### 过程控制课程设计：管式加热炉温度-流量串级控制系统的设计
#### 方案选定
管式加热炉在炼油与化工生产过程中扮演着关键角色，主要用于将原料油加热至所需温度，确保后续工序顺利进行。为实现这一目标，通常会采用原料油出口温度作为被控参数、燃料流量作为控制变量来构建温度控制系统。然而，这种简单的温度控制系统面临诸多挑战，尤其是在应对燃料压力、燃料热值变化以及原料油流量与入口温度波动等方面的能力有限。
在传统单回路控制系统中，燃料阀门的开度根据原料油出口温度与设定值之间的偏差进行调整，进而通过改变燃料流量来控制出口温度。尽管这种方法能够实现基本的温度控制功能，但由于燃料流量变化对原料油出口温度产生的影响存在较大的时间延迟（大约15分钟），导致控制系统对燃料部分干扰的响应不及时，进而影响整体控制效果。因此，在对原料油出口温度有严格要求的情况下，仅依靠简单控制系统往往难以达到预期的控制精度。
为了提高控制系统的性能，可以考虑引入串级控制系统。在这种系统中，炉膛温度被用作第一个被控参数，通过快速响应燃料相关的干扰，减小炉膛温度的变化幅度。随后，原料油出口温度被用作第二个被控参数，通过调整炉膛温度控制器的设定值来进一步微调燃料流量，确保原料油出口温度保持在指定水平。这种串级控制系统不仅能够有效克服来自燃料的干扰，还能够较好地应对原料油自身流量或入口温度变化的影响。
#### 环节设计
在串级控制系统中，主要包括两个控制回路：主回路和副回路。每个回路都包括相应的检测变送器、调节器和过程控制对象。
**2.1 副回路的设计与副参数的选择**
副回路的选择至关重要，其目的在于通过调整副参数来有效影响主参数，确保整个系统的稳定运行。副回路的参数选择需要遵循以下原则：
1. **主副参数间的对应关系**：副参数的调整应该能够显著影响主参数的变化。此外，副参数必须是可以测量的物理量。
2. **调节通道尽可能短**：这有助于减小调节过程的时间常数，使得控制系统能够更快地响应干扰。
3. **副参数的选择**：通常情况下，选择炉膛温度作为副参数。因为燃料量的变化会直接影响炉膛温度，进而通过热传递过程影响原料油的出口温度。这种方式能够快速响应燃料方面的干扰，从而提高控制效率。
### 结论
通过采用管式加热炉温度-流量串级控制系统，不仅可以有效解决简单控制系统存在的问题，还能显著提高系统的稳定性和控制精度。这种设计方法综合了温度调节器对原料油出口温度的精确控制能力和对燃料干扰的快速响应能力，为炼油与化工行业中管式加热炉的高效稳定运行提供了有力保障。在未来的发展中，随着自动化技术的进步，串级控制系统有望进一步优化，更好地适应各种复杂的工业应用场景。
