加热炉控制系统课程设计

1、自控工程课程设计第1章加热炉限制系统1.1加热炉限制系统工程背景及说明加热炉自动限制automatic control of reheating furnace ,是对加热炉的出口 温度、燃烧过程、联锁保护等进行的自动限制.早期加热炉的自动限制仅限限制 出口温度,方法是调节燃料进口的流量.现代化大型加热炉自动限制的目标是进 一步提升加热炉燃烧效率,减少热量损失.为了保证平安生产,在生产线中增加了平安联锁保护系统.影响加热炉出口温度的干扰因素很多, 炉子的动态响应一般都比拟缓慢,因 此加热炉温度限制系统多项选择择串级和前馈限制方案.根据干扰施加点位置的不 同,可组成多参数的串级限制.使用气体燃料

2、时,可以采用浮动阀代替串级限制 中的副调节器,还可以预先克服燃料气的压力波动对出口温度的影响.这种方案 比拟简单,在炼油厂中应用广泛.这种限制的主要目的是在工艺允许的条件下尽量降低过剩空气量,保证加热炉高效率燃烧.简单的限制方案是通过测量烟道气中的含氧量,组成含氧量限制系统,或设计燃料量和空气量比值调节系统,再利用含氧量信号修正比值系数.含 氧量限制系统能否正常运行的关键在于检测仪表和执行机构两局部.现代工业中都趋向于用氧化锆测氧技术检测烟道气中的含氧量.应用时需要注意测量点的选择、参比气体流量和锆管温度限制等问题.加热炉燃烧限制系统中的执行机构特 性往往都较差,影响系统的稳定性.一般通过引入

3、阻尼滞后或增加非线性环节来 改善限制品质.在加热炉燃烧过程中,假设工艺介质流量过低或中断烧嘴火焰熄灭和燃料管道 压力过低,都会导致回火事故,而当燃料管道压力过高时又会造成脱火事故.为 了预防事故,设计了联锁保护系统预防回火和温度压力选择性限制系统预防脱 火.联锁保护系统由压力调节器、温度调节器、流量变送器、火焰检测器、低选器等局部组成.当燃料管道压力高于规定的极限时,压力调节系统通过低选器取 代正常工作的温度调节系统,此时出料温度无限制,自行浮动.压力调节系统投入运行保证燃料管道压力不超过规定上限.当管道压力恢复正常时,温度调节系 统通过低选器投入正常运行,出料温度重新受到限制.当进料流量和燃

4、料流量低 于允许下限或火焰熄灭时,便会发出双位信号,限制电磁阀切断燃料气供应量以 防回火.随着节能技术不断开展,加热炉节能限制系统正日趋完善. 以燃烧过程数学 模型为依据建立的最正确燃烧过程计算机限制方案已进入实用阶段. 例如,按燃烧 过程稳态数学模型组成的微机限制系统已开始在炼油厂成功使用. 有时利用计算 机实现约束限制,使加热炉经常维持在约束条件边界附近工作, 以保证最正确燃烧. 随着建立燃烧模型工作的进展和计算机技术的应用,加热炉燃烧过程限制系统将 得到进一步的完善.加热炉的单回路限制方案如下.加热炉的最主要限制指标往往是工艺介质的 出口温度.对于不少加热炉来说,温度限制指标要求相当严格

5、,例如允许波动范 围为土 12 To影响路出口温度的扰动因素有：工艺介质进料的流量、温度、 组分,燃料方面有燃料油的压力、成分、燃料油的雾化情况,空气过量情况,喷 嘴的阻力,烟囱抽力等.在这些扰动因素中有的是可控的,有的是不可控的.问 了保证炉出口稳定,对扰动应采取必要的举措.图1-1为某一燃油加热炉限制系 统示意图,其主要的限制系统是以炉出口温度为限制变量、燃料油流量为操纵变量组成的单回路限制系统.其他辅助限制系统有：进入加热炉工艺介质的流量控 制系统,如FC限制系统；燃料油总压限制,总压限制一般调回油量,如入PiC限制系统.图1-1加热炉限制系统示意图采用雾化蒸汽压力限制系统后,在燃料压力

6、变化不大的情况下是可以满足雾 化要求的,目前炼厂中大多数采用这种方案.假设燃料油压力变化较大时,单采 用雾化蒸汽压力限制就不能保证燃料油得到良好的雾化,可以根据燃料油阀后压力与雾化蒸汽压力之差来调节雾化蒸汽, 还可以采用燃料油阀后压力与雾化蒸汽 压力比值限制.但只能保持近似的流量比,还应注意经常保持喷嘴、管道、节流 件等通道的畅通,以免喷嘴堵塞及管道局部阻力发生变化, 引起限制系统的误动 作.此外,也可以采用二者流量的比值限制,那么能克服上述缺点,但所用仪表多 且重油流量测量困难.采用单回路限制系统往往很难满足工艺满足,由于加热炉需要将工艺介质从 几十度升温到数百度,其热负荷很大.当燃料油的压

7、力或热值有波动时,就会引 起炉出口温度的显著变化.采用单回路限制时,当加热量改变后,由于传递滞后 和测量滞后较大,限制作用不及时, 而使炉口温度波动较大,满足不了工艺生产 要求.因此单回路限制系统仅适用于对炉出口温度要求不十分严格；其外来扰动缓慢而较小,且不频繁；炉膛容量较小,即滞后不大.171.2 CAD图形图1-2加热炉限制系统工艺流程图第2章标准节流装置设计及计算程序设计2.1 GB/T2624-93 概述GB/T2624-93全称为?流量测量节流装置用孔板、喷嘴和文丘里管测量充满 圆管的流体测量?.1993年2月3日由国家技术监督局批准 GB/T2624-93代替 GB2624-81,

8、 1993年8月1日实施.该标准第一次等效采用 £05167 ( 1991 )与 国际接轨,标志着我国现行的标准节流装置,在推广采用国际标准上的研究成果、 提升测量精度方面,以取得了突破性的进展.GB/T2624-93主要特点有：1. 以流出系数C代替流量系数a C值的计算中的B降阶计算由原流量系数a计算中的最高阶B 2(降至流出系数C计算中的最高阶B8次幕.2提出5种命题以适应自控工程设计中各方面的需要.3提出迭代计算方法,给出计算机计算程序框图.4差压上限不再计算,而要由用户自行选定,要求设计者有更多的经验.5管道粗糙度不再参加计算,而是在计算结果出来后验证.2.2计算实例位号：

9、FHC2155B.名称：常压炉炉膛温度与高压瓦斯流量串级.表2-1标准节流装置设计计算数据序号项目符号单位数值条件：1被测介质名称咼压瓦斯2最大流量m3/h3003工作温度tC604工况密度kg/m31.45工况粘度CP0.0166工作压力PPa35000007管内径(20C下实测值)D20m0.08008节流件形式孔板9取压方式角接10管道材料热膨胀系数mm/mm °C0.0000111611等熵指数1.412压缩系数11.辅助计算(1) 计算流量标尺:qm=qvXp=300X1.4/3600=0.116666666Kg/s,取标准流量为 0.125 Kg/s(2) 计算差压上限：

10、再根据公式qm二 C 订一d2. 2.沪.计算P其中 C=0.6禺=1, B=0.5,d=D20 xB ,qm代 0.125 Kg/s,全部代入得 AP=135078.47Pa因国产差变的系列值为 1.0, 1.6, 2.5, 4.0, 6.0 X0n,取 AP =160000Pa(3) 求工况下管道直径：D=D20 1+ ；D (t-20)=0.0800 X+0.00001338 (X0-20)=0.080042816 m(4) 求雷诺数：ReD=4mnDP_4 汇 300 汉 1.4= 3.141592654 0.00016 3600 0.0800=11605.04793(5) 求 A2A

11、2=Re.D 2P ?1=0.00016 "1605.047930.080042816 、一 2 16000 1.4=0.1096573952. 计算初值(1)求优设：C0=Ck=0.6060,%=1并令X1 =:=0.180952798Co毎0又R =1 =:X1210.25=0.4219728311+X12 一(2)求s因被测介质为液体,所以“ =10.75(3) 求 C1Cl=0.5959+0.0312 1 于一0.1840 0+0.0029 #5 (106/ReD)故 C1=0.5959+0.0312 >(0.421972831) 2.10.1840 X( 0.4219

12、72831) 8+0.0029 X2 560 75(0.421972831) . X (10/11605.04793) . =0.610298229, “ = A? - XG ；1=0.000625927(4) 精确度判断E =0.005708028 A23. 进行迭代计算,设定第二个假定值 X2A2X2=- =0.296498972G 1-X2 f.25駡=|=0.53316691321+X；2=1C2 =0.5959+0.0312鴛.1 0.1840+0.0029财5(106/ReD 严=0.6041854730因此、.2 = A2 -X2C2 ；2 =-0.0000041122所以 E2

13、 =0.00002329384. 进行迭代计算,设定第三个假定值 X3,利用快速收敛弦截法公式n=3起用X _ xX3=X2-221 =0.2541405981心2 6一 2-0.25X31+x3L=0.4962970445；3 =1S75_ . =0.6041852546因此 3 = A2 X3c3 3=0.0000000001所以E3 =0.0000000005由于E3 =0.0000000005精确度到达要求.5. 此题用计算机编程求解时：工作温度下的管道直径 D=0.080042816雷诺数 ReD=11605.04793不变量 A2=0.109657395matlab程序见附录,运行

14、结果d =33.7578b1 =0.4220把精确度判断定为5X10-10,程序参照附录,计算结果列于下表2-2表2-2计算结果n123X0.25337954130.00302746170.254140598130.49559833370.00302746170.4962970445C0.60416535820.00302746170.6041852546s0.0004648607-0.00000511220.00000000010.00302746170.00003329360.00000000016. 计算结果因此得：B=3 =0.4220C = C3 =0.6041852546求d20d

15、1'd(t 20)=33.73974249最后得：d20 =33.740 (mm)d 20第3章调节阀选型及计算3.1调节阀的选型调节阀的阀体种类很多,常用的阀体种类有直通单座、直通双座、角形、隔 膜、小流量、三通、偏心旋转、蝶形、套筒式、球形等.在具体选择时,可做如 下考虑：1阀芯形状结构：主要根据所选择的流量特性和不平衡力等因素考虑.2耐磨损性：当流体介质是含有高浓度磨损性颗粒的悬浮液时,阀的内部材 料要坚硬.3耐腐蚀性：由于介质具有腐蚀性,尽量选择结构简单阀门.4介质的温度、压力：当介质的温度、压力高且变化大时,应选用阀芯和阀 座的材料受温度、压力变化小的阀门.5预防闪蒸和空化：

16、闪蒸和空化只产生在液体介质.在实际生产过程中,闪 蒸和空化会形成振动和噪声,缩短阀门的使用寿命,选择阀门时应预防阀 门产生闪蒸和空化.对于双作用的气动、液动、电动执行机构,一般都没有复位弹簧.对于单作 用的气动执行机构,输出力与阀门的开度有关,调节阀上的出现的力也将影响运 动特性,因此要求在整个调节阀的开度范围建立力平衡.对执行机构输出力确定后,根据工艺使用环境要求,选择相应的执行机构.对于现场有防爆要求时,应选用气动执行机构.从节能方面考虑,应尽量选用电动执行机构.假设调节精度高,可选择液动执行机构.调节阀的作用方式只是在选用气动执行机构时才有, 其作用方式通过执行机 构正反作用和阀门的正反

17、作用组合形成. 组合形式有4种即正正气关型、正反 气开型、反正气开型、反反气关型,通过这四种组合形成的调节阀作用方 式有气开和气关两种.对于调节阀作用方式的选择,主要从三方面考虑：工艺生产平安；介质的特性；保证产品质量,经济损失最小.3.2调节阀口径计算从调节阀的Kv计算到阀的口径确定,一般需经以下步骤：1计算流量确实定.现有的生产水平、设备负荷及介质的状况,决定计算流 量的Qmax和Qmin.2 阀前后压差确实定.根据已选择的阀流量特性及系统特点选定S阻力系 数,再确定计算压差.3 计算Kv.根据所调节的介质选择适宜的计算公式和图表,求得Kvmax和 Kvmin .(4) 选用Kv.根据Kv

18、max,在所选择的产品标准系列中选取Kvmax且与其最 接近的一级C.(5) 调节阀开度验算.一般要求最大计算流量时的开度90%,最小计算流量 时的开度玄10%.(6) 调节阀实际可调比的验算.一般要求实际可调比玄10.(7) 阀座直径和公称直径确实定.验证适宜后,根据C确定.3.3计算实例位号：PIC2106,名称：燃料油压力调节表3-1调节阀口径计算数据序号项目符号单位数值条件：1调节阀类型单座阀2被测介质名称燃料油3工作温度tC1304最大体积流量Qmaxm3/h1.0875阀前压力P1MPa1.46阀后压力P2MPa1.337管道内径Dmm508工况密度Pkg/m39209工况粘度VP

19、a s0.00506计算过程： 计算KvKvO.Oax.01920087 we>/P(P P2 ) J920"1.4_1.33)(2) 选定口径Kv值圆整、放大,查产品目录,取 Kv=1.6 ( Dn20 ),选单座阀(JP)其放大系数为：m二丄61.28 查表2,知满足m=1.28时,阀最大开度1.246290%,所以Kv值应再向上取一挡,即取 Kv=2 ( Dn20 ),此时M = =21.25m值满足要求. 开度验算L lgR0.823ig 50开度82.3%可满足要求(3) 结论选定单座阀,取Dn20为选定口径,由于非阻塞流工况,故不作噪音预估及 管件形状修正.由于 Q

20、ma <3,R= 30、. 0.4二18.97 一 3 ,可调比满足要求Qmin第4章课程设计心得通过老师的讲解、阅读指导书和上网搜集资料,我完成了本次课程设计,通 过本次课程设计,我深感自己实践水平的欠缺,以后我应增强培养自己的自控工 程设计水平.自控工程课程设计是“过程限制、“自动检测技术等课程非常有益的课外实践补充,通过本门课程的学习,使我们获得自控工程设计的根底知 识,掌握工程设计方法及 CAD制图方法和Office办公软件使用方法,掌握利用 计算机辅助设计来完成节流装置的选型及计算、调节阀的选型及口径计算.标准节流装置计算和调节阀计算繁琐,只有借助编程软件才能顺利完成,由此可见熟 练掌握一门编程语言的必要性与重要性,日后我要增强这方面的学习,多做编程 练习.在查阅资料中,我了解到加热炉是将物料或工件加热的设备.按热源划分有燃料加热炉、电阻加热炉、感应加热炉、微波加热炉等.应用普及石油、化工、 冶