管式加热炉温度-流量串级控制系统的设计

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1、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的干扰有原料油流量、原料油入口温度、燃料压力、燃料压力等。该系统根据原料油出口温度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

2、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。而温度调节器是根据原料油的出口温度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的影响，控制质量差。当生产工艺对原料油出口温度要求严格时，上述简单控制系统很难满足要求。燃料在炉膛燃烧后，首先引起炉膛温度变化，再通过炉膛

3、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、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。但问题是炉膛温度毕竟不能真正代表原料油出口温度，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、并没有包含在图1-4所示的控制系统（反馈

4、回路）之内，控制系统不能克服、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——温度调节器对被控参数的精图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、温度调节器对来自燃料的干扰、的及时控制结合起来，先根据炉膛温度的变化，改变燃料量，快速消除来自燃料的干扰、对炉膛温度的影响；然后再根据原料油出口温度与设定值的偏差，改变炉膛温度调节器的设定值，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

5、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、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，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，图1-6中的主调节器）构成的控制回路克服干扰、对原料油出口温度的影响，并对其他干扰所引起的的偏差进行校正。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

6、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

7、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，时间滞后小，以便使等效过程时间常数显著减小，提高整个系统的工作频率，加快控制过程反应速度，改善系统控制品质。（2）副参数的选择必须使副回路包含变化剧烈的主要干扰，并尽可能多包含一些干扰。在选择副参数

8、时一定要把主要干扰包含在副回路中，并力求把更多的干扰包含在副回路中，但也不是副回路包含的干扰越多越好，因为副回路包含的干扰越多，其控制通道时间常数必然越大，响应速度变慢，副回路快速克服干扰的能力将受到影响。所以在选择副参数时，应在副回路反应灵敏与包含较多干扰之间进行合理的平衡。（3）副参数的选择应考虑主、副回路中控制过程的时间常数的匹配，以防“共振”的发生。在串级控制系统