./設計說明書1加熱爐的簡介1.1加熱爐的基本構成與組成加熱爐是一種直接受熱加熱設備主要用于加熱氣體或液體,所用燃料通常有燃料油和燃料氣。加熱爐的傳熱方式以輻射傳熱為主。加熱爐一般由輻射室、余熱回收系統、對流室、燃燒器和通風系統等五部分組成。〔1輻射室：通過火焰或高溫煙氣進行輻射傳熱的部分。這部分直接受火焰沖刷,溫度很高〔600-1600℃,是熱交換的主要場所〔約占熱負荷的70-80%。〔2余熱回收系統：用以回收加熱爐的排煙余熱。有空氣預熱方式和廢熱鍋爐方式兩種方法。〔3對流室：靠輻射室出來的煙氣進行以對流傳熱為主的換熱部分。〔4燃燒器：是使燃料霧化并混合空氣,使之燃燒的產熱設備,燃燒器可分為燃料油燃燒器,燃料氣燃燒器和油一氣聯合燃燒器。〔5通風系統：將燃燒用空氣引入燃燒器,并將煙氣引出爐子,可分為自然通風方式和強制通風方式。其結構通常包括：鋼結構、爐管、爐墻〔襯、燃燒器、孔類配件等。1.2加熱爐溫度控制系統工作原理加熱爐溫度控制系統原理圖控制原理圖如上所示,加熱爐的主要任務是把物料加熱到一定溫度,以保證下一道工序的順利進行。燃料油經過蒸汽霧化后在爐膛中燃燒,物料流過爐膛四周的排管中,就被加熱到出口溫度。在燃料油管道上裝設一個調節閥,物用它來控制燃油量以達到所需出口溫度T1的目的。1.3加熱爐出口溫度控制系統設計目的及意義加熱爐控制的主要任務就是保證工藝介質最終溫度達到并維持在工藝要求圍,由于加熱爐具有強耦合、大滯后等特性,控制起來非常復雜。同時,近年來能源的節約、回收和合理利用日益受到關注。加熱爐是冶金、煉油等生產部門的典型熱工設備,能耗很大。因此,在設計加熱爐控制系統時,在滿足工藝要求的前提下,節能也是一個重要質量指標,要保證加熱爐的熱效率最高,經濟效益最大。另外,為了更好地保護環境,在設計加熱爐控制系統時,還要保證燃料充分燃燒,使燃燒產生的有害氣體最少,達到減排的目的。1.4加熱爐溫度控系統工藝流程及控制要求加熱爐的主要任務是把原制油或重油加熱到一定溫度,以保證下一道工序〔分餾或裂解的順利進行。加熱爐的工藝流程圖如圖2.1所示。燃料油經過蒸汽霧化后在爐膛中燃燒,被加熱油料流過爐膛四周的排管中,就被加熱到出口溫度θ1。在燃料油管道上裝設一個調節閥,用它來控制燃油量以達到調節溫度θ1的目的。圖2.1加熱爐工藝流程圖引起溫度θ1改變的擾動因素很多,主要有：〔1燃料油方面〔它的組分和調節閥前的油壓的擾動D2；〔2噴油用的過熱蒸汽壓力波動D4；〔3被加熱油料方面〔它的流量和入口溫度的擾動D1；〔4配風、爐膛漏風和大氣溫度方面的擾動D3；其中燃料油壓力和過熱蒸汽壓力都可以用專門的調節器保持其穩定,以便把擾動因素減小到最低限度。從調節閥動作到溫度θ1改變,這中間需要相繼通過爐膛、管壁和被加熱油料所代表的熱容積,因而反應很緩慢。工藝上對出口溫度θ1要求不高,一般希望波動圍不超過±1～2%。2加熱爐出口溫度影響因素的擾動分析由于從燃料油調節閥開始作用到出口溫度T1的改變,整個控制通道的容量滯后大,時間常數大,這就會導致控制系統的控制作用不及時,反應遲鈍、最大偏差大、過渡時間長、抗干擾能力差,控制精度降低。除D1外,D2、D3的變化進入系統的位置,都是首先影響爐膛溫度T2,而后經過加熱管管壁的影響被加熱油料的溫度T1。而爐膛的慣性小,而爐膛的慣性小,其溫度變化很快就可以反映出來,則控制通道的容量滯后大大減小,對干擾D2、D3能夠及時克服,減小它們對出口溫度的影響。所以單獨用單回路的出口溫度或爐膛溫度控制系統各有優缺點,為了同時發揮它們的優點,考慮選用出口溫度—爐膛溫度的串級控制系統。3控制系統設計1方案選擇在串級控制系統中,由于引進了副回路,不僅能迅速克服作用于副回路的干擾,也能加速克服主回路的干擾。副回路具有先調、初調、快調的特點；主回路具有后調、細調、慢調的特點,對副回路沒有完全克服干擾的影響能徹底加以消除。由于主副回路相互配合,使控制質量顯著提高。與單回路控制系統相比,串級控制系統多用了一個測量變送器與一個控制器〔調節器,增加的投資并不多〔對計算機控制系統來說,僅增加了一個測量變送器,但控制效果卻有顯著的提高。其原因是在串級控制系統中增加了一個包含二次擾動的副回路,使系統①改善了被控過程的動態特性,提高了系統的工作頻率；②對二次擾動有很強的克服能力；③提高了對一次擾動的克服能力和對回路參數變化的自適應能力。綜上所述,本設計選擇串級控制系統。2控制系統的設計串級控制系統采用兩套檢測變送器和兩個調節器,前一個調節器的輸出作為后一個調節器的設定,后一個調節器的輸出送往調節閥。中間被控變量：爐膛溫度；操縱變量：燃料流量。爐膛溫度變化時,TC可以及時動作,克服干擾。1主回路設計加熱爐溫度串級控制系統是以原料油出口溫度為主要被控參數的控制系統。其他被控參數有爐膛溫度,膛壁溫度,燃料流量,原料油流量。溫度調節器對被控參數θ1精確控制與溫度調節器對來自燃料干擾的及時控制相結合,先根據爐膛溫度θ2的變化,改變燃料量,快速消除來自燃料的干擾、對爐膛溫度的影響；然后再根據原料油出口溫度θ1與設定值的偏差,改變爐膛溫度調節器的設定值,進一步調節燃料量,使原料油出口溫度恒定,達到溫度控制的目的。2副回路選擇副回路的選擇也就是確定副回路的被控參數。燃料由于其成分和流量變化,對控制過程產生極大干擾。所以,我們選擇爐膛溫度為串級控制系統的輔助被控參數。串級系統中,通過調整副參數爐膛溫度θ2能夠有效地影響主參數原料油出口溫度θ1,提高了主參數的控制效果。加熱爐溫度禪機控制系統框圖和控制工藝流程圖如下加熱爐溫度串級控制系統框圖圖3.3加熱爐溫度串級控制系統3主、副調節器規律選擇在串級控制系統中,主、副調節器所起的作用不同。主調節器起定值控制作用,副調節器起隨動控制作用,這是選擇調節器規律的基本出發點。在加熱爐溫度串級控制系統中,我們選擇原料油出口溫度為主要被控參數,原料油溫度影響產品生產質量,工藝要求嚴格,又因為加熱爐串級控制系統有較大容量滯后,所以,選擇PID調節作為住調節器的調節規律。控制副參數是為了保證和提高主參數的控制質量,對副參數的要求一般不嚴格,可以在一定圍變化,允許有殘差,所以我們的負調節器調節規律選擇P控制。4主、副調節器正反作用方式確定由生產工藝安全考慮,燃料調節閥應選氣開方式,這樣保證系統出現故障時調節閥處于全關狀態,防止燃料進入加熱爐,確保設備安全,調節閥的Kv﹥0。主調節器作用方式確定：爐膛溫度升高,物料出口溫度也升高,主被控過程Ko1﹥0。為保證主回路為負反饋,各環節放大系數成績必須為正,所以負調節器的放大系數K1﹥0,主調節器作用方式為反作用。又為保證副回路是負反饋,各環節放大系數乘積必須為正,所以負調節器大于0,負調節器作用方式為反作用方式。5控制器參數工程整定串級控制系統主、副控制器的參數整定方法主要有三種：兩步整定法、一步整定法和逐步逼近法。1、按照串級控制系統主、副回路的情況,先整定副控制器,后整定主控制器的方法叫做兩步整定法。2、一步整定法,就是根據經驗先將副控制器一次放好,不再變動,然后按照一般單回路孔控制系統的整定方法直接整定主控制器參數。3、逐步逼近法是一種依次整定主回路、副回路,然后循環進行,逐步接近主、副回路最佳整定的一種方法。我們選擇兩步整定法來整定串級控制系統的參數。4各儀表的選取及元器件清單1控制系統中溫度檢測元件的選型由于加熱爐爐膛溫度不能太高,爐膛溫度一般控制在850℃以下,溫度高有利于輻射傳熱,但太高會導致爐管結焦和燒壞,所以設此控制系統中的爐膛溫度要求為700℃左右,而管式加熱爐出口溫度假設為石油分餾的溫度300℃。由產品執行標準IEC584、GB/T16839-1997、JB/T5518-1991、GB3836熱電偶標準,在1000℃以下一般用K型熱電偶和N型熱電偶,熱電偶是工業上最常用的溫度檢測元件之一。其優點是：〔1量精度高。因熱電偶直接與被測對象接觸,不受中間介質的影響。〔2測量圍廣。常用的熱電偶從-50～+1600℃均可邊續測量。〔3構造簡單,使用方便。熱電偶通常是由兩種不同的金屬絲組成,而且不受大小和開頭的限制,外有保護套管,用起來非常方便如下表所示：所以物料出口處選擇WRN型分度號K,允差等級為Ⅰ的熱電偶。表1如下表所示：爐膛溫度的檢測熱電偶選擇WRK型分度號E,惰性級別為Ⅰ的熱電偶。表2使用熱電偶時,由于冷端暴露在空氣中,受周圍環境溫度波動的影響,且距熱源較近,其溫度波動也較大,給測量帶來誤差,為了降低這一影響,通常用補償導線作為熱電偶的連接導線。補償導線的作用就是將熱電偶的冷端延長到距離熱源較遠、溫度較穩定的地方。2控制系統中變送器的選型SBWR、SBWZ系列熱電偶、熱電阻溫度變送器是DDZ系列儀表中的現場安裝式溫度變送器單元,與工業熱電偶、熱電阻配套使用,它采用二線制傳輸方式<兩根導線作為電源輸入和信號輸出的公用傳輸線>。按國家防爆規程進行設計的,而且增加了安全柵,實現了控制室與危險場所之間的能量限制于隔離,使儀表能在危險的場所中使用。將工業熱電偶、熱電阻信號轉換成與輸入信號或與溫度信號成線性的4-20mA、0-10mA的輸出信號。技術指標為：1、輸入信號：K型熱電偶、E型熱電偶、S型熱電偶、B型等熱電偶信號輸入

2、供電電壓：10-30VDC、負載電阻：0-500Ω

3、輸出信號：二線制4-20mA,最大30mA

4、熱電偶溫度變送器精度：0.5%FS

5、回路保護：帶反向連接保護〔防止電源正負極表3由表3知物料出口溫度處選擇SBW-R-70型變送器,爐膛溫度選擇SBW-R-10型變送器。3控制系統中執行器〔調節閥的選型由于調節閥用于燃料油量調節選擇氣動調節閥,燃料油粘度比較大,為了減弱腐蝕防止堵塞,由于角形閥的閥體受流體的沖擊小,體不易結污,對粘度高的流體尤為適用,并且調節穩定性較好。所以選用角形閥。從安全角度出發,一旦調節閥損壞,保證控制閥處于全關狀態,切斷燃料進入加熱爐,確保設備安全,所以要選擇氣開調節閥。綜上選擇ZMAS型氣動薄膜角形單座調節閥,閥體為直角形,閥芯不單導向結構,閥的流路簡單,便于自凈和清洗。阻力小,適用于高粘度,含有懸浮物和顆粒狀物質的流體的調節,可避免結焦、粘結、堵塞。由ZMAS型氣動薄膜角型調節閥型號編制說明知,選擇ZMAS-320K型的調節閥。含義為,ZMA：氣動薄膜正作用式,K：氣開式；320：PN320MPa。EPC1000系列電氣轉換器是在引進國外先進技術的基礎上開發的新一代電氣轉換器產品,它可將不同輸入電流信號轉換成相對應輸出的氣動信號。本產品具有體積小,結構巧妙,精度高,穩定性好,安裝方便等優點。如下表所示,選擇型號為EPC110-OG-I型的電器轉換器。表4技術參數為：1、氣源壓力圍：最小值：高于輸出壓力上限值20kPa；最大值：700kPa。

2、線性度：≤跨度的±1%。

3、重復性：≤跨度的±0.5%。

4、回差：≤跨度的±1.0%。4控制系統中調節器的選型XMT-8000系列智能型數字顯示調節儀采用新的智能儀表設計方案,對原有的數顯表進行了修正處理,使儀表無論在外觀還是性能都有的更進一步的提升,儀表置PID功能與位式控制功能,采用美觀大方的輕觸鍵設置,是工業控制中低價位儀表與高性能定位的理想選擇。智能性數顯調節儀精度高、抗震性強、可靠性好、安裝方便、讀數清晰、無視差、可遠距離觀察等獨特優點。在調節形式上有二位式、三位式、時間比例式、可控硅連續調節式、PID式等多種,并可根據需要增強超限報警功能。可廣泛應用于冶金、紡織、塑機、培養箱、烘烤箱、制冷化工、醫療等行業作-200℃～1800℃圍的溫度測量和自動控制,配上相應的傳感器也可用于壓力、流量、液位等參數的顯示和控制。由表5知,選擇XMTG-8038C2調節器,結構如圖4所示。表55控制系統中的連鎖保護與接線圖聯鎖保護系統由壓力調節器、溫度調節器、流量變送器、火焰檢測器、低選器等部分組成。當燃料管道壓力高于規定的極限時,壓力調節系統通過低選器取代正常工作的溫度調節系統,此時出料溫度無控制,自行浮動。壓力調節系統投入運行保證燃料管道壓力不超過規定上限。當管道壓力恢復正常時,溫度調節系統通過低選器投入正常運行,出料溫度重新受到控制。當進料流量和燃料流量低于允許下限或火焰熄滅時,便會發出雙位信號,控制電磁閥切斷燃料氣供給量以防回火。控制系統的電氣連線圖如下5加熱爐出口溫度串級控制系統的MATLABSimulink仿真與分析1傳遞函數的選擇按儀表的對應關系設：主回路的傳遞函數取副回路的傳遞函數取2系統的參數的選擇系統的仿真圖如下首先整定副回路,當副回路的衰減比為4：1時,為下圖此時副回路的振蕩周期T1s=112-46=66〔s衰減比為δ1=1/2.01100%=49.8%。然后整定主回路,當主回路的衰減比為4：1時,為下圖此時主回路的振蕩周期T2s=840-335=505〔s,衰減比δ2=1/2.06100%=48.5%,計算得Kp=2.575、Ti=151.5s、Td=50.5s、Ki=0.0136、Kd=104.03。3系統的仿真分析將K