加热炉控制系统 (2)

目录

第1章 加热炉控制系统工艺分析 ______________________________________ 1

第2章 加热炉控制系统设计 __________________________________________ 2

2.1 步进梁控制 ____________________________________________________ 2

2.2炉温控制 ______________________________________________________ 3

2.3 紧急停炉保护和连锁 ____________________________________________ 5

第3章 基于组态王的加热炉系统监控程序设计 _________________________ 6

第4章 结论与体会 __________________________________________________ 8

参考文献 ___________________________________________________________ 9

控制系统综合实验

1 第1章 加热炉控制系统工艺分析

在炼油化工生产中常见的加热炉是管式加热炉。其形式可分为箱式、立式和圆筒炉三大类。对于加热炉，工艺介质受热升温或同时进行汽化，其温度的高低会直接影响后一工序的操作工况和产品质量。当炉子温度过高时，会使物料在加热炉内分解，甚至造成结焦而烧坏炉管。加热炉的平稳操作可以延长炉管使用寿命。因此，加热炉出口温度必须严加控制。

加热炉是传统设备的一种，同样具有热量传递过程。热量通过金属管壁传给工艺介质，因此它们同样符合导热与对流传热的基本规律。但加热炉属于火力加热设备，首先由燃料的燃烧产生炽热的火焰和高温的气流，主要通过辐射传热将热量传给管壁，然后由管壁传给工艺介质，工艺介质在辐射室获得的热量约占总热负荷的70%~80%，而在对流段获得的热量约占热负荷的20%~30%。因此加热炉的传热过程比较复杂，想从理论上获取对象特性是很困难的。

加热炉的对象特征一般基于定性分析和实验测试获得。从定性角度出发，可以看出其传热过程为：炉膛炽热火焰辐射给炉管，经热传导、对流传热给工艺介质。所以与一般传热对象一样，具有较大的时间常数和纯滞后时间。特别是炉膛，它具有较大的热容量，故滞后更为显著，因此加热炉属于一种多容量的被控对象。根据若干实验测试，并做了一些简化，可以用一介环节加纯滞后来近似，其时间常熟和纯滞后时间与炉膛容量大小及工艺介质停留时间有关。炉膛容量大，停留时间长，则时间常数和纯滞后时间大，反之亦然。

控制系统综合实验

2 第2章 加热炉控制系统设计

2.1 步进梁控制

步进梁的动作方式有周期方式和踏步方式，周期方式用于运送钢管向前移动，而踏步方式用于等待出钢。

步进梁的周期方式：活动梁上升180mm，前进145mm，下降180mm，后退145mm，钢管前进一个齿距。

其运行轨迹如下：

图2-1 步进梁动作轨迹图

其运行速度如下图所示：

图2-2 步进梁运行速度图

在步进梁接近固定梁面时，放慢步进梁的上升速度，以使步进梁轻接触固定梁上的钢管，同样下降时也是如此。步进梁的控制系统如图2-3。 控制系统综合实验

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图2-3 步进梁控制原理图

步进梁踏步方式：活动梁上升180mm，后退45mm，下降180mm，前进45mm，钢管在固定梁原齿槽内转动。运行轨迹如下图所示：

图2-4 步进梁踏步轨迹图

2.2炉温控制

● 炉子温区划分

淬火炉共8个控温区。加热段沿炉宽分四个区，即加热1、加热2、加热3、加热4、。保温段沿炉宽也分4个区，即保温1、保温2、保温3和保温4。

回火炉共10个控温区。加热段沿炉宽分二个区，加热1为中间段，加热2为左右两段组成。均温段沿炉宽分4个区，即均温1、均温2、均温3、均温4。保温段沿炉宽也分4个区，即保温1、保温2、保温3和保温4。

以上每个区均为独立控温。

● 各区炉温的设定方式

各区的温度有二种设定方式：

手动设定方式：即在工控机上手动改变各区温度设定值对炉温进行设定。

程序设定方式：对于不同规格及材质的钢管，按工艺要求对应不同的设定温度，操作者可予先将不同规格和材质的钢管的炉温设定值以数据库形式保存在控制系统综合实验

4 PLC内，并在工控机CRT的钢管选择界面上，可按需要，通过“一触式”软按键对各区炉温进行批量设定。

● 各区温度的调节方式

采用PID调节方式，其过程是由热电偶检测来的实际炉温传给FM355 PID模块，并与该区设定值进行比较，由该模块实现PID运算并输出4～20mA信号，并将此信号传输至Krom公司的连续控制或脉冲控制器的输入端，再去控制燃烧系统，实现温度控制。

其体控制过程如下：

对于淬火炉加热1、加热2、加热3、加热4四个温区，是采用德国Krom公司的比例燃烧连续控制系统，温度模块的PID输出4～20mA信号控制系统的空气电磁蝶阀。空气电磁蝶阀开度发生变化，通过空/燃比例调节阀使烧嘴前煤气压力发生变化，从而使供热发生变化，实现炉温的自动控制，见图2-5。

图2-5 连续燃烧控制原理图

对于淬火炉的保温1、保温2、保温3、保温4四个区和回火炉的各区而言，是采用德国Krom公司的脉冲燃烧控制系统，脉冲控制器MPT-700，接受PID模块的PID输出信号并将该信号变成具有脉冲调宽时序信号去控制脉冲烧嘴的开关时序及开关时间比例，从而达到调节空气、煤气的流量，达到控制炉温的目的。

为保证炉温均匀度±5℃和沿钢管全长温度均匀性小于10℃要求，淬火炉的保温段及回火炉均采用脉冲燃烧控制，在脉冲燃烧控制中，烧嘴只工作在开或关两种状态下，根据对烧嘴的功率、混合比、喷出速度等要求，将烧嘴一次性调至最佳工作状态，我们采用的是Krom公司的调温烧嘴，这样对于提高燃烧效率，降低排放物污染程度都有明显效果。其控制系统示意图见图2-6。 1燃气电磁阀2烧嘴控制器3点火变压器4空燃比例阀5流量调节阀6手动碟7波纹管8烧嘴 控制系统综合实验

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图2-6 脉冲燃烧控制原理图

2.3 紧急停炉保护和连锁

（1）自动停炉

当发生以下情况时应自动停炉：

● 车间煤气总管压力超低限

● 热风压力超低限

● 冷却水压力超低限或断水

● 助燃风机故障停转

● 停电

自动停炉过程：总管煤气紧急切断→氮气吹扫管道→管道内煤气放散。

（2）紧急手动停炉

它用于控制系统出现故障等特殊情况，该系统为独立于PLC控制的联锁系统，由操作者按急停按钮完成停炉。

停炉过程仍具有下面联锁功能：总管煤气紧急切断→氮气吹扫管道→管道内煤气放散。

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6 第3章 基于组态王的加热炉系统监控程序设计

图3-1 加热炉系统工艺流程

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。

出口温度控制：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。

燃烧过程控制：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控制系统综合实验

7 增加非线性环节来改善控制品质。

联锁保护系统：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。

发展趋势：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。