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管式加热炉温度流量串级控制系统的设计

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2020年4月19日
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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1t

?（）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1t

?（）的干扰有原料油流量1()ft、原料

油入口温度2()

ft、燃料压力3()ft、燃料压力4()ft等。该系统根据原料油出口温

度1t

?（）变化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，然后经过

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1TC是根据原料油的出口温度1()

t?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1()

t?的影响，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，

上述简单控制系统很难满足要求。

燃料在炉膛燃烧后，首先引起炉膛温度2()

t?变化，再经过炉膛与原料油的

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3()

ft、4()ft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1()ft、2()ft并没有包含在图1-4所示的控制系统（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1TC对被控参数1()

t?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2TC对来自燃料的干扰3()

ft、4()ft的及时控制结合起来，

先根据炉膛温度2()

t?的变化，改变燃料量，快速消除来自燃料的干扰3()ft、4()ft对炉膛温度的影响；然后再根据原料油出口温度1()t?与设定值的偏差，改变炉膛

温度调节器2TC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3()

ft、4()ft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2TC，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1TC，图

1-6中的主调节器）构成的控制回路克服干扰1()ft、2()ft对原料油出口温度1()t?的影响，并对其它干扰所引起的1()t?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，因此采用串级控制系统。 2

环节设计 串级控制系统采用两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。即经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，改进系统控制品质。

（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。因此在选择副参数时，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。在串级控制系统中，主、副回路中控制过程的时间常数不能太

接近，一方面是为了保证副回路具有较快的反应能力，另一方面由于在串级控制

系统中，主、副会理密切相关，如果主、副回路中的时间常数比较接近，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、副回路中控制过程的时间常数之比为

3~10，以减少主、副回路的动态联系、避免“共振”。

（4）应注意工艺上的合理性和经济性。 2.2

主、副调节器调节规律的选择 在串级控制系统中，主，副调节器起的作用不同。主调节器起定值控制作用，

副调节器起随动控制作用，这是选择调节器规律的基本出发点。

主被控参数是工艺操作的主要指标，允许波动范围很小，一般要求无静差，

因此，主调节器应选PI或PID调节规律。

副被控参数的设置是为了克服主要干扰对主参数的影响，因而能够允许在一

定范围的变化，并允许有静差。为此，副调节器选择P调节规律。 2.3

主、副调节器正、反作用方式的确定 在串级控制系统中，主、副调节器正、反作用方式的选择原则是使整个系统

构成负反馈。串级控制系统中，主、副调节器的正反作用的选择方法是：首先根

据工艺要求决定调节阀的气开、气关形式，并决定副调节器的正反作用;然后再

依据主、副过程的正、反形式最终确定主调节器的正、反作用方式。

由图1-5能够得到，从生产工艺安全出发，燃料油调节阀选用气开式，即一

旦出现故障或气源断气，调节阀应完全关闭，切断燃料油进入加热炉，确保设备

安全。对于副调节器，当炉膛温度升高时，测量信号增大、为保证副回路为负反

馈，此时调节阀应关小，要求副调节器输出信号减小。按照测量信号增大，输出

信号减小的原则要求，副调节器应为反作用方式。对于主调节器，当副参数升高

时，主参数也升高，故主调节器应为反作用方式。 2.4

主、副调节器选用 DDZ-III型仪表采用了集成电路和安全火花型防爆结构，提高了仪表精度、

仪表可靠性和安全性，适应了大型化工厂、炼油厂的防爆要求。III型仪表具有

以下主要特点：

（1）采用国际电工委员会（IEC）推荐的统一信号标准，现场传输信号为

DC4~20mA，控制室联络信号为DC1~5V，信号电流与电压的转换电阻为250?。

（2）广泛采用集成电路，仪表的电路简化、精度提高、可靠性提高、维修

工作量减少。

（3）整套仪表可构成安全火花型防爆系统。DDZ-III型仪表室按国家防爆

规程进行设计的，而且增加了安全栅，实现了控制室与危险场所之间的能量限制

于隔离，使仪表能在危险的场所中使用。

DDZ-III型PID调节器的结构框图如图2-1。主要由输入电路、给定电路、

PID运算电路、手动与自动切换电路、输出电路和指示电路组成。

调节器接收变送器送来的测量信号(DC4~20mA或DC1~5V），在输入电路中与

给定信号进行比较，得出偏差信号，然后在PD与PI电路中进行PID运算，最后

由输出电路转换为4~20mA直流电流输出。

图

2-1 DDZ-III型调节器结构框图 2.5 主、副电路检测变送器的确定 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

量毫伏的指示仪表或变送器能够实现温度的测量指示或温度信号的转换。具有稳

定、复现性好、体积小、响应时间较小等优点、热电偶一般用于500°C以上的

高温，能够在1600°C高温下长期使用。

热电阻也能够作为温度传感元件。大多数电阻的阻值随温度变化而变化，如

果某材料具备电阻温度系数大、电阻率大、化学及物理性能稳定、电阻与温度的

关系接近线性等条件，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。大多数金属热电阻的阻值随其温度升高

而增加，而大多数半导体热敏电阻的阻值随温度升高而减少。

由图1-6可知，副回路中的温度变送器2检测的是炉膛的温度2?，一般较高，

故选择热电偶；主电路的温度变送器1则检测的是原料油的出口温度1?，温度较低，选择热电阻即可。

在使用热电偶时，由于冷端暴露在空气中，受周围环境温度波动的影响，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，一般见

补偿导线作为热电偶的连接导线。补偿导线的作用就是将热电偶的冷端延长到距

离热源较远、温度较稳定的地方。补偿导线的作用如图2-2所示。

用补偿导线将热电偶的冷端延长到温度比较稳定的地方后，并没有完全解决

冷端温度补偿问题，为此还要采取进一步的补偿措施。具体的方法有：查表法、

仪表零点调整法、冰浴法、补偿电桥法以及半导体PN结补偿法。

采用热电阻法测量温度时，一般将电阻测温信号经过电桥转换成电压，当热

电阻的连接导线很长时，导线电阻对电桥的影响不容忽视。为了消除导线电阻带

来的测量误差，不论热电阻和测量一边之间的距离远近，必须使导线电阻的阻值

图

2-2 补偿导线的作用 图2-3 热电阻三线制接法 符合规定的数值，如果不足，用锰铜电阻丝凑足。同时，热电阻必须用三线接法，

如图2-3所示，热电阻用三根导线引出，一根连接电源，不影响桥路的平衡，另

外两根被分别置于电桥的两臂内，使引线电阻值随温度变化对电桥的影响大致抵

消。 2.5.2

温度变送器 检测信号要进入控制系统，必须符合控制系统的信号标准。变送器的任务就

是将检测信号转换成标准信号输出。因此，热电偶和热电阻的输出信号必须经温

度变送器转换成标准信号后，才能进入控制系统，与调节器等其它仪表配合工作。

图2-4给出了温度变送器的原理框图，虽然温度变送器有多个品种、规格，

以配合不同的传感元件和不同的量程需要，但她们的结构基本相同。

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 本设计采用DDZ-III型热电偶温度变送器及热电阻变送器。 2.6 调节阀的确定 由前文得，从生产工艺安全出发，燃料油调节阀选用气开式，即一旦出现故

障或气源断气，调节阀应完全关闭，切断燃料油进入加热炉，确保设备安全为了

保证。

调节阀按其工作能源形式可分为气动、电动和液动三类。气动调节阀用压缩

空气作为工作能源，主要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；电动调节阀用电源工作，其特点是能源取用方便，信号传递

迅速，但难以在易燃易爆环境中工作；液动调节阀用液压推动，推力很大，一般

生产过程中很少使用。

故本设计采用了气动调节阀，且为气开形式。 2.7

串级控制系统的参数整定 串级控制系统从整体上来看是定值控制系统，要求主参数有较高的控制精

度。但副回路是随动系统，要求副参数能准确、快速地跟随主调节器输出地变化。

主、副回路的原理不一样，对主、副参数的要求也不同，经过正确的参数整定，

可取得理想的控制效果。

串级控制系统主、副调节器的参数整定方法有逐步逼近法、两步整定法和一

步整定法。这里采用两步整定法。

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

调节器参数，第二步把已经整定好的副回路视为串级控制系统的一个环节，仍按

单回路对主调节器进行一次参数整定。

一个设计合理的串级控制系统，其主、副回路中被控过程的时间常数应有适

当的匹配关系，一般为12(3~10)ooTT

?。主回路的工作周期远大于副回路的工作

周期，主、副回路间的动态关联较小。

两步法的整定步骤如下：

（1）在生产工艺稳定，系统处于串级运行状态，主、副调节器均为比例作

用的条件下，先将主调节器的比例度1P置于

100%刻度上，然后由大到小逐渐降

低副调节器的比例度2P，直到得到副回路过渡过程衰减比为

4：1的比例度2sP，

过渡过程的振荡周期为2

sT。

（2）在副调节器的比例度2

sP的条件下，逐步降低主调节器的比例度1P，直

到同样得到主回路过渡过程衰减比为4：1的比例度1

sP，过渡过程的振荡周期为1sT。

（3）按以求得的1

sP、1sT和2sP、2sT的值，结合已选定的调节规律，按表2-1

衰减曲线法整定参数的经验公式，计算出主、副调节器的整定参数值。

（4）按照“先副回路，后主回路”的顺序，将计算出的参数值设置到调节

器上，做一些扰动实验，观察过渡过程曲线，作适当的参数调整，直到控制品质

最佳为止。