加热炉控制系课程设计

1、百度文库第 1 章 加热炉控制系统加热炉控制系统工程背景及说明加热炉自动控制( 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控制。 早期加热炉的自动控制仅限控制 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控制的目标是进 一步提高加热炉燃烧效率，减少热量损失。 为了保证安全生产， 在生产线中增加 了安全联锁保护系统。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较迟缓， 因 此加热炉温度控制系统多选择串级和前馈控制方案。根据干扰施加点位置的不 同，可组成多参数的串级控制。 使

2、用气体燃料时， 可以采用浮动阀代替串级控制 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 比较简单，在炼油厂中应用广泛。这种控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。 简单的控制方案是通过测量烟道气中的含氧量， 组成含氧量控制 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 氧量控制系统能否正常运行的关键在于检测仪表和执行机构两部分。 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控制等问题。 加热炉燃烧控制系统中的执行机构特

3、性往往都较差， 影响系统的稳定性。 一般通过引入阻尼滞后或增加非线性环节来 改善控制品质。在加热炉燃烧过程中， 若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 了防止事故，设计了联锁保护系统防止回火和温度压力选择性控制系统防止脱 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 器等部分组成。 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，此时出料温度无控制，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

4、系 统通过低选器投入正常运行， 出料温度重新受到控制。 当进料流量和燃料流量低 于允许下限或火焰熄灭时， 便会发出双位信号， 控制电磁阀切断燃料气供给量以 防回火。随着节能技术不断发展， 加热炉节能控制系统正日趋完善。 以燃烧过程数学 模型为依据建立的最佳燃烧过程计算机控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控制系统已开始在炼油厂成功使用。 有时利用计算 机实现约束控制， 使加热炉经常维持在约束条件边界附近工作， 以保证最佳燃烧。 随着建立燃烧模型工作的进展和计算机技术的应用， 加热炉燃烧过程控制系统将 得到进一步的完善。加热炉的单回路控制方案如下。 加热炉的最主要控

5、制指标往往是工艺介质的 出口温度。对于不少加热炉来说， 温度控制指标要求相当严格， 例如允许波动范 围为±（12）。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措施。 图 1-1 为某一燃油加热炉控制系 统示意图， 其主要的控制系统是以炉出口温度为控制变量、 燃料油流量为操纵变 量组成的单回路控制系统。 其他辅助控制系统有： 进入加热炉工艺介质的流量控 制系统，如 FC控制系统；燃料油总压

6、控制，总压控制一般调回油量，如入P1C控制系统。图 1-1 加热炉控制系统示意图采用雾化蒸汽压力控制系统后， 在燃料压力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。 假如燃料油压力变化较大时， 单采 用雾化蒸汽压力控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 压力比值控制。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， 引起控制系统的误动 作。此外，也可以采用二者流量的比值控制，则能克服上述缺点，但所用仪表多 且重油

7、流量测量困难。采用单回路控制系统往往很难满足工艺满足， 因为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。采用单回路控制时，当加热量改变后， 由于传递滞后 和测量滞后较大，控制作用不及时， 而使炉口温度波动较大， 满足不了工艺生产 要求。因此单回路控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。18CAD 图形图 1-2 加热炉控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GB/T2624-93 概述GB/T2624-93 全称为流量测量节流装置

8、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 GB2624-81，1993年 8 月 1 日实施。该标准第一次等效采用 ISO5167（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、 提高测量精度方面，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 ；C值的计算中的 降阶计算由原流量系数 计算中的最高阶 20降至流出系数 C 计算中的最高阶 8次幂。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

9、，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。计算实例位号： 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已知条件：1被测介质名称高压瓦斯2最大流量m3/h3003工作温度t604工况密度kg/m35工况粘度CP6工作压力PPa35000007管内径（ 20下实测值）D20m8节流件形式孔板9取压方式角接10管道材料热膨胀系数Dmm/mm 11等熵指数12压缩系数11. 辅助计算1）计算流量标尺：qm=qv×1=

10、300×3600=s ，取标准流量为 Kg/s（ 2）计算差压上限：再根据公式 qmC 4 1 d 计算初值（ 1）求 1设： C0 =C= ， 0 =1 2 P 1 计算 P其中 C=, 1=1, =,d= D20 × ， qm代 Kg/s，全部代入得 P=因国产差变的系列值为， ，×10n ，取 P =160000Pa（3）求工况下管道直径：D=D20 1+D（ t-20）=×1+ ×（60-20）= m（4）求雷诺数：4gmReD=D= 4 300 1.4= 3.141592654 0.00016 3600 0.08005）求 A2A2=

11、ReDD 2 P 1= 0.00016 11605.047930.080042816 2 16000 1.4并令1X121 X 120.252）求 1因被测介质为液体，所以3）求 C1C1=+18+（106/ReD） 故 C1=+×（）×（）8+×（）×（106/）=， 1= A2 X1C1 1E11A24）精确度判断3. 进行迭代计算，设定第二个假定值X2X2= CA1 121X22X220.252=1C2 =+2.128 2.5 62 + 2 10 /ReD0.75因此 2= A2X2C2所以 E20.00002329384. 进行迭代计算，设定第三

12、个假定值X 3 ，利用快速收敛弦截法公式（3，n=3 起用）X3X 2 X121X321 X 323=10.252.1 8 2.5 6 0.75C3 0.5959 0.0312 32.1 0.1840 38 0.0029 32.5 106 /ReD 0.75因此所以E3 0.00000000053 A2 X 3C3 3=由于精确度达到要求。5. 此题用计算机编程求解时： 工作温度下的管道直径 D= 雷诺数 ReD= 不变量 A2=matlab 程序见附录， 运行结果d =b1=把精确度判断定为 5×10-10，程序参照附录， 计算结果列于下表 2-2 表 2-2 计算结果n123XC

13、6. 计算结果 因此得： =3 =C = C3 =求 d20=dd 20=1 d(t 20) =33.最后得：d20 =(mm)第 3 章 调节阀选型及计算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

14、料受温度、压力变化小的阀门。（5）防止闪蒸和空化：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，选择阀门时应防止阀 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。若调节精度高，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

15、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 产安全；介质的特性；保证产品质量，经济损失最小。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）计算流量的确定。现有的生产能力、设备负荷及介质的状况，决定计算流 量的 Qmax 和 Qmin 。（2）阀前后压差的确定。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

16、压差。（ 3）计算 Kv 。根据所调节的介质选择合适的计算公式和图表，求得 Kvmax 和 Kvmin 。（4）选用 Kv。根据 Kvmax ,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 10%。（ 6）调节阀实际可调比的验算。一般要求实际可调比 10。7)阀座直径和公称直径的确定。验证合适后，根据C 确定。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 管件形状修正。因为 QMAX 3， R 30 0.4 18.97 3, 可调比满足要求

17、序号项目符号单位数已知条件：调节阀类型单座阀被测介质名称燃料油工作温度t130最大体积流量Qmaxm3/h阀前压力P1MPa阀后压力P2MPa管道内径Dmm50工况密度1kg/m3920工况粘度1Pa·s值计算过程:(1) 计算 K vKv0.01WmaxP1 P20.01 920 1.0879201.2461.4 1.33(2) 选定口径K v值圆整、放大，查产品目录，取K v =( D N 20 ),选单座阀( JP)其放大系数为： m 1.6 1.281.246所以 Kv 值应再向上取一挡，即取查表 2，知满足 m=时，阀最大开度 90%，2K v =2（ D N 20 ），此

18、时 M21.25m 值满足要求。 开度验算l 1 lg m 1 L lg Rlg2lg500.823开度%可满足要求(3) 结论选定单座阀，取 DN 20为选定口径，因为非阻塞流工况，故不作噪音预估及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， 我深感自己实践能力的欠缺，以后我应加强培养自己的自控工程设计能力。 自控工程课程设计是“过程控制”、“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基础知识，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， 日后我要加强这方面的学习， 多做编程 练习。在查阅资料中，我了解到加热炉是将或工件加热的设备。 按热源划分有加 热炉、加热炉、微波加热炉等。应用遍及石油、化工、机械、热处