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1、 、工程概要加热炉是将燃料燃烧产生的热量传给被加热介质而使其温度上升的一种加热设备。被广泛应用于油气集输系统中，将原油、自然气及其井产物加热至工艺所要求的温度，以便进展输送、沉 降、分别、脱水和初加工等工艺。依据我国石油工业在世纪的进展规划要求，乐观推动石油工业加热炉标准化工作向着市场 化、国际化的方向进展，开展加热炉企业标准的争论。在站场用加热炉设计、使用和治理阅历的 根底上，结合加热炉的特点，从统一技术要求、优化设计、保证质量、安全、环保和人身安康等 方面动身，制定站场用加热炉设计、制造、安装、使用、治理、检修、修理和改造等的相关标准， 提高加热炉设计、制造、治理水平。同时，在前述争论的根
2、底上，依据国家质检总局锅炉局的要 求和全国压力容器标委会管道分技术委员会的建议，编制站场用加热炉企业标准文本，确保加热 炉的安全经济运行，促进油气生产及输送工艺的进展，保护员工人身和国家财产安全，便于相关 部门的监视检查，做好加热炉的标准化工作，为我国石油工业的进展做出的奉献。主要内容：加热炉的构造及传热分析加热炉效率影响因素分析强化传热提高加热炉效率措施二、国内外技术现状及立项的必要性1 加热炉的作用、特点及要求石油工业站场用加热炉是加热原油、自然气、水及混合物等介质的专用设备，按构造型式一般分为火筒式加热炉和管式加热炉，它对整个站场的工艺、产品质量、安全、能耗及操作周期等 起着支配作用。站
3、场用加热炉与其它行业的加热炉相比，有很多特点： 单台热负荷小，一般不超过 4000kW； 被加热介质流量大，要求压力降小； 被加热介质温升小，一般为 30左右； 介质在炉内不产生相变； 操作条件不稳定，热负荷波动较大； 连续运行、操作及检修条件差； 同一型号加热炉使用数量多； 燃料为原油或自然气。在油气生产中，加热炉的根本要求如下：（1） 生产效率高。在保证质量的前提下，燃料加热速度越快越好，这样可以提高加热炉的 生产效率，削减炉子座数或缩小炉子尺寸。快速加热还能降低金属的烧损和单位燃料消耗，节约维护费用。（2） 加热质量好。加热时介质出炉温度需符合工艺要求，防止局部过热消灭结焦、结炭或爆炸危
4、急。（3） 燃料消耗低。站场用加热炉的能量消耗有 1015消耗于炉子上，节约的燃料对降低单位本钱和节约能源都有重要意义。（4） 炉子寿命长。由于高温作用、机械磨损和腐蚀等因素的综合作用，炉子不行避开会有损坏，必需定期对炉子进展检修，应尽可能延长炉之的使用寿命，降低修护费用。（5） 劳动条件好。要求炉子的机械化及自动化程度高，操作条件好，安全卫生，对环境无污染。以上是对加热炉的总的根本要求，在加热炉用于油气田具体环节时，需要留意工作介质和工作环境，以及提高生产率、提高加热质量和降低燃料消耗量等各项指标之间的关系，这些因素通 常是统一的，但有时则有主有次。例如，一些加热炉过去强调有较高的效率，但随
5、着能源问题的 突出，则更多的着眼于节能降耗，而适当降低炉子的热负荷等参数。2 加热炉的现状及研发方向我国“七五”以来，经过对在用加热炉进展测试筛选、炉型研制、标准标准的制定及定型系列设计，加热炉的设计水平有较大提高。对加热炉进展定型系列设计后，热效率为 8090， 比原有加热炉效率提高了 20 25，耗钢量削减了 10 20。水套加热炉耗钢量小于11kg/kW，管式炉耗钢量小于 13kg/kW，燃烧器及附机根本匹配。但耗钢量和机电一体化程度与国外同类设备相比还存在肯定差距，燃烧器在强化燃烧和标准化、系列化方面还要做工作。依据西南油田地面工程设备进展规划，油田地面设备筛选开发要以节能降耗为中心，
6、以配套为重点，以提高设备的成套水平和系统效率为目的，大力推广定型系列设计做好根底工作，开发 研制油气水系统中关键设备，突出解决高含水老油田设备的技术改造和稠油、低渗透、凝析油油 田设备配套定型及沙漠、滩海油田设备的橇装化、系列化和机电一体化，使油田地面工设备技术 水平再上一个台阶。对于加热炉应开展的主要工作集中在以下两方面：1 修改加热炉定型系列设计，使其附机、附件与加热炉定型设计合理匹配，到达强化传热的目的，使加热炉整体效率再 提高 35，耗钢量再降低1015；2对加热炉炉体的强化传热、加热炉燃烧器的强化燃烧和炉体的散热损失加强争论，以提高加热炉的热效率。3 加热炉标准化程度1983 年我国
7、公布的国家标准GB3935.1-83中对“标准”的定义是：“标准是对重复性事物和概念所做的统一规定。它以科学、技术和实践阅历和综合成果为根底，经有关方面协商全都， 由主管机构批准，以特定形式公布，作为共同遵守的准则和依据。”。1983 年国际标准化组织公布的 ISO 其次号指南第四版对“标准”的重定义是：“由有关各方依据科学技术成就与先进阅历，共同合作起草，全都或根本上同意的技术标准或其它公开文件，其目的在于促进最正确的公众利益，并由标准化团体批准。”在 2023 年公布的GB/T1.1-2023 中将标准定义为：“为在肯定的范围内获得最正确秩序，对活动或共结果规定共同的和重复使用的规章、导则
8、或特性文件。该文件经协商全都制定并经一个公 认机构的批准。标准应以科学、技术和阅历的综合成果为根底，以促进最正确社会效益为目的。”。石油工业标委会依据石油工业进展需要，在加热炉方面的主要技术标准如下：SY0031-95 石油工业用加热炉安全规程SY5261-91 火筒式加热炉受压元件强度计算方法SY/T0404-98 加热炉工程施工及验收标准SY/T0419-97 油田专用水套加热炉制造、安装及验收标准SY/T0469-98 石油建设工程质量检验评定标准：油田钢制容器及加热炉制作SY/T0538-94 管式加热炉技术条件SY/T0539-94 管式加热炉设计技术规定SY/T0540-94 石油
9、工业加热炉型式与根本参数SY/T5262-2023 火筒式加热炉技术标准SY/T6381-1998 加热炉热工测定纵观这些标准，均是加热炉某一方面或几个方面的，缺乏系统完善的标准体系，随着技术的进步，以及国内的能源进展战略和油田站场用加热炉进展的需要，需要进一步对原有标准进展修 订完善和补充，形成系列标准，提高加热炉设计、制造、治理水平和标准化程度。4 标准化进展趋势（1） 加强加热炉国际化战略的宣传。目前，由于宣传力度不够，局部单位对石油工业实施国际标准化战略的生疏还不到位。需要加大宣传石油工业国际标准化战略的力度，提高对标准化工 作的生疏。（2） 提高技术标准的国际接轨程度。依据国家标管委
10、制定的“国家标准承受国际标准打算” 和油标委制定的“行业标准承受国外先进标准打算”，要努力完成技术标准制修订任务。（3） 抓紧行业标准“双语版”的制定工作。要依据“整合、提高、国际化”的思路，做好“ 双语版”行业标准的制定工作，提高翻译质量和水平，缩短编制周期，乐观将加热炉技术标准推上国际市场。（4） 加强技术标准的宣贯和发行工作。制定技术标准的目的在于运用。只有技术标准得到运 用，才能发挥作用，取得效益。而技术标准的发行和宣贯工作，是技术标准运用工作的重要环节， 做好技术标准的发行工作格外重要。（5） 以信息化推动技术标准的国际化。建立加热炉标准化信息网络，尽快实现技术标准 的申报、编制、征
11、求意见、投票、报批信息化，技术标准文本。三、攻关目标、主要争论内容及关键技术1 主要争论内容在系统调查分析长庆油田加热炉应用现状及国内外加热炉有关标准的根底上，结合加热炉进展需要和标准化进展趋势，开展长庆油田水套加热技术的相关争论，编制水套加热的设计、制造 的企业标准。主要争论内容如下：（1） 加热理论争论。包括加热炉传热分析、强度计算等；（2） 长庆油田水套加热技术怎样实施最优争论；（3） 加热元件优化争论；（4） 仪表和掌握技术争论；（5） 安全运行与治理技术争论；（6） 防腐、保温争论；（7） 在上述各种根底争论根底上，编制出适合长庆油气田站场水套加热的设计、制造标准。2 技术关键（1）
12、 目前国内外站场用加热炉相关标准的比较争论；（2） 长庆油田水套加热技术怎样实施最优争论；（3） 加热元件优化争论；（4） 编制出适合长庆油气田站场水套加热的设计、制造标准；加热炉串级掌握系统2 加热炉串级掌握系统分析2.1 加热炉串级掌握系统的描述加热炉温度掌握系统如图1所示，原料在加热管中从入口到出口过程中被加热到指定的温度。该系统从燃油燃烧到原料出口温度有三个容量环节：炉膛、管壁和被加热的原料。加热炉掌握系统图如图2-1所示。T C1T T1T C2T T2燃料油原料入口原料出口图2-1 加热炉温度掌握系统图2-1中，T T是原料温度传感器， T C是原料温度掌握器； T T是炉膛温度传
13、112感器，T C是炉膛温度掌握器。1在上述系统中，中间被控变量是炉膛温度；操纵变量是燃料油的流量。系统的根本扰动来自两个方面，一是原料侧的扰动及负荷扰动，二是燃烧侧 的扰动，诸如燃油压力、配风量等。由于该系统容量滞后较大，如承受以原料出口温度为被控量的单回路掌握系统，当燃料侧扰动产生时，系统不能马上感知， 直至经过较大的容量滞后反映到原料温度发生转变时，系统掌握作用才开头反响， 但为时已晚。同样，掌握器的动作必需经过较大容积滞后才能开头对输出的转变 进展调整。这样感知慢、调整慢，掌握系统的品质不行能很高。对于负荷侧的扰动，虽然感知较早，但是掌握过程较慢。为此可增设炉膛温度作为另一个被控参量，
14、构成一个如图1所示的串级掌握系统。2.1 加热炉串级掌握系统的原理框图由加热炉串级掌握系统可得系统的原理框图，如图2-2所示。燃烧侧扰动负荷扰动r(t)主调整副调整器 T C调整阀炉膛管壁原料1+器 T C2温度变送器 T T2温度变送器 T T1图 2-2 串级掌握系统的原理框图3 加热炉串级掌握系统的设计与分析3.1 串级掌握系统性能分析在系统构造上，串级掌握系统有两个闭合回路：主回路和副回路，主副调整器串联工作；主调整器输出作副调整器设定值。系统通过副调整器输出掌握执行 器动作，实现对参数的设定掌握。串级掌握系统的主回路是定值掌握系统，副回路是随动掌握系统，通过协调工作使主参数能够准确地
15、掌握在工艺规定范围之内。串级掌握系统中，由于引入了副回路，不仅能快速抑制作用于副回路内的干扰，也能加速抑制主回路的干扰。副回路具有先调、粗调、快调的特点；主回路具有后调、细调、慢调的特点。加热炉串级掌握系统的主要性能特点为：副控回路具有快速性，能够有效地抑制进入副控回路的二次干扰；副掌握回路起到了改善对象动态特性的作用，可以加大主掌握器的增益，提高系统的工作频率；由于副掌握回路的存在，使串级系统的自适应力量增加 。从以上串级掌握的特点来看，副掌握回路给掌握系统带来了一系列优点，因此串级掌握可应用于抑制掌握系统的扰动，抑制对象的纯滞后，削减对象的非线性影响，完全适用于加热炉掌握系统。3.2 主、
16、副回路的设计串级系统对二次扰动的抑制效果最好，所以副回路应包含尽可能多的扰动， 特别是把变化最猛烈、幅值最大最频繁的主要扰动包括在副回路内。由副回路先把扰动抑制到最低程度，减小其对主变量的影响，从而提高掌握质量。加热炉温度串级掌握系统是以原料油为主要被控参数的掌握系统。其他被控参数有炉膛温度、膛壁温度、燃料流量、原料油流量。副回路的选择即确定副回路的被控参数。燃料由于其成分和流量变化，对掌握过程产生极大干扰，所以选择炉膛温度为串级掌握系统的关心被控参数。3.3 主、副掌握规律的设计在串级掌握系统中，主、副调整器所起的作用不同，主调整器起定值掌握作用，副调整器起随动掌握作用，这是选择调整器规律的
17、根本动身点。在加热炉温度串级掌握中，选择原料油出口温度为主要被控参数，原料油温度影响产品生产质量，工艺要求严格；又由于加热炉串级掌握系统有很大的容量滞后，所以，选择 PID 调整作为主调整器的调整规律。掌握副参数是为了保证和提高主参数的掌握质量，对副参数的要求一般不严格，可以在肯定范围内变化，允许有误差。在加热炉的温度掌握，承受炉膛温度作为副被控量，炉膛温度过分偏离设定值严峻影响了炉子的安全运行，这种状况下副掌握器可以承受PI掌握。所以副调整器调整规律选择PI掌握。3.4 掌握参数的工程整定串级掌握系统主、副掌握器的参数整定方法主要有三种。两步整定法、逐步靠近法和一步整定法。依据串级掌握系统主
18、、副回路的状况，先整定副掌握器，后整定主掌握器的方法叫做两步整定法。一步整定法，就是依据阅历先将副掌握器一次整定好，不再变动，然后依据一般单回路掌握系统的整定方法直接整定主掌握器参数。逐步靠近法是一种依次整定主回路、副回路，然后循环进展，逐步接近主、副回路最正确整定的一种方法。4 加热炉串级掌握系统的仿真与结果分析4.1 掌握系统传递函数模型隧道加热炉系统中，考虑将燃烧室温度作为副变量，烧成温度为主变量，串级掌握系统中主、副对象的传递函数G和Go1o2分别为：G=1(式4-1)o1(30s +1)(3s +1)1G=式4-1o 2(10s +1)(s +1)2主、副掌握器的传递函数G和G为：c
19、1c 2G (s) = K(1+1 )式 4-3c1c1T sIG(s) = Kc 2c 2式 4-4承受传递函数描述的串级掌握时系统的Simulink模型如图4-1所示：q1为一次扰动，取阶跃信号；q2为二次扰动，取阶跃信号；PID C1为主掌握器，承受PID掌握；PID C2为副掌握器，承受PID掌握；Go2为副对象；Go1为主对象；r为系统输入，取阶跃信号；c为系统输出，它连接到示波器上，可以便利地观测输出。4.2 PID 参数整定及MATLAB 系统仿真承受临界比例度法来整定PID掌握器的参数。接近比例度法又称稳定边界条件法，它是先让掌握器在纯比例作用下，通过现场试验找到等幅震荡的过渡
20、过程，登记此时的比例度dk掌握器的参数。和等幅震荡周期Tk，再通过简洁的计算，求出衰减震荡时4.2.1 系统总仿真图系统可以由Simulink仿真来进展参数的调整，系统仿真图如图4-1所示。11PIDPIDStepPID Controller1PID Controllerden(s )Trans fer Fcn90s 2+33s +1Trans fer Fcn1ScopeScope1图 4-1 系统仿真图此时的参数值为，P 为 10.4，I 为 0.1，D 为 1.26，此时的仿真波形如图 4-2所示。4.2.2 副回路的整定图 4-2 仿真波形图将主环路断开，副回路为比例作用的条件下，由大到
21、小渐渐降低副调整器的比例度。整定副回路的仿真图如图 4-3 所示。11PIDPIDStepPID Controller1PID Controllerden(s )Trans fer Fcn90s 2+33s +1Trans fer Fcn1ScopeScope1图 4-3 整定副回路的仿真图先对副回路进展整定，依据要求，此时的掌握器为纯比例作用，在Simulink 环境中建立系统模型。当 P 为 9 时，衰减比根本可到达 4:1，此时比例度为 9， 振荡周期为 8.8。整定副回路波形图如图 4-4 所示。4.2.3 主回路的整定图 4-4 整定副回路波形图连接好主回路，保持副回路的比例度不变，
22、即为9，渐渐降低主回路的比例 度 P1。主回路整定仿真图如图 4-5 所示。11PIDPIDStepPID Controller1PID Controllerden(s )Trans fer Fcn90s 2+33s +1Trans fer Fcn1ScopeScope1图 4-5 主回路仿真图用临界比例度法对主回路进展整定，此时的 P 值为 13，此时比例度为 13， 振荡周期为 14.1。主回路整定仿真波形如图 4-6 所示。图 4-6 主回路整定仿真波形4.3 加扰动后的参数调整参加扰动后，系统会消灭稳态误差，动态性能和静态性能都会变差，PID 的各参数需要重进展调整。参加扰动的主回路仿
23、真图如图 4-7 所示。11PIDPIDden(s )Trans fer Fcn90s 2+33s +1Trans fer Fcn1ScopeStepPID ControllerPID Controller1Step1Step2Scope1图 4-7 参加扰动的主回路仿真图参加扰动后系统仿真波形如图 4-8 所示，可以看出系统存在稳态误差，并且震荡比较严峻震荡，所以 PID 调整的参数需要转变，进展进一步调整。图 4-8 参加扰动后系统仿真波形调整后的参数值是：P 为 8.5，I 值为 0.5，D 值为 1.5，参加扰动后系统仿真波形图如图 4-9 所示。图 4-9 参加扰动后系统仿真波形图4
24、.3 仿真结果分析串级掌握系统对干扰串级掌握系统的副回路的存在，能够快速抑制进入副回路的干扰，从而极大的削减副回路干扰对主被控参数的影响；副回路的存在提高了系统主调整器对进入主回路干扰掌握的快速性；由于副回路的存在，总放大系数提高了，抗干扰力量和掌握性能都比单回路掌握系统有明显提高。从图 4-9 仿真图来看，比例度为 13，振荡周期为 14.1，并且不存在稳态误差，仿真结果满足加热炉的理论要求。5 设计总结本次设计所选课题为“加热炉串级掌握系统”，经过几个星期的不懈努力，最终完成了理论设计，根本实现了设计要求。虽然系统根本可以完成设计要求。但是还有很多可以改进的地方： 设计的串级掌握不够完善，
25、对于稳态误差准时间参数仍需要进一步改进。 对于设计的加热炉掌握系统处于理论阶段，不能直接应用于实际。假设想制成实际应用，仍需进一步完善。虽然在整个设计中遇到了很多问题，但是也在不断解决问题的过程中使自己的自学力量和思考力量得到了很大提升，为以后的学习和工作奠定了根底。参考文献1 关守平计算机掌握理论与设计东北大学出版社，202332 刘宝坤计算机过程掌握系统北京：机械工业出版社，20233 席爱民 计算机掌握系统北京：高等教育出版社，20234 王平，肖琼等计算机掌握系统北京：高等教育出版社，20235 李国勇，谢克明，杨丽娟计算机仿真技术与 CAD北京：电子工业出版社，2023，66 施阳等 Matlab 语言及精要及动态仿真工具 Simulink 西安：西北工业大学出版社，19987 李宜达自动掌握理论北京：机械工业出版社，20238 陈伯时电力拖动自动掌握系统M北京：机械工业出版社, 20239 施仁. 过程掌握系统与装置. 北京机械出版社, 202310 王军自动掌握原理M重庆：重庆大学出版社，2023