制系统的电气连线图如图5.XMT口ao口X(1)(2)(3)(4)(6)tn外(尺寸尿小冷士iGu-ttcr】和J4LB276；A：9-06isou孔嫄 r 上D：力110J!-fLi,於此,II.ML的44It.邦礼心UiSiKOIMTW升九756广G：4KJd-iW外孔4X3(Jj刃曲报警iT；丸检青：*1-1一川h营

24、；5,山门般营：*3, ,II报*JI碘*.卜版报瞥./偏弘报警都由理置了C4)Ht入尔弓类型；宣:蜥入牖兮门山白演5J主理胧力仁空格丁题电/常开常ffl触以肆川：At中柏遥/触龙WOt飞3,三相通工般收朋MK相一猊调节XI1( (1WmAJIfVt!速修HhC2L4KBAL*皿t5-ftXRlittiwmt&闻判赚MBt：K：阳；巴坦讯也檄1阉仙睢徜看？(,仃加000.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Ko10o为保证主回路为负反响,各环节放大系数成绩必须为正,所以负调节器的放大系数K10,主调节器作用方式为反作用.又为保证副回路是负反响,各环节放大系

25、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限制器参数工程整定在模拟PID算法限制规律为：u(t)KPe(t)e(t)dtTDdet)T|dt写成传递函数形式为：W(s)UKp1TDSE(s)Ts用增量型的离散PID算法限制规律为：u(k)KPe(k)e(k1)KIe(k)KDe(k)2e(k1)e(k2)其中：&为调节器的放大系数；TI为积分时间常数；TD微分时间常数；1K|KPT/T1为积分系数；KDKPTD/T 为微分系数；比例度100%KP由此得：影响限制的主要因素(、K、K及采样周期To整定思路：(1)理论根据一一由于主、副对象的时间常数相差很大,

26、那么主、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,工艺上对主变量的限制要求较高,而对副变量的限制要求较低.(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限制作用.具体做法,将主调节器的比例度61置于100%,Ki=0,Kd=0按简单限制系统的衰减曲线法整定副回路一一将副调节器的比例度62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62s,量得此时的衰减振荡周期T2so(5)置副调节器的比例度为62s

27、,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一一将主调节器的比例度61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61s,量出主变量振荡周期T1so(7)由已求得的61s、62s和T1s、T2s的值,结合主、副调节器的选型,根据简单限制系统的衰减曲线法整定参数的经验公式,分别计算主、副调节器的最正确参数值.(8)根据“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,直到限制质量最正确.6 管式加热炉出口温度串级限制系统的 MATLABSimulink 仿真与分

28、析6.1传递函数的选择图 7 图 8然后整定主回路,当主回路的衰减比为4:1时,如图8所示按仪表的对应关系设：主回路的传递函数取80sGI(S)e_2(90s1)216s副回路的传递函数取 G2(S)e2(30s1)(s1)2参考文献86.2系统的参数的选择系统的仿真图为图6:A1*1泣户01coTfclsTEF%FEFEGCHTrarsf-rscn2图 6首先整定副回路,当副回路的衰减比为4:此时副回路的振荡周期T1s=112-46=66(1时,如图7所示s)衰减比为61=1/2.01100%=49.8%此时主回路的振荡周期T2s=840-335=505(s),衰减比62=1/2.06100%=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KpKi、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 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