加熱爐過程自動控制系統(tǒng)的設(shè)計

1、目 錄第1章繪制控制工藝流程圖11.1 工藝生產(chǎn)過程簡介11.2 加熱爐的基本控制11.3 加熱爐的單回路控制方案4第2章節(jié)流裝置的計算機輔助設(shè)計計算62.1 GB/T2624-93概述62.2 計算實例6第3章調(diào)節(jié)閥口徑計算113.1 調(diào)節(jié)閥的選型和口徑計算113.2 計算實例12結(jié) 束 語14參 考 文 獻(xiàn)15附 錄16第1章 繪制控制工藝流程圖1.1 工藝生產(chǎn)過程簡介在煉油化工生產(chǎn)中常見的加熱爐是管式加熱爐。其形式可分為箱式、立式和圓筒爐三大類。對于加熱爐，工藝介質(zhì)受熱升溫或同時進行汽化，其溫度的高低會直接影響后一工序的操作工況和產(chǎn)品質(zhì)量。當(dāng)爐子溫度過高時，會使物料在加熱爐內(nèi)分解，甚至造

2、成結(jié)焦而燒壞爐管。加熱爐的平穩(wěn)操作可以延長爐管使用壽命。因此，加熱爐出口溫度必須嚴(yán)加控制。加熱爐是傳統(tǒng)設(shè)備的一種，同樣具有熱量傳遞過程。熱量通過金屬管壁傳給工藝介質(zhì)，因此它們同樣符合導(dǎo)熱與對流傳熱的基本規(guī)律。但加熱爐屬于火力加熱設(shè)備，首先由燃料的燃燒產(chǎn)生熾熱的火焰和高溫的氣流，主要通過輻射傳熱將熱量傳給管壁，然后由管壁傳給工藝介質(zhì)，工藝介質(zhì)在輻射室獲得的熱量約占總熱負(fù)荷的70%80%，而在對流段獲得的熱量約占熱負(fù)荷的20%30%。因此加熱爐的傳熱過程比較復(fù)雜，想從理論上獲取對象特性是很困難的。加熱爐的對象特征一般基于定性分析和實驗測試獲得。從定性角度出發(fā)，可以看出其傳熱過程為：爐膛熾熱火焰輻射

3、給爐管，經(jīng)熱傳導(dǎo)、對流傳熱給工藝介質(zhì)。所以與一般傳熱對象一樣，具有較大的時間常數(shù)和純滯后時間。特別是爐膛，它具有較大的熱容量，故滯后更為顯著，因此加熱爐屬于一種多容量的被控對象。根據(jù)若干實驗測試，并做了一些簡化，可以用一介環(huán)節(jié)加純滯后來近似，其時間常熟和純滯后時間與爐膛容量大小及工藝介質(zhì)停留時間有關(guān)。爐膛容量大，停留時間長，則時間常數(shù)和純滯后時間大，反之亦然。1.2 加熱爐的基本控制1.2.1 加熱爐的出口溫度控制加熱爐進料一般分為幾個支路。常規(guī)的控制方法是：在各支路上安裝各自的流量變送器和控制閥，而用爐出口總管溫度來調(diào)節(jié)爐用燃料量。這樣的調(diào)節(jié)方法根本沒有考慮支管溫度均衡的控制，支管溫度均衡的

4、控制由操作工憑經(jīng)驗根據(jù)分支溫差來調(diào)節(jié)分支流量差。這種人為操作顯然無法實現(xiàn)穩(wěn)定的均衡控制，往往是各支管流量較均衡，而分支溫度有相當(dāng)大的差異，某一爐管因局部過熱而結(jié)焦的可能性很大。為了改善和克服這種情況，需要采用支路均衡控制方法。近年來出現(xiàn)的差動式平衡控制、解藕控制以及多變量預(yù)測控制等方法能夠收取一定的效果。其中差動式方法不僅效果不錯，而且實現(xiàn)簡單，操作簡便，對于長期運行有一定的優(yōu)勢。另外，針對系統(tǒng)的非線性、強耦合特性，模糊控制等智能控制方法也能實現(xiàn)較好的控制。加熱爐出口總管溫度是加熱爐環(huán)節(jié)最為重要的參數(shù)，出口溫度的穩(wěn)定對于后續(xù)工藝的生產(chǎn)穩(wěn)定、操作平穩(wěn)甚至提高收率至關(guān)重要。最簡單的控制方法就是采用

5、單回路的反饋控制。單回路反饋控制簡單實用，有它的使用價值。但該方法沒有考慮燃料量變化的影響，所以出口溫度不容易穩(wěn)定，在一定程度上也會造成燃料的浪費。在簡單反饋控制方案的基礎(chǔ)上，加入燃料量控制回路，就可以構(gòu)成加熱爐的串級控制系統(tǒng)。這種控制方案也比較簡單，效果比簡單控制的效果要好一些，但因為沒有考慮原油進料量的波動，所以出口溫度仍不容易穩(wěn)定，另外沒有考慮空氣量與燃料量之間的配比控制，燃燒也不能達(dá)到較為理想的狀態(tài)，這也是出口總管溫度不容易穩(wěn)定的一個原因。串級控制系統(tǒng)也可以引入爐膛溫度的控制回路來構(gòu)成：出口溫度控制器的輸出作為爐膛溫度的設(shè)定值，爐膛溫度控制器的輸出作為燃料量的給定值，燃料量控制器再去控

6、制調(diào)節(jié)閥。這種串級控制利用爐膛溫度的重要信息，有利于克服某些裝置燃料壓力的波動，但反過來對爐膛溫度測量的準(zhǔn)確性要求較高。在串級控制的基礎(chǔ)上，再引入原油進料前饋，可以構(gòu)成靜態(tài)前饋控制或動態(tài)前饋控制。采用原油進料前饋控制后，在原油進料流量有變化時，控制系統(tǒng)能很快使燃料流量發(fā)生相應(yīng)的變化，從而得到補償，使進料流量波動對出口溫度的影響較小。國內(nèi)大多數(shù)的煉油廠目前均采用以上幾種方法進行出口總管溫度控制，其中簡單的串級控制應(yīng)用較多，控制多采用經(jīng)典的PID控制器。實際上，由于系統(tǒng)的大時延、非線性以及時變特性，PID控制很難取得理想的控制效果，采用先進控制如目前在工業(yè)過程中應(yīng)用最廣泛的預(yù)測控制成為改善控制品質(zhì)

7、的必要手段。1.2.2 加熱爐燃燒控制加熱爐燃燒控制的任務(wù)是提高加熱爐的熱效率，以達(dá)到節(jié)能增效的目的。由于加熱爐是蒸餾裝置中耗能最大的環(huán)節(jié)，能耗占整個裝置的70%以上，因此加熱爐熱效率的提高對于整個蒸餾裝置的節(jié)能具有決定性的意義。常規(guī)的控制系統(tǒng)中，加熱爐出口溫度、爐膛負(fù)壓、煙氣氧含量等變量是獨立的、互不關(guān)聯(lián)的，而實際上各變量之間相互影響。一般可以采用前饋加反饋的控制方法。如：反饋調(diào)節(jié)對象選擇加熱爐的熱效率或煙氣氧含量，執(zhí)行手段采用調(diào)節(jié)控制量；在燃燒控制的基礎(chǔ)上可進一步實施燃燒優(yōu)化，即采用高級優(yōu)化策略通過煙氣氧含量或熱效率反饋尋求最佳的過?？諝庀禂?shù)。一般情況下，采用燃燒優(yōu)化控制后能顯著的提高加熱

8、爐的熱效率。控制任務(wù)概述：1.保持加熱爐的出口溫度在規(guī)定的范圍內(nèi)2. 控制爐膛壓力在規(guī)定的范圍內(nèi)3. 控制煙氣含氧量在設(shè)定值附近波動其中：保持出口溫度是為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量合格；后兩個控制任務(wù)是為了保證加熱爐的安全、平穩(wěn)、高效運行，當(dāng)加熱爐運行平穩(wěn)后，也有利于產(chǎn)品質(zhì)量的保證。加熱爐爐膛壓力是實現(xiàn)加熱爐自動控制的一個重要的參數(shù)。爐膛壓力過高時，爐膛向外噴火，不僅使大量有效熱量散失，增加爐子的燃料消耗，而且也易燒壞爐子的鋼結(jié)構(gòu)，降低爐子的使用壽命，同時還會導(dǎo)致勞動環(huán)境的惡化，危及操作人員的安全；爐壓過低時，會吸入大量的冷風(fēng)，漏風(fēng)熱損失和排煙熱損失加大，引風(fēng)機電耗增加。因此，必須將爐壓控制在規(guī)定的范圍

9、內(nèi)，在加熱爐最佳燃燒控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，爐膛壓力控制是可以通過控制引風(fēng)機變頻器開度來實現(xiàn)，爐壓的檢測采用微差壓變送器。煙氣含氧量的大小能反映出加熱爐的燃燒情況，含氧量不足時，燃料燃燒不充分，造成大量的化學(xué)能損失，并且煙氣中含有大量的CO，對環(huán)境造成了危害；含氧量過大時，過?？諝膺^多，煙氣要帶走大量的熱量，造成排煙熱損失，并且空氣中的N2在高溫下與O2 發(fā)生化學(xué)反映生成NOX，也對環(huán)境造成污染。因此控制煙氣含氧量不僅可以提高加熱爐的熱效率，更有環(huán)保作用。爐膛壓力控制方案：爐膛壓力主要與進風(fēng)量和引風(fēng)量直接相關(guān)，同時也受到加熱爐燃燒狀況以及燃料油、燃料氣比例的影響，不同的燃料下，燃燒后的產(chǎn)物會不同，對

10、爐膛壓力的影響也就不一樣，但這些影響因素處于次要地位可以不加考慮，采用單變量控制加上送風(fēng)量前饋調(diào)引風(fēng)來進行控制，控制圖如圖1-1。為了避免引風(fēng)機變頻器動作過大，需要對控制量進行如下限制：(1)引風(fēng)機負(fù)荷不可擴大，限制引風(fēng)機變頻器的開度(2)由于變頻器有保護電路，如果一次動作過大，會導(dǎo)致斷電保護，因此限制變頻器開度的每次變化量。圖1-1 爐膛壓力控制系統(tǒng)框圖煙氣含氧量控制方案：煙氣含氧量是標(biāo)志燃燒狀況的重要參數(shù)。爐膛溫度、燃料量（主要是燃料油量和燃料氣量），甚至燃燒油與燃料氣的比例對煙氣含氧量有直接的影響，控制圖如圖1-2所示，該控制方案根據(jù)燃料量的變化對進風(fēng)量做補償，能夠快速響應(yīng)系統(tǒng)因負(fù)荷突然

11、變化而引起的燃料變化，不會出現(xiàn)燃料因負(fù)荷突變而變化燃燒狀況卻因進風(fēng)量反應(yīng)過慢而惡化的現(xiàn)象。與引風(fēng)機變頻器類似，對于鼓風(fēng)機的變頻器的動作也有如下限制：(1)鼓風(fēng)機的負(fù)荷不可過大，限制鼓風(fēng)機變頻器的開度。(2)限制變頻器開度的每次變化量。圖1-2 煙氣含氧量控制系統(tǒng)框圖1.3 加熱爐的單回路控制方案1.3.1 擾動分析加熱爐的最主要控制指標(biāo)往往是工藝介質(zhì)的出口溫度。對于不少加熱爐來說，溫度控制指標(biāo)要求相當(dāng)嚴(yán)格，例如允許波動范圍為±（12）。影響路出口溫度的擾動因素有：工藝介質(zhì)進料的流量、溫度、組分，燃料方面有燃料油的壓力、成分、燃料油的霧化情況，空氣過量情況，噴嘴的阻力，煙囪抽力等。在這

12、些擾動因素中有的是可控的，有的是不可控的。問了保證爐出口穩(wěn)定，對擾動應(yīng)采取必要的措施。1.3.2 單回路控制系統(tǒng)的分析圖1-3為某一燃油加熱爐控制系統(tǒng)示意圖，其主要的控制系統(tǒng)是以爐出口溫度為控制變量、燃料油流量為操縱變量組成的單回路控制系統(tǒng)。其他輔助控制系統(tǒng)有：(1)進入加熱爐工藝介質(zhì)的流量控制系統(tǒng)，如圖FC控制系統(tǒng)。(2)燃料油總壓控制，總壓控制一般調(diào)回油量，如入P1C控制系統(tǒng)。(3)采用燃料油時，還需加入霧化蒸汽，為此設(shè)有霧化蒸汽壓力控制系統(tǒng)，如圖P2C控制系統(tǒng)，以保證燃料油的良好霧化。圖1-3 加熱爐控制系統(tǒng)示意圖采用霧化蒸汽壓力控制系統(tǒng)后，在燃料壓力變化不大的情況下是可以滿足霧化要求的

13、，目前煉廠中大多數(shù)采用這種方案。假如燃料油壓力變化較大時，單采用霧化蒸汽壓力控制就不能保證燃料油得到良好的霧化，可以根據(jù)燃料油閥后壓力與霧化蒸汽壓力之差來調(diào)節(jié)霧化蒸汽，還可以采用燃料油閥后壓力與霧化蒸汽壓力比值控制。但只能保持近似的流量比，還應(yīng)注意經(jīng)常保持噴嘴、管道、節(jié)流件等通道的暢通，以免噴嘴堵塞及管道局部阻力發(fā)生變化，引起控制系統(tǒng)的誤動作。此外，也可以采用二者流量的比值控制，則能克服上述缺點，但所用儀表多且重油流量測量困難。采用單回路控制系統(tǒng)往往很難滿足工藝滿足，因為加熱爐需要將工藝介質(zhì)從幾十度升溫到數(shù)百度，其熱負(fù)荷很大。當(dāng)燃料油的壓力或熱值有波動時，就會引起爐出口溫度的顯著變化。采用單回

14、路控制時，當(dāng)加熱量改變后，由于傳遞滯后和測量滯后較大，控制作用不及時，而使?fàn)t口溫度波動較大，滿足不了工藝生產(chǎn)要求。因此單回路控制系統(tǒng)僅適用于對爐出口溫度要求不十分嚴(yán)格；其外來擾動緩慢而較小，且不頻繁；爐膛容量較小，即滯后不大。第2章 節(jié)流裝置的計算機輔助設(shè)計計算2.1 GB/T2624-93概述GB/T2624-93全稱為流量測量節(jié)流裝置 用孔板、噴嘴和文丘里管測量充滿圓管的流體測量。1993年2月3日由國家技術(shù)監(jiān)督局批準(zhǔn)GB/T2624-93代替GB2624-81，1993年8月1日實施。該標(biāo)準(zhǔn)第一次等效采用ISO5167（1991）與國際接軌，標(biāo)志著我國現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置，在推廣采用國際標(biāo)

15、準(zhǔn)上的研究成果、提高測量精度方面，以取得了突破性的進展。GB/T2624-93主要特點有：1.以流出系數(shù)C代替流量系數(shù)；C值的計算中的降階計算由原流量系數(shù)計算中的最高階20降至流出系數(shù)C計算中的最高階8次冪。2.提出5種命題以適應(yīng)自控工程設(shè)計中各方面的需要。3.提出迭代計算方法，給出計算機計算程序框圖。4.差壓上限不再計算，而要由用戶自行選定，要求設(shè)計者有更多的經(jīng)驗。5.管道粗糙度不再參加計算，而是在計算結(jié)果出來后驗證。在GB/T2624-93中規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置有以下幾種：標(biāo)準(zhǔn)孔板：角接取壓；法蘭取壓；徑距取壓（D-D/2）。標(biāo)準(zhǔn)噴嘴：ISA1932噴嘴；長頸噴嘴。文丘里管：文丘里噴嘴；經(jīng)典

16、文丘里管。2.2 計算實例表2-1 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)流裝置設(shè)計計算序號項 目符號單 位數(shù) 值1234567已知條件：被測介質(zhì)名稱被測介質(zhì)溫度被測介質(zhì)壓力管內(nèi)徑（20下實測值）節(jié)流件形式取壓方式管道材料熱膨脹系數(shù)tPD20DPammm/mm高壓瓦斯6035000000.0800孔板角接0.00001116 續(xù)表2-1序號項 目符號單 位數(shù) 值891011節(jié)流件材料熱膨脹系數(shù)最大體積流量工作狀態(tài)下密度工作狀態(tài)下粘度dQv11mm/mmm3/hKg/m3cp0.000016603001.40.01612管道材料：20#鋼，新軋制無縫鋼管1. 輔助計算（1）計算流量標(biāo)尺：因被測介質(zhì)為液體，應(yīng)求出質(zhì)量流量所以qm

17、=qv×1=300×1.4/3600=0.116666666Kg/s根據(jù)流量標(biāo)尺取標(biāo)準(zhǔn)流量為0.125 Kg/s（2）計算差壓上限：再根據(jù)公式計算其中C=0.6,=1,=0.5,d=×，代0.125 Kg/s，全部代入得P=135078.47Pa 因國產(chǎn)差變的系列值為1.0，1.6，2.5，4.0，6.0×10n ，取P =160000Pa（3）求工況下管道直徑：D=D20 1+D（t-20）=0.0800×1+0.00001338×(60-20)=0.080042816 m（4）求雷諾數(shù)：ReD= = =11605.04793（5）

18、求A2A2= = =0.1096573952. 計算初值（1）求設(shè)： C0=C=0.6060，=1并令 =0.180952798又 =0.421972831（2）求因被測介質(zhì)為液體，所以（3）求=0.5959+0.031212.10.184018+0.002912.5（106/ReD）0.75故=0.5959+0.0312×（0.421972831）2.10.1840×（0.421972831）8+0.0029×（0.421972831）2.5×（106/11605.04793）0.75=0.610298229因此 = =0.000625927（4）精確

19、度判斷所以 =0.0057080283. 進行迭代計算，設(shè)定第二個假定值X2X2=0.296498972=0.533166913=1=0.5959+0.03120.1840 +0.0029 =0.6041854730因此 = =-0.0000041122所以 4. 進行迭代計算，設(shè)定第三個假定值，利用快速收斂弦截法公式（n=3起用）=0.2541405981=0.4962970445=1 =0.6041852546因此 =0.0000000001所以 由于 =0.0000000005精確度達(dá)到要求。5. 此題用計算機編程求解時：工作溫度下的管道直徑D=0.080042816雷諾數(shù) ReD=11

20、605.04793不變量 A2=0.109657395matlab程序如下：clear all;close all;red=11605.4793;error1=1;k=1.4;p1=16000;p2=3500000;e1=1;a1=0.109657395;c1=0.6060;for k=1:1:5000 if error1>=0.0000005 x1=a1/(c1*e1); b1=(x12/(1+x12)0.25; e1=1-(0.41+0.35*(14)*p1/(k*p2); c1=0.5959+0.0312*(b12.1)-0.184*(b18)+0.0029*(b12.5)*(10

21、00000/red)0.75); error1=a1-x1*c1*e1;endendd=80*b1;運行結(jié)果d = 33.7578b1=0.4220把精確度判斷定為5×10-10，程序參照附錄2， 計算結(jié)果列于下表2-2。 表2-2 計算結(jié)果n123X0.25337954130.00302746170.25414059810.49559833370.00302746170.4962970445C0.60416535820.00302746170.60418525460.0004648607-0.00000511220.00000000010.00302746170.000033293

22、60.00000000016. 計算結(jié)果因此得：=0.4220 C = =0.6041852546求 得：d = D =0.080042816×0.4200 = 0.0337578 (m) = 33.7578 (mm)求 = =33.73974249最后得： =33.740（mm）第3章 調(diào)節(jié)閥口徑計算3.1 調(diào)節(jié)閥的選型和口徑計算3.1.1 調(diào)節(jié)閥的選型調(diào)節(jié)閥又稱控制閥，是執(zhí)行器的主要類型，通過接受調(diào)節(jié)控制單元輸出的控制信號，借助動力操作去改變流體流量。調(diào)節(jié)閥一般由執(zhí)行機構(gòu)和閥門組成。如果按其所配執(zhí)行機構(gòu)使用的動力，調(diào)節(jié)閥可以分為氣動、電動、液動三種，即以壓縮空氣為動力源的氣動調(diào)節(jié)

23、閥，以電為動力源的電動調(diào)節(jié)閥，以液體介質(zhì)(如油等)壓力為動力的電液動調(diào)節(jié)閥，另外，按其功能和特性分，還有電磁閥、電子式、智能式、現(xiàn)場總線型調(diào)節(jié)閥等。調(diào)節(jié)閥的產(chǎn)品類型很多，結(jié)構(gòu)也多種多樣，而且還在不斷更新和變化。一般來說閥是通用的，既可以與氣動執(zhí)行機構(gòu)匹配，也可以與電動執(zhí)行機構(gòu)或其它執(zhí)行機構(gòu)匹配。1. 從使用功能上選閥需注意的問題(1)調(diào)節(jié)功能(2)泄漏量與切斷壓差 (3)防堵(4)耐蝕(5)耐壓與耐溫 (6)重量與外觀 2. 綜合經(jīng)濟效果確定閥型(1)高可靠性。(2)使用壽命長。(3)維護方便，備品備件有來源。(4)產(chǎn)品價格適宜，性能價格較好。3. 調(diào)節(jié)閥型式的優(yōu)選次序根據(jù)上述觀點，特提供調(diào)節(jié)

24、閥的優(yōu)選次序：全功能超輕型調(diào)節(jié)閥蝶閥套筒閥單座閥雙座閥偏心旋轉(zhuǎn)閥 球閥角形閥三通閥隔膜閥。在這些調(diào)節(jié)閥中，我們認(rèn)為應(yīng)該盡量不選用隔膜閥，其理由是隔膜是一個極不可靠的零件，使其隔膜閥也成為了可靠性差的產(chǎn)品。3.1.2 調(diào)節(jié)閥口徑計算從調(diào)節(jié)閥的Kv計算到閥的口徑確定，一般需經(jīng)以下步驟:（1）計算流量的確定?，F(xiàn)有的生產(chǎn)能力、設(shè)備負(fù)荷及介質(zhì)的狀況，決定計算流量的Qmax和Qmin。（2）閥前后壓差的確定。根據(jù)已選擇的閥流量特性及系統(tǒng)特點選定S(阻力系數(shù))，再確定計算壓差。（3）計算Kv。根據(jù)所調(diào)節(jié)的介質(zhì)選擇合適的計算公式和圖表，求得Kvmax和Kvmin。（4）選用Kv。根據(jù)Kvmax,在所選擇的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)系列中選取>Kvmax且與其最接近的一級C。（5）調(diào)節(jié)閥開度驗算。一般要求最大計算流量時的開度90%，最小計算流量時的開度10%。（6）調(diào)節(jié)閥實際可調(diào)比的驗算。一般要求實際可調(diào)比10。（7）閥座直徑和公稱直徑的確定。驗證合適后，根據(jù)C確定。3.2 計算實例 表3-1 調(diào)節(jié)閥口徑計算任務(wù)書序號項 目符 號單 位數(shù) 值123456789已知條件：調(diào)節(jié)閥類型被測介質(zhì)名稱被測介質(zhì)溫度最大體積流量閥前壓力閥后壓力管道內(nèi)徑工作狀態(tài)下密度工作狀態(tài)下運動粘度tQmaxP1P2D11m3/hmPamPammkg/m3Pa·s單座閥燃料油1301.