管式加热炉温度-流量串级控制系统的设计.docx

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1、y）过由/玄火星过程限制系统课程设计题目：管式加热炉温度-流量串级限制系统的设计摘要当今世界，随着人们物质生活水平的提高以与市场竞争的日益激烈，产品的质量和功能也向更高的档次发展，制造产品的工艺过程变得越来越困难，为满意优质、高产、低消耗，以与平安生产、爱护环境等要求，做为工业自动化重要分支的过程限制的任务也愈来愈繁重，无论是在大规模的结构困难的工业生产过程中，还是在传统工业过程改造中，过程限制技术对于提高产品质量以与节约能源等均起着非常重要的作用。为了能将课程中所学理论学问初步尝试应用于实践，本次设计将采纳过程限制系统原理来实现工业生产限制问题的解决，通过设计一个温度-流量串级限制系统来实现

2、对管式炉加热原料油的温度限制。管式加热炉是石油工业中重要的设备之一，它的任务是把原油加热到肯定的温度，以保证下一道工序的顺当进行。加热炉的工艺过程为：燃料油经雾化后在炉膛中燃烧，被加热油料流过炉膛四周的排管后，就被加热到出口温度。本此设计内容包括总体方案设计，系统原理阐述，系统框图与结构的搭建，变量检测环节，变量变送环节，限制器，调整阀，联锁爱护等环节的详细选择与设计，最终形成一个可行牢靠的完整串级过程限制系统方案，力图通过详细应用获得理论学问的进一步提升，并为工业生产提出可行性建议。关键字：流量温度串级限制目录1 .管式加热炉温度限制系统的设计意义O1.1 管式加热炉简介OL2温度限制系统设

3、计意义O2 .管式加热炉温度限制系统工艺流程与限制要求13 .总体方案设计23.1 传统简洁限制系统23. 2串级限制系统34. 3管式加热炉温度-流量串级限制系统限制原理与调整过程44.系统的设计与参数整定64.1 主回路设计64. 2副回路设计64. 3主副调整器调整规律的选择74. 4主副调整器正反作用方式的确定75. 5限制系统的参数整定75.所需检测元件、执行元件与调整仪表技术参数86. 1温度变送器85.2温度检测元件95.3 流量检测与变送105.4 调整阀115.5 联锁爱护116.组态软件设计126. 1新建工程137. 2连接设备与设备测试148. 3数据词典149. 4建

4、立画面1510. 5调试执行错误!未定义书签。心得体会19参考文献201 .管式加热炉温度限制系统的设计意义1.1 管式加热炉简介管式加热炉是一种干脆受热式加热设备，主要用于加热液体或气体化工原料，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，管式加热炉通常由以下几部分构成：1）辐射室：通过火焰或高温烟气进行辐射传热的部分。这部分干脆受火焰冲刷，温度很高，是热交换的主要场所（约占热负荷的70-80%）；2）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；3）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、4）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。1.2温度限制系统设计意义管式加热炉是石油炼制、石油化工、煤化工、焦油加工、原油输送等工业中广泛运用的工艺加热炉，由于被加热物质即在管内流淌介质通常为气体或液体，并且都是易燃易爆的物质，所以操作条件苛刻，同时其必需长周期运转不间断操作，加热方式干脆受火，所以管式加热炉的温度限制系统至关重要，是其提高加热炉热效率，节约能源和平安生产的重要保证,因此本设计的意义就是旨在设计出符合管式加热炉生产限制要求的温度限制系统，从而达到在其工作过程中有效与时限制，以提高其工作效率，节约能源且保证生产过程的平安牢靠。2 .

6、管式加热炉温度限制系统工艺流程与限制要求管式加热炉的主要任务是把原制油或重油加热到肯定温度，以保证下一道工序（分储或裂解）的顺当进行。管式加热炉的工艺流程图如图2.1所示。燃料油经过蒸汽雾化后在炉膛中燃烧，被加热油料流过炉膛四周的排管中，就被加热到出口温度t。在燃料油管道上装设一个调整阀，用它来限制燃油量以达到调整温度t的目的。引起温度t变更的扰动因素很多，主要有：1）燃料油方面（它的组分和调整阀前的油压以与燃料油流量）的扰动;2）喷油用的过热蒸汽压力波动；3）被加热油料方面（它的流量和入口温度）的扰动；4）配风、炉膛漏风和大气温度方面的扰动；其中燃料油压力，流量和过热蒸汽压力都可以用特地的调

7、整器保持其稳定，以便把扰动因素减小到最低限度。从调整阀动作到温度t变更，这中间须要相继通过炉膛、管壁和被加热油料所代表的热容积，因而反应很缓慢。工艺上对出口温度t要求不高，一般希望波动范围不超过12%。3 .总体方案设计3.1 传统简洁限制系统管式加热炉的任务是把原料油加热到肯定温度，以保证下道工艺顺当进行，因此若采纳传统简洁限制系统，常选原料油出口温度用(t)为被控参数、燃料油流量为限制变量，如图3-1所示，其限制系统框图如图3-2所示。影响原料油出口温度q(t)的干扰有原料油流量L(D、原料油入口温度f2(t).燃料压力fg)、燃料热值fg)、燃料流量fg)等，该系统依据原料油出口温度4(

8、t)来限制燃料阀门的开度，通过变更燃料流量将原油出口温度限制在规定数值上，但由其系统图可知当燃料压力、流量、热值发生变更,产生扰动时，最先影响炉膛温度，然后通过传热过程渐渐影响原料油的出口温度，从燃料流量变更经过三个容量后，才引起原料油出口温度的变更,这个通道时间常数很大，约15min,反应缓慢。而温度调整器IC是依据原料油的出口温度4(t)与设定值的偏差进行限制，当燃料部分出现干扰后，系统并不能与时产生限制作用，客服干扰对被控参数4(t)的影响，限制质量差，当生产工艺对原料油出口温度优(t)要求严格时，传统的简洁限制系统很难满意要求，因此我们此次设计采纳串级限制系统进行限制。A-A-XI.

9、I. r- tm *E.I H f图3-2管式炉温度简洁限制系统框图3.2 串级限制系统串级限制系统是在简洁限制系统的基础上发展起来的，当被控过程的滞后较大，干扰比较猛烈、频繁时，采纳简洁限制系统限制品质较差，满意不了工艺限制精度要求，在这种状况下可考虑采纳串级限制系统，串级限制系统采纳两套检测变送器和两个调整器，前一个调整器的输出作为后一个调整器的设定，后一个调整器的输出送往调整阀。针对管式加热炉设计的温度-流量串级限制系统如图3-3所示，其系统框图如图3-4所示。原料出口温度力图3-3管式加热炉温度.流量串级限制系统图3-4管式加热炉温度.流量串级限制系统框图3. 3管式加热炉温度-流量串

10、级限制系统限制原理与调整过程下面对管式加热炉温度-流量串级限制系统的限制原理和调整过程进行简洁分析。假设在稳态工况下，原料油进口温度和流量稳定，燃料的热值和压力不变，限制燃料的阀门保持在肯定的开度，炉膛温度保持相对稳定状态，此时原料油出口温度稳定在设定值。假如出现外部干扰，是稳态工况遭到破坏，串级限制系统马上起先限制动作。下面依据扰动的不同分三种状况进行探讨：1）燃料流量（主要干扰）发生扰动：当燃料的流量发生波动，而原油的入口温度和流量保持稳定，则干扰首先引起进入炉膛的燃料量发生变更，流量变送器与时测到流量的变更，并通过副调整器与时限制燃料调整阀，使得燃料流量很快回复到原先的稳定值。假如干扰量

11、小，经过副回路调整后，一般影响不到原料油出口温度;当干扰幅度较大时，其大部分影响为副回路所客服，但仍会产生肯定影响,但引起的偏差要比简洁温度限制系统限制下产生的小得多，才是再通过主调整器变更副调整器的设定值进一步调整则可几乎完全消退干扰的影响，是原料温度维持在设定范围；2）原料油流量、原料油入口温度发生扰动：当干扰只是来自于原料油的流量和入口温度时，干扰首先引起原料油出口温度变更，温度变送器与时测量到温度的变更，并通过主调整器变更副调整器的设定值，进而调整其输出信号变更燃料阀的开度，进而变更燃料的流量，进而变更炉膛温度，以校正原料油出口温度的变更，使其回复到设定温度范围。在串级限制系统中，假如

12、干扰作用于主回路时，由于副回路的存在，加快了校正作用，可以与时变更原料油出口温度的变更，比简洁温度限制系统的限制质量好的多；3）干扰同时作用于主回路和副回路：假如干扰同时存在，为了分析便利，先假定执行器采纳气开形式，主调整器和副调整器都采纳反作用形式，这时依据干扰作用下主参数和副参数变更的方向，分两种状况进行探讨。a）假如在干扰作用下，主副参数的变更方向相同，即同时增加或减小，如一方面由于燃料的流量增加，使进入炉膛的燃料增加，同时由于原料油流量削减或者进口原油温度上升，使得原料油出口温度上升。这时主调整器的输出由于原料油出口温度的上升而减小，使得副调整器的设定值减小，副调整器由于测量值上升，设

13、定值减小，副调整器设定值与流入炉膛的燃料流量差值更大，副调整器的输出大大减小，以使调整阀关得更小，大幅度减小燃料的供应量，直至主参数原料油出口温度回复到设定值为止。由于此时主副调整器的作用都是使阀门关小，加强了限制作用，因此加快了限制过程；b）假如在干扰作用下，主副参数变更方向相反，即一个增加一个减小，例如一方面由于燃料的流量增加导致进入炉膛的燃料流量增加，另一方面又由于原料油流量增加或进口温度降低，使原料油出口温度降低，这时主调整器的测量值降低，使其输出增大，副调整器的设定值增大，同时副调整器的测量值增大，假如两者增加量恰好相等，则副调整器输入不变，副调整器输出不变，阀门不须要动作；假如两者

14、不相等，由于能相互抵消一部分，副调整器输入变更较小，输出变更幅度也比较小，调整阀只须要做出较小的变更就可以校正原料油出口温度的偏差，使其重新回到设定值。通过以上可以直观地看出，在管式加热炉温度-流量串级限制系统中，由于引入了副回路，不仅能快速克服作用于副回路的干扰，也能加速克服主回路的干扰。副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点，对副回路没有完全克服的干扰能进行彻底消退，由于主副回路相互协作补充，使得系统的限制质量显著提高。4.系统的设计与参数整定4.1 主回路设计管式加热炉温度-流量串级限制系统是以原料油出口温度为主要被控参数的限制系统，所以主回路的设计确定以原料

15、油出口温度为被控参数，其选择与生产工艺亲密相关，能干脆反映加热过程中的加热质量，也与节约能源，提高效率和平安生产休戚相关，同时也易于测量。4. 2副回路设计副回路的选择也就是确定副回路的被控参量即串级限制系统的副参数，在本次设计中选用进入炉膛的燃料流量作为副被控参数，其选择是基于一下几个原则：1）主副参数有对应关系；2）选择进入炉膛的燃料流量作为副控参数使副回路包含变更猛烈的主要干扰；3）考虑了主、副回路中限制过程的时间常数的匹配；4）考虑了工艺上的合理性和经济性。4. 3主副调整器调整规律的选择在串级限制系统中，主、副调整器所起的作用不同。主调整器起定值限制作用，副调整器起随动限制作用，这是选择调整器规律的基本动身点。在管式加热炉温度-流量串级限制系统中，由于我们选择原料油出口温度作为主要被控参数，而原料油出口温度关乎产品质量，工艺要求较为严格，又因为管式加热炉串级限制系统有较大容量滞后，所以选择PID调整作为主调整器的调整规律。在串级限制系统中副限制副参数的选择是为了保证和提高主参数的限制质量，所以对副参数的要求一般不严格，可以在肯定范围内变更，允许有残差，所以副调整器调整规律选择P调整。4.4主副调整器正反作用方式的确定首先依据工艺的平安性要求确定燃料调整阀为气开形式，这样保证系统出