管式加热炉温度流量串级控制新版系统的设计.doc

管式加热炉温度-流量串级控制系统设计1方案选定 管式加热炉是炼油、化工生产中关键装置之一，它任务是把原料油加热到一定温度，以确保下道工序顺利进行。所以，常选原料油出口温度1t?（）为被控参数、燃料流量为控制变量，组成图1-1所表示温度控制系统，控制系统框图图1-2所表示。影响原料油出口温度1t?（）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。该系统依据原料油出口温度1t?（）改变来控制燃料阀门开度，经过改变燃料流量将原油出口温度控制在规定数值上，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改变时，先影响炉膛温度，然后经过传热过程逐步影响原料油出口温度。从燃料流量改变经过三个容量后，才引发原料油出口温度改变，这个通道时间常数很大，约有15min，反应缓慢。而温度调整器1TC是依据原料油出口温度1()t?和设定值偏差进行控制。当燃料部分出现干扰后，图1-1所表示控制系统并不能立即产生控制作用，克服干扰对被控参数1()t?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，上述简单控制系统极难满足要求。燃料在炉膛燃烧后，首先引发炉膛温度2()t?改变，再经过炉膛和原料油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，燃料量改变或燃料热值改变，首先使炉膛温度发生改变。假如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降低，时间常数约为3min，对来自燃料干扰3()ft、4()ft控制作用比较立即，对应控制系统图1-3所表示。系统框图图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，原料油本身流量或入口温度改变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干扰1()ft、2()ft并没有包含在图1-4所表示控制系统（反馈回路）之内，控制系统不能克服1()ft、2()ft对原料油出口温度影响，控制效果仍达不到生产工艺要求。假如将上面两种控制系统优点温度调整器1TC对被控参数1()t?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、温度调整器2TC对来自燃料干扰3()ft、4()ft立即控制结合起来，先依据炉膛温度2()t?改变，改变燃料量，快速消除来自燃料干扰3()ft、4()ft对炉膛温度影响；然后再依据原料油出口温度1()t?和设定值偏差，改变炉膛温度调整器2TC设定值，深入调整燃料量，以保持原料油出口温度恒定，这么就组成了以原料油出口温度为关键被控参数，以炉膛温度为辅助被控参数串级控制系统。管式加热炉串级控制系统步骤图及系统框图分别图1-5、图1-6。这么干扰3()ft、4()ft对原油出口温度影响关键由炉膛温度调整器（图1-5中2TC，图1-6中副调整器）组成控制回路进行校正；由原料油出口温度调节器（图1-5中1TC，图1-6中主调整器）组成控制回路克服干扰1()ft、2()ft对原料油出口温度1()t?影响，并对其它干扰所引发1()t?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 总而言之，因为管式加热炉动态性复杂、存在多个扰动，简单控制系统难以满足控制要求，所以采取串级控制系统。 2步骤设计 串级控制系统采取两套检测变送器和两个调整器，前一个调整器输出作为后一个调整器设定，后一个调整器输出送往调整阀。前一个调整器称为主调节器，它所检测和控制变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调整器称为副调整器，它所检测和控制变量称副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入辅助变量。整个系统包含两个控制回路，主回路和副回路。副回路由副变量检测变送、副调整器、调整阀和副过程组成；主回路由主变量检测变送、主调整器、副调整器、调整阀、副过程和主过程组成。 2.1副回路设计和副参数选择 副回路选择是确定副回路被控参数，串级系统特点关键起源于它副回路，副回路参数选择通常应遵行下面多个标准：（1）主、副参数有对应关系。即经过调整副参数能有效地影响主参数，副参数改变应反应主参数改变趋势、并在很大程度上影响主参数；其次，选择副参数必需是物理上可测；另外，由副参数所组成副回路，调整通道尽可能短，调整过程时间常数不能太大，时间滞后小，方便使等效过程时间常数显著减小，提升整个系统工作频率，加紧控制过程反应速度，改善系统控制品质。（2）副参数选择必需使副回路包含改变猛烈关键干扰，并尽可能多包含部分干扰。 在选择副参数时一定要把关键干扰包含在副回路中，并努力争取把更多干扰包含在副回路中，但也不是副回路包含干扰越多越好，因为副回路包含干扰越多，其控制通道时间常数肯定越大，响应速度变慢，副回路快速克服干扰能力将受到影响。所以在选择副参数时，应在副回路反应灵敏和包含较多干扰之间进行合理平衡。（3）副参数选择应考虑主、副回路中控制过程时间常数匹配，以防“共振”发生。在串级控制系统中，主、副回路中控制过程时间常数不能太靠近，首先是为了确保副回路含有较快反应能力，其次因为在串级控制系统中，主、副会理亲密相关，假如主、副回路中时间常数比较靠近，系统一旦受到干扰，就有可能产生“共振”，使控制质量下降，甚至使系统因震荡而无法工作。在选择副参数时，应注意使主、副回路中控制过程时间常数之比为310，以降低主、副回路动态联络、避免“共振”。（4）应注意工艺上合理性和经济性。 2.2主、副调整器调整规律选择 在串级控制系统中，主，副调整器起作用不一样。主调整器起定值控制作用，副调整器起随动控制作用，这是选择调整器规律基础出发点。主被控参数是工艺操作关键指标，许可波动范围很小，通常要求无静差，所以，主调整器应选PI或PID调整规律。副被控参数设置是为了克服关键干扰对主参数影响，所以能够许可在一定范围改变，并许可有静差。为此，副调整器选择P调整规律。 2.3主、副调整器正、反作用方法确实定 在串级控制系统中，主、副调整器正、反作用方法选择标准是使整个系统组成负反馈。串级控制系统中，主、副调整器正反作用选择方法是：首先根据工艺要求决定调整阀气开、气关形式，并决定副调整器正反作用;然后再依据主、副过程正、反形式最终确定主调整器正、反作用方法。由图1-5能够得到，从生产工艺安全出发，燃料油调整阀选择气开式，即一旦出现故障或气源断气，调整阀应完全关闭，切断燃料油进入加热炉，确保设备安全。对于副调整器，当炉膛温度升高时，测量信号增大、为确保副回路为负反馈，此时调整阀应关小，要求副调整器输出信号减小。根据测量信号增大，输出信号减小标准要求，副调整器应为反作用方法。对于主调整器，当副参数升高时，主参数也升高，故主调整器应为反作用方法。 2.4主、副调整器选择 DDZ-III型仪表采取了集成电路和安全火花型防爆结构，提升了仪表精度、仪表可靠性和安全性，适应了大型化工厂、炼油厂防爆要求。III型仪表含有以下关键特点：（1）采取国际电工委员会（IEC）推荐统一信号标准，现场传输信号为DC420mA，控制室联络信号为DC15V，信号电流和电压转换电阻为250?。（2）广泛采取集成电路，仪表电路简化、精度提升、可靠性提升、维修工作量降低。（3）整套仪表可组成安全火花型防爆系统。DDZ-III型仪表室按国家防爆规程进行设计，而且增加了安全栅，实现了控制室和危险场所之间能量限制于隔离，使仪表能在危险场所中使用。DDZ-III型PID调整器结构框图图2-1。关键由输入电路、给定电路、PID运算电路、手动和自动切换电路、输出电路和指示电路组成。调整器接收变送器送来测量信号(DC420mA或DC15V），在输入电路中和给定信号进行比较，得出偏差信号，然后在PD和PI电路中进行PID运算，最终由输出电路转换为420mA直流电流输出。图2-1 DDZ-III型调整器结构框图 2.5 主、副电路检测变送器确实定 2.5.1 温度检测元件 热电偶作为温度传感元件，能将温度信号转换成电动势（mV）信号，配以测量毫伏指示仪表或变送器能够实现温度测量指示或温度信号转换。含有稳定、复现性好、体积小、响应时间较小等优点、热电偶通常见于500C以上高温，能够在1600C高温下长久使用。热电阻也能够作为温度传感元件。大多数电阻阻值随温度改变而改变，如果某材料含有电阻温度系数大、电阻率大、化学及物理性能稳定、电阻和温度关系靠近线性等条件，就能够作为温度传感元件用来测温，称为热电阻。热电阻分为金属热电阻和半导体热敏电阻两类。大多数金属热电阻阻值随其温度升高而增加，而大多数半导体热敏电阻阻值随温度升高而降低。由图1-6可知，副回路中温度变送器2检测是炉膛温度2?，通常较高，故选择热电偶；主电路温度变送器1则检测是原料油出口温度1?，温度较低，选择热电阻即可。在使用热电偶时，因为冷端暴露在空气中，受周围环境温度波动影响，且距热源较近，其温度波动也较大，给测量带来误差，为了降低这一影响，通常见赔偿导线作为热电偶连接导线。赔偿导线作用就是将热电偶冷端延长到距离热源较远、温度较稳定地方。赔偿导线作用图2-2所表示。用赔偿导线将热电偶冷端延长到温度比较稳定地方后，并没有完全处理冷端温度赔偿问题，为此还要采取深入赔偿方法。具体方法有：查表法、仪表零点调整法、冰浴法、赔偿电桥法和半导体PN结赔偿法。采取热电阻法测量温度时，通常将电阻测温信号经过电桥转换成电压，当热电阻连接导线很长时，导线电阻对电桥影响不容忽略。为了消除导线电阻带来测量误差，不管热电阻和测量一边之间距离远近，必需使导线电阻阻值图2-2 赔偿导线作用 图2-3 热电阻三线制接法 符合要求数值，假如不足，用锰铜电阻丝凑足。同时，热电阻必需用三线接法，图2-3所表示，热电阻用三根导线引出，一根连接电源，不影响桥路平衡，另外两根被分别置于电桥两臂内，使引线电阻值随温度改变对电桥影响大致抵消。 2.5.2温度变送器 检测信号要进入控制系统，必需符合控制系统信号标准。变送器任务就是将检测信号转换成标准信号输出。所以，热电偶和热电阻输出信号必需经温度变送器转换成标准信号后，才能进入控制系统，和调整器等其它仪表配合工作。图2-4给出了温度变送器原理框图，即使温度变送器有多个品种、规格，以配合不一样传感元件和不一样量程需要，但她们结构基础相同。传感元件输入电路放大电路反馈电路电量输出电流+- 图2-4 温度变送器原理框图 本设计采取DDZ-III型热电偶温度变送器及热电阻变送器。 2.6 调整阀确实定 由前文得，从生产工艺安全出发，燃料油调整阀选择气开式，即一旦出现故障或气源断气，调整阀应完全关闭，切断燃料油进入加热炉，确保设备安全为了确保。调整阀按其工作能源形式可分为气动、电动和液动三类。气动调整阀用压缩空气作为工作能源，关键特点是能在易燃易爆环境中工作，广泛地应用于化工、炼油等生产过程中；电动调整阀用电源工作，其特点是能源取用方便，信号传输快速，但难以在易燃易爆环境中工作；液动调整阀用液压推进，推力很大，通常生产过程中极少使用。故本设计采取了气动调整阀，且为气开形式。 2.7串级控制系统参数整定 串级控制系统从整体上来看是定值控制系统，要求主参数有较高控制精度。但副回路是随动系统，要求副参数能正确、快速地跟随主调整器输出地改变。主、副回路原理不一样，对主、副参数要求也不一样，经过正确参数整定，可取得理想控制效果。串级控制系统主、副调整器参数整定方法有逐步迫近法、两步整定法和一步整定法。这里采取两步整定法。两步整定法就是让系统处于串级工作状态，第一步按单回路控制系统整定副调整器参数，第二步把已经整定好副回路视为串级控制系统一个步骤，仍按单回路对主调整器进行一次参数整定。一个设计合理串级控制系统，其主、副回路中被控过程时间常数应有适当匹配关系，通常为12(310)ooTT?。主回路工作周期远大于副回路工作周期，主、副回路间动态关联较小。两步法整定步骤以下：（1）在生产工艺稳定，系统处于串级运行状态，主、副调整器均为百分比作用条件下，先将主调整器百分比度1P置于100%刻度上，然后由大到小逐步降低副调整器百分比度2P，直到得到副回途经渡过程衰减比为4：1百分比度2sP，过渡过程振荡周期为2sT。（2）在副调整器百分比度2sP条件下，逐步降低主调整器百分比度1P，直到一样得到主回途经渡过程衰减比为4：1百分比度1sP，过渡过程振荡周期为1sT。（3）按以求得1sP、1sT和2sP、2sT值，结合已选定调整规律，按表2-1衰减曲线法整定参数经验公式，计算出主、副调整器整定参数值。（4）根据“先副回路，后主回路”次序，将计算出参数值设置到调整器上，做部分扰动试验，观察过渡过程曲线，作合适参数调整，直到控制品质最好为止。