毕业设计----串级控制在合成一段炉上的应用

I 摘 要 合成一段炉是大型合成氨厂的关键设备之一，一段炉出口温度是转化工艺段的重要控制参数，出口温度控制的稳定性和快速性方面均有较高要求。因合成一段炉的大热容量，传热过程的滞后和温度变化的相对延迟，传统的单回路控制系统难以满足控制要求。 本文研究了串级控制控制系统的基本组成结构，并通过与单回路控制系统的比较，分析了串级控制系统在提高系统工作频率，增强抗干扰能力和自适应能力方面的优势，探讨了串级控制系统的设计、参数整定方法。在对合成一段炉对象建模基础上，求解出燃烧天然气流量到合成一段炉出口温度的传递 函数，设计出相应的串级控制系统，并利用 simulink 仿真器对该系统进行了相应的仿真实验。 关键词： 合成一段炉；串级控制；建模；传递函数； Simulink；阶跃响应 四川理工学院本科毕业（设计）论文 II ABSTRACT Application of Cascade Control in Primary Reformer of Ammonia Synthesis Plant Primary reformer of ammonia synthesis plant is one of the key equip ment in a large ammonia plant .The temperature of primary reformer outlet-gas is an important control parameters in transformation process section. The temperature of the outlet-gas control has higher requirements in swiftness and accuracy. Due to the large heat capacity of primary reformer of ammonia synthesis plant, heat transfer and temperature changes lag relative delay； the traditional single loop control system can not meet the requirements of the control. In this paper, control system elements of the cascade control structure have been studied , an analysis of advantages of cascade control system in improving system operating frequency, enhancing anti-jamming capability and self-adaptive ability by comparing with single-loop control system .The design method and parameter tuning methods of the cascade control system have been discussed .Base on the object modeling of primary reformer of ammonia synthesis plant, the transfer function of the flow rate of burning natural gas to the temperature of outlet-gas were solved ,and the corresponding cascade control system was designed, then simulink simulator was used to do corresponding simulation experiment . Key words： Primary reformer of ammonia synthesis plant； Cascade control； Modeling； Transfer function； Simulink； Step response 徐强： 串级控制在合成一段炉上的应用 目录 摘 要 . I ABSTRACT . II 第 1 章 引 言 . 1 1.1 研究概述 . 1 1.1.1 选题背景及意义 . 1 1.1.2 合成氨工艺及设备 . 2 第 2 章 串级控制系统 . 5 2.1 串级控制系统的基本概念 . 5 2.1.1 串级控制系统的组成 . 5 2.1.2 串级控制系统的特性分析 . 6 2.2 串级控制系统的实现 . 9 2.2.1 串级控制系统的工业应用 . 9 2.2.2 串级控制系统的设计 . 11 2.2.3 串级控制系统的整定和投运 . 14 第 3 章 串级控制在合成一段炉上的应用 . 16 3.1 合成一段炉工艺概况 . 16 3.1.1 合成一段炉工艺概况 . 16 3.2 合成一段炉出口温度控制系统 . 18 3.2.1 合成一段炉出口温度控制的 任务 . 18 3.2.2 合成一段炉出口温度控制的动态特性 . 18 3.3 合成一段炉出口 温度 串级控制系统 . 19 3.3.1 合成一段炉出口温度串级控制系统组成 . 19 3.3.2 合成一段炉出口温度串级控制系统控制方案设计 . 20 3.3.3 合成一段炉出口温度串级控制系统传递函数求取 . 21 3.3.4 合成一段炉出口温度串级控制系统仿真分析 . 26 第 4 章 结束语 . 33 致 谢 . 35 参考文献 . 35 附 录 . 36 本科毕业（设计）论文 - 1 - 第 1 章 引 言 1.1 研究概述 1.1.1 选题背景及意义 选题背景： （ 1）串级控制研究与 应用的成熟。单回路控制系统解决了工艺生产过程自动化中大量的参数定值控制问题在工业生产中得到广泛的应用。但是 .现代工业生产的进一步深入发展，工艺的要求条件更加严格，对安全运行，经济性和控制系统控制质量的要求也越来越高。当负荷变化比较剧烈或负荷频繁变化，对象表现为大容量滞后，或者工艺对产品品质要求比较高，此时单回路控制系统就很难满足控制要求，这就需要设计一种更为有效的控制系统对生产流程进行控制。在这样的情况下，串级控制系统应运而生，并因其能有效改善控制品质而在过程控制中得到了广泛应，对串级控制的理论研究和工程实 践经验均有相当的积累。 （ 2） 一段炉出口温度控制的研究有待深入。在一段炉热力学和动力学模拟方面，Sverre G 等 (2001)建立一段炉蒸汽转化反应和炉膛传热的模型。何东（ 2007）对布朗工艺合成氨过程进行了一段转化炉和氨合成塔的建模和计算。 Sepehr Sanaye 等 (2007)对建立模型对一段炉进行热力学和动力学模拟，建立蒸汽转化反应的动力学模型并研究了压力、水碳比、天然气组成等对甲烷蒸汽转化反应的影响。在一段炉运行控制方面，吴鸿欣（ 2003）进行了提高布朗合成氨装置一段炉生产能力的探讨。张恩玲（ 2005）对一段炉过剩空气的控制进行了相关研究。王勇明（ 2003）提出了利用数学模型优化一段炉的运行。另在合成一段炉的结构优化，工艺技改，故障检修等均有相关研究，但对合成一段炉的出口温度控制还少有研究。 选题意义：合成一段转化炉处于合成氨全部工艺流程之首，是烃类蒸汽转化法制成合成氨原料气的关键设备之一。另外一段转化炉材质上大量使用高级合金钢，据估计其造价要到占全厂总投资的 30左右，一段炉构造相对复杂却十分脆弱，其部分部件对高温及急剧的温度变化敏感，因此一段炉不仅在开停炉上有严格要求，在日常运姓名 ： 题目 - 2 - 行的温度控制 上也有较高的要求。合成一段炉出口温度能在一定程度上反映一段炉炉管内温度，无论从合成一段炉稳定运行的角度还是工艺条件的角度，对合成一段炉出口温度的控制均有重大意义。而当使用传统的单回路控制系统控制合成一段炉出口温度时，因合成一段炉的大热容量及传热的速度限制，温度的不可突变性，单回路控制系统的控制作用发挥的不够及时，合成一段炉出口温度波动，难以满足一段炉温度控制的精度与及时性的要求，同时影响一段炉使用寿命。本文选用有在工业控制上有成熟应用的串级控制系统来控制合成一段炉出口温度。本文在研究了串级控制系统的基本结构 ，工作原理，系统设计，参数选择及串级控制在工业过程控制中的实际应用之后，分析了一段转化炉的相关特性和控制指标，并探讨串级控制在合成一段炉炉温控制的可行性和实际应用前景，并针对一段转化炉设计相应的流量 -温度串级控制系统，并对合成一段炉出口串级控制系统控制效果进行 matlab 仿真分析。 1.1.2 合成氨工艺及设备 合成氨是无机化工基础工业。合成氨工业诞生于 20 世纪初，在六十年代开始的合成氨厂大型化是其发展史上一次重大的改革 。 （ 1）合成氨工艺 合成氨工艺常见流程图如图 1-1 所示：图 1-1 烃类蒸汽转化法大型氨厂原则流程图 合成氨基本反应式： 2N +3 2H = 32NH 。气态烃 (亦可以是液态烃 )首先要经脱硫工序以除去硫化氢和硫化合物后，再与水蒸汽混合，在一段转化炉的反应管内进行转化天然气 原料气压缩机 脱硫 一段转化 二段转化 高温变换 低温变换 脱碳 甲烷化 合成 冷冻 3NH 产品 蒸汽 空气 空气压缩机 2CO 副产品 合成气压缩机 冰机 热回收系统 高压蒸汽 本科毕业（设计）论文 - 3 - 反应，一段转化气中除了反应产物2H和 CO、2CO外 ，还有未转化的4CH和水蒸汽。气态烃转化反应总体表现为吸热，因此在反应管外用燃料燃烧（一般为天然气）供给所需热量。之后一段转化气进入二段转化炉，在此还需引入空气，在炉内燃烧掉一部分氢气或 其它气体，放出热量以供进一步转化，同时又把合成氨所用氮气引入系统。二段转化气残余的4CH已经很少了。接下去的高温变换和低温变换 (简称高变和低变 )各在不同的温度下使气体中的一氧化碳与水蒸汽反应，生成等量的2CO和2H，从而提供了更多的作为合成氨原料的氢气，这个反应叫作变换反应。 以上几个工序构成了合成氨厂的造气系统，创出了合成 氨所用的粗原料气，主要成分是2H和2N、 2CO 。天然气蒸汽转化的基本反应式如下所示 ： QHCOOHCHQHCOOHCOQHCOHCH2224222224423天然气蒸汽转化后即得到合成氨粗原料气。合成氨粗原料气进入脱碳工序，用一种溶液把气体中的二氧化碳吸收掉，而后再将溶液加热并减压，释放出二 氧化碳释作为副产品。二氧化碳吸收溶液可循环使用。 甲烷化工序把气体中残存的极少量 CO 和 2CO 气体经甲烷化反应变成水蒸汽和4CH。水蒸汽经冷凝排出，因4CH对后续工序是无害的惰性气体不予处理。脱碳和甲烷化工序合称为净化，即把转化反应后的粗原料气净化成合成氨所需要的比较纯净的氢氮混合气。氢氮混合气经合成气压缩机压缩到高压后，送入合成氨合成塔进行氨的合成。由于气体一次通过合成塔后一般只能有 10 一 20%的氢氮气发生反应，因此需要将出塔气体冷却，使产品氨冷凝分离后将未反应的氢氮混合气重新送回合成塔，以提高原料利用率。 以上所述的合成氨工艺流程大体上可分为制气，净化和合成三个部分。此外，在凡有生产余热可资利用之处，都安排有热回收设备，构成了全厂的蒸汽动力系统，穿插于各个工艺工序之内。 （ 2） 合成氨设备 合成氨工业 主要设备包括 :脱硫工序中的加氢转化器，铁锰脱硫槽。 转化工序中的一段转化炉和二段转化炉 。变换工序的主要设备变换炉（高变炉和低变炉两部分）。脱碳工艺中的主要设备吸收塔和再生塔（高度都有五、六十米，直径都在 3米以上，姓名 ： 题目 - 4 - 是全厂的两台主要设备，两塔一般均采用填料塔。一般说来，填科塔是较老的塔型，生产能力不如一些新型的板式塔）。甲烷化工序中的甲烷反应器（又叫甲烷化妒）。另外以天然气为原料的大型氨厂使用四台大压缩机，即原料气压缩机将原料天然气送入一段转化炉，空气压缩机将工艺空气送入二段转化炉，合成气压缩机将合格的氢氮气送入合成回路 (包括循环气的增压 )，以及提供冷冻的氨气压缩机；另有热交换器，水泵，烟囱等设备。典型合成氨设备布置图如图 1-2 所示。 图 1-2 合成氨设备布置图 本科毕业（设计）论文 - 5 - 第 2 章 串级控制系统 串级控制系统是为应对不断发展的工业生产，不断出现的新工艺，日趋强化的生产过程，日益严格的产品质量要求，简单控制系统已不能满足工艺要求的情况应运而生的。 串级控制是在单参数、单回路 PID 调节基础上发展起来的一种控制方式 .它可以较简易地解决几个因素影响同一个被控制变量的相关问题。 在生产过程的常规控制中，串级控制系统是提高过程控制品质很有效的方案之一，因此，得到了广泛的应用 。 2.1 串级控制系统的基本概念 2.1.1 串级控制系统的组成 图 1-2为串级控制系统的结构图，该系统有两个调节器。在串级控制系统的一般结构中，外闭环称为主回路或主环，用于最终保证被调量满足工艺要求。副控制器，副对象，副检测变送环节，在主回路内部构成一个内闭环称为副回路或副环，用于克服被控对象所受到的主要干扰。对应有两个控制器 :主控制器用于保证系统的控制精度，减小稳态误差，其输入是被控量给定值的偏差信号，其输出作为副控制器的给定值。副控制器主要用于保证系统反应快速性，其输出作为控制信号直接送到执行机构。 串级控制通用框图如图 2-1 所示 ： 图 2-1 串级控 制系统通用框图 主控制器 副控制器 控制阀 副对象 主对象 副测量变送器 主测量变送器 输出 姓名 ： 题目 - 6 - 2.1.2 串级控制系统的特性分析 (1) 串级控制系统的工作过程 在串级控制系统中，扰动作用进入控制回路时，控制系统克服扰动的过程即开始。根据扰动进人系统的位置不同，可将其分为两类，二次扰动（包含于副回路的扰动）和一次扰动（作用于副回路之外的扰动），现分三种情况加以讨论 ： 1) 扰动进入副回路 一般来说，当扰动进入副回路时，由于副回路控制通道短，滞后小，时间常数小，可获得相比于单回路控制超前的控制作用。当扰动大时，副控制器抢先发生控制作用，削弱扰动影响，干扰余量再由主、副环 一起实施精确控制，扰动小时，副环可以完全克服此扰动的影响，故整个控制过程速度快、质量高。 2)扰动进入主回路 当扰动进入主回路时，主被控量受干扰影响而波动，这时距离干扰更近的主控制器先发生控制作用，其输出变化迅速改变副控制器的设定值而使副控制器发出控制信号，通过调节阀开度的迅速变化，使主被控量很快回到设定值。在这个过程中副回路虽然不能对扰动发挥控制作用，但由于副回路的存在，加速了整个系统的控制作用。在主副回路的共同作用下，克服扰动的影响较单回路控制快，控制过程也较短。 3)扰动同时作用于主、副回路 假如扰动 使主、副被控量同方向 (即同时减小或增大 )变化，则副控制器所接受的偏差为主、副被控制量两方向作用之和，偏差值较大，此时副控制器的输出就以较大幅度改变调节阀开度，使主被控量尽快向设定值靠近 ；假如扰动使主、副控制器反方向变化 (即一个减小，另一个增大 )，则副控制器所接受的偏差为主、副控制量两方向作用之差，其值较小，此时调节阀开度只需较小变化就可把主被控量调整回来。 （ 2） 串级控制系统的特性 串级控制系统与单回路控制系统相比，由于在系统结构上多了一个副回路，所以具有以下一些特点： 1）改善了过程的动态特性，提 高了控制作用的快速性 设 )(1 sWC 、 )(2 sWC 为主、副控制器的传递函数； )(02sW 、 )(01sW 为主副对象的传递函数； )(1 sHm 、 本科毕业（设计）论文 - 7 - )(1sY )(1 sY )(1sX)(2 sX )(1sF)(2sF )(2 sE )(2 sHm 为主、副变送器的传递函数， )(sWv是控制阀的传递函数，则串级控制系统的框 图可用图 2-2所示的一般形式来表示。 图 2-2 串级控制系统框图的一般形式 如果把整个副控制回路看成一个等效副对象，并以 )(02SW 的传递函数表示。 假定 )(2sWC = 2CK , )(sWv = vK , )(2 sHm = 2mK , )(02sW =102 02sTK，11()ccW s K, 1()mHs= 1mK , )(01sW = 0101 1KTs 。 则可由图 2-2可求得副回路的等效传递函数 02()Ws 022 020202 02 0222021()111cVc V mKKKKTsWsK TK K KTs （ 2-2） 式中 02T =022 0 2 21 c V mTK K K K 02K = 2 0 22 0 2 21cvc v mK K KK K K K 推算可知串级控制系统中，由于副回路的存在，使等效副对象的时间常数 02T 仅为副对象本身的时间常数 02T 的 2 0 2 21 / (1 )c v mK K K K ,并且在 vK ， 2mK ， 02K 不变的情况下，随着副控制器放大系数 2CK 的增大，这种时间常数减小的效果更显著。 02T 02T 意味着控制通道缩短，使控制作用更加及时，响应速度更快，控制质量得到提高。因为只有当 0 13 ，一般工程上常取 2 =（ 3 10） 1 。 一定时，主、副回路时间常数有以下的关系： 2T =(3 10)1T ，其中 2T 和 1T 是主、副回路的等效时间常数。姓名 ： 题目 - 14 - 在实际应用中1T/2T取多大为宜，应根据具体对象的情况和控制系统要达到的目的要求具体分析。如果串级控制系统的目的是为了克服对象的主要干扰，那么副回路的时间常数小一点为好，只要将主要干扰纳 入 副回路就行了。如果串级控制系 统的目的是为了克服对象时间常数过大和滞后严重，为改善对象特性，那么副回路的时间常数可适当大一些。如果想利用串级控制系统克服对象的非线性，那么主、副对象的时间常数又宜相差远一些。 以上对副变量选择的讨论都是从控制质量角度来考虑的，而在实际应用时，首先要考虑生产工艺的要求 ,具体为 : 1) 副变量的选择，应首要考虑工艺上副变量的实时在线检测性，要求主、副变量应有对应关系，即调整副变量能有效地影响主变量。 2) 串级控制系统的设计，应该根据工艺的具体情况，不仅考虑控制的合理性、可行性，还要考虑工艺的可行性。 3) 在副回路的设计中，若出现几个可供选择的方案时，应把经济原则和控制品质要求有机地结合起来。在保证生产工艺要求的前提下，尽量选择投资少、见效快，成本低、效益高的方案。这个思想应作为工程设计人员的指导原则。 2.2.3 串级控制系统的整定和投运 串级控制系统的方案正确设计后，为使系统运行在最佳状态，系统必须进行校正，即参数整定。其实质是通过调节 PID 参数，来改善系统的动态特性和静态特性，以获得最佳的控制效果。在整定串级控制系统控制器参数时，首先必须明确主、副回路的作用，以及主、副参数的控制要求，然后通过控制器 参数整定，才能使系统运行在最佳状态。 从整体上来看，串级控制系统主回路是一个定值控制系统，要求主参数有较高的控制精度。副回路是一个随动系统，副控制器能快速而准确地跟踪主控制器的输出变化即可。 在工程实践中，串级控制系统常用的整定方法有 :两步整定法，一步整定法等。 （ 1）两步法 两步法是在主、副回路工作频率相差比较大的条件下采用的一种方法，所谓两步本科毕业（设计）论文 - 15 - 法就是整定分为两步进行，先整定副回路，再整定主回路，具体步骤如下 : 1) 将主、副回路均闭环，置主控制器的比例带为1=100%，积分时间为最大，微分时间为最小，副控制器比例度放 100%，积分时间最大，微分时间最小，主环投入手动，副环投入自动。然后调整主控制器输入，直到副被控参数出现 4:1 衰减振荡过程，记录此时的比例带2s和振荡周期2sT。 2) 将副控制器的比例带置为所得到的2s，按 4:1 衰减曲线法整定主回路的比例带 1s 和振荡周期 1sT 3) 按所得到的主副回路的比例带和振荡周期 1s 、 2s 、 1sT 、 2sT ，结合主、副控制器的选型，采用 4:1 衰减曲线法的经验公式，分别整定主、副控制器的参数。 4) 在主、副回路均闭合的条件下，采用步骤 3 所得到的控制器的参数，按先副回路后主回路，先比例后积分最后微分的顺序对系统进行调试，观察控制过程的曲线，如果结果不够满意，可适当进行一些调整。 （ 2） 一步法 一步法是在主变量控制精度要求较高，而副变量的控制精度要求不高，即允许副变 量在一定范围内变化的条件下采用的一种有效方法。所谓一步整定法，就是根据经验先将副控制器的参数一次性置好，不再变动，然后按一般单回路系统的整定方法，直接整定主控制器的参数。如果系统出现振荡，只要加大主、副控制器的任意参数值，即可消除。这种方法的依据是，在串级控制系统中，通常主变量是工艺过程的主要操作指标，直接关系到产品的质量，因而对其控制精度要求较高，而副变量是为了提高主变量的控制质量，对副变量本身没有很高的控制精度要求，允许其在一定范围内变化。 串级控制系统的投运 ： 选用不同的仪表组成的串级控制系统，投运 方法也有所不同，但是所遵循的原则基本都是相同的：其一是投运顺序，一般都采用先投副环后投主环的投运顺序；其二是投运过程必须保证无扰动切换 。 姓名 ： 题目 - 16 - 第 3 章 串级控制在合成一段炉上的应用 一段转化炉是大型氨厂的关键设备之一。由于反应管长期处于高温、高压和气体腐蚀的苛刻条件，需采用耐热合金钢管，因此费用昂贵，整个转化炉的投资约占装置投资的 30%，而反应管的投资约为一段炉的一半。因此，一段转化炉必须精心维护。一段转化炉出口温度能在一定程度上反映炉膛温度和一段转化炉内转化反应速率，对甲烷转化率，二段转化反应均有较大的 影响，另在合成氨工艺中综合考虑能耗和产率，一段炉出口温度必须控制在一定范围内。为提高一段炉出口温度控制精度，考虑采用燃烧天然气流量 合成一段转化炉出口温度的串级控制系统，以有效提高一段转化炉出口温度的控制品质。 3.1 合成一段炉工艺概况 3.1.1 合成一段炉工艺概况 一段转化炉是大型氨厂烃类蒸汽转化法制合成氨原料气的的关键设备之一，它分为辐射段和对流段。 一段转化炉按供热方式不同可分为侧烧、倾斜烧和顶烧三种类型。 （ 1）侧壁燃烧型 (侧烧炉 )。原料气由上集气管、上猪尾管进入辐射段内两行按三角形错排 的转化管，管间距为管外径的 2倍，每 12 14根为一组，每组出口有一根不到 4米长的下集气管。转化后的气体由下集气管汇集到集气总管送往二段炉。其特点是： 1） 采用碗形辐射式或无焰板式烧嘴从上到下分设在两侧炉墙上，可以通过调节转化管轴向两侧的这些烧嘴使整根转化管上下温度均匀，从而使催化剂发挥出最佳活性。 2） 对流段放在炉子顶部，可不用引风机，节省动力，但检修和安装不方便，所以也有将对流段与辐射段平行设置的变型。 3） 转化管有效长度只受阻力和催化剂抗压强度的限制而不受烟道气温度分布的限制，因而只要条 件允许，可适当加长或缩短，以适应不同生产能力的需要。 （ 2）倾斜壁燃烧型 (梯台炉 )。这种炉型转化管的排列与侧烧炉类似，其特点是： 1） 设置两个辐射段合用一个对流段。 2） 两侧炉壁内倾斜约 10，炉嘴设在倾斜壁的下边，火焰与壁平行。每层斜壁的本科毕业（设计）论文 - 17 - 高度由火焰长度而定，梯台数则取决于炉管长度。 3） 尽管烧嘴较少，但依靠倾斜壁而辐射热的作用轴向温度分布很均匀，操作也方便。 4） 在长期高温下运行，内倾壁易损坏坍塌。 （ 3）顶部燃烧型 (顶烧炉 )。这种炉子外壳像长方形箱子，其特点是： 1） 烧 嘴布置在炉顶，火焰从上往下喷燃，转化管内工艺气体与烟道气同向流动，可以获得较理想的温度分布，转化管径向温度分布也比较均匀。 2） 烧嘴少，燃料管道系统比较简单，只要在总管上设调节阀即可，故操作方便投资低，但不如侧烧壁那样易调节转化管轴向的温度分布。 3） 转化管长度受烟道气温度分布的限制，不便加长，好在炉子长度和宽度不受限制，可用增减管数的方法适应不同生产能力的需要。 4）对流段平行地设在辐射段一旁，虽然占地面积较大，但安装检修都比较方便。 目前比较常用的顶烧炉有冷底式和热底式两种。冷底式的转 化管下端穿过炉底，下猪尾管和下集气管一起设在炉外保温箱内。燃烧空气由风机鼓入，经预热送往各烧嘴，对流段呈水平型。热底式没有下猪尾管，转化管、下集气管和上升管均设在炉内。在燃烧空气不预热的情况下来用自吹式烧嘴，其对流段呈拱形。 一段炉主要控制指标有以下几项： 1) 入炉介质的质量。原料气含总硫 0.5ppm，蒸汽含盐量 3.5ppm，工艺空气清洁无 油，不含腐蚀性气体，燃料气无灰尘等杂质。 2) 温度。进气 390一 415，出气 680一 760，转化管底部温度 800，各管底部温差 20，炉膛温度 1000。 3) 压力。炉管压力 18 30 绝压，蒸汽和原料气压差 0.5 大气压，炉膛负压 1-3毫米水柱。 4) 空速。以干天然气计为 950 1000 小时 1 。 5) 水碳比。 3 3.5。 6) 转化气质量 4CH 12。 7) 烟道气含氧 3 。 姓名 ： 题目 - 18 - 3.2 合成一段炉出口温度控制系统 3.2.1 合 成一段炉出口温度控制的任务 合成一段炉出口温度控制的任务是控制一段转化炉出口蒸汽温度温升（温降）范围和温升（温降）速率，使合成一段炉出口气体温度在允许温度变化范围内不发生急剧波动。从而天然气一段转化率和二段转化炉入口气体成分、温度达到二段转化的工艺要求，同时延长合成一段炉使用寿命。 3.2.2 合成一段炉出口温度控制的动态特性 通常的合成一段炉都采用调整燃烧天然气流量的方式控制一段转化炉出口蒸汽的温度。影响其温度变化的扰动因素很多，如燃烧天然气流量、成分变化，燃料燃烧状况变化。合成原料气的 入口预热温度，流量，水碳比变化。一段炉炉管热阻蠕变带来传热效率的变化，催化剂活性改变等。归纳起来，主要有原料预热蒸汽入口流量，温度变化，燃烧天然气流量，成分变化的扰动。合成一段炉温度对象因一段炉的热容量的存在及热量传递，温度变化、检测的滞后性，使得整个一段炉温度对象动态特性表现出较大的惯性特性。 （ 1） 燃烧天然气流量变化对象的动态特性 引起燃烧天然气流量扰动的原因有两个，一个是天然气总管的供气压力变化，另一个是燃烧天然气调节阀的特性变化。天然气供气压力的发生变化时，在调节阀相同开度下单位时 间内通过调节阀的燃烧天然气流量是不同的。在调节阀的使用过程中，调节阀会因为阀芯磨损等原因，使调节阀的特性发生蠕变，对天然气流量供应产生影响。在原料气流量，预热温度不变情况下，燃烧天然气流量的增大（减小）将使合成一段炉外部供热的增多（减少），经辐射和对流进入一段炉炉管的热量将增大（减小），直接导致转化温度的升高（降低），从而使合成一段炉化反应的速率、触媒活性的变化，最终打破合成一段炉内原有的热量平衡，反映出来的是一段炉出口温度超出工艺要求范围。结构形式不同的一段炉，在相同天然气流量的扰动下，出口温度变化的动态 特性会有所不同的，主要在于传热效率，热容量的不同。 （ 2） 燃烧天然气成分变化下对象的动态特性 本科毕业（设计）论文 - 19 - 天然气是一种多组分的混合气体，主要成分是烷烃，其中甲烷占绝大多数，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般还含有硫化氢、二氧化碳、氮气和水蒸汽，以及微量的惰性气体，如氦和氩等。不同的产地或者同一产地不同生产工艺，不同储藏深度，其出产的天然气的成分和纯度会有所不同，其热值可能会有较大的不同，也就是相同流量的天然气供应其提供的热量也可能较大的不同。天然气成分难以实现实时检测，因此燃烧天然气成分变化扰动实际是不可测 的，其成分变化扰动可通过调节阀门开度，控制流量来加以补偿。对象特征总的特点是 :有延迟、有惯性，有自衡能力。 （ 3） 合成原料气入口预热温度扰动下对象的动态特性 原料气入口预热温度变化扰动，其扰动地点与测量蒸汽温度的地点之间有着较大的距离，此时合成一段炉是一个有纯滞后的多容对象。当扰动发生后，过高或过低的原料气将直接并迅速改变反应局部温度，如果外部供热不变时，持续提供的温度过高或过低原料气会使炉管内温度波动，影响触媒活性、反应速率和甲烷转化率。扰动要隔较长时间才能使一段炉出口温度发生显著变化， 滞后时间比较大。合成原料气入口预热温度扰动也可由调节阀门开度，改变燃烧天然气流量加以调节。 （ 4） 原料气流量变化扰动下的对象特性 原料气流量变化会在一定时间内改变合成一段炉内反应物浓度和一段炉出口气体流量，会对一段炉的热量平衡产生影响，最终影响一段炉出口温度，其对象特性有很大的时延和滞后。调节燃烧天然流量可以克服原料气流量变化扰动。 由以上分析知，在合成一段炉出口温度控制系统中，主要的扰动均可以由调节燃烧天然气流量来克服，且通过调节燃烧天然气流量对合成一段炉出口温度的调节简单有效。实际操作中，燃烧天然 流量能实现实时检测和测量，对流量的控制相对简单，只需调节阀门开度即可实现，因此在合成一段炉出口温度控制系统中选用燃烧天然气流量作为操作变量是行之有效的。 3.3 合成一段炉出口温度 串级 控制系统 3.3.1 合成一段炉出口温度串级控制系统组成 姓名 ： 题目 - 20 - TIC 燃烧天然气来自总管 FIC TE FE 图 3-1 一段 炉出口温度 -流量串级控制系统 合成一段炉温度 -流量串级控制系统选用一段转化炉的出口温度为主控对象，选择来自总管的燃烧天然气流量为副控对象，将燃烧天然气的成分、温度、压力波动等干扰引入副回路。温度控制器的输出作为流量控制器的输入，组成温度流量串级控制系统。其组成结构如图 3-1所示。 由图 3-1 可得一段炉温度 -流量串级控制系统框图如图 3-2 所示 - - 图 3-2 一段炉温度流量串级控制系统框图 3.3.2 合成一段炉出口温度 串级控制系统控制方案设计 （ 1） 控制阀开闭形式选择 在合成一段炉出口温度控制系统中，从生产安全出发，当气源供气中断时，或控制器因故障而无输出时，控制阀应能切断燃烧天然气的供应，保证一段炉不会因此被继续加热而被烧坏，因此控制阀因选择气开式。 （ 2） 主、副控制器正反作用选择 温度控制器 流量控制器 控制阀 天然气流量 一段炉出口温度 流量测量变送 温度测量变送 本科毕业（设计）论文 - 21 - 1）副控制器正反作用选择 根据副控制器正反作用选择公式： (副控制器 )(控制阀 )(副对象 )=(-) 。控制阀采用气开阀，其放大倍数符号为正。副对象是流量对象，当阀门开大 时，流量将增大，副对象放大倍数为正。副变送器放大倍数符号为正，根据副环开环放大倍数符号为负的要求，副控制器应选反作用。 2）主控制器正反作用选择 根据主控制器正反作用选择公式：主控制器 )(副对象 )(主对象 )=(-) 。主控制器的正、反作用只取决于主对象放大倍数符号。主对象的输入信号为天然气流量（即副变量），输出信号为出口温度 (即主变量），当燃料流量增大时，提供的热量增大，出口温度会上升，因此，主对象放大倍数符号为正。主控制器放大倍数符号应取主对象放大倍数符号的反号，因此主控制器应选反作用。 （ 3） 主、副控制 器控制规律选择 在一段炉温度流量控制系统中，副控制器为流量控制器。当天然气流量或温度控制器输出发生变化时要求流量控制器能快速响应，通过控制阀开度的迅速变化改变燃烧天然气供应量使一段炉出口温度回归设定值。同时作为副控制器，流量控制回路作为一个随动系统，对流量控制没有较高的控制要求，控制余差的存在对一段炉出口温度控制指标没有影响，即流量控制回路允许余差的存在，因此流量控制器应选用比例控制 ,以保证副回路的快速性。 主变量 -一段炉出口温度是生产工艺的重要指标。控制品质要求较高，超出规定范围将对一段转化炉的转化 率，一段炉使用寿命等都会有较大的影响。 因此生产工艺对一段炉出口温度的控制精度要求很高，出口温度控制应加入适当的积分作用以消除余差。同时为了克服一段炉的容量滞后，进一步提高主变量的控制质量，应加入微分作用，即主控制器应选择选择 PID 控制。 3.3.3合成一段炉出口温度 串级控制系统传递函数求取 (1) 合成一段炉模型建立 一段炉热量平衡关系为： dQdt （一段炉内蓄热 量的变化） = 2Q (外部供给热量 )- 1Q (反应吸热 )- 3Q (反应物带走热量 ) （ 3-1) 姓名 ： 题目 - 22 - 合成一段炉内同时进行甲烷转化（吸热）和一氧化碳变换（放热），总的反应为吸热，其吸热 量为41 CH COQ Q Q。 合成一段炉内反应吸收热量 1 0 0GGQ x y H x y H（ 3-2） 式中： G、 G 分别为甲烷转化、一氧化碳变换反应物的质量流量， /kg s ； 、 分别为甲烷转化、一氧化碳变换反应物的密度， 3/kg m ； 0x 、 0x 分别为甲烷转化、一氧化碳变换反应物的浓度 ， 3/mol m ； y、 y 分别为甲烷转化率、一氧化碳变换率； H、 H 分别为甲烷转化、一氧化碳变换每摩尔的反应热， /J mol J/mol。 由燃烧天然气燃烧提供的外部供热2Q=oQ(天然气燃烧放热 )-gQ（烟道气带走热量和一段炉传热损失） (3-3) 天然气燃烧放热量为 ：4 0CHQ q F（ 3-4） 0q 燃烧天然气燃烧热， 3/Jm； F 燃烧天然气流量， 3m /s； 烟道气带走热量和一段炉传热损失可由经验取值4g CHQ kQ（ 3-5) k 值一般取到 5%。 一段炉出口 反应气体带走热量3 0()rpQ G c T T(3-6) rG 合成一段炉出口气体质量流量， /kg s ； T、0T 合成一段炉出口气体，入口气体温度， ； pc 反应物的比热容（假定随着反应的进行，组分变化，而pc为常数）。 一段炉内蓄热量的变化为pdQ dTVcdt dt（ 3-7） V 一段炉炉内总体积， 3m ； 将式（ 3-2），式（ 3-3），式（ 3-4） ,式（ 3-5） ,式（ 3-6） ,式（ 3-7）代入式（ 3-1）本科毕业（设计）论文 - 23 - 中可得： 0 0 0 0 0( ) ( )r p pG G d Tq F G c T T x y H x y H k q F V cdt （ 3-8） 考虑一段炉出口温度变化相对燃烧天然气流量变化的延后性（延后时间假定为 ），针对变化的天然气流量供应，建立天然气流量 一段炉出口温度的时间函数关系： 0(1 ) ( )k q F t -rG pc(0( ) ( )T t T t)-0 ()G x y t H + 0 ()G x y t H= ()p dT tVcdt(3-9） 将式（ 3-9）进行增量化，0()Tt=0 得： ()p d T tVc dt = 0(1 ) ( )k q F t rG pc ()Tt -0 ()G x y t H + 0 ()G x y t H (3-10) 对式（ 3-10）消去中间变量 ()yt ，并进行线性化处理。 对于本系统， x变化很小，即 x=0x，则 ()yt =0()( ) . ( )()xyt TtTt 由于在小范围内0()()()xytTt为常数yK，则把 ()yt 与 ()Tt的非线性关 系经线性化近似后变为： ()yt = ()yK T t（ 3-11） 将式（ 3-11）代入式（ 3-10）得 0 0 0() ( 1 ) ( ) ( ) ( ) ( )p r p y yd T t G GV c k q F t G c T t x k T t H x k T t Hdt (3-12) 对微分方程（ 3-12）经拉氏变化得： ()pV c s T s = 0(1 ) ( ) sk q F s e - rG pc ()Ts - 0 ()yG x k T s H + 0 ()yG x k T s H （ 3-13) ()()TsFs= 0 00( 1 ) sp r p y ykq eGGV c s G c x k H x k H （ 3-14） 将式（ 3-14）化成传递函数标准形式得一段炉关于 F T通道的传递函数： 姓名 ： 题目 - 24 - ()()TsFs=1p spk eTs （ 3-15) 式中 0 00( 1 )pr p y ykqkGGG c x k H x k HpT= 00pr p y yVcGGG c x k H x k H由此可见：合成一段炉关于 F T通道的动态特性可以用一个一阶微分方程来描述，其传递函 数是一个一阶惯性环节加纯滞后环节。 相关参数计算和取值： 参照合成一段炉相关运行参数，在燃烧天然气流量为 1128Nm3/h 时，pK近似计算值 为 0.74，pT近似计算值为 2.6，延迟时间取为 2.6s。所以一段炉传递函数近似为： 01()Ws= 0.762.6 1s2.6se （ 3-16） (2) 执行器传递函数确立 在合成一段炉温度 -流量控制系统中执行器体现为控制阀。通过阀门开度的变化来改变燃烧天然气流量。控制阀阀门的开度与输入信号成正比 (气开式）或反比（气闭式），其传递函数可近似为一阶惯性环节加纯滞后，控制阀传递函数按经验取为： vG= 1.80.7919.6 1 ses （ 3-17） (3)副被控对象的传递函数 在合成一段炉温度 -流量控制系统中副被控对象为燃烧天然气流量，其传递函数按常规取为一阶惯性环节，传递函数为 02()Ws=1mKTs,在该系统 中实际取值为： 02()Ws= 151s（ 3-18） 3.3.4合成一段炉出口温度 串级控制系统 参数整定 运行 MATLAB 软件，使用 SIMULINK 仿真器建立合成一段炉出口温度 -流量串级控制系统进行仿 真和参数整定。控制系统各环节传递函数如 3.3.3 节中所得。串级控制系本科毕业（设计）论文 - 25 - 统使用两步法整定合成一段炉出口温度 -流量串级控制系统主、副控制器参数。 步骤 1：整定副控制器参数。在主、副控制环路闭合的情况下，将主控制器比例度放在 100%,积分时间放最大，微分时间放到最小，然后按照 4:1 衰减曲线法直接整定副环，找出副变量出现 4:1 振荡过程时的比例度2s（ 4:1 衰减曲线法经验公式附表 1-1所示）。 合成一段炉出口温度流量串级控制系统 simulink仿真如图 3-3所示 T r a n s p o r tD e l a y3T r a n s p o r tD e l a y115 s + 1T r a n s f e r F cn 30 . 7 91 9 . 6 s + 1T r a n s f e r F cn 20 . 7 42 . 6 s + 1T r a n s f e r F cn 1S t e p 1S co p e 1S co p e1sI n t e g r a t o r 11G a i n 63G a i n 50 . 2G a i n 41 . 2G a i n 3d u / d tD e r i va t i ve 1A d d 1图 3-3 合成一段炉温度 -流量串级控制系统 副回路流量控制系统按步骤 1整定后流量对象的阶跃响应如图 3-4所示： 图 3-4 副控制回路流量对象阶跃响应曲线 此 时副回路比例控制器比例度 2s =1/1.2=83%,由阶跃响应曲线知其衰减比接近7:1，满足 4:1 衰减曲线的要求。由附表 1-1知副控制器参数比例增益确定为 1.2。 所以串级控制系统中等效副对象传递函数由式（ 2-1）得： 02()Ws= 15 11s（ 3-18) 即副回路等效时间常数为 : 02T =5/11 （ 3-19） 姓名 ： 题目 - 26 - 副回路等效放大倍数为： 02K=1/11 （ 3-20） 由式（ 3-18）知副对象原时间常数为 5，即采用串级控制系统后副对象的等效时间常数和放大倍数都减小为原来的 1/11 倍。等效副对象的时间常数缩小，意味着对象的容量滞后减小，将使得系统的反应速度加快，控制更为及时。 步骤 2：整定主环。在主副控制回路闭环下，将副控制器比例参数整定为 1.2,按衰减曲线法整定主控制回路 PID 参数，找出主变量出现 4:1 衰减振荡过程时的主控制器比例增益 和调节时间。 步骤 3：按照 4:1 衰减曲线法经验公式设置好主控制器 PID 参数，观察主控制回路阶跃响应曲线的变化，当控制效果不理想时对 PID 参数进行微调。经多次测试后，当主控制器 PID 参数 Kp,Ti,Td 整定为如图（ 3-3）中所示时，此时主回路等效时主对象的阶跃响应曲线如图 3-5所示： 图 3-5 主变量温度的阶跃响应曲线 3.3.4 合成一段炉出口温度串级控制系统仿真分析 对整定好的合成一段炉出口温度 -流量串级控制系统进行仿真分析，通过与单回路控制系统控制性能比较，副回路，主回路分别加扰动，改变副回路时间常数和 放大倍数验证串级控制系统的相关性能。 （ 1）合成一段炉出口温度 流量串级控制系统与单回路控制系统控制效果对比分析。运行 SIMULINK，建立如图 3-6 所示的 SIMULINK 模型。 本科毕业（设计）论文 - 27 - T r a n s p