常压炉控制系统课程设计

1、自控工程课程设计东北石油大学课程设计任务书课程 自控工程课程设计题目 常压炉控制系统设计专业 自动化 姓名 刘俊丽 学号 100601140103 主要内容、基本要求、主要参考资料等主要内容：1.掌握利用Auto-CAD绘制常减压装置常压炉控制工艺流程图。2.掌握节流装置的计算方法和计算机辅助设计计算方法,完成常压加热炉燃料油指示。3.掌握调节阀的选型及口径计算方法，完成对常压加热炉燃料油的调节。基本要求：1.在工程设计中，必须严格贯彻执行一系列国家技术标准和规定。2.边学习标准和规定，边上机设计。3.必须按阶段完成任务。4.设计完成后交出一份包括上述三个部分符合撰写规范的设计报告。主要参考资

2、料：1HG/T2063620639-1998，化工装置自控工程设计规定(上下卷)S .2GB/T2624-1993，流量测量节流装置 S .3奚文群，翁维勤.调节阀口径计算指南M.兰州：化工部自控设计技术中心站，1991.4董德发，张天春.自控工程设计基础M.大庆：大庆石油学院，1999.5王骥程，祝和云.化工过程控制工程M .北京：化学工业出版社，2003.完成期限 2013.11.42013.11.15 指导教师 专业负责人 2013年 11 月 20 日目录第1章 工程实例11.1 常压炉工程背景及说明11.2 CAD流程图2第2章 控制系统方案设计32.1 常压炉工作过程32.2 回路

3、干扰因素32.3 回路控制方案4第3章 控制系统仪表选型63.1 检测元件选型73.2 调节阀的选型93.3 常压炉计算实例11第4章 课程设计心得12参考文献13附录14第1章 工程实例1.1 常压炉工程背景及说明所谓常压炉，应定义为锅炉开口与大气相通，使锅炉水位线处的压力，任何时候都等于大气压力。常压锅炉是指锅炉顶部通大不承受供热系统的水柱静压力，锅炉本体中两个最主要的部件是炉膛和锅筒，锅炉是具有高温、高压的热能设备，是特种设备之一，在机关、事业企业及各行各业广泛使用，是危险而又特殊的设备。常压炉比较安全，与大气相通，不承受压力，在一定程度上消除爆炸的可能性。常压炉的管理简化，由于常压锅炉

4、比较安全，对常压锅炉的使用设计、制造、安装的管理抖比较简化，对锅炉房的要求也有所降低。在约低于三层建筑物的供暖系统中，采用承压热水锅炉与采用常压热炉比，其运行费用基本相当。常压炉可以利用报废锅炉，节省钢材，简化制造工艺。我国的工业锅炉，每年有许多锅炉报废，如能利用承压报废高炉改装为常压炉，由于受压部件的减小，亦可节约大量优质锅炉钢材，而且制造工艺亦可简化，节约了人力、物力、财力。因此，常压炉得到应用和发展。1.2 CAD流程图第2章 控制系统方案设计2.1 常压炉工作过程燃料油流量发生波动，干扰作用于副环，开始阶段因炉膛容积较大，故被加热介质出口温度暂不变化，主调节器因检测不到过程PV值的变化

5、而输出不变；但流量调节器因过程量改变输出一调节信号至阀来克服燃料油量的波动，迫使燃油量逐渐向原给定方向靠近，故此阶段完全等同于单回路调节。虽然流量的干扰经副环得到了初期和主要的克服，但不可能得到完全解决，一定时间后，燃料油变化通过温度对象渐渐影响介质出口温度，这样主调节器必然进入调整状态，通过改变副调节器的给定，副调在PV和SV值的同时变化中克服燃油波动的作用更加迅速和强大，最终使出口温度回至起初的设定上。 被加热介质流量、介质热焓及燃料气压力和流量的波动、空气流量和温度、湿度、火嘴物理性能等发生变化，当这些干扰进入主回路中，使炉出口温度受干扰影响而变化，这样，温度调节器就因偏差e10而产生输

6、出变化量来克服干扰作用对被控变量的影响，继而使流量调节器的偏差e2不为零，产生控制输出来改变阀开度，调节的最终目的使温度回至给定值。无论干扰进入主回路还是副回路，控制的手段都是通过阀的调节作用来主动实施反干扰。 当主、副回路同时受到干扰作用时，即燃料油流量和温度都发生变化，若被加热介质流量增加，而燃油量减小，这时主调节器输出增大，两者产生给流量调节器的输入偏差同向，使阀门开度有较大的增加；若燃料气量减小，而燃料油量增加，这时温度调节器输出使副环SV增加，而因燃油量增大副调节器PV增加，这时调节器则根据总的偏差正负来决定输出是增大还是减小阀门的开度；若两者过程变量都增加，则温度调节器（反作用，阀

7、选风开）输出减小，加之流量调节器过程PV值增加，使控制作用迭加后阀开度大为减小，较大幅度地克服干扰对过程的影响。2.2 回路干扰因素 主回路干扰有被加热介质流量、热焓、高低压瓦斯气压力、流量波动、炉膛压力以及空气流量和温度、火嘴物理性能、雾化蒸汽等变化；副回路有燃料油压力、热值、组分变化等干扰。以下就主要干扰环节进行分析。 （1）炉膛容积大，温度反应滞后当火嘴燃烧或分支进料发生变化时，炉总出口温度反应通常比较滞后。通过调节阀来调节燃料油或高瓦流量时，存在着在同时调节东、西燃料室内火嘴燃烧，这样在保持炉出口温度一定的情况下，东、西辐射室四路分支温度不可避免出现了偏差。 （2）燃料气压力、组分等波

8、动大两台加热炉还承担着平衡整个干气管网压力的作用，当系统用量或管网压力发生变化时，需要经常对高瓦火嘴燃烧量进行调整，即增点或熄灭火嘴。虽然常炉设有高瓦流量单回路调节，但是为了减少系统压力波动对常压炉的影响，平时用手动调节。 （3）燃料油压力波动大 燃料油主要来自于减压塔底，受液面指示滞后（减底液面计为浮球，反应时间偏大）和渣油出装置的影响，燃料油系统压力一直不够稳定。渣油出装置流量完全依靠手动操作，在手动提降量时，燃料油压控反应强烈。常常因为调节不及时，造成炉出口温度出现大的波动。 （4）燃料油调节阀选型偏大常压炉燃料油流量调节阀选型偏大。在串级控制过程中时常出现调节阀过分截流引起在用火嘴燃烧

9、工况变差或熄灭、漏油。2.3 回路控制方案 加热炉平稳操作是整个常减压装置生产正常运行的必要保证。出口温度是加热炉工艺生产的主要控制指标，是串级调节中起主导作用的被控参数；副参数是影响主参数的主要变量，能被定为副参数的变量较多，副参数选择要根据对主参数影响程度来确定。由于改造后的常压炉热负荷大、炉膛容积大、系统干扰因素多、调节控制难度大，故以常炉作为研究对象，并根据以上存在的问题，提出改变副变量法和前馈补偿法解决措施。（一）改变副变量目前常压炉系统控制回路的副变量采用燃料油流量，将燃料油压力作主要干扰因素，方案上同阀后压力控制类似，副回路控制通道短、时间常数小，这样对燃料油压力等引起的流量变化

10、控制作用及时。根据串级控制回路副环自身的特点，副回路应包含对主变量影响最严重、最频繁、较可能多的干扰。当燃料油压力不成为主要干扰时，若副变量选用炉膛温度，则能将燃料油流量、组分、热值及火嘴物理性能等干扰纳入副环。根据常炉的结构特点，炉膛温度取值方案有多种，以下提出几种方法：(1) 两点平均法常压炉有4支炉膛热偶，如图所示。从东、西炉膛温度中各选出工况好或灵敏度高的一点平均处理后作副参数。这种方法实现简单，但当火嘴工况不同、火嘴不全点火或不对称点火、管壁热偶表面积灰、火嘴燃烧工况不佳（火焰 炉管）等情况下，热偶所测温度存在差异，有时差异还相当大，故这种取值方法存有不足。（2）四点平均法考虑燃烧火

11、嘴物理分布不均匀因素，近似地取4点测量的算术平均值作过程变量，实现串级控制，定义4点平均值点为TIC123，如图2-1所示。图2-1 出口温度炉膛温度串级控制回路 （3） 加权法 加权处理方法对四路进料差异有一定克服作用，尤其是流量差距大、火嘴不对称或不均分布时，与平均方法的差异较大。 加权计算后，炉出口温度TIC104和计算的炉膛温度TIC123组成串控回路。 （二）前馈补偿法 当燃料油压力波动成为主要干扰时，副变量采用炉膛温度，则副对象滞后较大。采用燃油流量时，由于高、低压瓦斯干扰在副回路之外，须通过补偿方法来克服干扰。 气相瓦斯相对燃料油其热值较低，I常加热炉系统使用的瓦斯气作为工艺调节

12、手段来使用，燃料气存在可测、不可控、在干扰中对被控变量的影响较其它参数显著，故具有作前馈补偿的条件。正常生产中将燃料气回路置于“手动”。实际中管网燃料气有波动，因炉体容积大，对象时间常数大，受到干扰后，表现不很明显。同时主调节参数是温度变量，对象存在容量滞后，惯性大，造成过程调节缓慢。燃料气前馈补偿的方块图如图2-2所示。 图2-2 燃料气前馈串级控制方块图 SP+_+_+ Y1QGc1(s)Gc2(s)Gp2(s)Gp1(s)Gff(s)Gpd(s)Y 利用前馈加串级控制方法，干扰通道对过程的影响正好与前馈补偿和对象调节通道的乘积相抵消。只要前馈函数设置合理，实现近似完全补偿是可行的。 带有

13、前馈补偿控制回路的控制器输出为前馈作用和反馈作用的迭加，是按干扰进行补偿和偏差调节的结合。前馈补偿力求在任何时刻均实现对扰动影响的补偿，使高、低瓦斯对被调量的影响大大降低。对燃料气施行前馈补偿，使控制作用和干扰作用对被控参数的影响大小相等，方向相反。常压炉引入前馈控制流程图如图2-3所示。 Gd1、Gd2为前馈补偿器，可通过在用PROVOX系统内部仪表“AI POINT”点来实现，内有开方、滤波、作用方向、图2-3 炉燃料气前馈串级控制系统第3章 控制系统仪表选型3.1 检测元件选型 GB/T2624-1993全称为流量测量节流装置用孔板、喷嘴和文丘里管测量充满圆管的流体测量。国内的压差流量计

14、经历了仿制、统一标准设计和自行设计等阶段：我国1959年由国家推荐的苏联27-54规程作为我国的暂行规程。1993年2月3日由国家技术监督局批准GB/T2624-1993代替GB2624-1981，1993年8月1日实施。该标准第一次等效采用ISO5167（1991）与国际接轨，标志着我国现行的标准节流装置，在推广采用国际标准上的研究成果、提高测量精度方面，以取得了突破性的进展。GB/T2624-1993主要特点有：（1）以流出系数Kv代替流量系数；Kv值的计算中的降阶计算由原流量系数0计算中的最高阶20降至流出系数Kv计算中的最高阶8次幂。（2）提出5种命题以适应自控工程设计中各方面的需要。

15、（3）提出迭代计算方法，给出计算机计算程序框图。（4）差压上限不再计算，而要由用户自行选定，要求设计者有更多的经验。（5）管道粗糙度不再参加计算，而是在计算结果出来后验证。在GB/T2624-1993中规定的标准节流装置有以下几种：标准孔板：角接取压；法兰取压；径距取压（D-D/2）。标准喷嘴：ISA1932喷嘴；长颈喷嘴。文丘里管：文丘里喷嘴；经典文丘里管。3.1.1 常压加热炉燃料油指示FI2130 表3-1 常压加热炉燃料油指示FI2130标准节流装置设计参数表常压加热炉燃料油指示被测介质：燃料油管径：1144最大流量：0.43m3/h工作温度：30oC工况密度：780 kg/m3 工作

16、压力：1.3Mpa工况粘度：2.46CP 管道直径：50mm标准孔板法兰取压使用Matlab7.0编制标准截流装置的计算迭代程序，结果在workspace中以矩阵形式输出。加热炉燃料流量FI2130标准截流装置的计算迭代程序所示。计算结果： 表3-2 常压加热炉燃料油指示FI2130标准截流装置迭代数据表12345678x0.640340.520860.532030.53210.53210.53210.53210b0.734340.679670.685340.685380.685380.685380.685380c0.6060.745470.727790.729690.72970.72970.

17、72970.7297E000.000159263.1135e-6-3.987e-86.6788e-101.5663e-120g-0.0893070.00920126.1802e-51.2082e-6-1.5471e-82.5917e-106.0779e-130 辅助计算(1)求工况下管道直径=0.1007m管道内径（下实测值），管道材料热膨胀系数，被测介质温度(2)求雷诺数 971.819最大质量流量，工作状态下粘度(3)求 0.016MPa =2.3782.初值计算(1) 求设：=0.6060，=1，令 =3.924又= 0.98439(2)求 C1 = 0.5959+0.031212.10

18、.184018 =0.463847124(3)精确度判断 =0.4133990.6821770.5977770.998298 =0.557863885=1.23e-2,达到了精度要求，无需迭代。 3计算结果求得：、 0.099128m，求 0.098445m3.2 调节阀的选型 调节阀又称控制阀，是执行器的主要类型，通过接受调节控制单元输出的控制信号，借助动力操作去改变流体流量。调节阀一般由执行机构和阀门组成。如果按其所配执行机构使用的动力，调节阀可以分为气动、电动、液动三种，即以压缩空气为动力源的气动调节阀，以电为动力源的电动调节阀，以液体介质(如油等)压力为动力的电液动调节阀，另外，按其功

19、能和特性分，还有电磁阀、电子式、智能式、现场总线型调节阀等。调节阀的产品类型很多，结构也多种多样，而且还在不断更新和变化。一般来说阀是通用的，既可以与气动执行机构匹配，也可以与电动执行机构或其它执行机构匹配。(1)从使用功能上选阀需注意的问题 调节功能 泄漏量与切断压差 防堵 耐蚀 耐压与耐温 重量与外观 (2)综合经济效果确定阀型 高可靠性。 使用寿命长。 维护方便，备品备件有来源。 产品价格适宜，性能价格较好。(3)调节阀型式的优选次序根据上述观点，特提供调节阀的优选次序如下：全功能超轻型调节阀蝶阀套筒阀单座阀双座阀偏心旋转阀 球阀角形阀三通阀隔膜阀。 在这些调节阀中，我们认为应该尽量不选

20、用隔膜阀，其理由是隔膜是一个极不可靠的零件，使其隔膜阀也成为了可靠性差的产品。3.2.1调节阀口径计算从调节阀的Kv计算到阀的口径确定，一般需经以下步：计算流量的确定。现有的生产能力、设备负荷及介质的状况，决定计算流量的Qmax和Qmin。阀前后压差的确定。根据已选择的阀流量特性及系统特点选定S(阻力系数)，再确定计算压差。计算Kv。根据所调节的介质选择合适的计算公式和图表，求得Kvmax和Kvmin。选用Kv。根据Kvmax,在所选择的产品标准系列中选取Kvmax且与其最接近的一级C。调节阀开度验算。一般要求最大计算流量时的开度90%，最小计算流量时的开度10%。调节阀实际可调比的验算。一般

21、要求实际可调比10。阀座直径和公称直径的确定。验证合适后，根据C确定。3.2.2 常压加热炉燃料油调节THC2115A表3-3 常压加热炉燃料油调节THC2115A设计参数常压加热炉燃料油调节THC2115A设计任务书被测介质：燃料油最大流量： 0.43 m3/h阀前压力：14（绝）kgf/cm2 阀后压力：13.5（绝）kgf/cm2工况密度：780 kg/m3 工况粘度：2.46CP工作温度：130 管道内径：50mm 选用双座V型直通阀，查得压力恢复系数为0.9。C =187.7731465254733查表得THC2115A的公称通径：DN=100 mm。C值计算步骤：1.选定调节阀的类

22、型，并据此查表得到压力恢复系数根据已知条件可选单座阀(JP) ,压力恢复系数=0.902.按下式计算液体的临界压力比系数： =0.96-0.28=0.8952 3.判断流体是否为阻塞流经判断为非阻塞流，按SI制33.80液体体积流量被测介质工况密度阀前压力阀后压力4.根据需要对C值进行低雷诺数修正计算调节阀雷诺数RedRed59474液体体积流量运动粘度5. 由 即得：选调节阀的口径为190mm。6. 结论选定单座阀(JP)，取为选定口径，非阻塞流工况，不作噪声预估。3.3 常压炉计算实例 3.3.1常压加热炉燃料油指示FI2130节流装置的计算迭代程序见附录1。3.3.2 原油缓冲罐压力阀P

23、V-101的计算迭代程序见附录2。第4章 课程设计心得两周的课程设计结束了，在这次的课程设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。 课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，着是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础。

24、在这次设计过程中，体现出自己单独设计模具的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。在此感谢我们的指导老师，老师严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；老师循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪；这次模具设计的每个实验细节和每个数据，都离不开老师您的细心指导。而您开朗的个性和宽容的态度，帮助我能够很顺利的完成了这次课程设计。同时感谢对我帮助过的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持，让我感受到同学的友谊。由于本人的设计能力有限，在设计过程中难免出现错误，恳请老师们多多指教,我十分乐意接受你们的批评与

25、指正，本人将万分感谢。参考文献1HG/T2063620639-1998，化工装置自控工程设计规定(上下卷)S .2GB/T2624-1993，流量测量节流装置 S .3奚文群，翁维勤.调节阀口径计算指南M.兰州：化工部自控设计技术中心站，1991.4董德发，张天春.自控工程设计基础M.大庆：东北石油大学，1999.5王骥程，祝和云.化工过程控制工程M .北京：化学工业出版社，2003.6郑阿奇，徐文胜AUTOCAD实用教程M北京：电子工业出版社，2003附录附录1：常压加热炉燃料油指示FI2130迭代程序15clear;clc;D=114-2*4;%gm=1*500/(273/(273+20)

26、;%(20C)gmmin=1*400/(273/(273+20);%(20C)gmmax=1*650/(273/(273+20);%(20C)t=10;%工况温度（C）u=0.0085*0.001;%工况粘度(Pa/s) lmd=0.000012;%孔板膨胀系数rd=0.000011;%管道膨胀系数p=2;%工况密度(p20=1kg/m3)P=0.3*1000000;%工作压力(Pa)k=1.315;%等墒指数b=zeros(1,10);c=zeros(1,11);E=zeros(1,10);x=zeros(1,10);g=zeros(1,10);e=zeros(1,10);c(1,1)=0.

27、6060;e(1,1)=1;red=0.354*gm/(D*u);B=(1000000/red);L=(25.4/D);%0.2396C=0.5959+0.312*(b(1,1)2.1)-0.1840*(b(1,1)8)+0.0029*(b(1,1)2.5)*(B0.75). +0.0090*L*(b(1,1)4)/(1-(b(1,1)4)-0.0337*L*(b(1,1)3);depmax=(1-b(1,1)4)*gm2/(0.004*C*b(1,1)2*D2)2*p);%depmax=862.2,取800depmax=800;dep=(gm/gmmax)2*depmax;a2=gm/(0.

28、004*D2*(dep*p)0.5);for i=1:1:10 if i3 x(1,i)=a2/(c(1,i)*e(1,i); b(1,i)=(x(1,i)2/(1+x(1,i)2)0.25); e(1,i+1)=(1-(0.41+0.35*b(1,i)4)*dep/(k*P); c(1,i+1)=(0.5959+0.312*(b(1,i)2.1)-0.1840*(b(1,i)8)+0.0029*(b(1,i)2.5). *(B0.75)+0.0090*L*(b(1,i)4)/(1-(b(1,i)4)-0.0337*L*(b(1,i)3); g(1,i)=a2-x(1,i)*c(1,i+1)*

29、e(1,i); else x(1,i)=(x(1,i-1)-g(1,i-1)*(x(1,i-1)-x(1,i-2)/(g(1,i-1)-g(1,i-2); b(1,i)=(x(1,i)2/(1+x(1,i)2)0.25); e(1,i+1)=(1-(0.41+0.35*b(1,i)4)*dep/(k*P); c(1,i+1)=(0.5959+0.312*(b(1,i)2.1)-0.1840*(b(1,i)8)+0.0029*(b(1,i)2.5). *(B0.75)+0.0090*L*(b(1,i)4)/(1-(b(1,i)4)-0.0337*L*(b(1,i)3); g(1,i)=a2-x(

30、1,i)*c(1,i+1)*e(1,i); E(1,i)=(g(1,i)/a2); if abs(E(1,i)0.0000000002 break; end endendd=D*b(1,i);d20=d/(1+lmd*(t-20)clear;clc;D=76-2*3.5;%工况管道内径(mm)gm=(4.1*559);%正常质量流量gmmin=3.2*559;%最小质量流量gmmax=5.4*559;%最大质量流量t=77;%工况温度（C）u=0.23*0.001;%工况粘度(Pa/s)lmd=0.000012;%孔板膨胀系数p=559;%工况密度(Kg/m3) P=0.6*1000000;%

31、工作压力(Pa) e=1;%因为液体b=zeros(1,11);c=zeros(1,11);E=zeros(1,10);x=zeros(1,10);g=zeros(1,10);c(1,10)=1;red=0.354*gm/(D*u);b(1,1)=0.5;%red=51124,b取0.5B=(1000000/red);L=(25.4/D);%0.3681C=0.5959+0.312*(b(1,1)2.1)-0.1840*(b(1,1)8)+0.0029*(b(1,1)2.5)*(B0.75). +0.0090*L*(b(1,1)4)/(1-(b(1,1)4)-0.0337*L*(b(1,1)3);depmax=(1-b(1,1)4)*gm2/(0.004*C*b(1,1)2*D2)2*p);%depmax=862.2,取800depmax=800;dep=(gm/gmmax)2*depmax;a2=gm/(0.004*D2*(dep*p)0.5);for i=1:1:10 if i3 x(1,i)=a2/(c(1,i)*e); b(1,i)=(x(1,i)2/(1+x(1,i)2)0.25); c(1,i+1)=(0.5959+0.312*(b(1,i)2.