管式加热炉温度-流量串级控制系统的设计_精品.doc

管式加热炉温度-流量串级控制系统的设计 1方案选定 管式加热炉是炼油、化工生产中的重要装置之一，它的任务是把原料油加热 到一定温度，以保证下道工序的顺利进行。因此，常选原料油出口温度1t ?（）为 被控参数、燃料流量为控制变量，构成如图1-1所示的温度控制系统，控制系统 框图如图1-2所示。影响原料油出口温度1t ?（）的干扰有原料油流量1()ft、原料 油入口温度2() ft、燃料压力3()ft、燃料压力4()ft等。该系统根据原料油出口温 度1t ?（）变化来控制燃料阀门开度，通过改变燃料流量将原油出口温度控制在规 定的数值上，是一个简单控制系统。 图 1-1 管式加热炉出口单回路温度控制系统 图1-2 管式加热炉出口温度单回路控制系统框图 由图1-1可知，当燃料压力或燃料热值变化时，先影响炉膛温度，然后通过 传热过程逐渐影响原料油的出口温度。从燃料流量变化经过三个容量后，才引起 原料油出口温度变化，这个通道时间常数很大，约有15min，反应缓慢。而温度 调节器1TC是根据原料油的出口温度1() t?与设定值的偏差进行控制。当燃料部分 出现干扰后，图1-1所示的控制系统并不能及时产生控制作用，克服干扰对被控 参数1() t?的影响，控制质量差。当生产工艺对原料油出口温度1()t?要求严格时， 上述简单控制系统很难满足要求。 燃料在炉膛燃烧后，首先引起炉膛温度2() t?变化，再通过炉膛与原料油的 温差将热量传给原料油，中间还要经过原料油管道管壁。显然，燃料量变化或燃 料热值变化，首先使炉膛温度发生改变。如果以炉膛温度作为被控参数组成单回 路控制系统，会使控制通道容量滞后减少，时间常数约为3min，对来自燃料的 干扰3() ft、4()ft的控制作用比较及时，对应的控制系统如图1-3所示。系统框 图如图1-4。但问题是炉膛温度2() t?毕竟不能真正代表原料油出口温度1()t?，即 使炉膛温度恒定，原料油本身的流量或入口温度变化仍会影响原料油出口温度， 图 1-3 管式加热炉炉膛温度控制系统 这是因为来自原料油的干扰1()ft、2()ft并没有包含在图1-4所示的控制系统（反 馈回路）之内，控制系统不能克服1() ft、2()ft对原料油出口温度的影响，控制 效果仍达不到生产工艺要求。 如果将上面两种控制系统的优点——温度调节器1TC对被控参数1() t?的精 图1-4管式加热炉炉膛温度控制系统框图 图 1-5 管式加热炉出口温度串级控制系统 确控制、温度调节器2TC对来自燃料的干扰3() ft、4()ft的及时控制结合起来， 先根据炉膛温度2() t?的变化，改变燃料量，快速消除来自燃料的干扰3()ft、4()ft对炉膛温度的影响；然后再根据原料油出口温度1()t?与设定值的偏差，改变炉膛 温度调节器2TC的设定值，进一步调节燃料量，以保持原料油出口温度恒定，这样就构成了以原料油出口温度为主要被控参数，以炉膛温度为辅助被控参数的串 级控制系统。管式加热炉串级控制系统流程图及系统框图分别如图1-5、图1-6。 这样干扰3() ft、4()ft对原油出口温度的影响主要由炉膛温度调节器（图1-5中 的2TC，图 1-6中的副调节器）构成的控制回路进行校正；由原料油出口温度调 节器（图1-5中的1TC，图 1-6中的主调节器）构成的控制回路克服干扰1()ft、2()ft对原料油出口温度1()t?的影响，并对其他干扰所引起的1()t?的偏差进行校 正。 图1-6 管式加热炉出口温度串级控制系统框图 综上所述，由于管式加热炉动态性复杂、存在多种扰动，简单控制系统难以 满足控制要求，所以采用串级控制系统。 2 环节设计 串级控制系统采用两套检测变送器和两个调节器，前一个调节器的输出作为 后一个调节器的设定，后一个调节器的输出送往调节阀。前一个调节器称为主调 节器，它所检测和控制的变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一 个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称副变量（副被控参数），是为 了稳定主变量而引入的辅助变量。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。 副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成；主回路由主变量检 测变送、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。 2.1 副回路的设计与副参数的选择 副回路的选择是确定副回路的被控参数，串级系统的特点主要来源于它的副 回路，副回路的参数选择一般应遵行下面几个原则： （1）主、副参数有对应关系。即通过调整副参数能有效地影响主参数，副 参数的变化应反映主参数的变化趋势、并在很大程度上影响主参数；其次，选择 的副参数必须是物理上可测的；另外，由副参数所构成的副回路，调节通道尽可 能短，调节过程时间常数不能太大，时间