加热炉控制系统课程设计

第1章 加热炉控制系统

1.1 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。

1

自控工程课程设计

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±（1～2）℃。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。

2

自控工程课程设计

1.2 CAD图形

图1-2 加热炉控制系统工艺流程图

3

自控工程课程设计

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GB2624-81，1993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α；C值的计算中的β降阶计算由原流量系数α计算中的最高阶β20降至流出系数C计算中的最高阶β8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，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：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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 项 目 已知条件： 被测介质名称 最大流量 工作温度 工况密度 工况粘度 工作压力 管内径（20℃下实测值） 节流件形式 取压方式 管道材料热膨胀系数 等熵指数 压缩系数 符号 t P D20 λD 单 位 m3/h ℃ kg/m3 CP Pa m mm/mm℃ 数 值 高压瓦斯 300 60 1.4 0.016 3500000 0.0800 孔板 角接 0.00001116 1.4 1 1.辅助计算

（1）计算流量标尺：

4

自控工程课程设计

qm=qv×ρ1=300×1.4/3600=0.116666666Kg/s ，取标准流量为0.125 Kg/s （2）计算差压上限： 再根据公式qmC1414d22P1计算P

qm代0.125 Kg/s，其中C=0.6,1=1,=0.5,d=D20×，全部代入得ΔP=135078.47Pa

因国产差变的系列值为1.0，1.6，2.5，4.0，6.0×10n ，取ΔP =160000Pa （3）求工况下管道直径：

D=D20 [1+λD（t-20）]

=0.0800×[1+0.00001338×(60-20)] =0.080042816 m

（4）求雷诺数：

ReD= =

4gm D43001.4

3.1415926540.0001636000.0800 =11605.04793

（5）求A2

A2=

ReDD2P1

=

0.0001611605.047930.0800428162160001.4

=0.109657395

2.计算初值 （1）求1

设： C0=C∞=0.6060，0=1 并令 X1=

A2=0.180952798 C000.25X12又 1=21X1=0.421972831

（2）求1

因被测介质为液体，所以11

5

自控工程课程设计

（3）求C1

C1=0.5959+0.0312β12.1—0.1840β18+0.0029β12.5（106/ReD）0.75

故C1=0.5959+0.0312×（0.421972831）2.1—0.1840×（0.421972831）8+0.0029×（0.421972831）2.5×（106/11605.04793）0.75=0.610298229，1=A2X1C11 =0.000625927 （4）精确度判断

E11A2=0.005708028

3.进行迭代计算，设定第二个假定值X2

X2=

A2=0.296498972 C110.252X22=21X2=0.533166913

2=1

2.52.186C2=0.5959+0.03122—0.18402 +0.0029210/ReD0.75

=0.6041854730

因此2=A2X2C22 =-0.0000041122 所以E20.0000232938

4.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）

X3X22X2X1=0.2541405981

21X32321X30.25=0.4962970445

3=1

8 C30.59590.031232.10.184030.002932.5106/ReD0.75=0.6041852546

因此 3A2X3C33=0.0000000001

6

自控工程课程设计

所以 E30.0000000005 由于 E3=0.0000000005 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=0.080042816 雷诺数 ReD=11605.04793 不变量 A2=0.109657395 matlab程序见附录， 运行结果 d = 33.7578 b1=

0.4220

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

n X β C δ δ 1 0.2533795413 0.4955983337 0.6041653582 0.0004648607 0.0030274617 2 0.0030274617 0.0030274617 0.0030274617 -0.0000051122 0.0000332936 3 0.2541405981 0.4962970445 0.6041852546 0.0000000001 0.0000000001 6. 计算结果 因此得：β=3=0.4220

C = C3=0.6041852546 求d20

d20=

d

1d(t—20) =33.73974249 最后得：d20 =33.740（mm）

7

自控工程课程设计

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）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。 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。

8

自控工程课程设计

（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。 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 1 2 3 4 5 6 7 8 9 已知条件： 调节阀类型 被测介质名称 工作温度 最大体积流量 阀前压力 阀后压力 管道内径 工况密度 工况粘度 t Qmax P1 P2 D ρ1 ν1 单 位 ℃ m3/h MPa MPa mm kg/m3 Pa·s 数 值 单座阀 燃料油 130 1.087 1.4 1.33 50 920 0.00506 计算过程:

(1)计算Kv

Kv(2)选定口径

0.01WmaxP1P20.019201.0879201.41.331.246

Kv值圆整、放大，查产品目录，取Kv=1.6（DN20）,选单座阀（JP）

1.61.28 查表2，知满足m=1.28时，阀最大开度〉1.24622 90%，所以Kv值应再向上取一挡，即取Kv=2（DN20），此时M1.25m值满足要求。

其放大系数为：m开度验算

9

自控工程课程设计

llgmlg2110.823 LlgRlg50开度82.3%可满足要求

(3)结论

选定单座阀，取DN20为选定口径，因为非阻塞流工况，故不作噪音预估及管件形状修正。因为

QMAX3，R300.418.973,可调比满足要求。 QMIN

10

自控工程课程设计

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。应用遍及石油、化工、冶金、机械、热处理、表面处理、建材、电子、材料、轻工、日化、制药等诸多行业领域。

本次课程设计培养了我们理论与实践相结合的能力，工程设计能力及创新能力，为我们今后走上工作岗位奠定良好基础。在以后的学习生活中，我一定勤加练习这些软件和编程语言的使用，争取熟练掌握，为以后工作打好基础。

11

自控工程课程设计

参考文献

[1]HG/T20636～20639-1998，化工装置自控工程设计规定(上下卷)[S]. [2]GB/T2624-1993，流量测量节流装置[S].

[3]奚文群，翁维勤.调节阀口径计算指南[M].兰州：化工部自控设计技术中心站，1991.

[4]董德发，张天春.自控工程设计基础[M].大庆：大庆石油学院，1999. [5]王骥程，祝和云.化工过程控制工程[M].北京：化学工业出版社，2003. [6]张宏建，蒙建波.自动检测技术与装置[M].北京：化学工业出版社，2004.

12

自控工程课程设计

附录

Matlab程序： clear all; close all;

red=11605.4793;error1=1;k=1.4;p1=16000;p2=3500000;e1=1; a1=0.109657395;c1=0.6060; for k=1:1:5000

if error1>=0.0000005 x1=a1/(c1*e1);

b1=(x1^2/(1+x1^2))^0.25; e1=1-(0.41+0.35*(1^4))*p1/(k*p2);

c1=0.5959+0.0312*(b1^2.1)-0.184*(b1^8)+0.0029*(b1^2.5)*((1000000/red)^0.75);

error1=a1-x1*c1*e1; end end d=80*b1;

13