加熱爐減排控制系統(tǒng)的設計

1、過程控制系統(tǒng)課程設計學院：物聯(lián)網(wǎng)工程學院班級：自動化 0802姓名：XXX學號：0704080224同組成員：XXXX日期： 2011.12.5-2012.1.5成績:加熱爐減排控制系統(tǒng)的設計一、被控對象工藝流程描述所選被控對象為過程工業(yè)領域常見的加熱爐單元， 通過加熱爐對流傳熱與輻射傳熱將一定流量的物料 A 加熱至工藝要求的溫度。待加熱物料A 經(jīng)由上料泵P1101泵出，分兩路， 其中一路進入換熱器E1101與熱物料換熱后，與另外一路混合，進入加熱爐F1101的對流段。進入換熱器E1101的待加熱物料A 走管程，一方面對最終產(chǎn)品（熱物料A）的溫度起到微調(diào)（減溫）的作用，另一方面也能對待加熱物料

2、 A 起到一定的預熱作用。加熱爐對流段由多段盤管組成，爐膛產(chǎn)生的高溫煙氣自上而下通過管間，與管內(nèi)的物料A 換熱，回收煙氣中的余熱并使物料A 進一步預熱。對流段流出的物料A 全部進入F1101輻射段爐管， 接受燃燒器火焰的輻射熱量，達到所要求的高溫后出加熱爐，進入換熱器E1101殼程，進行溫度的微調(diào)并為冷物料預熱，最后以工藝所要求的物料溫度輸送給下一生產(chǎn)單元。二、工藝過程簡介待加熱物料A 流量為 F1101，溫度為常溫 20，經(jīng)由上料泵P1101泵出。流量管線上設有調(diào)節(jié)閥 V1101 ，調(diào)節(jié)閥有前、后閥XV1101 和 XV1102 ，以及旁路閥HV1101 。待加熱物料 A 被分為兩路， 一路

3、進入換熱器 E1101預熱，預熱后與另外一路混合進入加熱爐。兩路物料 A 管道上分別設有調(diào)節(jié)閥 V1102 和 V1103 。正常工況時，大部分待加熱物料 A 直接流向加熱爐對流段，少部分待加熱物料 A 流向換熱器，其流量為 F1102。燃料經(jīng)由燃料泵P1102泵入加熱爐F1101的燃燒器，燃料流量為F1103，燃料壓力為P1101，燃料流量管線設調(diào)節(jié)閥V1104 ?？諝饨?jīng)由變頻風機K1101 送入燃燒器，空氣量為F1104。燃料與空氣在燃燒器混合燃燒，產(chǎn)生熱量使輻射段爐管內(nèi)的物料A 迅速升溫。燃燒產(chǎn)生的煙氣帶有大量余熱，在對流段進行余熱回收。對流段煙氣出口處的煙氣溫度為T1105。煙氣含氧量

4、AI1101 設有在線分析檢測儀表。煙道內(nèi)設有擋板DO1101 。出對流段、 入輻射段的物料A 溫度為 T1102。從輻射段爐管出來的溫度為T1103的高溫物料A 進入換熱器E1101，進行溫度的微調(diào)。 最終產(chǎn)品（熱物料A）的溫度為T1104，流量為 F1105，出口管道上設流量調(diào)節(jié)閥V1105 。爐膛壓力為 P1102，爐膛中心火焰溫度為 TI1101 ，為紅外非接觸式測量， 僅提供大致溫度的參考。工藝流程圖中的儀表及操作設備說明如下：1. 檢測儀表位號檢測點說明單位位號檢測點說明單位AI1101煙氣含氧量%PT1101燃料壓力MPaFT1101待加熱物料 A 流量kg/sPT1102爐膛壓

5、力MPaFT1102去換熱器的待加熱kg/sTI1101爐膛中心火焰溫度物料 A流量FT1103燃料流量kg/sTT1102進入加熱爐輻射段的物料A 溫度FT1104空氣量m3/sTT1103出加熱爐輻射段的物料A 溫度FT1105產(chǎn)品（熱物料 A ）流kg/sTT1104產(chǎn)品（熱物料 A ）溫度量TT1105煙氣溫度2. 執(zhí)行機構位號執(zhí)行機構說明位號執(zhí)行機構說明V1101待加熱物料 A 管線流量調(diào)節(jié)閥V1104燃料管線流量調(diào)節(jié)閥V1102直接進入加熱爐對流段的V1105產(chǎn)品（熱物料A ）管線流量調(diào)節(jié)待加熱物料 A 管線流量調(diào)節(jié)閥閥V1103去換熱器的待加熱物料A 管線流量DO1101煙道擋板

6、調(diào)節(jié)閥3.開關閥位號執(zhí)行機構說明XV1101物料 A 管線流量調(diào)節(jié)閥前閥XV1102物料 A 管線流量調(diào)節(jié)閥后閥4.手操閥位號執(zhí)行機構說明HV1101物料 A 管線流量調(diào)節(jié)閥旁路閥三、具體控制要求減排控制排放指標主要體現(xiàn)在二氧化碳的排放量上， 同時兼顧由于燃燒不充分產(chǎn)生有毒一氧化碳的排放量。四、控制目標通過對被控對象工藝流程的分析，可以將控制目標分為加熱爐物料進出口溫度的控制、出口產(chǎn)品（物料 A ）溫度的控制、燃料的進料與空氣流量的控制、進料流量單閉環(huán)負反饋控制、爐膛負壓的控制，最終達到減排控制的最優(yōu)化。五、被控變量與操縱變量的選擇加熱爐單元的被控變量與操縱變量根據(jù)控制目標要求，確定如表5.1

7、 和表 5.2 所示：表 5.1 被控變量序號位號檢測點說明單位1TT1104產(chǎn)品（熱物料 A ）溫度2TT1102加熱爐進口溫度3TT1103出加熱爐輻射段的物料A 溫度4PT1102爐膛壓力MPa5FT1101待加熱物料 A 流量kg/s6AI1101煙氣含氧量%表 5.2 操縱變量序號位號檢測點說明單位1FT1103燃料流量kg/s2FT1104空氣量m3/s3FT1101熱物料 A 管線流量kg/s4V1102直接進對流段的物料A 管線流量調(diào)節(jié)閥開度%5V1103進換熱器的物料A 管線流量調(diào)節(jié)閥開度%6DO1101煙道擋板開度%因為加熱爐主要保證的是產(chǎn)品（熱物料 A ）的所需溫度， 所

8、有的其它控制都是圍繞這個最終目的來展開的，所以TT1104 是主被控變量，他將向分程控制器TIC1104 給出反饋信號，操縱直接進對流段的物料A 管線流量調(diào)節(jié)閥V1102開度及進換熱器的物料 A 管線流量調(diào)節(jié)閥 V1103 開度，從而通過換熱器可以調(diào)節(jié)輸出產(chǎn)品（物料A ）的溫度；其次是加熱爐物料進出口溫度的控制，被控變量分別為TT1102、TT1103 ，這部分溫度主要與系統(tǒng)的主對象加熱爐F1101 有關，而系統(tǒng)的主要溫度來源由燃料提供，故 TT1102與 TT1103 的溫度應反饋或前饋到燃料控制閥上，加上燃料通道本身有燃料流量監(jiān)測器FT1103 ，操縱燃料流量的大小，所以這里可以形成一個前

9、饋-串級控制系統(tǒng)；爐膛壓力控制也是系統(tǒng)要控制的一個重要環(huán)節(jié)，因為若膛內(nèi)壓力過大會導致煙氣向外排出，除了熱量損失之外還會導致環(huán)境的污染，故可以使用壓力控制器PIC1102 來取得爐膛壓力信號的大小變化，從而輸出到可以控制爐膛壓力的煙道擋板執(zhí)行器上，操縱煙囪出口閥門 DO1101 開度的大小；然后要被加熱的物料流量也是影響出料溫度大小的一個重要擾動，故可用一個簡單的單閉環(huán)反饋控制進料流量調(diào)節(jié)閥V1101 ，從而控制進料流量的穩(wěn)定；本次課題主要是減排控制，主要是二氧化碳的排放量和由于不完全燃燒產(chǎn)生有毒氣體一氧化碳的排放量上， 首先一氧化碳的排放主要可以由煙氣出口處的含氧量檢測儀表來間接反應得到， 即

10、保證一定部分的含氧量可以保證爐膛內(nèi)燃燒充分，而氧含量不足可能會導致燃燒不充分的結果， 燃燒不充分由燃料的進料與空氣流量的比值有關，所以可以初步選用比值控制器來控制燃料流量FT1103 與空氣流量FT1104 的比值，從而解決這個問題，煙氣含氧量會變化， 導致比值系數(shù)大小會變化，故選用變比值控制器來控制。而二氧化碳的排放量取決于進口物料的流量、進口物料溫度與所需的出口物料的溫度、燃料的成分與流量上，這些都分別已由FIC1101 進口物料流量控制器為主的單回路閉環(huán)控制系統(tǒng)、TIC1104 為主的分程控制系統(tǒng)、FIC1103 為主的前饋 - 串級控制系統(tǒng)分別控制共同達到最優(yōu)狀態(tài)。六、各部分控制方案選

11、擇6.1 加熱爐物料進出口溫度的前饋-串級控制根據(jù)上述分析，選擇輻射段出口溫度TT1103 為主被控變量，燃料流量FT1103 為副被控變量， 燃料流量為操縱變量組成串級控制，通過副回路及時克服燃料流量或壓力的波動對爐溫的影響。加入擾動變量溫度TT1102 作為前饋信號，組成前饋-串級控制系統(tǒng)。當溫度TT1102 發(fā)生波動時，通過前饋控制通道，直接使燃料控制閥的開度變化，增大或減小燃料流量，以抵消TT1102 對輻射段出口溫度TT1103 的影響，如果等到TT1103 發(fā)生偏差后再進行調(diào)節(jié)，是對燃料的浪費，不利于節(jié)能。從安全角度考慮， V1104 選氣開型，即 K V4 >0。系統(tǒng)穩(wěn)定運

12、行時，開大V1104 ，燃料流量上升， K p4>0 ；溫度上升， K p3>0。則根據(jù)穩(wěn)定運行準則， Kc4>0，K c3>0即流量控制選擇反作用，溫度控制器也選擇反作用。當擾動或負荷變化使爐膛溫度升高時，因為副控制器是反作用，所以控制器輸出減小，控制閥開度減小，燃料量減小，使爐膛溫度下降；同時，爐膛溫度升高，使出口溫度升高，通過反作用的主控制器使副控制器的設定降低， 通過副控制的調(diào)節(jié)減小燃料量， 降低爐膛溫度，使出口溫度保持恒定。6.2 出口產(chǎn)品（物料A）溫度的分程控制出口熱物料溫度TT1104 通過換熱器進行微調(diào)，同時調(diào)節(jié)閥門V1102 和閥門 V1103 的開度

13、來改變進入換熱器的冷物料流量已達到減溫作用。從安全角度考慮， V1102 選氣開型， V1103 選氣關型，即K V2 >0， KV3 <0。系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，開大 V1102 ，出口溫度上升， K p2>0；開大 V1103 ，出口溫度下降， K p3<0。則根據(jù)穩(wěn)定運行準則， K C>0 ，即選擇反作用控制器。分程控制系統(tǒng)的控制閥與一般的控制閥工作范圍不同，一般的為0.020.1MPa ，而分程控制的兩個控制閥分別為0.020.06MPa 和 0.060.1MPa。為此，可以采用閥門定位器或選擇不同的控制閥彈簧使控制閥分別工作在不同的工作范圍。當采用DCS 或計

14、算機控制裝置時，如果用多個AO 通道，也可用計算方法，將控制器輸出分為多個工作范圍，然后輸出到各自的控制閥。6.3 燃料的進料與空氣流量的變比值控制加熱爐在燃燒過程中燃料和空氣是按一定比例進料的，但在不同的溫度負荷下，燃料量和空氣量的最佳比值也不同。根據(jù)前文的分析， 煙氣含氧量變化反應了燃燒過程中的過?？諝饬堪l(fā)生的變化，是衡量燃料是否完全燃燒的控制指標。因此設計變比值控制系統(tǒng)，根據(jù)主被控變量煙氣含氧量，來調(diào)整燃料和空氣的比值，從而實現(xiàn)燃料的完全燃燒，達到節(jié)能減排的控制目的。比值控制系統(tǒng)有兩種實施方案，即相乘方案和想出方案。當采用常規(guī)儀表實施比值控制系統(tǒng)時， 由于受儀表量程范圍及所采用儀表類型的

15、影響，通常要計算比值函數(shù)環(huán)節(jié)中的有關的儀表比值系數(shù)K。而采用DCS 或計算機控制系統(tǒng)實施比值控制時，由于采用數(shù)字運算，因此不必計算儀表比值系數(shù)K ，可直接根據(jù)工藝要求設置比值。而變比值中的比值是由另一控制器輸出確定，不需要設置和計算。6.4 進料流量單閉環(huán)負反饋控制為了保證物料 A 的進料量穩(wěn)定，設計單回路流量控制系統(tǒng)來克服進料過程種可能存在的干擾。從安全角度考慮，進料閥V1101 選氣開型，即K v1 >0。系統(tǒng)穩(wěn)定運行時，開大V1101 ，進料流量增加， Kp1>0。則根據(jù)穩(wěn)定運行準則，K c>0，即反作用控制器。6.5 爐膛負壓的前饋 -反饋控制爐膛負壓是指爐膛頂部的煙

16、氣壓力，是反應燃燒工況穩(wěn)定與否的重要參數(shù)，是運行中要控制和監(jiān)視的重要參數(shù)之一。如果爐膛壓力接近于大氣壓力，則爐煙會外漏，污染環(huán)境，影響設備與工作人員的安全；反之，如果爐膛壓力太低，又會使大量的冷空氣漏入膛內(nèi)，降低了爐膛溫度， 增大了排煙帶走的熱量損失和燃料的消耗。所以爐膛負壓控制對生產(chǎn)安全、節(jié)能減排都具有重要意義。一般將爐膛壓力維持在低于大氣壓力2050Pa 左右。七、儀表、調(diào)節(jié)器、執(zhí)行機構的選型7.1 檢測儀表位號檢測點說明單位位號檢測點說明單位AI1101煙氣含氧量%PT1101燃料壓力MPaFT1101待加熱物料 A 流量kg/sPT1102爐膛壓力MPaFT1102去換熱器的待加熱kg

17、/sTI1101爐膛中心火焰溫度物料 A流量FT1103燃料流量kg/sTT1102進入加熱爐輻射段的物料A 溫度FT1104空氣量m3/sTT1103出加熱爐輻射段的物料A溫度FT1105產(chǎn)品（熱物料 A ）流kg/sTT1104產(chǎn)品（熱物料 A ）溫度量TT1105煙氣溫度7.2 調(diào)節(jié)器位號執(zhí)行機構說明FIC1101待加熱物料 A 流量調(diào)節(jié)器FIC1103燃料流量調(diào)節(jié)器TIC1102進加熱爐輻射段的物料A 溫度調(diào)節(jié)器TIC1103出加熱爐輻射段的物料A 溫度調(diào)節(jié)器TIC1104產(chǎn)品（熱物料 A ）溫度調(diào)節(jié)器PIC1102爐膛壓力調(diào)節(jié)器AIC1101煙氣含氧量調(diào)節(jié)器SIC1104鼓風機頻率調(diào)

18、節(jié)器7.3 執(zhí)行機構位號執(zhí)行機構說明位號執(zhí)行機構說明V1101待加熱物料 A 管線流量調(diào)節(jié)閥V1104燃料管線流量調(diào)節(jié)閥V1102直接進入加熱爐對流段的V1105產(chǎn)品（熱物料 A ）管線流量調(diào)節(jié)待加熱物料 A 管線流量調(diào)節(jié)閥閥V1103去換熱器的待加熱物料A 管線流量DO1101煙道擋板調(diào)節(jié)閥閥門特性的選擇在系統(tǒng)出現(xiàn)事故時， 考慮到人身和設備的安全以及物料的節(jié)約，對 V1101 、V1102 、V1104和 V1105閥應選用氣開式調(diào)節(jié)閥，再考慮到控制器的正反作用選擇，V1103 閥選用氣關式調(diào)節(jié)閥。因為整個被控系統(tǒng)中沒有存儲單元，所以物料管線調(diào)節(jié)閥的氣動特性需保持一致，當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，加熱

19、爐的降溫降壓主要靠鼓風機送風以及全開煙道擋板來完成。根據(jù)控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行準則，擾動或設定變化時， 控制系統(tǒng)靜態(tài)穩(wěn)定運行的條件是控制系統(tǒng)各開環(huán)增益之積基本恒定；控制系統(tǒng)動態(tài)穩(wěn)定運行的條件是控制系統(tǒng)總開環(huán)傳遞函數(shù)的模基本恒定。選擇控制閥工作流量特性的目的是通過控制閥調(diào)節(jié)機構的增益來補償因?qū)ο笤鲆孀兓斐砷_環(huán)總增益變化的影響。即用K v2 的變化補償 K p 的變化， K 開 =K cK v1K v2K pKm 恒定。討論時，假設控制器增益（或比例度）、執(zhí)行機構增益、檢測變送環(huán)節(jié)增益不隨負荷或設定而變化。這樣，當對象增益K p 隨負荷或設定變化時，通過選擇合適的控制閥流量特性，使控制閥增益 K v

20、2 與被控對象增益K p 之積保持基本不變。根據(jù)被控對象的特性，流量控制對象的過程放大系數(shù)為線性，所以選擇線性閥。 溫度過程為非線性，所以選擇等百分比調(diào)節(jié)閥。具體情況如下表所示：表 2.5 閥門特性序號位號執(zhí)行機構說明流量特性氣動特性1V1101待加熱物料 A 管線流量調(diào)節(jié)閥線性氣開2V1102直接進入加熱爐對流段的對數(shù)氣開待加熱物料 A 管線流量調(diào)節(jié)閥3V1103去換熱器的待加熱物料 A 管線流量調(diào)節(jié)閥對數(shù)氣關4V1104燃料管線流量調(diào)節(jié)閥對數(shù)氣開5V1105產(chǎn)品（熱物料A）管線流量調(diào)節(jié)閥線性氣開八、控制算法描述8.1 加熱爐物料進出口溫度控制算法描述待加熱物料獲得的熱量絕大部分來自加熱爐輻

21、射段，其次是對流段， 換熱器對物料溫度的影響作用是三個換熱環(huán)節(jié)中最小的，所以輻射段出口溫度TT1103 是最主要的被控變量，它主要受燃料進量多少的影響。 換熱器對 TT1103 起了減溫作用， 是對物料出口溫度 TT1104 進行微調(diào)，主要靠旁路里的冷物料與出輻射段的熱物料來實現(xiàn)，這就意味著冷物料的流量FT1102 越大，帶走的熱量越多。但是整條進料管線上并沒有冷卻裝置，換熱后的帶加熱物料進入對流段， 假設燃料進料不變，那么物料在輻射段能吸收的熱量也是不變的，但是由于換熱使進料溫度變高了，導致進輻射段前的溫度TT1102 升高，而TT1103 則進一步升高。8.2 燃料的進料與空氣流量控制算法

22、描述變比值控制系統(tǒng)的結構是串級控制系統(tǒng)與比值控制系統(tǒng)的結合。該系統(tǒng)中的燃料流量控制回路是前文描述的溫度串級控制系統(tǒng)中的副環(huán)，而空氣流量控制回路是變比值控制系統(tǒng)中的副環(huán)， 所以均按串級控制系統(tǒng)副環(huán)的整定方法整定參數(shù)：變比值控制器則按照串級控制系統(tǒng)的主環(huán)來整定參數(shù)。變比值控制系統(tǒng)按串級控制系統(tǒng)的投運方法進行投運。8.3 爐膛負壓控制算法描述爐膛負壓控制系統(tǒng)中被控變量是爐膛壓力，操縱變量是煙道擋板的開度（即調(diào)節(jié)引風量），控制系統(tǒng)的任務是保持爐膛負壓在規(guī)定的范圍之內(nèi)。在加熱爐運行過程中引起的爐膛負壓波動的主要原因是燃燒工況的變化。再送風量和引風量保持不變的情況下，由于燃燒工況總有小量的變化，所以爐膛負

23、壓也總是在波動的，但變化不大， 屬于正常工況， 因此采用爐膛負壓信號作為被調(diào)量的單回路控制系統(tǒng)；但是當系統(tǒng)負荷變化較大時（如開、停車過程），爐膛壓力的變化也會很大，由于送風量的變化是引起負壓波動的主要原因，所以將送風量作為前饋引入控制器。組成前饋-反饋控制系統(tǒng)。當送風量變化時， 控制器調(diào)節(jié)煙道擋板的開度使引風量也跟著改變，而不是等爐膛負壓偏離給定值后再調(diào)整， 從而及時控制爐膛負壓。引入前饋信號后有利于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和減小負壓的動態(tài)偏差。正常的爐膛壓力信號是帶有小幅波動的干擾信號，如果直接使用這個測量信號做控制，會引起煙道擋板頻繁開大-關小動作，不利于設備保護。而且對爐膛壓力的控制要求不是一個定值，而是一個范圍。所以壓力控制器采用Bang-Bang 控制算法，也叫開關式控制算法。當爐膛壓