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【摘要】本文介绍了串级控制系统的基本概念及管式加热炉的基本原理，并详细介绍了串级控制系统在2#延迟焦化管式加热炉出口温度控制上的应用。
【关键词】单回路控制系统 串级控制系统 管式加热炉 主回路 副回路
1 串级控制系统简介
串级控制系统——两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。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。前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称为主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称为副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。主回路由主变量检测变送器、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成。
当扰动发生时，破坏了系统的稳定状态，调节器进行工作。根据扰动施加点的位置不同，分情况进行分析。通过分析可以看到：在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。
2 管式加热炉简介
管式加热炉是石油工业中重要装置之一，它的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。加热炉是炼油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。
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。
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，燃料气燃烧器和油气混合燃烧器。
3 2#延迟焦化管式加热炉的温度控制
2#延迟焦化加热炉的工艺过程图如图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后，就被加热到出口温度T1。在燃料油官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。引起温度T1改变的扰动因素有很多，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稳定，以便把扰动因素减少到最低限度。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要求很高，一般希望波动范围不超过±1～2%。实践证明采用简单的控制系统是达不到这个要求的。
采用串级控制系统可以大大提高调节品质。在这个控制系统中，用炉膛温度T2来控制调节阀（见图1），然后再用出口温度T1来修正炉膛温度的给定值TT2，控制系统的方框图如图2所示。调节对象中包括炉膛、管壁和油料等三个热容积。而扰动D1、D2、D3和D4则作用于不同地点。由于热容积之间有相互作用，严格来说这个画法是不正确的，但是可以近似的说明问题的主流方面。从图中可见，扰动因素D2、D3和D4包括在副环之内，因此可以大大减小这些扰动对于出口温度T1的影响。对于被加热油料方面的扰动D1，采用串级调节也可以收到一定的效果，但效果并不那么显著。
1#延迟焦化加热炉出口温度控制采用的是简单的单回路控制系统，温度调节器是根据原料油出口温度与设定值的偏差进行控制。当燃料部分出现干扰后，控制系统不能及时产生控制作用，克服干扰对被控参数的影响质量差。当生产工艺对原料油出口温度要求不高时，这种简单控制系统可以满足要求。2#延迟对炉出口的温度要求很严格，所以采用了串级控制系统。由于引进了副回路，不仅能迅速克服副回路的干扰，也能加速克服主回路的干扰。加热炉的燃料由于其成分和流量的变化对控制过程产生极大干扰，所以我们选择了炉膛温度为串级控制系统的副参数。
2#延迟焦化管式加热炉的出口温度控制由于采用了串级控制系统，使被控参数精确的达到了工艺的要求，并且提高了加热炉的热效率，增大了经济效益。同时保证了燃料的充分燃烧，减少了有害气体的排放，达到了节能环保的要求。
【关键词】单回路控制系统 串级控制系统 管式加热炉 主回路 副回路
1 串级控制系统简介
串级控制系统——两只调节器串联起来工作，其中一个调节器的输出作为另一个调节器的给定值的系统。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。前一个调节器称为主调节器，它所检测和控制的变量称为主变量（主被控参数），即工艺控制指标；后一个调节器称为副调节器，它所检测和控制的变量称为副变量（副被控参数），是为了稳定主变量而引入的辅助变量。整个系统包括两个控制回路，主回路和副回路。主回路由主变量检测变送器、主调节器、副调节器、调节阀、副过程和主过程构成。副回路由副变量检测变送、副调节器、调节阀和副过程构成。
当扰动发生时，破坏了系统的稳定状态，调节器进行工作。根据扰动施加点的位置不同，分情况进行分析。通过分析可以看到：在串级控制系统中，由于引入了一个副回路，不仅能及早克服进入副回路的扰动，而且又能改善过程特性。副调节器具有“粗调”的作用，主调节器具有“细调”的作用，从而使其控制品质得到进一步提高。
2 管式加热炉简介
管式加热炉是石油工业中重要装置之一，它的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。加热炉是炼油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。
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。
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，燃料气燃烧器和油气混合燃烧器。
3 2#延迟焦化管式加热炉的温度控制
2#延迟焦化加热炉的工艺过程图如图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后，就被加热到出口温度T1。在燃料油官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。引起温度T1改变的扰动因素有很多，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稳定，以便把扰动因素减少到最低限度。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要求很高，一般希望波动范围不超过±1～2%。实践证明采用简单的控制系统是达不到这个要求的。
采用串级控制系统可以大大提高调节品质。在这个控制系统中，用炉膛温度T2来控制调节阀（见图1），然后再用出口温度T1来修正炉膛温度的给定值TT2，控制系统的方框图如图2所示。调节对象中包括炉膛、管壁和油料等三个热容积。而扰动D1、D2、D3和D4则作用于不同地点。由于热容积之间有相互作用，严格来说这个画法是不正确的，但是可以近似的说明问题的主流方面。从图中可见，扰动因素D2、D3和D4包括在副环之内，因此可以大大减小这些扰动对于出口温度T1的影响。对于被加热油料方面的扰动D1，采用串级调节也可以收到一定的效果，但效果并不那么显著。
1#延迟焦化加热炉出口温度控制采用的是简单的单回路控制系统，温度调节器是根据原料油出口温度与设定值的偏差进行控制。当燃料部分出现干扰后，控制系统不能及时产生控制作用，克服干扰对被控参数的影响质量差。当生产工艺对原料油出口温度要求不高时，这种简单控制系统可以满足要求。2#延迟对炉出口的温度要求很严格，所以采用了串级控制系统。由于引进了副回路，不仅能迅速克服副回路的干扰，也能加速克服主回路的干扰。加热炉的燃料由于其成分和流量的变化对控制过程产生极大干扰，所以我们选择了炉膛温度为串级控制系统的副参数。
2#延迟焦化管式加热炉的出口温度控制由于采用了串级控制系统，使被控参数精确的达到了工艺的要求，并且提高了加热炉的热效率，增大了经济效益。同时保证了燃料的充分燃烧，减少了有害气体的排放，达到了节能环保的要求。