【文章內(nèi)容簡介】 =() 。由這個判別式也可看出，當主、副對象同向變化時，主控制器為反作用，反向變化時則選正作用。在此還應說明一點的是，有些工藝過程要求控制系統(tǒng)既可以進行串級控制，必要時也可切換到由主控制器單獨控制。兩種控制方式切換時，要注意主控制器的正、反作用方式是否需要改變。如果副控制器是正作用，切換時主控制器的作用方式必須改變，而如果副控制器是反作用，切換時主控制器的作用方式就無需改變。這一點在實施中要特別注意。（4）主、副控制回路選擇 副回路選擇的實質(zhì)就是副被控量的選擇。 從抗干擾角度考慮，副回路選擇應遵循以下一些原則:1) 副回路應包含盡可能多的主要擾動。在串級控制系統(tǒng)中要求副回路先把擾動克服到最低程度，減小對主變量的影晌，從而提高控制質(zhì)量，因此為充分發(fā)揮串級系統(tǒng)對二次擾動的抑制效果，最好副回路應包含盡可能多的擾動，特別是把那些變化最劇烈、幅值最大、最頻繁的主要擾動包括在副回路內(nèi)。當然也不能走極端，認為副回路包括擾動越多越好。因為，副回路包括的擾動越多，副變量的位置越靠近主變量，使得副回路響應快速性下降。因此，選擇副回路時，包括哪些擾動，應具體情況具體分析，這也體現(xiàn)了系統(tǒng)的設計水平。 2〕主、副回路的時間常數(shù)應匹配。 副回路響應越快，對二次擾動抑制效果越好，從這個角度考慮，這就要求副回路的時間常數(shù)較小，控制通道短些，這與將盡可能多的擾動包含進副回路的要求是矛盾的，實際選用時需要按具體情況加以分析。 從防止主、副回路產(chǎn)生共振出發(fā)： 由于主、副回路是兩個既密切相關又相互獨立的回路，在一定的條件下，如果受到某種干擾的作用，可能發(fā)生共振現(xiàn)象。從防止共振的角度出發(fā)，主副回路的時間常數(shù)應保持合理的匹配關系。為避免諧振，副回路的工作頻率至少應是主回路的工作頻率的3倍以上，即，一般工程上常取=（3～10）。ξ 一定時，主、副回路時間常數(shù)有以下的關系：=(3～10)，其中和是主、副回路的等效時間常數(shù)。在實際應用中/取多大為宜，應根據(jù)具體對象的情況和控制系統(tǒng)要達到的目的要求具體分析。如果串級控制系統(tǒng)的目的是為了克服對象的主要干擾，那么副回路的時間常數(shù)小一點為好，只要將主要干擾納入副回路就行了。如果串級控制系統(tǒng)的目的是為了克服對象時間常數(shù)過大和滯后嚴重，為改善對象特性，那么副回路的時間常數(shù)可適當大一些。如果想利用串級控制系統(tǒng)克服對象的非線性，那么主、副對象的時間常數(shù)又宜相差遠一些。 以上對副變量選擇的討論都是從控制質(zhì)量角度來考慮的，而在實際應用時，首先要考慮生產(chǎn)工藝的要求,具體為:1) 副變量的選擇，應首要考慮工藝上副變量的實時在線檢測性，要求主、副變量應有對應關系，即調(diào)整副變量能有效地影響主變量。2) 串級控制系統(tǒng)的設計，應該根據(jù)工藝的具體情況，不僅考慮控制的合理性、可行性，還要考慮工藝的可行性。3) 在副回路的設計中，若出現(xiàn)幾個可供選擇的方案時，應把經(jīng)濟原則和控制品質(zhì)要求有機地結合起來。在保證生產(chǎn)工藝要求的前提下，盡量選擇投資少、見效快，成本低、效益高的方案。這個思想應作為工程設計人員的指導原則。 串級控制系統(tǒng)的方案正確設計后，為使系統(tǒng)運行在最佳狀態(tài)，系統(tǒng)必須進行校正，即參數(shù)整定。其實質(zhì)是通過調(diào)節(jié)PID參數(shù)，來改善系統(tǒng)的動態(tài)特性和靜態(tài)特性，以獲得最佳的控制效果。在整定串級控制系統(tǒng)控制器參數(shù)時，首先必須明確主、副回路的作用，以及主、副參數(shù)的控制要求，然后通過控制器參數(shù)整定，才能使系統(tǒng)運行在最佳狀態(tài)。從整體上來看，串級控制系統(tǒng)主回路是一個定值控制系統(tǒng)，要求主參數(shù)有較高的控制精度。副回路是一個隨動系統(tǒng)，副控制器能快速而準確地跟蹤主控制器的輸出變化即可。在工程實踐中，串級控制系統(tǒng)常用的整定方法有:兩步整定法，一步整定法等。（1）兩步法 兩步法是在主、副回路工作頻率相差比較大的條件下采用的一種方法，所謂兩步法就是整定分為兩步進行，先整定副回路，再整定主回路，具體步驟如下: 1) 將主、副回路均閉環(huán)，置主控制器的比例帶為=100%，積分時間為最大，微分時間為最小，副控制器比例度放100%，積分時間最大，微分時間最小，主環(huán)投入手動，副環(huán)投入自動。然后調(diào)整主控制器輸入，直到副被控參數(shù)出現(xiàn)4:1衰減振蕩過程，記錄此時的比例帶和振蕩周期。 2) 將副控制器的比例帶置為所得到的，按4:1衰減曲線法整定主回路的比例帶和振蕩周期 3) 按所得到的主副回路的比例帶和振蕩周期、結合主、副控制器的選型，采用4:1衰減曲線法的經(jīng)驗公式，分別整定主、副控制器的參數(shù)。 4) 在主、副回路均閉合的條件下，采用步驟3所得到的控制器的參數(shù)，按先副回路后主回路，先比例后積分最后微分的順序?qū)ο到y(tǒng)進行調(diào)試，觀察控制過程的曲線，如果結果不夠滿意，可適當進行一些調(diào)整。（2）一步法一步法是在主變量控制精度要求較高，而副變量的控制精度要求不高，即允許副變量在一定范圍內(nèi)變化的條件下采用的一種有效方法。所謂一步整定法，就是根據(jù)經(jīng)驗先將副控制器的參數(shù)一次性置好，不再變動，然后按一般單回路系統(tǒng)的整定方法，直接整定主控制器的參數(shù)。如果系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩，只要加大主、副控制器的任意參數(shù)值，即可消除。這種方法的依據(jù)是，在串級控制系統(tǒng)中，通常主變量是工藝過程的主要操作指標，直接關系到產(chǎn)品的質(zhì)量，因而對其控制精度要求較高，而副變量是為了提高主變量的控制質(zhì)量，對副變量本身沒有很高的控制精度要求，允許其在一定范圍內(nèi)變化。串級控制系統(tǒng)的投運 ：選用不同的儀表組成的串級控制系統(tǒng)，投運方法也有所不同，但是所遵循的原則基本都是相同的：其一是投運順序，一般都采用先投副環(huán)后投主環(huán)的投運順序；其二是投運過程必須保證無擾動切換。第3章 合成一段爐出口溫度對象特性分析 一段轉化爐是大型氨廠的關鍵設備之一。由于反應管長期處于高溫、高壓和氣體腐蝕的苛刻條件，需采用耐熱合金鋼管，因此費用昂貴，整個轉化爐的投資約占裝置投資的30%，而反應管的投資約為一段爐的一半。因此，一段轉化爐必須精心維護。一段轉化爐出口溫度能在一定程度上反映爐膛溫度和一段轉化爐內(nèi)轉化反應速率，對甲烷轉化率，二段轉化反應均有較大的影響，另在合成氨工藝中綜合考慮能耗和產(chǎn)率，一段爐出口溫度必須控制在一定范圍內(nèi)。為提高一段爐出口溫度控制精度，考慮采用燃燒天然氣流量—合成一段轉化爐出口溫度的串級控制系統(tǒng)，以有效提高一段轉化爐出口溫度的控制品質(zhì)。 合成一段爐工藝概況 合成一段爐工藝概況 一段轉化爐是大型氨廠烴類蒸汽轉化法制合成氨原料氣的的關鍵設備之一，它分為輻射段和對流段。一段轉化爐按供熱方式不同可分為側燒、傾斜燒和頂燒三種類型。（1）側壁燃燒型(側燒爐)。原料氣由上集氣管、上豬尾管進入輻射段內(nèi)兩行按三角形錯排的轉化管，管間距為管外徑的2倍，每12—14根為一組，每組出口有一根不到4米長的下集氣管。轉化后的氣體由下集氣管匯集到集氣總管送往二段爐。其特點是：1） 采用碗形輻射式或無焰板式燒嘴從上到下分設在兩側爐墻上，可以通過調(diào)節(jié)轉化管軸向兩側的這些燒嘴使整根轉化管上下溫度均勻，從而使催化劑發(fā)揮出最佳活性。2） 對流段放在爐子頂部，可不用引風機，節(jié)省動力，但檢修和安裝不方便，所以也有將對流段與輻射段平行設置的變型。3） 轉化管有效長度只受阻力和催化劑抗壓強度的限制．而不受煙道氣溫度分布的限制，因而只要條件允許，可適當加長或縮短，以適應不同生產(chǎn)能力的需要。 （2）傾斜壁燃燒型(梯臺爐)。這種爐型轉化管的排列與側燒爐類似，其特點是： 1） 設置兩個輻射段合用一個對流段。 2） 兩側爐壁內(nèi)傾斜約10176。，爐嘴設在傾斜壁的下邊，火焰與壁平行。每層斜壁的高度由火焰長度而定，梯臺數(shù)則取決于爐管長度。 3） 盡管燒嘴較少，但依靠傾斜壁而輻射熱的作用軸向溫度分布很均勻，操作也方便。 4） 在長期高溫下運行，內(nèi)傾壁易損壞坍塌。（3）頂部燃燒型(頂燒爐)。這種爐子外殼像長方形箱子，其特點是： 1） 燒嘴布置在爐頂，火焰從上往下噴燃，轉化管內(nèi)工藝氣體與煙道氣同向流動，可以獲得較理想的溫度分布，轉化管徑向溫度分布也比較均勻。 2） 燒嘴少，燃料管道系統(tǒng)比較簡單，只要在總管上設調(diào)節(jié)閥即可，故操作方便投資低，但不如側燒壁那樣易調(diào)節(jié)轉化管軸向的溫度分布。 3） 轉化管長度受煙道氣溫度分布的限制，不便加長，好在爐子長度和寬度不受限制，可用增減管數(shù)的方法適應不同生產(chǎn)能力的需要。4）對流段平行地設在輻射段一旁，雖然占地面積較大，但安裝檢修都比較方便。目前比較常用的頂燒爐有冷底式和熱底式兩種。冷底式的轉化管下端穿過爐底，下豬尾管和下集氣管一起設在爐外保溫箱內(nèi)。燃燒空氣由風機鼓入，經(jīng)預熱送往各燒嘴，對流段呈水平型。熱底式?jīng)]有下豬尾管，轉化管、下集氣管和上升管均設在爐內(nèi)。在燃燒空氣不預熱的情況下來用自吹式燒嘴，其對流段呈拱形。一段爐主要控制指標有以下幾項：1) 入爐介質(zhì)的質(zhì)量。，工藝空氣清潔無油，不含腐蝕性氣體，燃料氣無灰塵等雜質(zhì)。2) 溫度。進氣390一415℃，出氣680一760℃，轉化管底部溫度800℃，各管底部溫差20℃，爐膛溫度1000℃。3) 壓力。爐管壓力25—40絕壓，蒸汽和原料氣壓差，爐膛負壓13毫米水柱。4) 空速。以干天然氣計為950—1000小時。5) 水碳比。3—。6) 轉化氣質(zhì)量12％。7) 煙道氣含氧3％。 合成一段爐出口溫度控制系統(tǒng) 合成一段爐出口溫度控制的任務 合成一段爐出口溫度控制的任務是控制一段轉化爐出口蒸汽溫度溫升（溫降）范圍和溫升（溫降）速率，使合成一段爐出口氣體溫度在允許溫度變化范圍內(nèi)不發(fā)生急劇波動。從而天然氣一段轉化率和二段轉化爐入口氣體成分、溫度達到二段轉化的工藝要求，同時延長合成一段爐使用壽命。 合成一段爐出口溫度控制的動態(tài)特性 通常的合成一段爐都采用調(diào)整燃燒天然氣流量的方式控制一段轉化爐出口蒸汽的溫度。影響其溫度變化的擾動因素很多，如燃燒天然氣流量、成分變化，燃料燃燒狀況變化。合成原料氣的入口預熱溫度，流量，水碳比變化。一段爐爐管熱阻蠕變帶來傳熱效率的變化，催化劑活性改變等。歸納起來，主要有原料預熱蒸汽入口流量，溫度變化，燃燒天然氣流量，成分變化的擾動。合成一段爐溫度對象因一段爐的熱容量的存在及熱量傳遞，溫度變化、檢測的滯后性，使得整個一段爐溫度對象動態(tài)特性表現(xiàn)出較大的慣性特性。 （1） 燃燒天然氣流量變化對象的動態(tài)特性 引起燃燒天然氣流量擾動的原因有兩個，一個是天然氣總管的供氣壓力變化，另一個是燃燒天然氣調(diào)節(jié)閥的特性變化。天然氣供氣壓力的發(fā)生變化時，在調(diào)節(jié)閥相同開度下單位時間內(nèi)通過調(diào)節(jié)閥的燃燒天然氣流量是不同的。在調(diào)節(jié)閥的使用過程中，調(diào)節(jié)閥會因為閥芯磨損等原因，使調(diào)節(jié)閥的特性發(fā)生蠕變，對天然氣流量供應產(chǎn)生影響。在原料氣流量，預熱溫度不變情況下，燃燒天然氣流量的增大（減?。⑹购铣梢欢螤t外部供熱的增多（減少），經(jīng)輻射和對流進入一段爐爐管的熱量將增大（減?。?，直接導致轉化溫度的升高（降低），從而使合成一段爐化反應的速率、觸媒活性的變化，最終打破合成一段爐內(nèi)原有的熱量平衡，反映出來的是一段爐出口溫度超出工藝要求范圍。結構形式不同的一段爐，在相同天然氣流量的擾動下，出口溫度變化的動態(tài)特性會有所不同的，主要在于傳熱效率，熱容量的不同。 （2） 燃燒天然氣成分變化下對象的動態(tài)特性天然氣是一種多組分的混合氣體，主要成分是烷烴，其中甲烷占絕大多數(shù)，另有少量的乙烷、丙烷和丁烷，此外一般還含有硫化氫、二氧化碳、氮氣和水蒸汽，以及微量的惰性氣體，如氦和氬等。不同的產(chǎn)地或者同一產(chǎn)地不同生產(chǎn)工藝，不同儲藏深度，其出產(chǎn)的天然氣的成分和純度會有所不同，其熱值可能會有較大的不同，也就是相同流量的天然氣供應其提供的熱量也可能較大的不同。天然氣成分難以實現(xiàn)實時檢測，因此燃燒天然氣成分變化擾動實際是不可測的，其成分變化擾動可通過調(diào)節(jié)閥門開度，控制流量來加以補償。對象特征總的特點是:有延遲、有慣性，有自衡能力。 （3） 合成原料氣入口預熱溫度擾動下對象的動態(tài)特性 原料氣入口預熱溫度變化擾動，其擾動地點與測量蒸汽溫度的地點之間有著較大的距離，此時合成一段爐是一個有純滯后的多容對象。當擾動發(fā)生后，過高或過低的原料氣將直接并迅速改變反應局部溫度，如果外部供熱不變時，持續(xù)提供的溫度過高或過低原料氣會使爐管內(nèi)溫度波動，影響觸媒活性、反應速率和甲烷轉化率。擾動要隔較長時間才能使一段爐出口溫度發(fā)生顯著變化，滯后時間比較大。合成原料氣入口預熱溫度擾動也可由調(diào)節(jié)閥門開度，改變?nèi)紵烊粴饬髁考右哉{(diào)節(jié)。 （4） 原料氣流量變化擾動下的對象特性原料氣流量變化會在一定時間內(nèi)改變合成一段爐內(nèi)反應物濃度和一段爐出口氣體流量，會對一段爐的熱量平衡產(chǎn)生影響，最終影響一段爐出口溫度，其對象特性有很大的時延和滯后。調(diào)節(jié)燃燒天然流量可以克服原料氣流量變化擾動。由以上分析知，在合成一段爐出口溫度控制系統(tǒng)中，主要的擾動均可以由調(diào)節(jié)燃燒天然氣流量來克服，且通過調(diào)節(jié)燃燒天然氣流量對合成一段爐出口溫度的調(diào)節(jié)簡單有效。實際操作中，燃燒天然流量能實現(xiàn)實時檢測和測量，對流量的控制相對簡單，只需調(diào)節(jié)閥門開度即可實現(xiàn)，因此在合成一段爐出口溫度控制系統(tǒng)中選用燃燒天然氣