过程控制课程设计：管式加热炉温度控制系统

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1、设计依据、要求及主要内容：一、设计任务 要求：选择加热炉出口温度为主变量，炉膛温度为副变量，设计串级控制系统。假设热物料出口温度的特性可近似为，燃料热值变化对炉膛温度影响特性可近似为。二、设计要求：1）选择控制器与调节阀的作用方式；2）画出控制系统框图；3）采用两步整定法整定主、副控制器PID的参数。求出比例度与衰减振荡周期；4）按照经验公式且适当修正分别求得主、副控制器的最佳参数值；5）求出系统的阶跃响应曲线；6）求出设定值位0时，施加幅值为30%的一次阶跃扰动信号，系统的输出曲线；7）分析系统特点。三、设计报告课程设计报告要做到层次清晰，论述清楚，图表正确，书写工整；详见“课程设计报

2、告写作要求”。四、参考资料[1]何衍庆．工业生产过程控制（1版）．北京：化学工业出版社，2004[2]邵裕森．过程控制工程．北京：机械工业出版社2000[3]过程控制教材2指导教师（签字）：教研室主任（签字）：批准日期：年月日2目录一、管式加热炉概述11.1管式加热炉在石油工业中的重要性11.2管式加热炉的基本构成与组成1二、管式加热炉温度控制系统工作原理及控制要求12.1管式加热炉出口温度控制系统工作原理12.2管式加热炉出口温度控制系统控制要求1三、管式加热炉出口温度控系统工艺流程设计23.1管式加热炉出口温度影响因素的扰动分析23.2管式加热炉出口温度控制系统的工艺流程设计2四、管

3、式加热炉出口温度控系统现场仪表的选型与连线图34.1控制系统中温度检测元件的选型34.2控制系统中变送器的选型34.3控制系统中执行器（调节阀）的选型44.4控制系统中调节器的选型54.5控制系统中的连锁保护与接线图5五、管式加热炉出口温度串级控制系统分析65.1控制系统方框图与工作过程65.2主、副调节器规律选择75.3主、副调节器正反作用方式确定75.4控制器参数工程整定7六、管式加热炉出口温度串级控制系统的MATLABSIMULINK仿真与分析86.1传递函数的选择86.2系统的参数的选择96.3系统的仿真分析10七、设计体会12参考文献132一、管式加热炉概述1.1管式加热炉在石

4、油工业中的重要性⑴加热温度高（火焰温度1000℃以上），传热速率快。⑵是整个石油加工和石油化工过程中能耗最大的设备之一。⑶是控制运转周期及自动化及自动化程度的关键设备。1.2管式加热炉的基本构成与组成管式加热炉是一种直接受热加热设备主要用于加热气体或液体化工原料，所用燃料通常有燃料油和燃料气。管式加热炉的传热方式以辐射传热为主。管式加热炉一般由辐射室、余热回收系统、对流室、燃烧器和通风系统等五部分组成：（1）辐射室：通过火焰或高温烟气进行辐射传热的部分。这部分直接受火焰冲刷，温度很高（600-1600℃），是热交换的主要场所（约占热负荷的70-80%）。（2）余热回收系统：用以回收加热炉

5、的排烟余热。有空气预热方式和废热锅炉方式两种方法。（3）对流室：靠辐射室出来的烟气进行以对流传热为主的换热部分。（4）燃烧器：是使燃料雾化并混合空气，使之燃烧的产热设备，燃烧器可分为燃料油燃烧器，燃料气燃烧器和油一气联合燃烧器。（5）通风系统：将燃烧用空气引入燃烧器，并将烟气引出炉子，可分为自然通风方式和强制通风方式。其结构通常包括：钢结构、炉管、炉墙、燃烧器、孔类配件等。二、管式加热炉温度控制系统工作原理及控制要求2.1管式加热炉出口温度控制系统工作原理管式加热炉的主要任务是把物料加热到一定温度，以保证下一道工序的顺利进行。燃料油经过蒸汽雾化后在炉膛中燃烧，物料流过炉膛四周的排管中，就

6、被加热到出口温度。在燃料油管道上装设一个调节阀，用它来控制燃油量以达到所需出口温度的目的。2.2管式加热炉出口温度控制系统控制要求影响出口温度变化的因素有很多种，主要表现在：（1）被加热物料的流量与初温。（2）燃料热值的变化、压力波动、流量的变化。（3）烟窗挡板位置的改变、抽力的变化。13其中燃料油压力和过热蒸汽压力都可以用专门的调节器保持其稳定，以便把扰动因素减小到最低限度，能够及时准确的实现控制过程。工艺上对出口温度要求不高，一般希望波动范围不超过±1～2%。三、管式加热炉出口温度控系统工艺流程设计3.1管式加热炉出口温度影响因素的扰动分析由于从燃料油调节阀开始作用到出口温度的改变，

7、整个控制通道的容量滞后大，时间常数大，这就会导致控制系统的控制作用不及时，反应迟钝、最大偏差大、过渡时间长、抗干扰能力差，控制精度降低。除外，、的变化进入系统的位置，都是首先影响炉膛温度，而后经过加热管管壁的影响被加热油料的温度。而炉膛的惯性小，而炉膛的惯性小，其温度变化很快就可以反映出来，则控制通道的容量滞后大大减小，对干扰、能够及时克服，减小它们对出口温度的影响。所以单独用单回路的出口温度或炉膛温度控制系统各有优缺点，为了同时发