管式加热炉温度流量串级控制新版系统的设计.doc

管式加热炉温度-流量串级控制系统设计

1方案选定 管式加热炉是炼油、化工生产中关键装置之一，它任务是把原料油加热

到一定温度，以确保下道工序顺利进行。所以，常选原料油出口温度1t

?（）为

被控参数、燃料流量为控制变量，组成图1-1所表示温度控制系统，控制系统

框图图1-2所表示。影响原料油出口温度1t

?（）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。该系统依据原料油出口温

度1t

?（）改变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改变时，先影响炉膛温度，然后经过

传热过程逐步影响原料油出口温度。从燃料流量改变经过三个容量后，才引发

原料油出口温度改变，这个通道时间常数很大，约有15min，反应缓慢。而温度

调整器1TC是依据原料油出口温度1()

t?和设定值偏差进行控制。当燃料部分

出现干扰后，图1-1所表示控制系统并不能立即产生控制作用，克服干扰对被控

参数1()

t?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，

上述简单控制系统极难满足要求。

燃料在炉膛燃烧后，首先引发炉膛温度2()

t?改变，再经过炉膛和原料油

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，燃料量改变或燃

料热值改变，首先使炉膛温度发生改变。假如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降低，时间常数约为3min，对来自燃料

干扰3()

ft、4()ft控制作用比较立即，对应控制系统图1-3所表示。系统框

图图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，原料油本身流量或入口温度改变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干扰1()ft、2()ft并没有包含在图1-4所表示控制系统（反

馈回路）之内，控制系统不能克服1()

ft、2()ft对原料油出口温度影响，控制

效果仍达不到生产工艺要求。

假如将上面两种控制系统优点——温度调整器1TC对被控参数1()

t?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、温度调整器2TC对来自燃料干扰3()

ft、4()ft立即控制结合起来，

先依据炉膛温度2()

t?改变，改变燃料量，快速消除来自燃料干扰3()ft、4()ft对炉膛温度影响；然后再依据原料油出口温度1()t?和设定值偏差，改变炉膛

温度调整器2TC设定值，深入调整燃料量，以保持原料油出口温度恒定，这么就组成了以原料油出口温度为关键被控参数，以炉膛温度为辅助被控参数串

级控制系统。管式加热炉串级控制系统步骤图及系统框图分别图1-5、图1-6。

这么干扰3()

ft、4()ft对原油出口温度影响关键由炉膛温度调整器（图1-5中

2TC，图

1-6中副调整器）组成控制回路进行校正；由原料油出口温度调

节器（图1-5中1TC，图

1-6中主调整器）组成控制回路克服干扰1()ft、2()ft对原料油出口温度1()t?影响，并对其它干扰所引发1()t?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 总而言之，因为管式加热炉动态性复杂、存在多个扰动，简单控制系统难以

满足控制要求，所以采取串级控制系统。 2

步骤设计 串级控制系统采取两套检测变送器和两个调整器，前一个调整器输出作为

后一个调整器设定，后一个调整器输出送往调整阀。前一个调整器称为主调

节器，它所检测和控制变量称主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一

个调整器称为副调整器，它所检测和控制变量称副变量（副被控参数），是为

了稳定主变量而引入辅助变量。整个系统包含两个控制回路，主回路和副回路。

副回路由副变量检测变送、副调整器、调整阀和副过程组成；主回路由主变量检

测变送、主调整器、副调整器、调整阀、副过程和主过程组成。 2.1

副回路设计和副参数选择 副回路选择是确定副回路被控参数，串级系统特点关键起源于它副

回路，副回路参数选择通常应遵行下面多个标准：

（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

参数改变应反应主参数改变趋势、并在很大程度上影响主参数；其次，选择

副参数必需是物理上可测；另外，由副参数所组成副回路，调整通道尽可

能短，调整过程时间常数不能太大，时间滞后小，方便使等效过程时间常数显著

减小，提升整个系统工作频率，加紧控制过程反应速度，改善系统控制品质。

（2）副参数选择必需使副回路包含改变猛烈关键干扰，并尽可能多包

含部分干扰。 在选择副参数时一定要把关键干扰包含在副回路中，并努力争取把更

多干扰包含在副回路中，但也不是副回路包含干扰越多越好，因为副回路包

含干扰越多，其控制通道时间常数肯定越大，响应速度变慢，副回路快速克服

干扰能力将受到影响。所以在选择副参数时，应在副回路反应灵敏和包含较多

干扰之间进行合理平衡。

（3）副参数选择应考虑主、副回路中控制过程时间常数匹配，以防

“共振”发生。在串级控制系统中，主、副回路中控制过程时间常数不能太

靠近，首先是为了确保副回路含有较快反应能力，其次因为在串级控制

系统中，主、副会理亲密相关，假如主、副回路中时间常数比较靠近，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、副回路中控制过程时间常数之比为

3~10，以降低主、副回路动态联络、避免“共振”。

（4）应注意工艺上合理性和经济性。 2.2

主、副调整器调整规律选择 在串级控制系统中，主，副调整器起作用不一样。主调整器起定值控制作用，

副调整器起随动控制作用，这是选择调整器规律基础出发点。

主被控参数是工艺操作关键指标，许可波动范围很小，通常要求无静差，

所以，主调整器应选PI或PID调整规律。

副被控参数设置是为了克服关键干扰对主参数影响，所以能够许可在一

定范围改变，并许可有静差。为此，副调整器选择P调整规律。 2.3

主、副调整器正、反作用方法确实定 在串级控制系统中，主、副调整器正、反作用方法选择标准是使整个系统

组成负反馈。串级控制系统中，主、副调整器正反作用选择方法是：首先根

据工艺要求决定调整阀气开、气关形式，并决定副调整器正反作用;然后再

依据主、副过程正、反形式最终确定主调整器正、反作用方法。

由图1-5能够得到，从生产工艺安全出发，燃料油调整阀选择气开式，即一

旦出现故障或气源断气，调整阀应完全关闭，切断燃料油进入加热炉，确保设备

安全。对于副调整器，当炉膛温度升高时，测量信号增大、为确保副回路为负反

馈，此时调整阀应关小，要求副调整器输出信号减小。根据测量信号增大，输出

信号减小标准要求，副调整器应为反作用方法。对于主调整器，当副参数升高

时，主参数也升高，故主调整器应为反作用方法。 2.4

主、副调整器选择 DDZ-III型仪表采取了集成电路和安全火花型防爆结构，提升了仪表精度、

仪表可靠性和安全性，适应了大型化工厂、炼油厂防爆要求。III型仪表含有

以下关键特点：

（1）采取国际电工委员会（IEC）推荐统一信号标准，现场传输信号为

DC4~20mA，控制室联络信号为DC1~5V，信号电流和电压转换电阻为250?。

（2）广泛采取集成电路，仪表电路简化、精度提升、可靠性提升、维修

工作量降低。

（3）整套仪表可组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，而且增加了安全栅，实现了控制室和危险场所之间能量限制

于隔离，使仪表能在危险场所中使用。

DDZ-III型PID调整器结构框图图2-1。关键由输入电路、给定电路、

PID运算电路、手动和自动切换电路、输出电路和指示电路组成。

调整器接收变送器送来测量信号(DC4~20mA或DC1~5V），在输入电路中和

给定信号进行比较，得出偏差信号，然后在PD和PI电路中进行PID运算，最终

由输出电路转换为4~20mA直流电流输出。

图

2-1 DDZ-III型调整器结构框图 2.5 主、副电路检测变送器确实定 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

量毫伏指示仪表或变送器能够实现温度测量指示或温度信号转换。含有稳

定、复现性好、体积小、响应时间较小等优点、热电偶通常见于500°C以上

高温，能够在1600°C高温下长久使用。

热电阻也能够作为温度传感元件。大多数电阻阻值随温度改变而改变，如

果某材料含有电阻温度系数大、电阻率大、化学及物理性能稳定、电阻和温度

关系靠近线性等条件，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。大多数金属热电阻阻值随其温度升高

而增加，而大多数半导体热敏电阻阻值随温度升高而降低。

由图1-6可知，副回路中温度变送器2检测是炉膛温度2?，通常较高，

故选择热电偶；主电路温度变送器1则检测是原料油出口温度1?，温度较低，选择热电阻即可。

在使用热电偶时，因为冷端暴露在空气中，受周围环境温度波动影响，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，通常见

赔偿导线作为热电偶连接导线。赔偿导线作用就是将热电偶冷端延长到距

离热源较远、温度较稳定地方。赔偿导线作用图2-2所表示。

用赔偿导线将热电偶冷端延长到温度比较稳定地方后，并没有完全处理

冷端温度赔偿问题，为此还要采取深入赔偿方法。具体方法有：查表法、

仪表零点调整法、冰浴法、赔偿电桥法和半导体PN结赔偿法。

采取热电阻法测量温度时，通常将电阻测温信号经过电桥转换成电压，当热

电阻连接导线很长时，导线电阻对电桥影响不容忽略。为了消除导线电阻带

来测量误差，不管热电阻和测量一边之间距离远近，必需使导线电阻阻值

图

2-2 赔偿导线作用 图2-3 热电阻三线制接法 符合要求数值，假如不足，用锰铜电阻丝凑足。同时，热电阻必需用三线接法，

图2-3所表示，热电阻用三根导线引出，一根连接电源，不影响桥路平衡，另

外两根被分别置于电桥两臂内，使引线电阻值随温度改变对电桥影响大致抵

消。 2.5.2

温度变送器 检测信号要进入控制系统，必需符合控制系统信号标准。变送器任务就

是将检测信号转换成标准信号输出。所以，热电偶和热电阻输出信号必需经温

度变送器转换成标准信号后，才能进入控制系统，和调整器等其它仪表配合工作。

图2-4给出了温度变送器原理框图，即使温度变送器有多个品种、规格，

以配合不一样传感元件和不一样量程需要，但她们结构基础相同。

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 本设计采取DDZ-III型热电偶温度变送器及热电阻变送器。 2.6 调整阀确实定 由前文得，从生产工艺安全出发，燃料油调整阀选择气开式，即一旦出现故

障或气源断气，调整阀应完全关闭，切断燃料油进入加热炉，确保设备安全为了

确保。

调整阀按其工作能源形式可分为气动、电动和液动三类。气动调整阀用压缩

空气作为工作能源，关键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；电动调整阀用电源工作，其特点是能源取用方便，信号传输

快速，但难以在易燃易爆环境中工作；液动调整阀用液压推进，推力很大，通常

生产过程中极少使用。

故本设计采取了气动调整阀，且为气开形式。 2.7

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

度。但副回路是随动系统，要求副参数能正确、快速地跟随主调整器输出地改变。

主、副回路原理不一样，对主、副参数要求也不一样，经过正确参数整定，

可取得理想控制效果。

串级控制系统主、副调整器参数整定方法有逐步迫近法、两步整定法和一

步整定法。这里采取两步整定法。

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

调整器参数，第二步把已经整定好副回路视为串级控制系统一个步骤，仍按

单回路对主调整器进行一次参数整定。

一个设计合理串级控制系统，其主、副回路中被控过程时间常数应有适

当匹配关系，通常为12(3~10)ooTT

?。主回路工作周期远大于副回路工作

周期，主、副回路间动态关联较小。

两步法整定步骤以下：

（1）在生产工艺稳定，系统处于串级运行状态，主、副调整器均为百分比作

用条件下，先将主调整器百分比度1P置于

100%刻度上，然后由大到小逐步降

低副调整器百分比度2P，直到得到副回途经渡过程衰减比为

4：1百分比度2sP，

过渡过程振荡周期为2

sT。

（2）在副调整器百分比度2

sP条件下，逐步降低主调整器百分比度1P，直

到一样得到主回途经渡过程衰减比为4：1百分比度1

sP，过渡过程振荡周期为1sT。

（3）按以求得1

sP、1sT和2sP、2sT值，结合已选定调整规律，按表2-1

衰减曲线法整定参数经验公式，计算出主、副调整器整定参数值。

（4）根据“先副回路，后主回路”次序，将计算出参数值设置到调整

器上，做部分扰动试验，观察过渡过程曲线，作合适参数调整，直到控制品质

最好为止。