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摘要
ABSTRACT
第1章引言
1.1题目的背景
1.2 研究现状概述
1.3 题目的意义
第2章
2.1. 加热炉的概况
2.2 先进控制概况
第3章加热炉先进控制设计方案
3.1 延迟焦化加热炉工艺简介
3.2 常规控制方案以及存在的问题3.3 研究内容及预期目标
3.4 先进控制方案设计
3.5 预测函数控制原理
3.6 运用MATLAB进行仿真分析3.7 加热炉先进控制在DCS上实现第4章总结
加热炉先进控制系统设计
摘要
加热炉是炼油化工生产过程中常用的换热设备。作为炼油化工生产的关键设备,加热炉的控制是实现“安、稳、长、满、优”生产操作的关键。但由于加热炉的控制与其上下游的生产过程密切相关,受各种不确定因素和过程干扰的影响较大,难以获得满意的控制效果。
针对采用常规控制出口温度波动大,燃烧状况差等现状,将预测函数控制(PFC)应用于加热炉控制中,设计开发了以计算量小,鲁棒性强的预测函数控制为核心算法,辅以前馈,反馈控制的延迟焦化加热炉先进控制系统。其中分别对加热炉出口温度,烟道内的氧含量和炉膛负压先行先进控制。在MATLAB中的Simulink中进行系统仿真实验。并以CS3000集散控制系统(DCS)为开发平台,充分利用DCS自带的各种常规控制模块,运算和逻辑模块进行控制算法的组态,实现先进控制的各种功能。
它可以克服各种扰动的影响,使被控变量保持在工艺所允许的范围内平稳运行。先进控制系统投运以来,提高了该加热炉的平稳性,增强了鲁棒性,改善了燃烧状况,提高了热效率,稳定了产品质量。
关键词:加热炉;延迟焦化;先进控制;预测函数控制
第1章绪论1.1 背景
加热炉是炼油化工生产过程中常用的换热设备。作为炼油化工生产的关键设备,加热炉
的控制是实现“安、稳、长、满、优”生产操作的关键。实施加热炉先进控制,实现其长期平稳、优化操作对进一步提高企业经济效益具有重要的现实意义。但由于加热炉的控制与其上下游的生产过程密切相关,受各种不确定因素和过程干扰的影响较大,难以获得满意的控制效果。例如在炼油工业中加热炉的生产装置中,大部分的执行机构采用的都是蝶阀。由于这些阀门具有严重的非线性特性,使得加热炉常规的PID控制很难投用。如烟道内的氧含量控制,炉膛负压控制等。着是因为常规的PID控制很容易导致这些蝶阀进入非线性操作区域,
进而造成加热炉操作的不平稳,甚至引起事故。
1.2 现状概述
目前有许多关于加热炉的控制方案。其中毕嘉宾[1]利用PLC来实现对大型加热炉的控制。在这之前,加热炉的调节指标较差,应用PLC自动控制系统后,其出炉温度的稳态误差达到了预期目标。许志军[2]提出了在加热炉控制中应用SCADA系统。系统控制中着重解决了氧量控制问题、网络问题及系统干扰等问题,可以实现加热炉原油出炉温度控制、显示、事故追忆、系统联锁保护及网络功能。常富明[3]设计了熔盐加热炉控制系统,其中着重阐述了熔盐的温度控制系统、重油与助燃风比值控制系统和盘管预热控制系统。罗真[4]在加热炉控制系统中采用了DYZⅡ型电液执行。使加热炉控制系统的抗干扰能力有所提高。由于加热炉的控制受各种不确定因素和过程干扰的影响相对较大,所以难以获得满意的控制效果。针对这种情况,Wang Wei[5]提出了用于加热炉控制的一种混合监督控制方法。张智杰[6]在加热炉控制中采用了LOGO。他在加热炉控制系统的设计过程中充分利用了LOGO的各功能模块,不仅满足了设计要求,还可以方便、快捷地实现控制目的。针对加热炉比率控制系统控制对象的数学模型难以建立,贺勇[7]采用了P-Fuzzy-PI控制对煤气加热炉进行控制,用这种新型的比例-模糊-PI控制方法解决这一系列难题,效果也比较理想。针对PID调节难以实现多输入、多输出,非线性复杂系统对快速性、控制精度高的要求。Abilov[8]采用模糊控制思想实现了炼油加热炉的温度控制。采用模糊控制技术与常规PID控制相结合,实现加热炉各段温
度设定值自修正、各段炉温自协调、各参数在线自整定的自寻优最佳燃烧控制。Timothy A V[9]
采用动态热传导分析的方法,将整个加热炉内区域细分成一系列节点,通过分析各节点的热交换机理的方法对温度进行控制。王子威[10]在圆筒加热炉控制系统中,采用了常规控制与热效率在线自寻最优控制相结合的方法,组成加热炉热效率最优控制系统。控制过程主要是瓦斯流量热平衡控制和过剩空气系数最优控制。实际应用表明,所设计系统方案简单,控制稳
定,干扰抑制能力有所提高。
1.3 加热炉先进控制的意义
近年来,虽然有许多关于加热炉的控制方法,但其中仍然存在一些不足,如稳定性和鲁棒性较差,动态和静态控制精度较低,无法满足工艺的要求。为此,针对加热炉控制目前存在的问题,在前人研究工作的基础上,进一步展开加热炉先进控制策略的研究。
针对出现的问题,根据其工艺特点建立了先进控制系统,采用鲁棒性强、易于工程实施的预测函数控制策略,在CS3000集散控制系统(DCS)中实现了加热炉的先进控制,它可以克服各种扰动的影响,使被控变量保持在工艺所允许的范围内平稳运行。所设计的先进控制系统提高了该加热炉的平稳性,改善了燃烧状况,提高了热效率,稳定了产品质量。
第2章综述
2.1加热炉概况
2.1.1加热炉
在炼油化工生产中常见的加热炉是管式加热炉。其形式可以分为箱式、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,起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。
加热炉是传热设备的一种,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,首先有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能量传给炉壁,然后由炉壁传给工
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,想从理论上获得对象特性是很困难的。
加热炉的对象特性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,经过传导,对流传给工艺介质。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,可以用一阶环节加纯滞后来近似,其时间常数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。
2.1.2加热炉常见控制方案
1单回路控制方案
(1)扰动分析
加热炉的最主要控制指标往往是工艺介质的出口温度,此温度为控制系统的被控变量,而操纵变量为燃料油或燃料气的流量。对于不少加热炉来说,温度控制指标要求相当严格,例如允许被动范围)2
℃。影响窟的出口温度的扰动因素有:工艺截止进
1(
~
料的流量、温度、组分,燃料方面有燃料油(或气)的压力、成分、燃料油的物化情况,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。为了保证加热炉出口稳定,对扰动应采取必要的措施。
(2) 单回路控制系统的分析
例:某一燃油加热炉控制系统,起主要控制系统是以加热炉出口温度为被控变量,燃料油流量为超重变量组成的单回路控制系统。
采用单回路控制系统往往很难满足工艺要求,因为加热炉需要将工艺介质(物料)从几十度升温到数百度,其热负荷很大。当燃料油(或气)的压力或热值(组分)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,而使炉出口温度波动较大,满足不了工艺生产要求。因此单回路控制系统仅适用于下列情况:1 对炉出口温度要求不十分严格; 2 外来扰动缓慢而较小,且不频繁; 3 炉膛容量较小,既滞后不大。
2串级控制方案
为了改善控制品质,满足生产的需要,石油化工和炼油厂中的加热炉大多采用串级控制系统。加热炉的串级控制方案,由于扰动因素以及炉子形式不同,可以选择不同的副变量。加热炉串级控制的形式,主要有以下几种:
1 炉出口温度对炉膛温度的串级控制;
2 炉出口温度对燃料油(或气)流量的串级控制;
3 炉出口温度对燃料油(或气)阀后压力的串级控制;
4 采用压力平衡式控制阀(浮动阀)的控制。
例:加热炉出口温度和炉膛温度的串级控制
当受到扰动因素例如有燃料油的压力,热值和烟囱抽力等作用后,首先将反映炉膛温度的变化,以后在影响到炉出口温度,而前者滞后远较后者小。根据测试,前者仅为3MIN,而后者长达15MIN。采用炉出口温度和炉膛温度串级后,就把原来滞后的对象一分为二,副回路起超前作用,能使这种扰动因素影响到炉膛温度时,就迅速采取控制手段,这将显著改善控制质量。
这种串级控制方案对下述情况更为有效。
1 热负荷较大,而热强度较小。即不允许炉膛温度有较大波动,以免影响设备。
2 当主要扰动是燃料油或气的热值变化时,其他串级控制方案的内环无法感受。
3 在同一个炉膛内有两组炉管,同时加热两种物料。此时虽然仅控制一组温度,但另一组亦较平稳。
由于把炉膛温度作为副变量,因此采用这种方案时还应注意下述几方面。
1 应选择有代表性的炉膛温度检测点而且要反映快,但选择时较困难,特别对圆筒炉。