目录一、管式加热炉的概论 (2)二、管式加热炉的意义 (3)2.1管式加热炉简介..................................... 错误！未定义书签。

2.2设计目的及意义 (4)三、管式加热炉温度控制系统工艺流程及控制要求 (4)3.1控制系统的简介 (4)3.2管式加热炉任务 (5)3.3控制系统的构成 (6)四、各仪表的选取及元器件清单 (6)4.1温度变送器 (6)4.2温度检测元件 (7)4.3调节阀 (8)4.4保护系统 (9)五、控制算法及系统仿真 (9)六、心得体会 (12)参考文献 (13)一、管式加热炉的概论管式加热炉是一种直接受热式加热设备，主要用于加热液体或气体化工原料，所用燃料通常有燃料油和燃料气。

管式加热炉的传热方式以辐射传热为主，管式加热炉通常由以下几部分构成：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70-80%）。

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。

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。

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。

管式加热炉，包括加热炉本体和余热回收系统，余热回收系统包括空气预热器，其中空气预热器由非冷凝式空气预热器和冷凝式空气预热器两段组成，余热回收系统中另设有冷凝液收集池、引风机和鼓风机，冷凝液收集池直接设在冷凝式空气预热器下方，冷凝液收集池与引风机相连接，鼓风机与冷凝式空气预热器相连。

使用本发明所提供的加热炉，其加热炉的排烟温度可降低到100℃左右，实现烟气中含酸水蒸气的部分冷凝，且在回收烟气低温显热的同时，能回收部分含酸水蒸气的汽化潜热，进一步提高加热炉热效率，节约能源。

一种管式加热炉，包括加热炉本体和余热回收系统，加热炉本体内设置有烟囱档板，加热炉本体于烟囱档板下方设置有高温烟气出口，余热回收系统包括空气预热器，其特征在于：空气预热器由非冷凝式空气预热器和冷凝式空气预热器两段组成，非冷凝式空气预热器上设置有非冷凝式空气预热器烟气入口、非冷凝式空气预热器空气出口、非冷凝式空气预热器烟气出口和非冷凝式空气预热器空气入口，内部设有非冷凝式空气预热器调节档板，非冷凝式空气预热器烟气入口通过高温烟气管道与加热炉本体上的高温烟气出口相连，冷凝式空气预热器上设有冷凝式空气预热器烟气入口、冷凝式空气预热器空气出口和冷凝式空气预热器空气入口，内部设有冷凝式空气预热器调节档板，非冷凝式空气预热器烟气出口与冷凝式空气预热器烟气入口之间通过两预热器间烟气管道相连，非冷凝式空气预热器空气入口与冷凝式空气预热器空气进口之间通过两预热器间空气管道相连，余热回收系统中另设有冷凝液收集池、引风机和鼓风机，冷凝液收集池直接设在冷凝式空气预热器下方，引风机与冷凝液收集池相连接，鼓风机与冷凝式空气预热器相连。

前馈控制是一种预测控制，通过对系统当前工作状态的了解，预测出下一阶段系统的运行状况。

如果与参考值有偏差，那么就提前给出控制信号，使干扰获得补偿，稳定输出，消除误差。

前馈的缺点是在使用时需要对系统有精确的了解，只有了解了系统模型才能有针对性的给出预测补偿。

但在实际工程中，并不是所有的干扰都是可测的，并不是所有的对象都是可得到精确模型的，而且大多数控制对象在运行的同时自身的结构也在发生变化。

所以仅用前馈并不能达到良好的控制品质。

这时就需要加入反馈，反馈的特点是根据偏差来决定控制输入，不管对象的模型如何，也不管外界的干扰如何，只要有偏差，就根据偏差进行纠正，可以有效的消除稳态误差。

解决前馈不能控制的不可测干扰。

图1前馈反馈控制二、管式加热炉的意义2.1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2 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。

2.2 设计目的及意义管式加热炉是石油工业中重要装置之一，加热炉控制的主要任务就是保证工艺介质最终温度达到并维持在工艺要求范围内，由于其具有强耦合、大滞后等特性，控制起来非常复杂。

同时，近年来能源的节约、回收和合理利用日益受到关注。

加热炉是冶金、炼油等生产部门的典型热工设备，能耗很大。

因此，在设计加热炉控制系统时，在满足工艺要求的前提下，节能也是一个重要质量指标，要保证加热炉的热效率最高，经济效益最大。

另外，为了更好地保护环境，在设计加热炉控制系统时，还要保证燃料充分燃烧，使燃烧产生的有害气体最少，达到减排的目的。

三、管式加热炉温度控系统工艺流程及控制要求3.1控制系统的简介系统通常由以下几个部分组成：受控对象，测量元件及变送器，控制器，控制阀。

由于某一干扰信号f作用于受控对象，是受控变量偏离操作指标，测量元件采集受控变量信号y，通过变送器转化为标准信号x传输给控制器，控制器将x与输入得设定值r进行比较获得偏差值e，根据e经过一定运算确定控制变量u以控制调节阀。

当控制阀的开度改变，操纵变量随之变化，从而实现对受控对象的控制。

3.2管式加热炉任务管式加热炉的主要任务是把原制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θ1。

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θ1的目的。

图3 管式加热炉工艺流程图引起温度θ1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；（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θ1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θ1要求不高，一般希望波动范围不超过±1～2%。

3.3控制系统的构成（1）被控变量被控变量是通过改变调节其他相关变量使之维持在目标值的变量。

管式加热炉的进出口温度、压力等。

（2）操纵变量操纵变量时通过改变调节阀的开度实施对介质的调节，该介质变量称为操纵变量。

控制系统是通过调节操纵变量来控制被控变量，而操纵变量通常是系统的流量。

（3）干扰变量管式加热炉的环境参数及输入变量波动破坏它的平衡，使产品质量发生变化，称这些变量为干扰变量，控制的目的就是克服干扰变量的扰动影响。

干扰变量有些可控，有些则不能控制。

可控干扰变量如进料流量、温度或进料焓值或热状态。

不可控干扰变量如进料的成分、环境温度、冷却水温及大气压等。

四、各仪表的选取及元器件清单4.1 温度变送器DDZ-III型仪表采用了集成电路和安全火花型防爆结构，提高了仪表精度、仪表可靠性和安全性，适应了大型化工厂、炼油厂的防爆要求。

III型仪表具有以下主要特点：（1）采用国际电工委员会（IEC）推荐的统一信号标准，现场传输信号为DC4～20mA，控制室联络信号为DC1～5V，信号电流与电压的转换电阻为250 。

（2）广泛采用集成电路，仪表的电路简化、精度提高、可靠性提高、维修工作量减少。

（3）整套仪表可构成安全火花型防爆系统。

DDZ-III型仪表室按国家防爆规程进行设计的，而且增加了安全栅，实现了控制室与危险场所之间的能量限制于隔离，使仪表能在危险的场所中使用。

DDZ-III型PID调节器主要由输入电路、给定电路、PID运算电路、手动与自动切换电路、输出电路和指示电路组成。

调节器接收变送器送来的测量信号(DC4～20mA或DC1～5V），在输入电路中与给定信号进行比较，得出偏差信号，然后在PD与PI电路中进行PID运算，最后由输出电路转换为4～20mA直流电流输出。

图4.1给出了温度变送器的原理框图，虽然温度变送器有多个品种、规格，以配合不同的传感元件和不同的量程需要，但他们的结构基本相同。

本设计采用DDZ-III型热电偶温度变送器。

图4.1 DDZ-III型调节器结果框图4.2 温度检测元件热电偶作为温度传感元件，能将温度信号转换成电动势（mV）信号，配以测量毫伏的指示仪表或变送器可以实现温度的测量指示或温度信号的转换。

具有稳定、复现性好、体积小、响应时间较小等优点、热电偶一般用于500°C以上的高温，可以在1600°C高温下长期使用。

热电阻也可以作为温度传感元件。

大多数电阻的阻值随温度变化而变化，如果某材料具备电阻温度系数大、电阻率大、化学及物理性能稳定、电阻与温度的关系接近线性等条件，就可以作为温度传感元件用来测温，称为热电阻。

热电阻分为金属热电阻和半导体热敏电阻两类。

大多数金属热电阻的阻值随其温度升高而增加，而大多数半导体热敏电阻的阻值随温度升高而减少。

在使用热电偶时，由于冷端暴露在空气中，受周围环境温度波动的影响，且距热源较近，其温度波动也较大，给测量带来误差，为了降低这一影响，通常用补偿导线作为热电偶的连接导线。

补偿导线的作用就是将热电偶的冷端延长到距离热源较远、温度较稳定的地方。

补偿导线的作用如图4.1所示。

用补偿导线将热电偶的冷端延长到温度比较稳定的地方后，并没有完全解决冷端温度补偿问题，为此还要采取进一步的补偿措施。

具体的方法有：查表法、仪表零点调整法、冰浴法、补偿电桥法以及半导体PN结补偿法。

采用热电阻法测量温度时，一般将电阻测温信号通过电桥转换成电压，当热电阻的链接导线很长时，导线电阻对电桥的影响不容忽视。

为了消除导线电阻带来的测量误差，不管热电阻和测量一边之间的距离远近，必须使导线电阻的阻值符合规定的数值，如果不足，用锰铜电阻丝凑足。

同时，热电阻必须用三线接法，如图4.3所示，热电阻用三根导线引出，一根连接电源，不影响电桥平衡，另外两根被分别置于电桥的两臂内，使引线电阻值随温度变化对电桥的影响大致抵消。

图4.2 补偿导线的作用图4.3 热电阻三线制接法4.3 调节阀由前面可以知道，从生产工艺安全出发，燃料油调节阀选用气开式，即一旦出现故障或气源断气，调节阀应完全关闭，切断燃料油进入加热炉，确保设备安全为了保证。