传热设备控制(new)

加热炉的控制2023/1/3114.5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TT101燃料工艺介质2023/1/3124.5.2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：

①工艺介质的流量控制系统;

②燃料压力控制系统；

③燃料油雾化蒸汽压力控制。加热炉雾化蒸汽工艺介质燃料油回油TC101TT101FC101FT101PT101PC101PT102PC102TT101燃料工艺介质2023/1/313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：

①用燃料油阀后压力与雾化蒸汽压力之差来调节雾化蒸汽。

②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PT101PC102至喷嘴燃料油雾化蒸汽PT102KPdT101PdC101至喷嘴燃料油雾化蒸汽

燃料油压力较平稳时，③回路可以满足雾化要求。2023/1/3144.5.3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2023/1/3154.5.3加热炉的串级控制2023/1/316

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工艺介质燃料油TC101TT101加热炉TT102TC102

(3)副控制器不引入微分作用；2023/1/317工艺介质燃料TC101TT101加热炉FT101FC1012、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，实施困难工艺介质燃料油TC101TT101加热炉TT102TC102FT101FC101缺点:燃料量小、粘度大时，流量测量困难2023/1/318工艺介质燃料TC101TT101加热炉PT101PC101工艺介质燃料油TC101TT101加热炉TT102TC102FT101FC101

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2023/1/319浮动(压力平衡式)阀工作原理2023/1/3110加热炉的串级控制方案

总结优点?缺点?2023/1/3111

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2023/1/3112

例1：催化裂化装置加热炉

控制系统开工正常2023/1/3113

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燃料油来自初馏塔常压塔加热炉FT101FC101FT102FC102PT102PC102TC103TC104TT103TT104PT101PC101TC101TT101TT102TC102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2023/1/31144.5.4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TT101TC101FT101FT101TT101TC101FT102FC1022023/1/3115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？）2023/1/31164.5.5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

①工艺介质流量过小或中断，切断燃料气

②某种原因灭火时，切断燃料气

③燃料气压力不能过低，流量不能太小

④燃料压力不能过高，否则会引起脱气灭火加热炉TC101TT101PT101PC101LSFT102FSL102FT101FSL101BS1012023/1/3117LS：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？2023/1/3118

2、燃油加热炉(哪个回路实现此功能?)

①工艺介质流量过小或中断，切断燃料油

②燃料油压力过低会回火；燃料油压力过高会脱火

③雾化蒸汽压力过低或中断，造成燃料油雾化不良无法燃烧FT102FSL102PT102PSL102BS101加热炉雾化蒸汽燃料油TC101TT101PT101PC101LSFT101FSL101还有什么功能?和燃气加热炉有什么区别?2023/1/3119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:2023/1/3120锅炉设备的控制2023/1/31214.6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：2023/1/31222、组成：燃料热空气烟气经引风机排出过热器减温器炉膛汽包过热蒸汽空气预热器冷空气给水热空气送炉膛省煤器由给水泵来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）过热器引风机排出采用了哪些节能措施?2023/1/31234、对象分析特点：锅炉给水量燃料量送风量引风量减温水汽包水位蒸汽温度蒸汽压力烟气氧含量炉膛负压负荷锅炉的主要输入、输出多入多出（MIMO）变量之间关联蒸汽负荷汽包水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度燃料量蒸汽压力、汽包水位、蒸汽温度、过剩空气、炉膛负压给水量汽包水位、蒸汽压力、过热蒸汽温度燃料空气烟气过热器减温器炉膛汽包过热蒸汽空气预热器冷空气给水热空气送炉膛省煤器由给水泵来2023/1/3124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2023/1/3125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2023/1/31266、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2023/1/31274.6.2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虚假水位100t/h~300t/h的中高压锅炉，负荷变化10%时，假水位可达30~40mm2023/1/3128

(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、单冲量控制给水锅炉气包蒸汽LC101LI101缺点：负荷变化时，控制不及时，不能克服假水位现象水位给水量的单回路控制适用场合：小型锅炉负荷较稳定的场合2023/1/31293、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、负取决于阀的特性气关阀：负荷给水量应取“-”气开阀：负荷给水量应取“+”锅炉气包蒸汽LC101LI101给水FT101：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2023/1/3130方框图-+锅炉气包蒸汽LC101LI101给水FT101+-

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锅炉气包蒸汽LC101LI101给水FT101FT102FC102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2023/1/3131锅炉气包蒸汽LC101LI101给水FT101FT102方案二：前馈加反馈控制综合信号的单回路系统锅炉气包蒸汽LC101LI101给水FT101FT102

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2023/1/31324.6.3燃烧系统控制

1、控制系统的目的

①保证锅炉出口蒸汽压力稳定

②保持燃料良好地燃烧

③保持炉膛负压不变

④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？2023/1/3133

基本控制方案

①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燃料燃料阀FC101FT101PC101PI101蒸汽KFC102空气阀FT102空气燃料燃料阀FC101FT101PC101PI101蒸汽KFC102空气阀FT102空气

②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2023/1/3134

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、烟气氧含量控制燃料量燃料阀FC101FT101PC101PI101蒸汽量FC102空气阀FT102空气量LSHSAC101AI101含氧量

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：2023/1/3135逻辑提量过程分析:燃料量燃料阀FC101FT101PC101PI101蒸汽量FC102空气阀FT102空气量LSHSAC101AI101含氧量反作用过程分析:蒸汽量PPC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PPC燃料量空气量当负荷减小时，先减燃料，后减空气。反作用HSLS反作用LSHS作业:画出上图的原理框图,并且分析它的工作过程。2023/1/3136节能控制思路:热效率η(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}2023/1/3137热效率η(热损失q)

与空气过剩系数α的关系020-204060总能量损失最高效率区烟气热损失化学不完全燃烧的热损失能量损失%过剩空气率%2023/1/3138节能控制思路:热效率η(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）2023/1/3139

由燃料的性质可以确定完全燃烧所需要的空气量理论量

实际燃烧时应有一定的剩余空气实际量

不同的燃料对过剩空气都有一个最优值

液体燃料

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2023/1/3140空气过剩系数α

与烟气氧含量的关系040203010过剩空气率%1000600400200800PPMCOCOO2锅炉效率0246O2%2023/1/3141小结：节能控制思路:热效率η(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α（无法计算）烟气氧含量（氧化锆氧分析仪）2023/1/3142

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、烟气氧含量控制燃料量燃料阀FC101FT101PC101PI101蒸汽量FC102空气阀FT102空气量LSHSAC101AI101含氧量

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)2023/1/3143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。2023/1/3