过程控制课程设计报告—管式加热炉温度控制

课程设计报告

课题名称： 管式加热炉温度控制

学 院： 电气信息工程学院

专 业： 测控技术与仪器

姓 名： 刘英皓

学 号： 13

指导教师： 曹艳

2010年12月16日测控10-1 刘英皓

1

课题要求：

管式加热炉要求出口温度为400 3℃。

1. 由于燃料热值频繁变化，为此设计串级控制系统画出工艺流程图。

2. 选择自动化设备，列出自动化设备表。

3. 通过仿真验证方案可行性。

一、管式加热炉简介

管式加热炉一般由四个主要部分组成：烟囱、对流室、辐射室及燃烧

器，示意图如图1.1所示：

图1.1 管式加热炉

通风系统：将燃烧用空气引入燃烧器，并将烟气引出炉子，可分为自

然通风方式和强制通风方式。

对流室：靠辐射室出来的烟气进行以对流传热为主的换热部分。

辐射室：通过火焰或高温烟气进行辐射传热的部分。这部分直接受火

焰冲刷，温度很高（600-1600

℃），是热交换的主要场所（约占热负荷的测控10-1 刘英皓

2

70-80%）。

燃烧器：是使燃料雾化并混合空气，使之燃烧的产热设备，燃烧器可

分为燃料油燃烧器，燃料气燃烧器和油一气联合燃烧器。

管式加热炉的特征：

（1）被加热物质在管内流动，故仅限于加热气体和液体。而且，这些

气体或液体通常都是易燃易爆的烃类物质，同锅炉加热水和蒸汽相比，危

险性大，操作条件要苛刻得多。

（2）加热方式为直接受火式，加热温度高，传热能力大。

（3）只烧气体或液体燃料。

（4）长周期连续运转，不间断操作，便于管理。

二、管式加热炉温度控系统工艺流程及控制要求

管式加热炉的主要任务是把原油或重油加热到一定温度，以保证下一

道工序（分馏或裂解）的顺利进行。加热炉的工艺流程图如图2.1所示。

燃料油经过蒸汽雾化后在炉膛中燃烧，被加热油料流过炉膛四周的排管中，

就被加热到出口温度T1。在燃料油管道上装设一个调节阀，用它来控制燃

油量以达到调节温度T1的目的。

图2.1 管式加热炉工艺流程图

引起温度T1改变的扰动因素很多，主要有：

（1）燃料油方面（它的组分和调节阀前的油压）的扰动D2；

（2）喷油用的过热蒸汽压力波动D4；

测控10-1 刘英皓

3

（3）被加热油料方面（它的流量和入口温度）的扰动D1；

（4）配风、炉膛漏风和大气温度方面的扰动D3；

其中燃料油压力和过热蒸汽压力都可以用专门的调节器保持其稳定，

以便把扰动因素减小到最低限度。从调节阀动作到温度T1改变，这中间需

要相继通过炉膛、管壁和被加热油料所代表的热容积，因而反应很缓慢。

工艺上对出口温度T1要求不高，一般希望波动范围不超过±1～2%。

三、串级控制系统

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。

中间被控变量：炉膛温度；

操纵变量：燃料流量。

炉膛温度变化时，TC可以及时动作，克服干扰。

图3.3管式加热炉温度串级控制系统

图3.4管式加热炉出口温度串级控制系统框图

测控10-1 刘英皓

4

四、串级控制系统分析

4.1 主回路设计

加热炉温度串级控制系统是以原料油出口温度为主要被控参数的控制

系统。其他被控参数有炉膛温度，膛壁温度，燃料流量，原料油流量。温

度调节器对被控参数T1精确控制与温度调节器对来自燃料干扰的及时控制

相结合，先根据炉膛温度T2的变化，改变燃料量，快速消除来自燃料的干

扰、对炉膛温度的影响；然后再根据原料油出口温度T1与设定值的偏差，

改变炉膛温度调节器的设定值，进一步调节燃料量，使原料油出口温度恒

定，达到温度控制的目的。

4.2 副回路选择

由于燃料热值频繁变化，燃料由于其成分和流量变化，对控制过程产

生极大干扰。所以，我们选择炉膛温度为串级控制系统的辅助被控参数。

纳入副回路。串级系统中，通过调整副参数炉膛温度T2能够有效地影响主

参数原料油出口温度T1，提高了主参数的控制效果。

4.3 主、副调节器规律选择

在串级控制系统中，主、副调节器所起的作用不同。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。

在加热炉温度串级控制系统中，我们选择原料油出口温度为主要被控

参数，原料油温度影响产品生产质量，工艺要求严格，又因为加热炉串级

控制系统有较大容量滞后，所以，选择PID调节作为住调节器的调节规律。

控制副参数是为了保证和提高主参数的控制质量，对副参数的要求一

般不严格，可以在一定范围内变化，允许有残差，所以我们的负调节器调

节规律选择P控制。

4.4 主、副调节器正反作用方式确定

由生产工艺安全考虑，燃料调节阀应选气开方式，这样保证系统出现

故障时调节阀处于全关状态，防止燃料进入加热炉，确保设备安全，调节

阀的Kv﹥0。主调节器作用方式确定：炉膛温度升高，物料出口温度也升高，测控10-1 刘英皓

5

主被控过程Ko1﹥0。为保证主回路为负反馈，各环节放大系数成绩必须为

正，所以负调节器的放大系数K1﹥0，主调节器作用方式为反作用。又为保

证副回路是负反馈，各环节放大系数乘积必须为正，所以负调节器大于0，

负调节器作用方式为反作用方式。

4.5 控制器参数工程整定 1

串级控制系统主、副控制器的参数整定方法主要有三种：两步整定法、

一步整定法和逐步逼近法。

1、按照串级控制系统主、副回路的情况，先整定副控制器，后整定主控制

器的方法叫做两步整定法。

2、一步整定法，就是根据经验先将副控制器一次放好，不再变动，然后按

照一般单回路孔控制系统的整定方法直接整定主控制器参数。

3、逐步逼近法是一种依次整定主回路、副回路，然后循环进行，逐步接近

主、副回路最佳整定的一种方法。

我们选择两步整定法来整定串级控制系统的参数。

5 自动化设备

(一)产品名称：智能管式高温炉（管式炉）

产品型号：MXG1100-60

测控10-1 刘英皓

6

管式加热炉简单介绍

管式加热炉以电阻丝（康泰尔）为加热元件，采用双层壳体结构和40

段程序控温系统，移相触发、可控硅控制，炉膛采用1260型日本进口氧

化铝多晶体纤维材料（阿尔塞），双层炉壳间配有风冷系统，能快速升降

温，该炉具有温场均衡、表面温度低、升降温速率快、节能等优点，是高

校、科研院所、工矿企业做粉末烧结、陶瓷烧结、高温实验、质量检测用

的理想产品。

管式加热炉重要技术参数

① 型 号： MXG1100-60

② 设备尺寸

a、 工作区尺寸: Φ60×1000

c、 设备全尺寸: (以实物为准)

③ 机器结构

a、 采用对开炉膛，

b、 控制柜及面板位于炉体下部，方便放置试验台上操作

④ 管式加热炉主要技术参数

a、 温度范围：RT～1100℃；

b、 温度波动度：±1.0℃

c、 温度均匀度：≤±5.0℃

d、 加热元件：电阻丝（康泰尔）

e、 热电偶型号：K型

f、 最高温度：1100 ℃

g、 额定温度：1000 ℃

h、 四周表面温度：≤ 温升50℃

i、 升温速率：≤10 ℃/ Min

j、 降温速率：≤15 ℃/ Min（炉膛温度≥1000℃）

K、 降温速率：≤10 ℃/ Min（炉膛温度≤1000℃）

l、 加热元件放在炉膛两边采用气体对流和热辐射加热

m、 真空度可以达到20Pa

n、 炉膛内部正压：Max=0.1Mpa

o、 可通氢气、氧气、氮气、氩气等多种气体。

⑤ 内外材质

a、 炉膛材料：1260型日本进口氧化铝多晶体纤维材料（阿尔塞）

b、 外层SPCC钢板防锈处理+表面采用双色环氧粉末静电喷塑；

c、 炉管采用石英管管、两端用不锈钢304高真空法兰密封

⑥ 温控系统

a、 温度控制为PID微电脑自动演算,PV/SV同时显示按键设定；

b、 温度控制方式为P.I.D+S.S.R可控硅；

c、 控制方式：40段程序控温

⑦ 管式加热炉保温及加热方式 测控10-1 刘英皓

7

a、 耐高温纤维及空气隔热；

b、 加热方式为热辐射及自然对流；

⑧ 安全保护系统

a、 保险丝

b、 过电流保护装置、过温保护装置；

⑨ 管式加热炉配件清单：

a、 流量计：1只

b、 高温手套：1付

c、 高温密封圈：8只

d、 坩埚：1只

e、 炉钩：1把

⑩ 电源：220V 功率4KW

(二)产品名称：温度变送器

产品型号：TM6074

技术参数

供电电源

电源电压：20～30VDC

电源指示：通电时，LED 电源灯亮绿色

电流消耗（24VDC供电时）：< 30mA 输入

输入热电偶：K;E;S;B;R;T;N;W;J 等各型热电偶

可选毫伏信号输入：－5～60mV 范围； 最小毫伏量程：3mV

( 选择数字量的热电偶输入隔离安全栅，需外接冷端补偿电阻, 端子5、6

接冷端补偿 )

输出

输出电流：4～20mA；0～20mA；0～10mA； 其它指定电流

输出电压：1～5V；0～5V；0～10V；其它指定电压

电流输出允许负载：0～550Ω （满负载 550Ω时, 供电电源≥22VDC）