加热炉减排控制系统的设计.docx

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加热炉减排控制系统的设计

《过程控制系统》课程设计

学院：

物联网工程学院

班级：

自动化0802

姓名：

XXX

学号：

0704080224

同组成员：

XXXX

日期：

2011.12.5-2012.1.5

成绩:

加热炉减排控制系统的设计

一、被控对象工艺流程描述

所选被控对象为过程工业领域常见的加热炉单元，通过加热炉对流传热与辐射传热将一定流量的物料A加热至工艺要求的温度。

待加热物料A经由上料泵P1101泵出，分两路，其中一路进入换热器E1101与热物料换热后，与另外一路混合，进入加热炉F1101的对流段。

进入换热器E1101的待加热物料A走管程，一方面对最终产品（热物料A）的温度起到微调（减温）的作用，另一方面也能对待加热物料A起到一定的预热作用。

加热炉对流段由多段盘管组成，炉膛产生的高温烟气自上而下通过管间，与管内的物料A换热，回收烟气中的余热并使物料A进一步预热。

对流段流出的物料A全部进入F1101辐射段炉管，接受燃烧器火焰的辐射热量，达到所要求的高温后出加热炉，进入换热器E1101壳程，进行温度的微调并为冷物料预热，最后以工艺所要求的物料温度输送给下一生产单元。

二、工艺过程简介

待加热物料A流量为F1101，温度为常温20℃，经由上料泵P1101泵出。

流量管线上设有调节阀V1101，调节阀有前、后阀XV1101和XV1102，以及旁路阀HV1101。

待加热物料A被分为两路，一路进入换热器E1101预热，预热后与另外一路混合进入加热炉。

两路物料A管道上分别设有调节阀V1102和V1103。

正常工况时，大部分待加热物料A直接流向加热炉对流段，少部分待加热物料A流向换热器，其流量为F1102。

燃料经由燃料泵P1102泵入加热炉F1101的燃烧器，燃料流量为F1103，燃料压力为P1101，燃料流量管线设调节阀V1104。

空气经由变频风机K1101送入燃烧器，空气量为F1104。

燃料与空气在燃烧器混合燃烧，产生热量使辐射段炉管内的物料A迅速升温。

燃烧产生的烟气带有大量余热，在对流段进行余热回收。

对流段烟气出口处的烟气温度为T1105。

烟气含氧量AI1101设有在线分析检测仪表。

烟道内设有挡板DO1101。

出对流段、入辐射段的物料A温度为T1102。

从辐射段炉管出来的温度为T1103的高温物料A进入换热器E1101，进行温度的微调。

最终产品（热物料A）的温度为T1104，流量为F1105，出口管道上设流量调节阀V1105。

炉膛压力为P1102，炉膛中心火焰温度为TI1101，为红外非接触式测量，仅提供大致温度的参考。

工艺流程图中的仪表及操作设备说明如下：

1.检测仪表

位号

检测点说明

单位

位号

检测点说明

单位

AI1101

烟气含氧量

%

PT1101

燃料压力

MPa

FT1101

待加热物料A流量

kg/s

PT1102

炉膛压力

MPa

FT1102

去换热器的待加热物料A流量

kg/s

TI1101

炉膛中心火焰温度

℃

FT1103

燃料流量

kg/s

TT1102

进入加热炉辐射段的物料A温度

℃

FT1104

空气量

m3/s

TT1103

出加热炉辐射段的物料A温度

℃

FT1105

产品（热物料A）流量

kg/s

TT1104

产品（热物料A）温度

℃

TT1105

烟气温度

℃

2.执行机构

位号

执行机构说明

位号

执行机构说明

V1101

待加热物料A管线流量调节阀

V1104

燃料管线流量调节阀

V1102

直接进入加热炉对流段的

待加热物料A管线流量调节阀

V1105

产品（热物料A）管线流量调节阀

V1103

去换热器的待加热物料A管线流量调节阀

DO1101

烟道挡板

3.开关阀

位号

执行机构说明

XV1101

物料A管线流量调节阀前阀

XV1102

物料A管线流量调节阀后阀

4.手操阀

位号

执行机构说明

HV1101

物料A管线流量调节阀旁路阀

三、具体控制要求

减排控制

排放指标主要体现在二氧化碳的排放量上，同时兼顾由于燃烧不充分产生有毒一氧化碳的排放量。

四、控制目标

通过对被控对象工艺流程的分析，可以将控制目标分为加热炉物料进出口温度的控制、出口产品（物料A）温度的控制、燃料的进料与空气流量的控制、进料流量单闭环负反馈控制、炉膛负压的控制，最终达到减排控制的最优化。

五、被控变量与操纵变量的选择

加热炉单元的被控变量与操纵变量根据控制目标要求，确定如表5.1和表5.2所示：

表5.1被控变量

序号

位号

检测点说明

单位

1

TT1104

产品（热物料A）温度

℃

2

TT1102

加热炉进口温度

℃

3

TT1103

出加热炉辐射段的物料A温度

℃

4

PT1102

炉膛压力

MPa

5

FT1101

待加热物料A流量

kg/s

6

AI1101

烟气含氧量

%

表5.2操纵变量

序号

位号

检测点说明

单位

1

FT1103

燃料流量

kg/s

2

FT1104

空气量

m3/s

3

FT1101

热物料A管线流量

kg/s

4

V1102

直接进对流段的物料A管线流量调节阀开度

%

5

V1103

进换热器的物料A管线流量调节阀开度

%

6

DO1101

烟道挡板开度

%

因为加热炉主要保证的是产品（热物料A）的所需温度，所有的其它控制都是围绕这个最终目的来展开的，所以TT1104是主被控变量，他将向分程控制器TIC1104给出反馈信号，操纵直接进对流段的物料A管线流量调节阀V1102开度及进换热器的物料A管线流量调节阀V1103开度，从而通过换热器可以调节输出产品（物料A）的温度；

其次是加热炉物料进出口温度的控制，被控变量分别为TT1102、TT1103，这部分温度主要与系统的主对象加热炉F1101有关，而系统的主要温度来源由燃料提供，故TT1102与TT1103的温度应反馈或前馈到燃料控制阀上，加上燃料通道本身有燃料流量监测器FT1103，操纵燃料流量的大小，所以这里可以形成一个前馈--串级控制系统；

炉膛压力控制也是系统要控制的一个重要环节，因为若膛内压力过大会导致烟气向外排出，除了热量损失之外还会导致环境的污染，故可以使用压力控制器PIC1102来取得炉膛压力信号的大小变化，从而输出到可以控制炉膛压力的烟道挡板执行器上，操纵烟囱出口阀门DO1101开度的大小；

然后要被加热的物料流量也是影响出料温度大小的一个重要扰动，故可用一个简单的单闭环反馈控制进料流量调节阀V1101，从而控制进料流量的稳定；

本次课题主要是减排控制，主要是二氧化碳的排放量和由于不完全燃烧产生有毒气体一氧化碳的排放量上，首先一氧化碳的排放主要可以由烟气出口处的含氧量检测仪表来间接反应得到，即保证一定部分的含氧量可以保证炉膛内燃烧充分，而氧含量不足可能会导致燃烧不充分的结果，燃烧不充分由燃料的进料与空气流量的比值有关，所以可以初步选用比值控制器来控制燃料流量FT1103与空气流量FT1104的比值，从而解决这个问题，烟气含氧量会变化，导致比值系数大小会变化，故选用变比值控制器来控制。

而二氧化碳的排放量取决于进口物料的流量、进口物料温度与所需的出口物料的温度、燃料的成分与流量上，这些都分别已由FIC1101进口物料流量控制器为主的单回路闭环控制系统、TIC1104为主的分程控制系统、FIC1103为主的前馈--串级控制系统分别控制共同达到最优状态。

六、各部分控制方案选择

6.1加热炉物料进出口温度的前馈--串级控制

根据上述分析，选择辐射段出口温度TT1103为主被控变量，燃料流量FT1103为副被控变量，燃料流量为操纵变量组成串级控制，通过副回路及时克服燃料流量或压力的波动对炉温的影响。

加入扰动变量温度TT1102作为前馈信号，组成前馈--串级控制系统。

当温度TT1102发生波动时，通过前馈控制通道，直接使燃料控制阀的开度变化，增大或减小燃料流量，以抵消TT1102对辐射段出口温度TT1103的影响，如果等到TT1103发生偏差后再进行调节，是对燃料的浪费，不利于节能。

从安全角度考虑，V1104选气开型，即KV4>0。

系统稳定运行时，开大V1104，燃料流量上升，Kp4>0；温度上升，Kp3>0。

则根据稳定运行准则，Kc4>0，Kc3>0即流量控制选择反作用，温度控制器也选择反作用。

当扰动或负荷变化使炉膛温度升高时，因为副控制器是反作用，所以控制器输出减小，控制阀开度减小，燃料量减小，使炉膛温度下降；同时，炉膛温度升高，使出口温度升高，通过反作用的主控制器使副控制器的设定降低，通过副控制的调节减小燃料量，降低炉膛温度，使出口温度保持恒定。

6.2出口产品（物料A）温度的分程控制

出口热物料温度TT1104通过换热器进行微调，同时调节阀门V1102和阀门V1103的开度来改变进入换热器的冷物料流量已达到减温作用。

从安全角度考虑，V1102选气开型，V1103选气关型，即KV2>0，KV3<0。

系统稳定运行时，开大V1102，出口温度上升，Kp2>0；开大V1103，出口温度下降，Kp3<0。

则根据稳定运行准则，KC>0，即选择反作用控制器。

分程控制系统的控制阀与一般的控制阀工作范围不同，一般的为0.02~0.1MPa，而分程控制的两个控制阀分别为0.02~0.06MPa和0.06~0.1MPa。

为此，可以采用阀门定位器或选择不同的控制阀弹簧使控制阀分别工作在不同的工作范围。

当采用DCS或计算机控制装置时，如果用多个AO通道，也可用计算方法，将控制器输出分为多个工作范围，然后输出到各自的控制阀。

6.3燃料的进料与空气流量的变比值控制

加热炉在燃烧过程中燃料和空气是按一定比例进料的，但在不同的温度负荷下，燃料量和空气量的最佳比值也不同。

根据前文的分析，烟气含氧量变化反应了燃烧过程中的过剩空气量发生的变化，是衡量燃料是否完全燃烧的控制指标。

因此设计变比值控制系统，根据主被控变量烟气含氧量，来调整燃料和空气的比值，从而实现燃料的完全燃烧，达到节能减排的控制目的。

比值控制系统有两种实施方案，即相乘方案和想出方案。

当采用常规仪表实施比值控制系统时，由于受仪表量程范围及所采用仪表类型的影响，通常要计算比值函数环节中的有关的仪表比值系数K。

而采用DCS或计算机控制系统实施比值控制时，由于采用数字运算，因此不必计算仪表比值系数K，可直接根据工艺要求设置比值。

而变比值中的比值是由另一控制器输出确定，不需要设置和计算。

6.4进料流量单闭环负反馈控制

为了保证物料A的进料量稳定，设计单回路流量控制系统来克服进料过程种可能存在的干扰。

从安全角度考虑，进料阀V1101选气开型，即Kv1>0。

系统稳定运行时，开大V1101，

进料流量增加，Kp1>0。

则根据稳定运行准则，Kc>0，即反作用控制器。

6.5炉膛负压的前馈--反馈控制

炉膛负压是指炉膛顶部的烟气压力，是反应燃烧工况稳定与否的重要参数，是运行中要控制和监视的重要参数之一。

如果炉膛压力接近于大气压力，则炉烟会外漏，污染环境，影响设备与工作人员的安全；反之，如果炉膛压力太低，又会使大量的冷空气漏入膛内，降低了炉膛温度，增大了排烟带走的热量损失和燃料的消耗。

所以炉膛负压控制对生产安全、节能减排都具有重要意义。

一般将炉膛压力维持在低于大气压力20~50Pa左右。

七、仪表、调节器、执行机构的选型

7.1检测仪表

位号

检测点说明

单位

位号

检测点说明

单位

AI1101

烟气含氧量

%

PT1101

燃料压力

MPa

FT1101

待加热物料A流量

kg/s

PT1102

炉膛压力

MPa

FT1102

去换热器的待加热物料A流量

kg/s

TI1101

炉膛中心火焰温度

℃

FT1103

燃料流量

kg/s

TT1102

进入加热炉辐射段的物料A温度

℃

FT1104

空气量

m3/s

TT1103

出加热炉辐射段的物料A温度

℃

FT1105

产品（热物料A）流量

kg/s

TT1104

产品（热物料A）温度

℃

TT1105

烟气温度

℃

7.2调节器

位号

执行机构说明

FIC1101

待加热物料A流量调节器

FIC1103

燃料流量调节器

TIC1102

进加热炉辐射段的物料A温度调节器

TIC1103

出加热炉辐射段的物料A温度调节器

TIC1104

产品（热物料A）温度调节器

PIC1102

炉膛压力调节器

AIC1101

烟气含氧量调节器

SIC1104

鼓风机频率调节器

7.3执行机构

位号

执行机构说明

位号

执行机构说明

V1101

待加热物料A管线流量调节阀

V1104

燃料管线流量调节阀

V1102

直接进入加热炉对流段的

待加热物料A管线流量调节阀

V1105

产品（热物料A）管线流量调节阀

V1103

去换热器的待加热物料A管线流量调节阀

DO1101

烟道挡板

阀门特性的选择

在系统出现事故时，考虑到人身和设备的安全以及物料的节约，对V1101、V1102、V1104和V1105阀应选用气开式调节阀，再考虑到控制器的正反作用选择，V1103阀选用气关式调节阀。

因为整个被控系统中没有存储单元，所以物料管线调节阀的气动特性需保持一致，当系统出现故障时，加热炉的降温降压主要靠鼓风机送风以及全开烟道挡板来完成。

根据控制系统稳定运行准则，扰动或设定变化时，控制系统静态稳定运行的条件是控制系统各开环增益之积基本恒定；控制系统动态稳定运行的条件是控制系统总开环传递函数的模基本恒定。

选择控制阀工作流量特性的目的是通过控制阀调节机构的增益来补偿因对象增益变化而造成开环总增益变化的影响。

即用Kv2的变化补偿Kp的变化，K开=KcKv1Kv2KpKm恒定。

讨论时，假设控制器增益（或比例度）、执行机构增益、检测变送环节增益不随负荷或设定而变化。

这样，当对象增益Kp随负荷或设定变化时，通过选择合适的控制阀流量特性，使控制阀增益Kv2与被控对象增益Kp之积保持基本不变。

根据被控对象的特性，流量控制对象的过程放大系数为线性，所以选择线性阀。

温度过程为非线性，所以选择等百分比调节阀。

具体情况如下表所示：

表2.5阀门特性

序号

位号

执行机构说明

流量特性

气动特性

1

V1101

待加热物料A管线流量调节阀

线性

气开

2

V1102

直接进入加热炉对流段的

待加热物料A管线流量调节阀

对数

气开

3

V1103

去换热器的待加热物料A管线流量调节阀

对数

气关

4

V1104

燃料管线流量调节阀

对数

气开

5

V1105

产品（热物料A）管线流量调节阀

线性

气开

八、控制算法描述

8.1加热炉物料进出口温度控制算法描述

待加热物料获得的热量绝大部分来自加热炉辐射段，其次是对流段，换热器对物料温度的影响作用是三个换热环节中最小的，所以辐射段出口温度TT1103是最主要的被控变量，它主要受燃料进量多少的影响。

换热器对TT1103起了减温作用，是对物料出口温度TT1104进行微调，主要靠旁路里的冷物料与出辐射段的热物料来实现，这就意味着冷物料的流量FT1102越大，带走的热量越多。

但是整条进料管线上并没有冷却装置，换热后的带加热物料进入对流段，假设燃料进料不变，那么物料在辐射段能吸收的热量也是不变的，但是由于换热使进料温度变高了，导致进辐射段前的温度TT1102升高，而TT1103则进一步升高。

8.2燃料的进料与空气流量控制算法描述

变比值控制系统的结构是串级控制系统与比值控制系统的结合。

该系统中的燃料流量控制回路是前文描述的温度串级控制系统中的副环，而空气流量控制回路是变比值控制系统中的副环，所以均按串级控制系统副环的整定方法整定参数：

变比值控制器则按照串级控制系统的主环来整定参数。

变比值控制系统按串级控制系统的投运方法进行投运。

8.3炉膛负压控制算法描述

炉膛负压控制系统中被控变量是炉膛压力，操纵变量是烟道挡板的开度（即调节引风量），控制系统的任务是保持炉膛负压在规定的范围之内。

在加热炉运行过程中引起的炉膛负压波动的主要原因是燃烧工况的变化。

再送风量和引风量保持不变的情况下，由于燃烧工况总有小量的变化，所以炉膛负压也总是在波动的，但变化不大，属于正常工况，因此采用炉膛负压信号作为被调量的单回路控制系统；但是当系统负荷变化较大时（如开、停车过程），炉膛压力的变化也会很大，由于送风量的变化是引起负压波动的主要原因，所以将送风量作为前馈引入控制器。

组成前馈--反馈控制系统。

当送风量变化时，控制器调节烟道挡板的开度使引风量也跟着改变，而不是等炉膛负压偏离给定值后再调整，从而及时控制炉膛负压。

引入前馈信号后有利于提高系统的稳定性和减小负压的动态偏差。

正常的炉膛压力信号是带有小幅波动的干扰信号，如果直接使用这个测量信号做控制，会引起烟道挡板频繁开大--关小动作，不利于设备保护。

而且对炉膛压力的控制要求不是一个定值，而是一个范围。

所以压力控制器采用Bang-Bang控制算法，也叫开关式控制算法。

当炉膛压力在允许范围内波动时，控制器输出稳定，烟道挡板开度不变，只有当炉膛压力超出设定范围上下限时，控制器才改变输出，调整烟道挡板的开度，使炉膛压力回到设定范围内。

九、系统各部分方框图

9.1辐射段物料出口温度的前馈--串级控制

流量测量变送器

9.2出口产品（物料A）温度的分程控制

R

9.3燃料的进料与空气流量的变比值控制

AIC1101

9.4物料进料的单闭环反馈控制

9.5炉膛负压的前馈--反馈控制

锅炉负压的作用：

有利于保证锅炉安全运行；同时也有利于燃烧传热，保持一定的负压才有利于锅炉风烟系统的流畅，才有利于锅炉各受热面吸热过程完成。

炉膛压力正：

向外冒火，不安全。

炉膛压力太低（负压太大）：

漏风大，炉膛向内变形。

十、总结

本次课程设计让我了解到工业过程控制的严谨性与复杂性，这也反映出了过程控制系统的重要性。

从设计中可以看出，过程控制的目的是使工业生产达到最优化，但无论怎么设计，总会有考虑不周到或不完全的地方，需要在以后的实际应用中对流程要有足够的理解及过程控制知识的灵活掌握与应用。

课程设计整个过程也让我认识到纯理论知识的掌握不是最终的目的，关键得会用。